（通信与信息系统专业论文）基于双极性啁啾编码的光码分多址技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 光码分多址( o c d m a ) 技术凭借其软容量，支持异步接入，高安全保密 性，网络管理便捷等优良特点，吸引了越来越多人的注意和研究，并被认为在 未来的光网络，特别是光接入网中具有巨大的发展潜力。基于强度调制直接检 测技术的o c d m a 系统实现简单，但单极性地址码的相关性不太理想，使系统 多址干扰大、编码效率低，性能不够理想；基于相位编码的双极性地址码有着 良好的相关性，但系统对自身结构的光学参量控制要求较高，实现起来较困难。 本论文结合两者优点研究出了基于强度调制直接检测技术的双极性编码 o c d m a 系统方案。 分析了线性啁啾布拉格光纤光栅( l c f b g ) 对正反端入射的高斯脉冲产生 的正负色散特性，利用正负色散对脉冲的压缩和展宽实现了脉冲的双极性编码； 提出了种基于l c f b g 和光纤延迟线的正负啁啾编码o c d m a 方案。建立了 系统结构的数学模型，从理论上推导证明所设计的编解码方案的可行性。仿真 了系统结构中的各点信号时域波形，从数值上证明了方案的可行性。推导了系 统误码率公式，分析其误码率等性能；数值分析了单用户最大数据速率、系统 吞吐量等系统性能，并定量分析了l c f b g 色散量对系统性能的影响。 结果表明，在相近码长情况下，本论文提出的基于双极性啁啾编码的 o c d m a 系统误码性能远远高于一维素数码o c d m a 系统；在同码长、同误码 性能情况下，本方案的系统在线用户数约为电域中b p s k - c d m a 系统( 地址码 同样采用g o l d 码) 的两倍。系统的归一化吞吐量峰值都是在负载接近于四分之 一码长时获得，在负载中等或较重时，增大码长可以获得更大的归一化吞吐量。 为了降低光纤传输引起的色散对系统性能的影响，方案前后级线性啁啾光 纤光栅l c f b g l 和l c f b g 2 的色散系数应该尽量大。通过仿真发现l c f b g l 的色散系数鼠，对系统性能影响较大。为保证解码器能正确解码，q ：的上限是 确保地址码片不相互干扰。而l c f b g 2 的色散系数岛：对系统性能的影响不大。 关键词：光通信；光码分多址；线性啁啾光纤光栅：双极性编码；差分检测 西南交通大学硕士研究生学位论文第1l 页 - i - - - - _ i _ _ _ l _ _ _ l - - - - i _ l i l l _ m i i - _ l - _ _ l - - _ i i _ _ - _ i _ _ a b s t r a c t o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u r i p l ea c g e s s ( o c d m a ) i sg e t t i n gm o r ea n dm o r e a t t e n t i o nf o ri t sg o o dp e r f o r m a n c e ss u c h 弱h i g hs e c u r i t y ，s o f tc a p a c i t y ，a s y n c h r o n o u s a c c e s s ，c o n v e n i e n tn e t w o r km a n a g e m e n t 。o c d m ai sr e g a r d e da so n eo ft h em o s t p o t e n t i a lt e c h n i q u e si nt h ef u t u r eo p t i c a ln e t w o r k s ，e s p e c i a l l yi nt h eo p t i c a la c c e s s n e t w o r k s o c d m as y s t e mb a s e do ni n t e n s i t ym o d u l a t i n g d i r e c td e t e c t i n g ( i m d d ) i se a s yt or e a l i z e d ，b u ti t sp e r f o r m a n c ei sn o tg o o dd u et ot h en o n - i d e a lc o r r e l a t i o no f o n e - d i m e n s i o n a lc o d e t h eb i p o l a rc o d eb a s e do np h a s em o d u l a t i n gh a sag o o d p e r f o r m a n c e ，b u td i f f i c u l tt or e a l i z e dd u e t oi t sh i g ho p t i c sp a r a m e t e r c o m b i n i n gt h e t w os c h e m e sb e n e f i t ，t h eo c d m ab a s e do ni m d da n db i p o l a rc o