（通信与信息系统专业论文）光码分复用中的编解码技术.pdf

中文摘要 随着因特网的迅猛发展，通信传输容量剧烈膨胀，尽管目前对d w d m 的研究 方兴未艾，但随着波长间距的逐渐减小，它对光源和滤波器的要求愈加苛刻，另 外随着复用波数的增加，光纤中的光强越强，非线形越来越严重，所以未来的网 络波长资源可能出现匮乏；光时分复用( o h ) m ) 技术，由于需采用光脉冲压缩、 光脉冲时延、光均衡放大、光色散补偿、光时钟提取、光再生等技术，而这些技 术的实现也并非易事：光码分复用( o c d m a ，o p t i c a lc o d e d i v i s i o n - m u l t i p l e x i n g ) 系统采用同一波长的扩频序列，频率资源利用率高，它与w d m 和o ) m 结合， 可以大大增加系统容量。 对于o c d m a 通信，扩频码的选择非常重要。扩频码的类型，长度和 速率直接影响到编码的实现难度、变址能力、系统的抗干扰能力、系统的 容量等，因此为了提高0 c d m a 系统的性能就必须选择合适的扩频码在 可能用于o c d m a 系统的众多码字中，任何一种码字都必须适用于相应的编解 码方式。论文首先介绍了o c d m a 中采用的扩频码。 然后论文分析了几种重要的编解码技术。编解码器是o c d m a 系统的核心技术， 对它的研究也是本文的重点。 在论文的最后一部分探讨了基于光纤布拉格啁啾光栅的频域编解码器的 方案。作为一种扩时系统，设计方案的思想起源于传统的体光栅一掩模板 频域编码。通过对w a l s h 序列地址码做一变换，提出了利用光纤布拉格步进 啁啾光栅实现o c d m a 编解码的方法。对该编解码器进行数值模拟的结 果，表明编码器有很好的相关特性。并分析了影响编解码相关性能的因素。 最后对该编解码器的系统性能进行了分析，并且给出了系统分析结果的结 论。 关键词：自相关，互相关，编码器，解码器，光纤光栅 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e m e t ，t h ec o m m u n i c a t i o nc a p a c i t yi ss h a r p l y e x p a n d e d t h es p a c eo fw a v e l e n g t hg r a d u a l l yr e d u c i n g ，t h e r ei ss t e mr e q u i r e m e n ti n s e l e c t i n gl a s e r s o u r c ea n df i l t e r f u r t h e r m o r e ，t h ei n t e n s i t yo f l a s e rb e c o m e h i g h e r a n d t h e n o n l i n e a r i t y s e v e r e ri nf i b e rd u et h e i n c r e a s i n g n u m b e ro f m u l t i p l e x i n g w a v e l e n g t h c o n s e q u e n t l y , t h ew a v e l e n g t hr e s o u r c ei nm a i n s t r e a mw d m a n e t w o r k b e c o m e se x h a u s t e d ；i ti sd i f f i c u l ti nr e a l i z i n go t d m a t e c h n i q u eb e c a u s e t h eo p t i c a l p u l s ec o m p r e s s i o n 、o p t i c a lp u l s et i m ed e l a y 、o p t i c a le q u a l i z i n ga m p l i f i e r , o p t i c a l d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o na n do p t i c a lr e g e n e r a t i o nt e c h n i q u ei sn e e d e dt oa d o p t e d ， w h i c hc a l ln o tb ee a s i l yr e a l i z e d ；o c d m as y s t e me m p l o y e ds p r e a d i n gs p e c t r u m s e q u e n c e o nt h es a n l ew a v e l e n g t h s p e c t r u me f f i c i e n c yi sh i 曲i nt a n d e mw i t hw d m a n do t d mi tc a ni n c r e a s