（电子科学与技术专业论文）基于fbg阵列ocdma编解码器的性能研究.pdf

浙江人学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , a na - f i b e rf a s tf r e q u e n c yh o po p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ( f f h o c d m a ) s c h e m ei sp r o p o s e dt h a te n c o d e s d e c o d e so p t i c a i s i g n a lb o t hi nt i m ea n df r e q u e n c yd o m a i na n da c h i e y e se n c o d i n g d e c o d i n g p a s s i v e l ye m p l o y i n gt u n a b l ef i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) a r r a y s h o w e v e r , t h e r ea r et w ok e yp r o b l e m se x i s ti nd e s i g n i n gt h et u n a b l ef b ga r r a yb a s e d e n c o d e r d e c o d e r t h ef i r s to n ei st h en e e dt oc o n t r o li n t e r v a l s ( o rd i s t a n c e s ) r e l a t e dt o b i tr a t eb e t w e e na d j a c e n tf b g sp r e c i s e l yd u r i n gf a b r i c a t i o ns i n c e t h ed e c o d i n gf b g a r r a yh a v et ob et h ee x a c ti n v e r s i o no ft h ee n c o d i n gf b g a r r a y t h es e c o n do n ei sh o wt ot u n et h eb r a g gw a v e l e n g t ho fe a c hf b g e m p l o y i n gs t a t e - o f - t h e - a r tf b gt u n i n gt e c h n i q u ew i t hh i g ha c c u r a c ya n d r e d u c et h ee f f e c to ns y s t e mp e r f o r m a n c ew h i c hm a yh a v er e s u l t e df r o m e x c u r s i o no ff b g s b r a g gw a v e l e n g t h s t h e s et w op r o b l e m sw i l ir e s u l ti n d i f f e r e n c e si np r o p e r t i e ss u c ha sb r a g gw a v e l e n g t h sa n dr e l a t i v ep o s i t i o n s b e t w e e nt h ee n c o d e ra n dd e c o d e rw h i c hw er e f e rt oa st h ep a r a m e t r i c a l a s y m m e t r yp r o b l e m j nt h i sp a p e r , t h ep e r f o r m a n c eo ff f h o c d m as v s t e mj ss t u d i e da n d s i m u l a t e do nc o n d i t i o nt h a tt h e r ei st h ea f o r e m e n t i o n e dp a r a m e t r i c a i a s y m m e t r y t h ei m p a c tt ot h es y s t e mp e r f o r m a n c el sa l s os i m u l a t e di nc a s e o ft h es y s t e md a t ar a t eb e y o n dt h et h e o r