d i n gi sp r o p o s e d i nt h i sp a p e r t h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v ed i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i co fg a u s sp u l s ew h i c he n t e r s i n t ol i n e a rc h i r pf i b e rb r a g gg r a t i n gf r o md i f f e r e n te n d si sa n a l y z e d ab i p o l a r c o d i n gs c h e m ef o rp u l s ei s a c h i e v e du s i n gt h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v ed i s p e r s i o n c h a r a c t e r i s t i c ab i p o l a rc h i r p e do c d m as c h e m e ，b a s e do nal c f b ga n df i b e r d e l a yl i n e ，i sp r o p o s e d i nt h i sp a p e r t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs y s t e mi s e s t a b l i s h e d ，a n dt h es y s t e mb i te r r o rr a t e ( b e r ) f o r m u l ai sp r e s e n t e d t h es y s t e m p e r f o r m a n c e ，s u c ha sb e r ，n o r m a l i z e dt h r o u g h p u t ，l a r g e s ts i n g l e u s e rd a t ar a t ea n d i m p a c to fl c f b gd i s p e r s i o n ，i sa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mb e ri no u rs c h e m e si sm u c hb e t t e rt h a nt h a ti n o n e d i m e n s i o n a lp r i m ec o d eo c d m as y s t e m s w i t ht h es a m ec o d el e n g t ha n de r r o r r a t e ，t h en u m b e ro fo n l i n eu s e r sc a l lb eu pt ot w i c eo ft h a ti nb i n a r yp h a s es h i f t k e y i n g ( b p s k ) c d m as y s t e mi nt h e e l e c t r o n i cd o m a i n t h ep e a kn o r m a l i z e d t h r o u g h p u ta p p e a r sw h e nl o a de q u a l st oq u a r t e rt h ec o d el e n g t h w h e nt h el o a di s m o d e r a t eo rh e a v y , i tc a l lg e tal a r g e rn o r m a l i z e dt h r o u g h p u tb yi n c r e a s i n gt h ec o d e l e n g t h i no r d e rt or e d u c et h ei m p a c tc a u s e db yf i b e rd i s p e r s i o nt os y s t e mp e r f o r m a n c e ， t h el c f b g d i s p e r s i o ni nt h es c h e m es h o u l db ea sl a r g e r 嬲p o s s i b l e 。b u ts i m u l a t i o n s i nt h i sp a p e rf i n dt h a tt h eb e f o r e c l a s sl c f b gd i s p e r s i o ng r e a t e ri m p a c to nt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第lll 页 - - - 嗍i i i i i i i i i i ii l li i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i 一i i i i i i i i i i h i i i i m l l _ _ _ _ - _ _ - - _ _ - _ _ _ s y s t e mp e r f o r m a n c e 。