et h ec a p a c i t yo f s y s t e m g r e a t l y i ti s i m p o r t a n tt os e l e c ts p r e a d i n gs p e c t r u mc o d ef o ro c d m a c o m m u n i c a t i o n t h et y p e ，t h el e n g t ha n dt h er a t eo f s p r e a d i n gs p e c t r u mc o d ew i l ld i r e c t l yi n f l u e n c e t h er e a l i z a t i o no f e n c o d i n g ，t h ec a p a b i l i t yo fs w i t c h i n g a d d r e s sa n da n t i - j a m m i n g ，a n d s y s t e mc a p a c i t y s o i ti s n e c e s s a r yt o s e l e c tt h e a p p r o p r i a t e c o d e s e q u e n c e f o r e n h a n c i n g t h ep e r f o r m a n c eo fo c d m a s y s t e m a na r b i t r a r yc o d ea m o n gm a n y c o d e s a p p l y i n gt oo c d m a i sr e q u i r e dt of i tf o rc o r r e s p o n d i n ge n c o d e d d e c o d e ds c h e m e t h e r e f o r e ，t h ep a p e rw i l lf i r s t l yi n v e s t i g a t es p r e a d i n gs p e c t r u mc o d ei no c d m a s y s t e m s u b s e q u e n t l y ，t h ep a p e ra n a l y z e s s e v e r a l i m p o r t a n te n c o d i n g d e c o d i n g t e c h n i q u e s ，w h i c h a r eam a i n t e c h n i q u ei no c d m as y s t e m f i n a l l y , t h e s c h e m eo ft h ee n c o d e r d e c o d e rb a s e du p o nf b gt e c h n i q u ei n s p e c t r a l d o m a i ni s p r o p o s e d w h i c hi s o r i g i n a t e d f r o mt r a d i t i o n a l f r e e - s p a c e g r a t i n g p a i re n c o d e ra n dd e c o d e r b ym a p p i n gw a l s hs e q u e n c e ，t h ep a p e rb r i n g f o r w a r dam e t h o dw h i c hi m p l e m e n tt h ee n c o d e ra n dd e c o d eo fo c d m as y s t e m u t i l i z i n gs t e p c h i r p e d f i b e r g r a t i n g n u m e r i c a l s i m u l a t i o ni n d i c a t e st h e e n c o d e f f d e c o d e rh a sg o o dc o r r e l a t i o n f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n co ft h eo c d m a s y s t e mi sa n a l y z e d k e y w o r d s ：a u t o c o r r e l a t i o n ，c r o s s - c o r r e l a t i o n ，e n c o d e r ，d e c o d e r ，s p r e a d t i m e ， f i b e r g r a t i n g 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘洼蠢茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 