e t i cl i m i t t h ee n c o d i n g d e c o d i n g f b ga r r a vc o n s i s t so fr lf b g sr e s p e c t i v e l y s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tb i te r r o rr a t i o ( b e r ) d r o p sd o w ns h a r p l y w i t hal a r g e rw a v e l e n g t ho rr e l a t i v ep o s i t i o ni n c o n s i s t e n c va sa n t i c i p a t e d e s p e c i a l l yw h e nni ss m a l l e r , a n dt h ep r e c i s eo fw a v e l e n g t ha n dp o s i t i o n p a r a m e t r i c a lc a nb ei o w e rr e q u e s t e di nc o n s i d e r i n go fb e rd s es l o w l yw h e n p a r a m e t r i c a ia s y m m e t r yi ss m a l l e g n = 3 w a v e i e n g t ho f f s e t 2 0 o r r e l a t i v ep o s i t i o no f f s e t 3 0 i ta l s oc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ei m p a c tt ot h e s v s t e mp e r f o r m a n c ei sv e r ys m a l lw h e nt h es y s t e md a t ar a t ei sb e l o wt h a n t h r e et i m e st ot h et h e o r e t i ci i m ni nc a s et h e r ei sf e wu s e r s h o w e v e r a sa i a r g e r nw i l la l m o s t c e r t a i n l y i n c r e a s et h e s y s t e mc o m p l e x i t y a n d m a n u f a c t u r ed i f f i c u i t yt h a tm a yr e s u l ti nah i g h e rp r o b a b i l i t yo fa s y m m e t n c b r a g gw a v e i e n g t h s t r a d e a 仟h a st ob em a d e ，t h o u g hi tc o u l dr e d u c ea b o v e p e r f o r m a n c ed e t e r i o r a t i o n k e y w o r d s ：o g d m a ，e n c o d e r , d e c o d e r , f i b e rb r a g gg r a t i n g ，p a r a m e t r i c a la s y m m e t r y 一珏一 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 9 6 6 年7 月英国标准电信研究所的高馄f k c k a o ) 和ga h o c k h a m 发表了 对光纤通信具有历史意义的论文，预言了制作可实用光纤的可能性。1 9 7 0 年 美国康宁公司率先研制出传输损耗低于2 0 d b k m 的光纤。同年，美圈贝尔实验 室1 h a y o s h 等人研制出室温条件下可持续工作的半导体激光器。光纤通信领域 非常蘑要的两项技术相继出现，因此1 9 7 0 被认为是光纤传输元掣“。 自此，光纤通信在各个方面都得到了飞速的发展和长足的进步，中继距离 不断地延长，通信容量也不断地提高。目前，1 6 t b i t s 的波分复用系统已经犬 规模商用“”，4 0 g 2 5 6 密集波分复用系统也己实现。光纤以其巨大的潜在带宽、 良好的抗干扰和保密性能等诸多优点，给通信的发展带柬了蓬勃生机。 1 1 下一代光通信技术 光纤以其高速、大容量的宽带成为综合业务网络的承载骨干，目前已经利 用的光通信速率仅仅使用了光纤巨大带宽容量的一小部分。