t h eb e f o r e - c l a s sl c f b gc e i l i n gd i s p e r s i o ni st oe n s u l ea d d r e s s c h i pd on o ti n t e r f e r ew i t he a c ho t h e r t h ea f t e r - c l a s sl c f b gd i s p e r s i o nl i t t l ei m p a c t o nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e 。 k e yw o r d s ：o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ；o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ；l i n e a r c h i r pf i b e rb r a g gg r a t i n g ；b i p o l a rc o d i n g ；d i f f e r e n t i a ld e t e c t i o n 西南交通大学豳甯父建大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文俸者宠全了解学校有关保留、使用学位论文豹靓定，麟意学校保留并自毽 家有关郝门或毫 l l 构送交论文的复印传帮电子舨，允许论文被查阅和借瓣。本人授权嚣 鬻交通大学可以将本论文的全部藏部分内容编入有荚数据库进行检索，霹以采耀影印、 缩印或翘攒等复印手段保存辩汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 ，保密口，在年解密后适用本授权书； 2 。不保密d 使用本授权赫。 ( 请在以上方框内打群4 ) 学位论文修翥躲旅罕 嚣期f 1 ：t ：秘孑，f 。知l 指导老师签名l 齐武 器期： 酗爹。f 。嘶 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 ) 分析了线性啁啾布拉格光纤光栅( l c f b g ) 对正反端入射的高斯脉冲产 生的正负色散特性，利用正负色散对脉冲的压缩和展宽实现了脉冲的 双极性编码。 2 ) 提出了一种基于线性啁啾布拉格光纤光栅和光纤延迟线的正负啁啾编 码光码分多址方案。方案在时域内采用l c f b g 及光延时线对数据信息 和双极性地址码进行正负啁啾编码，接收端首先通过反向放置l c f b g 解啁啾，再进行匹配滤波，最后差分检测出有用信号。 3 ) 仿真了所提出的方案结构各点的信号时域波形，从数值上证明了方案 结构的可行性；从理论上推导了系统误码率公式，分析其误码率等性 能；数值分析了单用户最大数据速率、系统吞吐量等系统性能，并定 量分析了l c f b g 色散量对系统性能的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 光网络中多址技术的分类及其特点 进入二十一世纪以来，电子信息技术高速发展，电子信息产品目新月异， 信息数据迅速膨胀，与人们的生活联系更加紧密，使得信息产业成为二十一世 纪的支柱产业之一。信息产业的发展也对通信技术提出了越来越高的要求，逐 步向宽带化、网络化综合化发展。近年来，各种宽带新型信息业务大量涌现， 如视频点播、视频电话、高清晰图像传输和视频远程会议等，这些多媒体信息 业务需要更多的带宽资源，使得具有巨大带宽资源的光纤通信技术得到了快速 的发展和应用。同时光纤通信还有成本低、易维护、不怕电磁干扰，与同轴电 缆相比可以节省大量有色金属和能源等优点【l 】。光纤通信技术己经成为信息产 业关键技术之一。 如何提高网络的传输带宽以适应时代的发展成为了国际上几家著名的电信 大运营商急需解决的问题。目前网络扩容的技术主要有：波分复用多址 ( w d m a ) 【2 1 、频分复用多址( f d m a ) 、时分复用多址( o t d m a ) 、空分复 用多址、副载波复用多址( s c m a ) 、光码分复用多址( o c d m a ) 等，逐步 得到了人们的重视。在综合网络建设成本和网络性能因素后，现在认为最具潜 力的是光时分复用多址、波分复用多址和光码分复用多址等技术【3 】。 波分复用多址技术是在一根光纤上同时传送波长不同的多个光载波，用不 同波长的光载波来区分不同的用户。光波分复用多址技术的优点是用户间寻路 简单，而且光波分复用器是无源器件，结构简单，体积小，可靠性高，易于光 纤耦合，成本低。波分复用技术已经比较成熟并投入商用。目前研究热点主要 集中在密集波分复用( d w d m ) 上。但是通信用光谱宽度也就十几至几十n m ， 因此采用w d m a 技术所能容纳的用户容量是有限的。 频分复用多址与波分复用多址技术本质上没有什么区别。但是 f d m f d m a 系统的光载波间隔更小，一般小于l n m 。