臼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，弗采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名 签字日期：年月日签字目期：年 月目 c v d d w d m w d m i n g a a s p e d f a c d m a o c d m a o c d m o t d m 慷 o t d m s d h h f c s c d m a 0 0 c o a d m e o m c w l o r f s d - 0 0 c f t c c d f b g m a i s c f b g 缩略术语表 c h e m i c a l v a p o rd e p o s i t i o n d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g i n d i u mg a l l i u ma r s e n i d ep h o s p h i d e e r b i u m d o p e d f i b e r a m p l i f i e r c o d e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s o p t i c a lc o d e - d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s o p t i c a lc o d e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o p t i c a l t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s o p t i c a lt i m e - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y h y b r i d f i b e rc o a x i a l s y n c h r o n o u sc o d e - d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r s e l e c t r o n i c o p t i c a lm o d u l a t o r c o n t i n u o u sw a v e l o c a l0 s c i l l a t o r r a d i of r e q e n c y s p a t i a ld o m a i no p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e f o u r i e rt r a n s f o r m e r c h a r g ec o u p l e d d e v i c e f i b e rb r a g gg r a t i n g m u l t i p l e a c c e s si n t e r f e r e n c e s t e pc h i r p e d f i b e rb r a g g g r a t i n g 化学气相沉积 密集波分复用 波分复用 磷砷化铟镓 掺铒光纤放大器 码分多址 光码分多址 光码分复用 光时分多址 光时分复用 同步数字体系 光纤同轴混合 同步码分多址 光正交码 光分插复用器 电光调制器 连续波 本振 射频 空域正交码 傅里叶变换 电荷耦合器件 光纤布拉格光栅 多址干扰 步进啁啾光纤布拉格光栅 天津大学硕士论文 1 1 光通信史回顾 第一章绪论 应该说人们认识到用光可以传递信息比用电传输信息要早的多，比如3 0 0 0 多年前我国就有了用光传递远距离信息的设施烽火台( 直接光通信) ；但是， 直接光通信是如此的不可靠阻至于它在日常应用中根本无法接受。但在2 0 世纪 6 0 年代早期发现的激光改变了这一情况，科学家和工程师对光通信的兴趣一下 子活跃起来。 1 9 6 6 年7 月，英国标准电信研究所的英藉华人高锟( k c k a o ) 博士 和ga h o c k h 啦就光纤传输的前景发表了具有重大历史意义的论文，论文 分析了玻璃纤维损耗大的主要原因，大胆地预言，只要能设法降低玻璃纤 维的杂质，就有可能使光纤的损耗降低到2 0 d b k m 。这篇论文的发表掀起了 低损耗光纤研究的熟潮。1 9 7 0 年，美国康宁玻璃公司( 现康宁公司) 的r o b e r t m a u r e r 等三人，首先研制出传输损耗低于2 0 d b k m 的光纤。这样低损耗的 光纤，在当时是惊人的成功，使光纤通信有了实现的可能川。 光纤通信的另一重要技术是光通信的光源，普通的光不能用于大容量的 通信。1 9 6 0 年美国人t h m a i m a n 发明了红宝石激光器，使人们获得了性 质与电磁波相同、而且频率和相位都稳定的光激光。