为了能够突破电子 器件工作上限速率的“电子瓶颈”的限制全光的全光网络就成为了卜一代光 通信网络的核心发展目标”1 。全光网络具备以下优势”： 1 对传输码率、调制方式和数据格式均透明，具有不受限制地提供端到端 的多种协议业务的能力： 2 具有良好的网络可扩展性，可以在不影响原有网络结构和设备的条件卜， 部署新的网络节点； 3 网络结构简单，采用透明的端到端全光通路连接，避免了光电转换过程， 系统可靠性高、可维护性好。 1 2o c d m a 技术概述 1 2 1 常见的复用方式 通信领域中常用的多址接入方式可分为时分多址接入( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 、频分多址接入( f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， f d m a ) 和码分多址接入( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g a c c e s s ，c d m a ) 技术。 三种技术广泛的运用于通信的多个领域“1 。三种复用方式的原理如图1 1 所示。 一卜一 浙江人学硕士学位论文 a 、t d m a 图1 1 光分复用方式原理示意 b ) f d m ac ) c d m a 光时分多址接入技术在一个光载波波长上，将时问分成周期性的帧，每一 帧再分成若干个时隙。用户在指定的时隙发送信号。接收则是按照时钟同步的 方式，接收特定时隙中的信号”1 。光频分多址接入技术是将光纤的光谱带宽划 分为多个子带，每个用户占用一个子带。接收端解复用得到需要的光信号。 光码分多址接入是给每个信道分配唯一的光正交码作为信道的地址码。发 送端对数据信息进行信道编码，再将多路不同的光编码信号复用到一个光路中 进行传输。接收端使用相同的地址码进行解码。 目前o c d m a 技术的主要问题是光学信号处理技术的不成熟，大规模制作 性能优良的可调谐编解码器比较困难”1 。o c d m a 系统基本结构如图1 2 、图 1 3 所示。 图1 2 单个o c d m a 编码解码示意 一2 一 b龋至 鱼一 皿一 骅匦 浙江大学硕j ：学位论文 2 i 糊龟卜一 i 光_ - _ _ - _ 。叫光7 奄 1 2 2o c d m a 特点 图1 3o c d m a 网络示意 与光时分多址接入、光频分多址接入方式相比，光码分多址接入技术具有 如下的特点“： 1 用户可以随机、异步的接入网络，无需排队和等待，且无需波k 转换和 控制，具有交叉连接能力，可构成真正“透明”的全光通信网。 2 对光源性能的稳定性、谱线宽度、光滤波器的要求丰h 应降低。而且目j 以 与w d m 结合进一步增加系统的容量。 3 具有一定的保密性和抗干扰能力。采用c d m a 技术，必须采用匹配的地 址码作相关解码，在没有地址码时得到的只是伪随机光信弓】。 1 2 3 0 c d m a 分类 光码分多址接入可以按照多种方式进行分类。比如，根据接收机的接收检 测方式，可以分非相干o c d m a 和相干o c d m a 系统：根据地址码所在的空问， 可分为谱域o c d m a 、时域o c d m a 和多维o c d m a 等“。 谱域o c d m a 在频域上进行的地址编码，时域形状保持不变，经过发送端 的信道编码处理后，由地址码决定的特定波长组合成光脉冲发送出去。时域 o c d m a 在时域上进行地址编码，频域范围保持不变，经过发送端的信道编码 处理后，发送方的一个比特数据脉冲变成多个光脉冲，地址码决定脉冲序列在 时间轴上的位置。二维时域频域编码o c d m a 是指在谱域和时域同时对波长进 一3 2 浙江人学硕 学位论文 h i i 光7 电卜。_ _ _ _ - 一光- 叫 光，电 1 2 2o c d m a 特点 陶1 3o c d m a 网络示意 与光时分多址接入、光频分多址接入方式相比，光码分多址接入技术具有 如下的特点”1 ： l 用户可以随机、异步的接入网络，无需排队和等待，且无需波长转换和 控制，具有交叉连接能力，可构成真i r “透胡”的全光通信网。 2 对光源性能的稳定性、谱线宽度、光滤波器的要求相应降低。，而且可以 与w d m 结合进一步增加系统的容量。 3 具有定的保密性和抗干扰能力。采用c d m a 技术，必须采用匹配的地 址码作相关解码，在没有地址码时得到的只是伪随机光信号”1 。 1 2 3o c d m a 分类 光码分多址接入可以按照多种方式进行分类。比如，根据接收机的接收检 测方式叫以分非相十o c d m a _ _ f 【| 榭十o c d m a 系统：根据地址码所在的空间， 可分为谱域o c d m a 、时域o c d m a 和多维o c d m a 等”。 