f d m a 系统能够容纳更 多的用户，但是此时传统的w d m 器件如波分复用器解复用器已很难区分开光 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 载波，因此系统对光源和滤波器的要求更加苛刻，设备的复杂度和成本大大提 高。而且随着载波间距的减小，光纤中的光强越来越强，光纤非线性也越来越 严重，也会限制了波长的密集度。 时分复用多址是在电的通信系统中已经成熟并得到广泛应用的技术。光的 时分复用，多址与电的时分复用多址在原理上是糯似的，通过把时间划分必不同 的时隙，每个用户占用不同的时隙来区分不同用户的信号。但是由于电子瓶颈 的存在，在高速光网络中，光时分复用7 多址技术要求采用光的复接和分接，实 现比较困难。另外光时分复用多址只能应用于同步系统，发送端与接收端的时 钟频率和程位要实现精确的圊步，这在数据速率较高时也很难实现。因此高速 光时分复用多址技术目前还很少采用。 空分复用多址由不同的空闻分割来确定信道路由。与其他方法相比，在这 种复用方式中每个信道都有自己的空间位置，因此，不同用户的信号需要在不 同的光纤中传输，或通过同一光纤的不同模式( 即模分复用) 传送。但前者是 对光纤的巨大的带宽的浪费，后者在实现上十分困难。 副载波复用多址是将多个用户信号分别调制在不同频率的电载波上，也就 是送行电的频分多址，然后把这些经过频分多址的电信号群对一个光载波进行 调制。该技术的最主要优点是可以充分利用已成熟的微波技术，易于实用化。 僵该技术毕竟需要经过对微波帮光波的两次调制，增加了系统复杂度，因此大 多作为一种复用技术用于用户接入网的c a 多频道的传输系统。 码分复用璧；垃是一种扩频通信技术，由于其优良的性能，旱先主要应用于 军事领域，最近十几年更是广泛应用于卫星通信和移动通信，特别是在移动通 信孛的应用已经逐步商业化，并证明其可能成为本世纪主要的多址接入手段。 c d m a 在光纤通信中应用的研究也正在逐步开展之中。在o c d m a 系统中，系 统给每个用户分配一个唯一的地址码字，用户的信号用地址码字序列来填充， 这样不同用户信号可调制在同一光载波上在光纤信道中传输，接收时只要用相 应的地址码字进行相关接收，即可恢复原用户信息。这里的关键是不同用户的 地址码之间应巍是正交的，因此相关接收时，其它用户的信号不会构成同信号 干扰，而只相当于噪声。 o c d m a 系统工作在低色教窗瑟，通过直接光编码和光解码，实现光信道 的复用和信号交换，能较好地发挥光纤信道频带宽的潜力，它具有地址分配灵 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 活，用户可随机接入，动态分配带宽、网络容易扩展、多址连接和控制灵活方 便、网管简单、保密性强等优点，适合于对实时要求高，业务突发性强、速率 高的宽带通信。而且o c d m a 对光源的稳定性、谱线宽度等要求比波分复用要 低，用已成熟的透信系统光源郎可；用户所用设备可规格化，便于制造和维护， 因此对今后的本地网、用户接入网来说有很好的应用前景。目前世界各国都在 开震研究，虽然尚不成熟，但具有很大的研究价值。 重。20 c d m a 技术的发展及其现状 c d m a 技术在光纡通信中应用的研究可以追溯到上世纪7 0 年代末。1 9 7 8 年，e m a r s o n 等人首次提出在光处理中采用光纤延迟线应用于o c d m a 技术中； 8 0 年代后期，美国的了+ a 。s a l e h i 提出了采用光正交码的光码分多址理论和实验 方案后，全世界许多光通信领域的同行把目光投向了这个新领域。1 9 8 3 年d a v i e s 和s h a a r 提出了非相干o c d m a 方案【4 】，但时域非相于系统只能采用单极性码， 因此其性毹受到单极性地址码容量小、码长的制约，使得系统的容量有限，传 输效率很低，这使得实验系统的性能不理想。1 9 8 4 年，d a v i e s 和j a m e s 提出了 时域相干o c d m a 系统方案l 。这种实验系统需要超短光脉冲和时间带宽极大 的光源，而这是相当困难的。1 9 9 3 年，g r i f f i n 和s a m p s o n 第一次提出了基于宽 光谱连续光源的相干光谱楣位编码系统潮。同年，k a v e h r a d 和z a c c a r i n 提出 了光谱幅度编码系统【j 7 1 ，并提出了其实现方案，该系统属于非相干系统，因此 可以壹接探测。谱域编码系统可以工作在毙特速率上，提高了传输效率。 在一维编解码研究的基础上，人们也开始了对多维码的研究。1 9 9 7 年，l t a n c e v s k i 等提出了二维时域频域系统f 8 】，采用了二维的素数跳频码。1 9 9 8 年， h f a t h a l l a h 等提出了光跳频的概念f 9 】，并且首次用多布拉格光纤光栅作编解码 器。2 0 0 1 年，成都电子科技大学的万生鹏博士和胡渝教授提出了采用p r i m e o o c 码作为地址码的二维光正交时域扩频、频域跳频系统瓣孵。2 0 0 7 年，深圳大学新 技术研究中心的吉建华等人提出了以素数码( p c ) 作为时间扩频序列，以单重 合序列( o c s ) 作为波长跳频序列的二维光正交码【l 玎，系统性能有所提高，波 长数并不局限于素数，可以是任意整数，使得构造更加灵活，但还没有对应的 系统方案报道。