1 9 7 0 年贝尔实验 室的i h a y o s h i 等人研制出能在室温下连续工作的半导体激光器，尽管最初 的激光器的寿命很短，但这种激光器已被认为可以作为光纤通信的光源。 由于光纤和激光器的重大突破，使光纤通信有了实现的可能，因此1 9 7 0 年 被认为是值得纪念的光纤传输元年1 2 j 。 1 9 7 0 年这两项关键技术的重大突破，使光纤通信开始从理想变成可能， 立即引起了各国电信科技人员的重视，竞相进行研究和实验。1 9 7 4 年美国 贝尔实验室发明了低损耗光纤制作法( c v d 法，即汽相沉积法) ，使光纤损 耗降低到1 d b k m ：1 9 7 7 年，贝尔实验室和日本电报电话公司几乎同时研制 成功寿命达1 0 0 万小时( 实用中1 0 年左右) 的半导体激光器，从而有了真 正实用的激光器。1 9 7 7 年，世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投 入商用，速率为4 5 m b s 。 此后，光纤通信的发展极为迅速，系统已经多次更新换代。2 0 世纪7 0 年代的第一代光纤通信系统主要是用多模光纤和短波长( 8 5 0 r i m ) 波段，在 该波段光纤损耗的典型值为2 d b k m 8 0 年代以后，第二代光纤通信系统信 第一章绪论 号源采用新研制的1 3 1 0 n mi n g a a s p 激光器，光纤逐渐采用单模光纤，光纤 的损耗减至0 5 d b k m ；到9 0 年代初，通信容量扩大了5 0 倍，达到2 5 g b s ； 进入9 0 年代以后，光纤的传输波长转向更长的1 5 5 0 n m ，该波段光纤损耗 的典型值为o 2 d b k m ，并且开始使用掺铒光纤放大器( e d f a ) 、波分复用 ( w d m ) 、色散管理、分布式喇曼放大等新技术，光纤通信的容量继续成 倍增长；现在已经达到t b s 量级f 3 】，并在长途通信干线和城域网获得广泛 应用。 我国从7 0 年代初开始光纤通信的研究及应用，发展也非常迅速。1 9 7 9 年7 月建成第一个8 m b s 、5 7 k m 室内实验系统，1 9 8 2 年建成第一个8 m b s 、 1 3 2 k m 现场试验系统。在“八五”期间，建成了含2 2 条光缆干线、总长达3 3 0 0 0 公里的“八横八纵”大容量光纤通信于线传输网。1 9 9 9 年1 月，我国第一条 高传输速率的国家一级干线( 济南青岛) 8 2 5 g b s 波分复用系统建成 h 】。2 0 0 1 年国内光通信公司华为、中兴开发的3 2 1 0 g b s d w d m 通信系统 分别中标云南、广西移动传输骨干网和重庆移动s d h 干线、铁通京哈传输 干线、武汉城域网等1 5 】。高比特率、大容量的光纤通信系统正在将我国推向 信息时代的浪潮里，对不断出现的新技术迸行着跟踪性研究，成果屡屡。 1 2 光码分多址( o c d m a ) 技术 光码分复用技术早在二十世纪七十年代就已经被提出，一直处于光通 信研究领域主流之外。然而，随着i n t e r n e t 的迅猛发展随着互联网的发展， 全光网络已成为下一代互联网的核心网络，这更激发了人们对o c d m a 通信技 术研究的兴趣。全光网高速率、宽带宽是人们所认识的，但现有的技术如何充分 利用光纤的宽带宽资源并非易事。 有三种光纤传输技术可以大大增加传输链路的带宽：波分复用技术， 短脉冲光时分复用( o t d m ) 技术和现在刚刚起步的码分复用技术。波分复用 传输系统将光纤带宽分成很多光波带，每个光波带以电子速率( 约1 0 g b i t s ) 携带 信息，四路和八路波分复用技术已经成熟并已投入商用，目前的研究热点集中在 密集型波分复用( d w d m ) 以期大大提高传输容量，但还存在不少问题，如： 制作高精度波长稳定的光源以及高选择性的滤波器或相干检测技术才能分辨每 个波道。另外，在d w d m 系统中，由于多个波长同时存在，受光纤非线性特别 是四波混频的影响比较大；对光放大器的带宽增益平坦和动态均衡、对滤波器和 其他无源器件的带宽高稳定性、高可靠性和低插入损耗等，都提出很高的要求， 以上因素的限制使得参与复用的波长数目没有人们希望的那么多，目前只能做到 天津大学硕士论文 1 2 8 个波长，因此人们将目标转移到光时分复用( o t d m ) 技术。 光时分复用( o t d m ) 通信是另种复用技术，它是通过把时间划分为不 同的时隙，每一时隙占用一个信道的复用方式。虽然它避开了在电域进行更高速 率的复用所受的限制即电子瓶颈，但由于需采用光脉冲压缩、光脉冲时延、光均 衡放大、光色散补偿、光时钟提取、光再生等技术，且它们的实现也并非易事。 即使将w d m 和o t d m 结合起来发挥各自的优势，使总容量和总速率得到极大 的提高，也不能达到光纤的可用带宽，因此人们寄希望将光码分复用( o c d m ) 、 光时分复用和光波分复用这三种技术结合起来，如每一时限进行o c d m ，然后 进行时除复用，最后进行密集波分复用，这样总速率相对接近光纤的可用带宽。 1 2 1 o c d m a 概念 o c d m a 是一种扩频通信技术。