谱域o c d m a 在频域上进行的地址编码，时域形状保持不变，经过发遴端 的信道编码处理后，由地址码决定的特定波长组合成光脉冲发送h 出。时域 o c d m a 在时域上进行地址编码，频域范围保持不变，经过发送端的信道编码 处理后，发送方的一个比特数据脉冲变成多个光脉冲，地址码决定脉冲净列住 时间轴上的位置。二维时域，频域编码o c d m a 足指在谱域和时域同时对波长进 时间轴上的位置。二维时域，频域编码o c d m a 是指在谱域和时域同时对波k 避 一3 一 浙江大学硕t + 学位论文 行编码，可以获得更多的地址码。二维时域频域编码o c d m a 技术是o c d m a 实现大容量的通信系统的核心技术，是翻前研究热点。 1 3o c d m a 系统的关键技术 1 3 1 光地址码 o c d m a 系统的整体性能在很大程度上依赖丁二地址码。为了使系统能够m 确地解码出所需要的光信号，就要求用户地址码具有良好的相关性，同时还耍 求光地址码的容量要尽可能的多，以容纳更多的用户。因此，o c d m a 系统中 地址码的正交特性及容量的大小是衡量码字性能的主要因素”。 目前，已经提出了多种o c d m a 系统地址码序列。“，例如：光i f 交码 ( o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e ) 、素数码( p r i m ec o d e ) 、扩展素数码( e p ce x p a n d p c ) 、唯一叠和码( o n e - c o i n c i d e n c e ) 、同余码( c o n g r u e n c ec o d e ) 和：次间余码 f q u a d r a t i cc o n g r u e n c ec o d e ) 等。这些地址码各有其优缺点，性能更优异的地址 码还有待进一步的研究。 1 3 2 光编，解码器 光编，j 砰码器是o c d m a 技术的核心部件之一，也是o c d m a 系统能否实 用化的关键，可以说o c d m a 的发展实质上就是光编码器和光解码器的发展。 编解码器的结构和特性直接影响着o c d m a 系统的功率损耗、设计成本、用户 容量、误码率以及系统的灵活性。高性链的编，解码器能将经过良好设计的码字 系列转化到应用层面，是o c d m a 系统的决定性因素之一”。上面所列的地址 序列都已经设计出相应的光编，解码器”“。灵活的可调谐编，解码器是采用光纤光 栅制作光编，解码器的o c d m a 系统需要解决的主要问题之。 此外，多址干扰( m u l l i p l e a c c e s si n t e r f e r e n c e ) 、接收机的热噪声、敞弹噪 卢等也是限制o c d m a 系统性能的一个重要因素，也是研究的重点问题。 1 4o c d m a 技术研究现状 o c d m a 技术自2 0 世纪8 0 年代中期提出以束，引起了各国学者极大必趣， 投入了大量人力、物力进行研究。近二十年来，理论研究与实验研究都取碍了 很大的创新和突破”4 ”。 一4 一 浙江大学硕1 一学位论殳 o c d m a 技术的研究可分为相干和非相干o c d m a 系统，从使用的同步技 术来分，非相干o c d m a 系统又可分为同步和异步o c d m a 系统“：目前，时 域编解码0 c d m a 系统已经比较接近实用，特别是采用光正交码和素数码的 o c d m a 系统，其地址码理论、地址码容量、码字构造方法、光编解码器、误 码率性能分析等方面均有很多深入的研究。但是由于时域编码采用单极性码， 而且码字间相关性不太理想，使扩频增益和系统用户容量之间互为矛盾，致使 时域编码非相干o c d m a 没能尽快实用化。 虽然o c d m a 技术离大规模的商业应用还有一段距离，但大量的研究成果 己预示着其良好的发展前景，光码分多址技术必将在未来的全光网和光接入网 中占据席之地”。 1 5 论文的目的及章节安排 本论文是在浙江省自然科学基金项目( 项目批号：m 6 0 3 1 6 8 ) 的资助下，以跳 频扩时光码分复用系统中的光纤光栅编，解码器作为研究对象，仿真了基丁光纤 光栅阵列的编解码器在b r a g g 波长和相对位置等参数差异条件f 的性能，以及 不同用户数、地址码长度条件下的使用超限制速率通信的o c d m a 系统的误码 率性能，进而给出了f b g 编解码器参数最大容许误差和在特定情况下的通信速 率最大的超限范围。 本论文的章节安排如下： 本章是论文的绪论部分，介绍了全光通信网、常见的复用方式的功能特点、 o c d m a 系统的关键技术以及o c d m a 技术的发展历史和研究现状。 第二章将简单介绍使用耦合模式方程分析和计算均匀布拉格光栅及其阵列 的频谱特性的过程，并阐述常见的切趾函数对光栅旁瓣分量的抑制效果和调谐 性能。