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 由于双极性码的优良性能，一些研究机构开始着手实现双极性码的编解码器 系统，主要是利用超结构光纤光栅( s s f b g ) 来实现。在频域编解码方面，l n g u y e n 等人1 9 9 5 年报道了用衍射光栅、共焦平面棱镜和幅度掩膜板对光脉冲的 频谱实现编解码，再通过码变换以及平衡检测技术实现- r x 2 极性【1 2 1 。1 9 9 7 年 t a s s l i id e n i l i s 等人从实验上论证了l n g l 】y e n 等人的模型。该模型不足之处在 于：结构不紧凑稳定性差，光源谱宽严重影响系统容量，色散和混频噪声较大。 1 9 9 8 年c e d r i cel a m 等人通过应用互补光谱编码和平衡发送接收技术，实验了基 于波分复用和哈达码矩阵的双极性编码【1 4 1 。该模型在结构上较紧凑，但光源谱 宽以及色散和混频影响仍然存在。在时域编解码方面，2 0 0 3 年马君显等人利用 光开关控, u 2 个单极性光纤延时线编码器和1 个具有平衡互补结构的解码器，提 出了一种双极性编码o c d m a 的理想情况模型【l5 1 。2 0 0 5 年沈成彬等人提出了一 种基于线性啁啾光纤光栅的啁啾编码o c d m a 系统。但该系统只是地址码使用了 双极性啁啾编码，没有对数据进行双极性编码【l6 1 。2 0 0 8 年，h w a ns e o kc h u n g 等人报道了基于非相关宽带光源和双极性地址码的增强安全型的o c d m a 实验 系统【1 7 1 ，验证了在2 0 k m 传统单模光纤上传输1 2 5 g b s 的信号时，系统保证了用 户的信息安全；并且分析了系统安全性与码片谱宽的关系。 现在国外o c d m a 研究主要趋势是高速率，集成化，可调谐和更多用户的 方向发展。一些最新研究成果有英国南安普顿大学的光电磁研究中心 ( o p t o e l e c t r o n i c sr e s e a r c hc e n t r e ，u n i v e r s i t yo fs o u t h a m p t o n ，s o u t h a m p t o ns 0 17 1 b j ，u n i t e dk i n g d o m ) 于2 0 0 2 年实现了1 6 通道基于1 6 码片( 码片速率为 2 0 g c h i p s ) s s f b g 的o c d m a 系统【l 引。日本国家信息和传输技术研究机构 ( n a t i o n a li n s t i t u t eo fi n f o r m m i o na n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，简称n i c t ) 在美国召开的o f c 2 0 0 5 上展示了十用户，基于超结构光栅的异步光c d m a 系 统，码片速率高达6 4 0 g c h i p s ( 码长5 1 1 ，比特速率1 2 5 g b s ) 【1 9 】；加拿大的 m c g r l l 大学( t h ep h o t o n i cs y s t e m sg r o u p ，d e p a r t m e n to fe l e c t r i c a la n dc o m p u t e r e n g i n e e r i n g m c g i l lu n i v e r s i t y ) 基于对非相干光c d m a 研究研制成了时域频域 扩展的二维的光c d m a 编解码器件，支持传输速率1 0 g b p s ；美国加利福尼亚 大学在国防高级研究项目机构( d e f e n s e a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t s a g e n c y ，简 称d a r j 埝) 的支持下，研制出了基于a w g 的单片集成的编解码器芯片，芯片 大小为1 2 m m x 4 m m ，使现可调谐的一维相位编码技术；美国普林斯顿大学研制 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 了用于环形网的全光分插复用单元( a d d d r o pm u l t i p l e x e r ，简称a d m ) ，用户数 为4 ，单用户的比特速率为2 5 g b s 。 相对于w d m 的商用来说，o c d m a 的商用发展则相对缓慢一些。1 9 9 8 年， c o d e s t r e a mt e c h n o l o g i e s 公司宣布实现了o c d m a 商用产品，但3 年后该公司 即提出破产保护申请。2 0 0 1 年1 1 月a p n 公司推出的a p n 1 0 0 8 0 c d m a 多路复 用器引起轰动。该产品以o c d m a 技术为核心，支持多种速率( 1 0 m b s 1 0 g b s ) ， 多路协议( t d m ，c e l l ，p a c k e t ) 和多种拓扑结构( r i n g ，m e s h ，b u s ，t r e e ) ，并可在保 持当前光网现有投资状况下，增加用户容量和网络冗余量。