不同用户的信号用互成正交的不同码序列来 填充，这样经过填充的用户信号可调制在同一光载波上在光纤信道中传输，接收 时只要用与发方相同的码序列进行相关接收，即可恢复原用户信息。由于各用户 采用的是正交码因此相关接收时不会构成干扰，这里的关键之处在选择适合光纤 信道的不同的扩频码序列对码元进行填充，形成不同的码分信道，即以不同的互 成正交的码序列来区分用户，实现多址。 o c d m a 通信具体实现可以是各种各样的，它们的分类也没有统一的标准， 可以根据其采用的是单极性正交码还是双极性正交码可分为单极性和双极性的 o c d m a 通信，根据光纤通信的接收机是直接检测还是相干检测分为非相干和相 于o c d m a 通信，根据编解码器是扩时、扩频还是扩空编码分为扩时、扩频、 扩空o c d m a 通信，根据编解码器是采用电信号处理还是采用光信号处理分为 电处理的o c d m a 通信、光电混合处理的o c d m a 通信和全光o c d m a 通信等。 当然这些分类方法间是有联系的且还有其它的分类方式。这里根据是否采用双极 性码和电信号处理来对o c d m a 通信系统进行分类。这种分类方法对实际的系 统设计和应用很方便，也符合o c d m a 通信的产生和发展方向，而不拘泥于各 种不同的具体实现方法的细节。其典型系统框图如图1 1 所示。 图1 1 0 ) 为传统o c d m a 通信。将传统的移动通信、卫星通信等领域的成熟 技术即电信号处理实现扩频编解码和强度调制直接检测即非相干光通信相结合， 利用了各自的优点，这种技术上的成熟优势很快得到了广泛的应用，并有商用化 产品问世。首先应用的领域是h f c ( 混合光纤同轴电缆) 的接人系统，h f c 的 技术特点是干线部分光纤化，配线端和引入线仍然保持原有的有线同轴电缆网。 为了实现双向传输，用户必须经上行信道( 用户端到电视前端) 包括用户到光节 第一章绪论 ( n ) 传统的光纤c d m a 光纤延迟缝解码器 ( b ) 光电混合编码光纤c d m a ( c ) 光纤c d m a 园母匡k 骓酗 ( d ) o c d m a 3 d b b l m c d ( e ) 相干0 c d m a 图1 1o c d m a 典型的系统框图 点的同轴电缆上行信道和光节点到电视前端的光纤上行信道，传输用户信息 4 天津大学硕士论文 至电视前端( 如视频点播、交互式业务等) ，但由于上行信道的典型的频谱安排 在5 4 2 m h z ，这一频段最容易受到各种噪声如脉冲噪声( 电视机开关、发动机 启动等引起) 、窄带噪声、反射噪声、内部热声等的影响，所以为了克服这些信 道噪声选用了同步码分多址技术s - c d m a 来抗噪声干扰。所谓同步是指所有的 用户向电视前端发送数据是同步的即数据比特同步，这样经过c d m a 扩频后各 个对应的码片也是同步的即切普( c h i p ) 同步。采用s - c d m a 技术虽然失去了所 有用户向电视前端发送数据的随机异步特性，换来的是用户间干扰的减小，从而 进一步提高了系统的抗误码特性。传统的o c d m a 通常采用双极性扩频码序列 和电信号处理技术，根招数据的发送是否同步可分为同步s - c d m a 和异步 a o c d m a ( 通常都指异步所以一般称c d m a ，易于处理突发信息传送) 。图1 1 ( a ) 中光发模块完成双单变换和电光转换功能，光收模块完成相反的功能。 图1 1 ( b ) 光电混合编解码o c d m a 通信充分发挥了电信号处理技术和光信 号处理技术的各自优势，也是一种实用化的方案电编码技术采用电信号处理技 术虽然速率上低了一些，但电信号处理的灵活性、可靠性、稳定性是光编码技术 不可比拟的，电编码技术可实现很灵活的变址功能、同时降低了对光器件的要求， 对于局域网的应用是很重要的。光解码方案采用典型的光纤延迟线作为相关器完 成相关解码，相对电解码方案一是速率高、二是无须复杂的同步捕获与跟踪技 术，；因而光解码器相对系统的其他部分有较强的独立性可单独优化设计。图1 1 ( b ) 中光发模块完成电光转换功能，光收模块完成光电转换功能。 图1 1 ( c ) o c d m a 通信采用光纤延迟线信号处理技术来进行编解码，因此 比光电混合式o c d m a 通信的速率进一步提高了、这也是较实用的一种方案。 为了进一步提高性能，编解码器可以采用相干编解码技术。光发模块将电脉冲序 列通过直接强度调制或外调制技术变成光脉冲序列，送光编码器进行编码。 o c d m a 通信还可采用双极性扩频码序列，因而能实现地址码之间的完全正交， 不像单极性码序列的伪正交，使得系统的传输能好、信噪比高、传输容量大、可 容纳很大的用户群。 图1 1 ( d ) 为全光c d m a 通信框图。图1 1 ( e ) 为相干光c d m a 通信，数 据比特被双极性的扩频码扩频后，通过电光调制器去调制一个连续激光源。接收 端采用相干检测技术【6 】，其中3 d b 的耦合器、双平衡检测器和本地载波振荡器( 产 生本地激光) 组成类似无线接收中的混频器。将接收的光信号载波频率转变为中 频信号( 其典型值为o 1 g 5 g ) 。