然后介绍基于f b g 的o c d m a 编，解码器编解码原理和常见地址码性能， 在此基础上介绍了o c d m a 编解码器的数学理论模型，并且对可调谐f b g 编 解码器的变址能力等性能进行了初步分析。 第三章将详细给出o c d m a 系统仿真模型的建模过程，模型框架以及模型 的具体实现过程。通过对比在不同长度的光栅阵列的条件下，仿真得到系统倩 道解码输出平均功率和误码率的变化的情况，以此分柝编解码器的参数差异对 f f h o c d m a 性能的具体影响，并且分析了f b g 编解码器参数最大容许误筹。 一5 一 浙江大学硕l 学位论立 第四章将分析和仿真0 c d m a 系统在不同的并发用户数和地址码艮度的条 件下，用户通信速率在超过通信速度时候的误码率变化的情况，以此分析满足 一定误码率要求的超过编解码器限制速度的最大允许通信速率范围。 第五章对全文进行了总结，并且展望了o c d m a 系统未来的发展。 一6 一 浙江大学颇 学位论史 第2 章o c d m a 编解码器 1 9 7 8 年c a n a d i a nc o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c hc e n t r e ( c r c ) ，o t t a w a ，c a n a d a 的h i l l 等人研究发现的光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) i “。l ，在光纤传感 和光纤通信领域有重要的应用价值，r 。泛地应用在光通信和传感技术等领域。 本章将首先简单介绍使用耦台模式方程分析和计算均匀布拉格光栅及其阵 列的频谱特性的过程，并阐述常见的切趾函数对光栅旁瓣分量的抑制效果和调 谐性能。然后介绍基于f b g 的o c d m a 编解码器编解码原理科常见地址码性 能，在此基础上介绍了o c d m a 编解码器的数学理论模型，并且对可调谐f b g 编解码器的变址能力等性能进行了初步分析。 2 1 光纤布拉格光栅的滤波特性 2 1 1 光纤布拉格光栅 光纤布拉格光栅( f b g ) 是一种光纤折射率受到周期性调制的光纤器件，从 光纤光栅一湍入射的光，由于其折射率的周期变化，使褥纡葱中向前和向后的光 波耦合。满足稚拉格条件波长的光功率耦合到向后的传输波中，在反射谱中形成 峰值，在透射谱中形成中心波长的峰谷。从信号处理角度着，对于后向传输特 性来说，布拉格光栅就可以认为是一个带通滤波器；对于酊向传输束随，可以认 为布拉格光栅是一个带阻滤波器。 常用的光纤光栅的理论分析方法主要有三种：耦合模方程、传输矩阵法、 r o u a r d 法。光纤光栅的最基本理论是耦合模理论，其基本方法是将光纤中电场的 横向分量表示为理想模式的叠加。由于任何电介质的扰动都会引起模式耦俞各 个模式之间沿光纤轴向和横向的相互作用形成了最终输出“。这样利用耦合模理 论就可以准确地描述大多数光纤光栅特性。 耦合模理论的基本方程如下： 小 r ( z ) 一a ( z ) e x p ( i b z 一习 ( 2 1 ) 二 s ( z ) tb ( z ) e x p ( - i f z + 要)( 2 砷 一，一 浙江大学颤十学位论文 _ d r ：f d r ( 2 ) + i k s ( z ) d - s 一：一6 占s ( z ) 一i rt r ( z ) 式中：a ( z ) 沿光栅的+ z 方向的幅度； b ( z ) 沿光栅的z 方向的幅度； r 互耦合系数； d 自耦合系数。 互耦合系数和自耦合系数的定义如下： 盯。- - 罢v t s h 咿 d 。6 + 口一1 d d 2 出 其中 仃：堡6 n 。 a ；筘一妻z 砜e 去一去， 式中： 光栅调制周期； 卢轴向传输常数； v 调谐深度； 6 ，l 。光栅周期上的空间折射率的变化。 其中如为光栅布拉格波长，其定义如下： a 。- i n 2 n 。a 一根长度为l 的均匀布拉格光栅的反射特性可以表示为“2 ks i n b ( 以2 宇。上) 胪磊而而矿孑二顶甄i 其中 ，型鲨塑一 砌2 ( 蹄一等) k 。 。2 a t 。( 三一1 ) + 堡孔一一1 一d e da 2 出 一8 一 f 2 3 、 f 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 1 f 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 浙江人学硕一 学位论文 玎 一 足= 一v d _ ，l 研 a 式中：卢复数响应： r 反射的能量 光栅周期。 