这被专家们称之为 通信史上一大创举，但其实用前景还有待进一步考察。随着w d m 全光网络发 展，光器件有了极大的发展，困扰o c d m a 发展的全光器件的实现问题，比如 高速调制性能的宽光谱光源，超短脉冲光源，高速光开关，布拉格光纤光栅 ( f b g ) ，阵列波导光栅( a w g ) 等器件都获得了高速的发展，因此o c d m a 技术在本世纪初又呈现了良好的发展趋势。 1 3o c d m a 关键技术 1 3 1 地址码设计 地址码是o c d m a 系统的核心技术之一。在满足自、互相关要求下，尽量 能容纳更多用户。目前已提出的光正交码( o o c ) 、素数码、准素数码、2 n 素 数码、全等码、同余码等i 2 0 ，但这些单极性码存在一定限制： ( 1 ) 码组稀疏，使码片周期很短，要求更短光脉冲，但其色散更加严重， 限制了网络容量，且实现困难； ( 2 ) 提供的有用码字较少，编解码效率较低： ( 3 ) 给定任意码长、码重下，不能全部得到码字； ( 4 ) 虽然在一定条件下满足了相关性，但与理论的要求相差很远。 多波长光纤光栅编解码器是在光纤不同位置写入不同波长的子光栅，要求 子光栅之间的位置不能太长，因此使码组稀疏的码不能应用到该系统中，可以 克服码组稀疏的限制，如在o c d m a 系统中采用一次重叠码。采用波长、空间 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 和时间组合的多维编解码，可以较好的解决系统容量限制。相位编解码和码字 转换等其他双极性系统可以采用c d m a 中相关性很好的双极性码，是解决码字 相关性较差的理想方案。 1 3 2 光编解码器设计 光编解码器是o c d m a 系统实现通信的关键技术之一。许多研究者致力于 这方面的研究，也取得了很多的突破，但要实现o c d m a 技术的商业化还有一 定的困难，需要解决编解码器的编解码灵活性、可靠性和商业化等问题。 ( 1 ) 光纤延迟线编解码器 光纤延迟线编解码器主要由光纤延迟线在时域实现编解码，不改变信号的 谱域特征，适用于直接序列扩频光码分多址系统( d s o c d m a ) 中。时域光纤 延迟线编解码技术的发展较为成熟，主要有三种结构形式：平行结构，梯形结 构和可调式结构。如图1 1 所示的平行结构光纤延迟线编解码器中，这种结构 要求光信号的占空比很低，为1 0 j 量级。平行结构光纤延迟线编解码器的优点 是结构简单，缺点是损耗较大，不宜调谐【2 l 】。 o l l m l 2 一一 l x ww x l 坟 鼢t 躲“：t 0 一t 姥j 伤 耦合器 耦合器 矿 r ( ) ( ) l nn n 几 输入光脉冲输出光脉冲 图1 1 平行结构光纤延时线编码器原理图 如图1 2 所示是梯形结构编解码器原理图。用梯形网络替代图1 1 中平行光 纤延迟线，由w 个3 d b 耦合器c 和w - 1 个光纤双链路组成。该结构的上层光 纤长于下层光纤，其长度差由码字中相邻的“1 ”的位置差决定。梯形结构的优 点是损耗较小，功率效率得到提高。缺点是对扩频地址码的结构要求较高，适 合用2 n 素数码，但这种码字容量较小。为了地址码灵活可调，以2 x 2 光开关k 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 代替光纤耦合器实现可调式光纤延迟线编解码器，如图1 3 所示。 l 1l 2 弋7 c lc 2c 3 c n 1c a 图1 - 2 梯形结构编解码器原理图 k lk 2k 1k 2 图1 3 可调式光纤延迟线编解码器原理图 ( 2 ) 衍射光栅和相位掩模板编解码器 相位掩模板 宽 图1 _ 4 衍射光栅相位掩模板编解码器 衍射光栅相位掩模板编解码器是在频域实现编解码，信号的时域特征没有 改变，适用于频域编码光码分多址系统( f e o c d m a ) 。衍射光栅相位掩模板 编解码器由反射式衍射光栅、透镜、相位掩模板和反射镜等器件构成，结构示 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 意圈如图1 4 所示。当作为解码器的相位掩模板的掩模番数与编码器的掩模函 数成线性复共扼关系时，解码器就能解码，实现对信号的重构。 ( 3 ) 光纤布拉格光栅编解码器 光纤光栅以其优越的性能在检测技术和光通信技术等领域被广泛运用， f b g 是光纤光栅中利用其反射性能的种。其基本结构是以共振波长( 即b r a g g 波长) 为中心的窄带光学反射器。级联f b g s 既有光纤的延时功能，又有选频 的功能。因此，通过f b g s 的适当组合既可实现d s o c d m a 系统的时域编解 码 2 3 1 ，又可实现f e o c d m a 系统的频域编解码渊，也可实现混合 f e d s o c d m a 二维系统的编解码【乃j 。 触矗- 攀 7j，二 输入脉冲 ，。，。，譬 蠢蠢。 五 - - - - + 输出脉冲 图1 - 5 阵列波导光栅编解码器 ( 4 ) 阵列波导光栅编群码器 a w g 是在同一块衬底上集成阵列波导光栅、输入输出波导和平板波导而构 成的光器件。