双平衡检测器输出的电信号送入r e 相关器与 欲接收的用户码进行相关处理，经过相关处理的信号再经过积分器和判决器恢复 原来的数据比特。 1 3 光码分复用的关键技术及进展 第一章绪论 1 3 1o c i ) m a 扩频码的研究 对于o c d m a 通信，扩频码的选择非常重要。扩频码类型，长度和速率直 接影响到编码的实现难度、变址能力、系统的抗干扰能力、系统的容量等，因此 为了提高o c d m a 系统的性能就必须选择合适的扩频码由于光纤通信有强度 调制直接检测和相干检测即所谓的正系统和正负系统之分，因此o c d m a 采用 的扩频码必须适应光纤通信的特点，正系统采用的扩频码称之为单极性的扩频 码。正负系统采用的扩频码称之为双极性扩频码。双极性的扩频码可以直接采 用传统的电c d m a 所使用过的扩频码。 最早是8 0 年代中期国外有人想利用光纤的臣大带宽，在光纤线路上来 实现码分多址通信，当时提出采用双极g o l d 码作为地址码对用户数据进行 电的c d m a 编码后变成光信号用光纤来传输，尽管此后又有人在光纤双极 c d m a 实现方面做了一些工作，但是，因为采用这种电编码和电解码的方 法，电子“瓶颈”效应问题未解决，只能实现中、低速通信，不能充分利 用光纤的巨大带宽资源，所以不是真正的光码分多址。后来有人提出直接 采用光信号处理、进行光编解码。但时至今日，光通信中采用的调制技术 还主要是强度调制，因此当时提出的光码分复用编解码采用的是不同于移 动通信码分复用的强度编解码，这时的光码分多址系统是正系统，处理的 是单极码，这样一来在移动通信中广泛采用的性能优良的双极码如m 序列， g o l d 序列，w a l s h 序列无法用于光码分复用中，还需要寻找性能优良的单极 码，这时有人提出了构造较容易的素数序列码，围绕着素数序列码有不少 人做了大量的研究工作4 1 ，码具有较好的互相关特性，但其自相关中的旁 瓣很大很多，使得它在异步o c d m a 系统中无法应用。以后人们对用作扩 频码的单极码进行了大量的研究。 8 0 年代末有人提出了光正交码【1 5 “”( o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e o o c ) ，因 为光码的最小相关限制是l 而不是0 ，所以实际上准确地应称为光准正交码， 与素数序列码相比，光正交码具有良好的相关特性，码的容量也相对较大， 更适合光的码分复用通信系统采用。但是，迄今为止，关于光正交码码分 复用技术的研究，国外仅集中在对码重较小的等重对称光正交码的容量和 构造方法的研究，及对o c d m a 系统的性能分析。 无论是素数码，还是光正交码，在一维编码的情况下，相同长度码序 列在o c d m a 网络中的容量都无法与双极码相比。为了解决这一问题，目 前国内外有很多= 维编解码的报导 1 5 - 2 4 】。即在时域和频域上同时编码，从 而使系统容量大大提高。 与采用非相干光源的o c d m a 技术相比，相干光o c d m a 技术对器件 6 天津大学硕士论文 要求高、实现技术难度较大。但相干o c d m a 采用的是性能优良的双极码， 在相同长度码序列的情况下，采用双极码的o c d m a 系统容量大大高于一 维单极码；且无论是一维非相干o c d m a 还是二维非相干o c d m a ，在编 解码过程中常常存在频谱成份丢失的问题。因此相干o c d m a 技术在全光 组网上将存在优势。光纤光栅制造技术的成熟推动了利用光纤光栅作为光 码分复用编解码技术的实现 2 3 - 2 5 1 。近年来对基于光纤光栅的相位编解码的 研究亦受到重视1 2 “j 。 1 3 2o c i ) m a 编解码方式 所谓编解码，简单地说就是指用户信息与地址码之间调制、解调的过程。由 于o c d m a 系统的性能乃至于应用都主要决定于系统采用的编解码方式。正确 地实现编，解码是o c d m a 系统的关键技术之一。在o c d m a 系统中，主要的 编解码方式有三种：扩频( 时域) o c d m a 编解码、扩时( 频域) o c d m a 编解 码、扩空o c d m a 编解码。 1 3 2 1 时域编解码 o c d m a 时域分割编码，即对信号在时域上按照地址码分割为一组码 片，光延迟线编解码器f 3 3 3 4 l 是一种适合于o o c s 码的典型的时域光编码器， 其结构如图1 2 所示。 图1 2 光纤延迟线编码器示意图 光纤延迟线编码器是由并行的几柬不同长度的光纤和一个1 n 分束 器及n x1 合束器构成的，作用是将输入的一个短光脉冲分成几份，根据地 址码进行不同的延时，在输出端得到由这些不同延迟的短光脉冲合成的脉 冲序列。在接收端，解码器结构与编码器完全一样，其功能是把输入信号 与解码器包含的标志序列作相关运算，进行相关识别，直接探测，通过闽 值判断，从而在混有众多用户信号的接收信号中识别并拣出某用户的数据。 1 3 2 2 频域编解码器 频域编解码【2 5 。2 8 3 5 础1 是对信号在频域上分割编码实现编解码的一种 第一章绪论 方法。