f 2 1 0 、 下面使用r s o f ld e s i g nc o r p ，l n c 公司的b e a m p r o p - - g r a t i n g m o d 软件计算 + 个均匀布拉格光栅功率反射谱和传输模式。句拉格光纤光栅的具体参数见表 2 1 。图2 1 为该光栅的反射频谱特性曲线、时问延迟曲线。 美国r s o f l 设计集团公司是一家世界著名的光通信模拟设计和仿真软件，l ： 发。该公司的b e a m p r o p 软件是一个高度集成了汁算机辅助设计和模拟仿真的 专业软件，专用于设计集成光学波导元件和光路。其中的g r a t i n g m o d 是专门针 对f b g 的设计和仿真的软件模块，使用有限差分光束传播法( f i n i t e d i f f e r e n c e b e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d l 来模拟分析光学器件。 表2 1 均匀布拉格) 匕栅参数设置 光栅参数数值 长度( l e n g t h ) 3 m m 周期(period)0。74 切趾类型 一 c h i r pt y p e l i n e a r p r o f i l et y p es i n u s o i d a l m o d d e o t h 0 2 w i d t h5 u m 图2 1 光纤光栅的反射性能g r a t i n gs p e c t r a lr e s p o n s e 浙江人学颇i 。学位论文 2 1 2 切趾函数 均匀光纤光栅反射波谱中除了较宽的主瓣带宽以外，还存在相当数量的旁 瓣波谱( 见图2 1 ) ，这些旁瓣波谱将降低光栅作为带通滤波器的滤波性能，而 且还将引起较大的振荡型时延。为了抑制反射谱的旁瓣波谱，获得较高的旁瓣 抑制比，可以使用切趾函数( a p o d i z a t i o n ) 来抑制旁瓣分量，以减少时延曲线 的振荡，最大限度地减少多个光纤布拉格光栅之间的相互干扰”。 切趾函数是通过在光栅的光致折射率变化中引入一个和光栅长度有关的函 数包络来改善其反射谱特性和时延特性。可以采用多种函数进行切趾”“，常见的 切趾函数定义如下： g a u s s 型： 一6 n 4 ( 护瓦e x p - g c 南，2 仁 h a m m i n g 型： 瓦m 瓦1 + h c o s ( - ，三蒜) ( 2 1 2 ) 6 ”一( 2 ) = 6 ”一1 i i 与；：2 _ 2 _ ! 瞠一 、“ 升余弦犁 瓦= 瓦扣咧盎) 】 亿柳 下面使用与上节相同的光纤光栅，对比了三种常见的切趾函数的反射谱和时 延特性。从图2 2 2 5 中的反射谱曲线可以看出，经过切趾处理后的光栅反射谱， 旁瓣分量得到了极大的抑制，但峰值反射率有所下降。 幽2 2 来切趾的光纤光栅反射特性曲线 a ) g r a t i n gs p e c t r a lr e s p o n s eb ) c o m p u t e rt r a n s v e r s am o d ep r o f i l e 一1 0 浙江大学碗i j 学位论交 c o m p u t e dt r o n s v e c s eh o “pr o f i l e ( m = 1 3o e f l0 0 6 2 ) t b h e c t i on 叫n 口 圈2 3b l a c k m a n 型切趾的光纤光栅反射特性曲线 a ) g r a t i n gs p e c t r a lr e s p o n s eb ) c o m p u t e rt r a n s v e r s am o d ep r o f i l e c m m “1 h l 。p t r f m 2 嘞 图2 4t a n h 犁切趾的光纤光栅反射特性曲线 a ) g r a t i n gs p e c t r a lr e s p o n s e b ) c o m p u t e rt r a n s v e r s am o d ep r o f i l e 图2 5c o s i n e 型切趾的光纤光栅反射特性曲线 曲g r a t i n gs p e c t r a lr e s p o n s e b ) c o m p u t e rt r a n s v e r s am o d ep r o f i l e n 一 釜： 浙江太学硕i 学位论文 2 1 3 光纤布拉格光栅阵列 二维时域频域编码的o c d m a 系统使用的基于f b g 编解码器的慕本结构 是多个间隔的串连光栅组成的光栅阵列。光栅阵列的特性直接决定了o c d m a 编解码器的性能。同样使用b e a m p r o p 计算了一个由5 个切趾光纤布拉格光 栅组成的光栅阵列的反射频谱特性。光栅参数见表2 2 ，计算结果见图2 6 。