a w g 的直接功能是将宽带信号分解力多个信号码片输出，当连接 光纤延时器件时，可以对d s o c d m a 系统实施时域编解码，当连接空间滤波 器件时，可| 以对f e o c d m a 系统实施频域编解码啦】，如图1 5 所示。 ( 5 ) 二维编解码系统 二维a t o c d m a 系统 2 7 - 3 0 l 的编码器和解码器通过星型网络结构连接。在 编码器端，先对输入用户数据的波长入进行编码，再对时域进行编码，输出的 编码信息同时携带时域和频域二维特征。各用户编码后的二维信号进入星型耦 合器，分别在时域和频域二维叠加，形成合信号。接收端接收到合信号后，若 要恢复某个用户的数据，用与该用户地址码匹配的二维序列对叠加信号进行解 码，先对时域进行麓码再对频域解码，通过光纤延迟线对合成信号进行抽取后， 酉南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 再送入频域解码器解码，恢复用户数据。 除了上述的编解码原理，还有马赫曾德( m z i ) 干涉仪链编解码器，光扫 描编解码器、薄膜腔编解码器、分支光波导编解码等。这些编解码都有定的 局限性【绷，怎样设计也灵活、稳定、可靠和高效的编解码是实现o c d m a 技术 走向实用的又一“瓶颈”。 1 3 3 多址干扰的消除 与波分复用和时分复用技术相比，光多址干扰( o m a i ，o p t i c a lm u l t i p l e a c c e s si n t e r f e r e n c e ) 也是o c d m a 系统中关键阅题。由于不同地址之闻没有波 长或者时间上的保护，所有用户的光信号重叠在同一波长和时间段上，用户之 间的光信号存在着互相关干扰。特别是单极性伪随机地址码的正交性差，解码 时不能完全消除由此引起的信道干扰，这种干扰带来的问题就更加突出。多址 干扰般远远大于o c d m a 系统中的其它干扰源，它的存在是限制o c d m a 系 统广泛应用的一个重要因素。消除多缝干扰可以将干扰地址的毙信号认麓弱嗓 声源样，对其它用户的码字分布、时延和干扰强度不作任何的假设，而是将 多址干扰当作随杭噪声，采雳抑制多蛙干扰的器件，如光限幅器等，将多址干 扰压制到较低的水平。这种消除方法称为盲检测。 另一种消除方法剥与富捡测相反，它利用其它用户的己知信息去消除多垃 干扰的影响，充分利用其它用户的信息，把所有用户信号都不当成千扰，而作 为己知有用信号处理，其前提是对接收机对整个系统的用户分布、码组情况有 充分的了解。这种消除方法的代表是多用户检测技术p 。目前，o c d m a 系统 中的多用户检测技术还存在着定的局限。 除此而外，光码分多址系统还有码字同步技术f 3 2 】、超短脉冲光源技术f 蠲、 光功率控制技术和光学逻辑运算技术p 4 】等需要解决。 1 4 本论文的主要研究工作 基于强度调n 直接检测技术的编码系统实现简单，但单极性地址码的相关 性不太理想，使系统多址干扰大、编码效率低，性能不够理想；基于樱予光技 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 术的双极性地址码有着良好的相关性，但系统对自身结构的光学参量控制要求 较高，实现起来较困难。本论文主要目标是结合两者优点研究出基于强度调制 直接检测技术的双极性编码o c d m a 系统方案。研究利用线性啁啾光纤光栅 ( l c f b g ) 正反端入射对光脉冲的正负色散效应，设计出一种基于双极性啁啾 编码的光码分多址方案，并从理论和数值上对方案进行证明和分析。具体内容 及章节安排如下： 第一章，绪论。阐述光网络中多址技术的分类及其特点，分析了o c d m a 技术的发展及其现状，总结了o c d m a 的关键技术，并介绍了论文研究的主要 工作以及总体框架。 第二章，分析l c f b g 对高斯脉冲的色散效应，利用l c f b g 不同端入射所 产生的正负啁啾特性，寻找出能产生双极性编码的方法，为第三章的系统结构 数学模型提供理论基础。 第三章，设计出一种基于线性啁啾布拉格光纤光栅和光纤延迟线的正负啁 啾o c d m a 方案。建立了系统结构的数学模型，从理论上推导证明所设计的编 解码方案结构的可行性。 第四章，仿真系统结构各点的信号时域波形，从数值上证明方案的可行性。 推导了系统误码率公式，分析其误码率等性能；通过与已经报道的其他系统作 性能比较，来分析系统的优点和不足。并数值分析了单用户最大数据速率、系 统吞吐量等系统性能。 总结与展望部分对本文的研究内容进行了总结，并对双极性啁啾编码的光 码分多址系统的前景以及值得进一步研究的方向进行展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第 页 第2 章线性啁啾光纤光栅正负色散理论 光纤光栅形成于芯内，其损耗低，反射和色散特性良好，在光纤通信和传 感中有广泛的用途【3 5 2 1 。它利用光纤的紫外光敏性使之在光纤内形成折射率周 期性变化波导结构，从而可选择性地反射特定波长的光波。线性啁啾布拉格光 纤光栅由于其反射带宽大，在反射带宽范围内能够产生大而稳定的色散，从而 使其在光纤的色散补偿瑟舅、光脉冲的聪缩f 翊、掺饵光纤放大器7 j 8 1 及可调谐光 纤激光器 3 9 - 4 1 】等方面有着重要的应用。 