由于这种编码使得信号在时域扩展，所以通常称这种o c d m a 系统 为扩时o c d m a 通信系统。 在频域编解码中，可采用相位编解码，地址码为具有+ l 和1 的双极 码，所以地址码序列可选用伪随机( p n ) 序列，采用相位调制编解码时多 址干扰小，但实现较复杂；也可采用强度调制编解码，这时地址码只能采 用具有0 、1 的单极码，采用强度调制实现编解码的方法多址干扰大，但实 现比较方便。 1 ) 光摊- 掩模板频域编，解码技术 利用光栅- 掩模板的超短脉冲整形技术可以追述到7 0 年代，以后人们把 这一技术用于通信领域的光谱编码【3 6 1 。 m t i k 2 图1 3 基于体光栅一掩模板的o c d m a 频域编，解码器示意图 利用光栅掩模板的全光频域编解码的结构示意图如图1 3 所示。光源 采用中心波长为1 5 5 , a m 的超短光脉冲，当光脉冲经过光栅l 和第一个透镜后 使信号脉冲的频谱分布在掩模板空间滤波器上，掩模滤波放置在两透镜 之间的焦平面上，通过它可以提取信号的一级谱，对其进行频谱分割编码， 第二个透镜和光栅2 把经过编码的频谱成分重新组合成输出脉冲信号。此 装置的对称性可以消除色散，且经过掩模后的信号在时域得到了展宽。这 里选用的反射型光栅的零级谱是无色散的，高级谱的谱密度太小，可选择 用一级谱。 利用光栅掩模板的频域编解码方法具有地址码易调谐的优点，通过计 算机编程控制空间滤波器的地址码序列，达到实时传输。 1 3 3 光纤光栅技术 1 布拉格光栅 布拉格( b r a g ) 光栅由间距为人( 空间周期) 的一列平行反射镜组成， 天津人学硕士论文 够大，那么对于某个特定波长的光信号，从第一个反射镜出来的总能量e 。， 约等于入射的能量e 即使功率反射系数r 很小。该特定波长九反射的条 爿翁单p 。7 。7 i 垒；垒i 垒j 垒； 骢 丑l 如如丑、i x 射光 卫g - ； 如 图1 5 用紫外干涉光制作光纤布拉格光栅 窄带光学滤波器。该共振波长称为布拉格波长。 1 3 4o c d m a 应用于全光网络 目前对o c d m a 网络的研究较少，大部分研究主要集中在各种光地址码的 构造和全光编解码器以及简单系统的性能分析，本节主要阐述在o c d m a 星形 9 第一章绪论 局域网的拓扑结构以及在此基础上的w d m o c d m a 网络拓手b 1 3 7 】。 1 ) o c d m a 局域网星形网络拓扑结构 在o c d m a 接收机端，如果接收到的用户i 和用户j ( i j ) 峰值功率不等， 误比特率将会增加，为了保证在每个o c d m a 接收机具有相等的峰值功率，星 型拓扑结构是最理想的选择，因为星形拓扑结构能提供给每个接收机均匀的输 出，下面我们讨论采用相同波长的单个o c d m a 局域网p ”。 数据分组1 窄光脉| i 电光 冲源r 1 调制 调o c 瑚 编码器 数据分组 发射机i 窄光脉i 电光 冲源r 1 调制 调o c d 】 编码器 数据分组n 发射机 窄光脉1 i 电光 冲源r 叫调制 调0 c d 】 编码器 发射机n 光 星 形 埚 台 器 固定o c d m al 1 光电b l 电域值 解码器 r | 探测r f 检测器 接收机l # 固定o c d m ak i 光电卜f 电域值 解码器ii 探测li 检测器 接收机讲 固定o c d m a l j 光电l 一电域值 解码器h 探测广1 检测器 图1 6o c d m a 星形网络实现图 接收机n # 可调o c d m a 网络结构的框图如图1 6 所示，在一个o c d m a 网络中，对 于所有的用户必须采用一组完全不同的码字作为地址码，在每个接收机端，用一 个匹配的光解码器来对信号进行解码。可有两种用户之间的地址约定，种是光 编码器可调，解码器固定，称为固定接收机约定，另一种是光编码器固定不变、 解码器可调，称为固定发射机约定。对于固定接收机情况，分配给用户i 一个固 定的地址码g ( f = 1 , 2 ，) ，如果数据j 有一个数据分组要发送给用户k ，在分组 中的每一个数据比特在送至信道之前，由可调o c d m a 编码器用码字g 进行编 码，然后用户k 的接收机用一个唯一的光解码器恢复出由c 。所携带的所有的数 据比特，固定接收机的o c d m a 方案对于交互式计算机业务如数据，文本和图 象等的分组传送是非常有用的；固定发射机约定o c d m a ，适合于广播式通信， 对于这种情况，分配给第i 个发射机码字c i ( f = 1 , 2 ，忉，在每个发射机采用一 1 0 天津大学硕士论文 个固定的o c d m a 编码器，用户j 的接收机采用可调o c d m a 解码器侦听用户k ， 将可调解码器调整至与c 。匹配，把用户k 采用c 。编码的信息恢复出来。 在开始传送分组前，将要传送到用户j 的第i 个用户的电的非归0 数据信号 调制来自光源的速率为1 t 的超短光时钟脉冲串，t 是数据比特周期，如果用户 i 的数据比特是1 ，它的电光开关将处于“开”状态，将一个光时钟脉冲送迸发 射机全光c d m a 编码器，产生所需的地址码，反之，则没有光脉冲输入至0 c d m a 编码器，也就没有光脉冲发射出去。