从 图2 6 一a 中可以看出，反射频谱中有五个预期中的反射逶带，图2 6 一b 是) 匕栅阵 列的轴向折射率分布图。 表2 2 均匀布拉格光栅阵列参数 数值 参数 光栅1光栅2光栅3光栅4光栅5 砭度 3 r a m3 r a mj l l i l 3 r a m j m r n p e r i o d 周期 0 7 40 7 5o 7 60 7 70 7 8 切趾类型c o s i n ec o g i n ec o s i n ec o s i n ec o s i n e c h i r pt y p e l i l l e a rl i n e a rl i n e a rl i n e a r l i n e a r p r o f i l et y p es i n u s o i d a ls i n u s o i d a ls i n u s o i d a ls i n u s o i d a ls i n u s o i d a i m o d d c p t h 0 - 20 20 2o 2o 2 w i d t h55 555 c h i r p l i n e a rl i n e a rl i n c a rl i n e a rl i n e a r 应该指出的是，汁算中使用的余弦切趾函数抑制了光栅的大部分旁瓣分 量。图2 6 c 是未进行切趾处理的光栅阵列的反射频谱特性。因此经过适当切 趾处理后的光栅阵列中的光栅间的相互：f 扰效应可以忽略不计，从而可以设计 出性能优良的o c d m a 系统所需要的编解码器。 o t t “s p t 由a lr t 卸o r 叫计_ o 刀自卸 1 2 0 8 7 e 5 4 3 2 1 0i轧e)”乱争酗； 浙江人学倾十学位论空 m f a v e l e n g t h ( i ! 押) 圈2 6 光栅阵列频域特性 a ) r e l a t i v ep o w e ro ff b ga r r a yb ) i n d e xd i s t r i b u t i n go ff b ga r r a y c 1 未切趾光栅阵列的反射谱 2 2 布拉格光栅的调谐 可调谐光纤光栅在光纤通信领域有重要的应用价值。光纤光栅的应力、温 度和极化方式等特性的变化，都司能改变光栅的模式系数，使得光栅耦合其它 模式的光信号”“。灵活的可调谐编，解码器是设计基于光纤光栅的o c d m a 系 统编解码器需要研究的主要问题之一。 2 2 1 轴向应力特性 光纤布拉格光栅是一种光纤折射率受到周期性调制的光纤器件，满足布拉 格条件( 2 6 ) 波长的光功率耦合到向后的传输波中，在反射谱中形成峰值，在 透射谱中形成峰谷。如果a 和n 。受到外界环境影响而发生变化，将导致布拉格 波长发生位移。 f b g 的中心波长灵敏度由光纤弹性、弹光、温度变化及加载的应力特性决 定，中心波长的变化量可以表示为“ a a s 号2 a n 讲a + 2 n 廿a a( 2 1 4 ) 应力引起b t a g g 波长的改变是通过f b g 轴向应变来实现，即 = e r e ： ( 21 5 ) 式中：o 应力，f b g 的轴向拉力； 一1 3 一 (n8警la一蔫 浙江大学硕 学位论文 易光纤的弹性模量； ：f b g 的轴向应变，数值等于：。l 。 忽略温度的影响( a t = o ) ，则f b g 波长偏移与光纤轴向单位拉伸量的关系 为”： 耸：( 1 一只) ，( 2 t 1 6 ) 并且 只；研刍2 ) i p 一肛( p n + pz z ) 】 ( 2 1 7 ) 式中：光纤芯材料的泊松比； p ，p ，广_ - 光弹性张量的p o c k e l 系数； p 有效光弹性系数。 2 2 2 温度特性 温度变化既引起光纤光栅折射率的变化”。，也会引起栅距的变化。不考虑 波导效应，对( 2 1 4 ) 式对温度取导数，可以得到： d a ；2 ( a 塑+ n 坠1 d r 、d t d t 式( 2 1 4 ) 除上式，可以得到： 警= e 塑+ x l d a _ ) d d td t r ( z 朋) a、na 、 令a n ；亭，为热光常数，三坐：口为热膨胀系数，从而可得： d t d t 掣： + 三亭矽r( 2 1 9 ) 令温度灵敏度系数为蔚：a + 三 ，则上式表示为 _ d z ；k 矗r( 2 2 0 ) 上式表示了无应变作用下光栅b r a g g 波长变化量与温度增量之闻的关系。 2 2 3 常见的调谐方法 f b g 的调谐特性受到应力和温度的共同影响。按照对光纤光栅的作用方式 柬分，调谐方法有机械调谐、热调谐；从对波长的调谐关系而言，可以分为线 性调谐与非线性调谐。这些方法各有优缺点，有的方法调谐范围也比较大，适 用于不同的场合。 一1 4 浙江大学硕 ：学位论史 机械调谐方法简单，调谐精度高，仅取决于机械形变的线性程度，温度稳 定性取决于弹性梁的材料热膨胀系数和光纤热膨胀系数。