本章将重点从理论上分析k f b g 的反射谱和群延时，以及高斯脉冲经过 l c f b g 反射后的脉冲展宽和压缩情况，以作为第三章编解码模型的理论基础。 2 1l c f b g 的结构特性 光纤的折射率在某些波长的光的照射下，将发生永久性的变化，这就是光 纤的光敏特性【4 3 】。依照这个特性，将单模光纤的纤芯暴露于光强周期性变化的 紫外光源下，就可以得到折射率受调制的光纤光栅。l c f b g 的折射率受劐菲均 匀周期性的调制，其周期沿轴向是线性变化的。其原理如图2 1 图所示。 z 图2 - 1( a ) l c f b g 的结构( b ) 纤芯中的折射率周期沿轴向线性变化 折射率方程可以表示为脚l ： 艿? 而卜s ( 警z 吲z ，) ，) 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 其中s 是折射率调制的条纹可见度，人为光栅的布拉格周期，矽( z ) 描述光栅 啁啾，对于线性啁啾光纤光栅有：妒( z ) = f z 2 r ( f 为啁啾系数，l 为光栅 长度) 。荔矿表示直流有效折射率变化( 即折射率调制幅度) 。 在每个周期的折射率变化处都会有一小部分入射光发生反射。当强耦合模 式反射时，某特定波长的反射光就会汇聚成一强反射光，这就是布拉格条件， 这个发生反射的特定波长为布拉格波长。只有满足布拉格条件的波长才会产生 强反射，入射光的反射率将在布拉格波长处达到峰值。事实上，除了相位匹配 的布拉格波长厶处会发生反射以外，布拉格光栅对其它波长的入射光相当于是 透明的。由于l c f b g 的周期沿轴向是线性变化的，根据布拉格条件，其在光 栅的不同位置将会有不同的反射波长。因此，光脉冲经过l c f b g 反射回来时， 不同光谱成分的群延时不一样，会有色散效应。 2 2 耦合模理论及传输矩阵法 耦合模理论常用来定量分析布拉格光栅衍射效率和光谱分析，由于其简单 精确，已成为分析布拉格光栅特性最常用的一种方法。在文献【4 5 】和文献 4 6 】 中对此理论已经进行了大量的论述，这里将不再进行推导，e r d o g a n 用耦合模 理论研究光纤光栅的光谱特性，给出均匀光纤光栅光谱的解析解，同时，提出 非均匀光纤光栅的传输矩阵解法【47 1 ，成为研究光纤光栅光谱理论的纲领性文献。 本节下面的论述源于e r d o g a n 的工作。将光栅中的横向电场分解为理想模式之 和，这些模式可以通过求解无微扰光纤而得，其下标为m ，得到： e r ( 工，y ，z ，0 - - e a ( z ) e x p ( i f l z ) + b ( z ) e x p ( 一i f l m z ) e r ( x ，y ) e x p ( - i a g ) ( 2 2 ) 式中，彳。( z ) 与吃( m z ) 分别表示第m 阶模场沿+ z 与一z 方向缓慢变化的幅度，传输 常数可以简单的表示为：= ( 2 r t 允) 咒咿。横向模场( y ) e x p ( - i c o t ) 可表示纤 芯、包层或辐射模。在理想情况下，各阶次模式之间没有能量交换，然而由于 光栅中周期性介电微扰的引入导致了模间耦合的产生。在这种情况下，以( z ) 和 吃( z ) 沿纵向的变化为： 孕= i 4 ( + 嗥) e x p i ( f l q 一尾) z 】+ 毛( 一) e x p - i ( f l q + 尾) z 】 ( 2 3 a ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 譬= _ 名( 一略) 哪【( 纹+ 兔 z 】一曩( + c ；, , , ) e x p - i ( f l q 一统) ：】 ( 2 。3 b ) ” gq 第搬阶与第q 阶模式的横向耦合系数可以用如下积分式表示： ( z ) = 詈班出拂咖融y ) e o ，y ) d x d y ( 2 4 ) 式中，a s ( x ，y ，z ) 表示介电微扰，对于锄的折射率变化可表示为2 n s n ，远小于 折射率摆。纵向模间耦合系数的定义如同横向辗合系数的定义，但一般情况下， n n d , - 予。 在许多情况下，紫外光照射后的折射率变化8 n ( x ，y ，z ) 在纤芯区近似均匀而 在包层可以忽略。按此假设，可以仿照式( 2 1 ) 来定义纤芯的折射率变化，只 要用磊。( z ) 来代替蕊眄( z ) 最p - - i 。现在，再定义两个新的参数，即自耦合系数与 交叉耦合系数，如下所示嘲： 善( z ) = 国每瓦( z ) f j 专( 而y ) 气t + g ，y ) d x d y ( 2 5 ) “ c o t e ( ：) = 詈厶( 三) ( 2 6 式中，厶( z ) 为直流耦合系数( 自耦合系数) ；( z ) 为交流耦合系数( 交叉耦 合系数) 。因此总藕合系数可表示为： ( z ) = 厶( z ) + 2 ( 咖。s l 警z + 出) l ( 2 - 7 ) 下面详细讨论光纤布拉格光栅的耦合理论。光纤布拉格光栅是一种反射型 光栅，光栅中的模式属于反向模式的耦合，对式( 2 3 a ) 和式( 2 - 3 b ) 进行筒化 得到如下等式： _ a ：g - + 么+ ( z ) + l 芷霎+ ( z ) ( 2 8 a ) 军：一f + 矿( z ) 一