来自所有激活发射机的异步数据分组通过光 无源星形耦合器同时分配到n 个接收机，在每个接收机，用一个固定的光编码 器，在存在多址干扰的情况下( 由于其它用户同时传输编码信息) ，从中提取出 所需的数据分组。如果存在域值检测器，一旦解码器的输出超过域值电平，则判 为数据比特“1 ”，否则判为“0 ”。 2 ) r d m o c d 喇溘网络拓扑结构 在原有的o c d m a 星形局域网的基础上，使发射机波长可调，而接收机固 定不变，可使o c d m a 星形网络结构与w d m 环形网络相连接，共同构成w d m o c d m a 网络。 节点i 图1 7w d m o c d m a 网络结构图 w d m ，o c d m a 网络拓扑结构如图1 7 所示，网络分两层：第一层为o c d m a 星形子网，有m 个发射机，接收机与星形耦合器相连。发射机可进行波长调谐， 发射机内的编码器可进行地址码调谐；而接收机只能接收载波波长和地址码都固 定的信号。 o c d m a 星形子网通过光分插复用器( o a d m ) 与w d m 环网相连接。以 节点l 为例：o a d m 可以下载w d m 复用网络中的载波波长为 的信号，而上 载所有的载波波长的信号。每个节点通过o a d m 与0 c d m a 星形子网相连，该 o c d m a 星形子网采用一组正交或准正交的地址码序列以区分不同用户，其它的 网 纾 层环 层断 一一 一一一 第一章绪论 节点可再用与节点1 相同的这组码序列。 o c d m a 地址协议执行非常简单。直接可异步接入，具体执行如下：当从节 点1 的发射机1 发出信号给同一个节点的接收机2 ，发送者调节自己发射机的载 波波长为 ，用c ：的地址码对信号进行编码，再发送数据。由于从某个节点r l 的o a d m 只能下载波波长为兄。的信号，因而除了节点1 外，其它节点都不能接 收到该信号，而在这一星形网络中只有具有固定c ，地址码的解码器才能进行自 相关检测，得到接通的认可；当从节点1 的发射机l 出来的信号要发送给不同的 节点的接收机( 如节点2 的接收机2 ，对应固定接收载波波长厶，解码器可接收 具有c ：地址码的信号) ，发送者调节自己发射机的波长到如，并用c 2 的地址码 对信号进行编码，这样，在w d m 环网中，只有能下载载波波长为厶的o a d m 所对应的o c d m a 星形网络才能接收到信号，而对于该星形网络中的所有接收 机，只有具有c 地址码的解码器才能进行自相关检测，得到接通的认可。这样， 一个w d m o c d m a 网络就建立起来了。 若环网上w d m 的波长信道数为n ，而在星形o c d m a 网络上的最大同时 用户数为吖。则整个w d m o c d m a 网络的同时用户数为n x 肘一，因而采 用w d m 0 c d m a 组网有利于提高网络容量。 1 4 研究内容和主要贡献 发展了利用在光纤布拉格步进啁啾光栅上实现o c d m a 频域相位编解 码的方法，并给出了编解码器结构，理论论证了这种结构的o c d m a 编 解码器的可行性。提出了在基于步进啁啾光纤光栅的0 c d m a 编，解码器中 加入地址码的实现方法。在该方法中，通过对所采用的地址码做一个交换， 然后根据变换码在光纤布拉格步进啁啾光栅各相应的子光栅之前加入相移 实现频域相位编，解码。对所提出的编解码方案进行了数值模拟，数值模 拟的结果表明具有较好的相关特性。并讨论了影响编解码相关性能的参数。 分析了基于光纤布拉格步进啁啾光栅o c d m a 编解码器的系统性能。 犬洋大学硕士论文 2 1 引言 第二章o c d m a 采用的扩频码 对于o c d m a 通信扩频码的选择非常重要，扩频码类型，长度和速率 直接影响到编码的实现难度、变址能力、系统的抗干扰能力、系统的容量 等，因此为了提高o c d m a 系统的性能就必须选择合适的扩频码在可能用 于o c d m a 系统的众多码字中，任何一种码字都必须适用于相应的编解码方式。 2 2o c d m a 中的地址码 由于光纤通信有强度调制直接检测和相干检测即所谓的正系统和正负 系统之分，因此o c d m a 采用的扩频码必须适应光纤通信的特点，正系统 采用的扩频码称之为单极性的扩频码。正负系统采用的扩频码称之为双极 性扩频码。由于强度调制的o c d m a ( 非相干系统) 的地址码序列只能采用 单极码，因此探索性能优良的单极码是o c d m a 的一个重要研究方向。人 们提出了许多具有准正交特性的单极码，研究较多的有素数序列码【卜l o 】， 光正交码i l 卜”】等。双极性的扩频码可以直接采用传统的电c d m a 所使用过 的扩频码。本节首先给出衡量地址码好坏的标准：相关性的定义，然后分别 介绍用于o c d m a 中的两类地址码：单极码和双极码。 2 2 1自相关和互相关性 o c d m a 系统在本质上同电领域的c d m a 系统是一样的：需要为每个 用户选择不同的高速