已经有很多文献对于 机械调谐的温度特性进行了探讨“6 ”1 。此外，还可以通过外接温度传感器的方式 进行温度补偿来进一步提高调谐精度。 使用应力对光纤光栅进行调谐的时候，外力的形式包括纵向应力( 弹性粱 轴向拉伸或脏缩) 、横向应力( 弹性梁侧向弯曲) 以及扭转应力( 弹性梁扭转) 。 应力源可以使用步进制电机来进行自动、精密地应力控制。而电磁调谐方法可 以通过控制可变磁场的强度改变应力的大小，并且可以使用保磁材料来保留磁 场，减少静止状态下的电流功率消耗，可以极大的减少调谐所需要的能量。 目前，中外学者已经进行了相当多的光栅调谐实验。c h e esg o b 通过对1 0 0 r a m 弹性横梁进行弯曲和拉伸的方法”，对长度为3 m m 、中心波长为1 6 1 4 3 n m 的 b g e s i 材料的布拉格光栅施加纵向的压力和拉力，实现了从1 6 3 4 n m 到1 5 4 4 n m 超过9 0 n m 范围的波长调谐，涵盖了整个l 波段和一半的c 波段。 2 2 4 电磁调谐方式 磁致伸缩效应，又称焦耳效应，在1 8 4 2 年i _ l = 焦耳发现，是指磁性材料由于 磁场的变化，其长度和体积都发生微小的变化的现象，长度的变化称为线性磁 致伸缩，体积的变化称为体积磁致伸缩“”| 。 光纤光栅的电磁调谐主要使用压电陶瓷( p z t ) 或者稀土超磁致伸缩材料 ( g m m ：g i a n t m a g n e t o s t f i c t i v e m a t e r i a l ) 产生调谐应力，电磁调谐响应时间特 别短( 毒言卫4in4芎口o刁m兰日巨oc 浙江人学碗t 学位论文 难，同时也增加布拉格光栅中心波长不严格匹配的可能性。 下面是通过仿真分析o c d m a 编解码器在中心波长差肄的情况卜的误码 率变化的情况。使用o p t i s y s t e m 软件进行仿真，误码率采用软件自带的b e r a n a l y s e 进行分析，算法采用高斯最坏情况( g a u s s i a nw o r s tc a s e ) ，时n 窗设 为1 5 b i t ，t h r e s h o l dm o d e 设置为相对模式，判决点设置为0 5 b i t 周期。通信距 离设置为5 0 k m 。 图3 9 是前面给出的o p t i s y s t e m 仿真模型在f b g 个数( n = 1 0 ) 的o c d m a 系统在参数无偏差情况下的误码率仿真结果，分别是of a c t o r ，m i n b e r , t h r e s h o l d 曲线。 t i m et b 萱a e n i a a ) ( a ) 鲞b e r m i n b e r d b lc u c ko nd b j e c l s t oo p e np r o l 始巾够m o v eo b j e c t sw i t hm o l 一3 l 一 浙江大学硕j 学位论文 鸯 b i = rt h r e s h o l d d h c l i c k o n o b j e c t s t o o p e n p r o p e r t i e sm o v e o 蹦e d s w i t h m o b ! 呈羁 辇 00 _ 20 40 60 81 i m e ( b i tp e r i o d ) 图3 9n = i o 的o c d m a 系统在参数无偏差情况f 的误码率仿真结果 a ) qf a c t o rw i t he y ed i a g r a mb ) m i nb e l lc ) t h r e s h o l d 使用o p t i s y s t e m 软件仿真编解码器的靠拉格光栅个数为3 个和1 0 个的时 候o c d m a 系统误码率变化的结果见表3 1 ，图3 1 0 是实验结果的曲线图。图 中横坐标也是p r o p o r t i o n a l b r a g g w a v e l e n g t h o f f s e t ，即中心波长差异值 j 布拉格 光栅b r a g g 通带带宽的比率，其数值大小表明中心波长差异的相对大小。纵坐 标则是系统的误码率。 表3 1o c d m a 系统在反射波长参数偏差f 的误码率仿真结果 误码率 绝对频偏( a m l 相对频偏 n = 3n = 1 0 100 2 3 5 1 0 85 4 5 1 0 - 8 2o 0 21 0 2 9 0 1 0 。85 5 1 1 0 - 8 30 0 42 0 1 5 6 1 0 。6 0 4 1 0 - 8 4 0 0 63 0 2 3 2 1 0 “6 3 0 l o 。8 50 0 84 0 2 - 3 5 1 0 “6 7 7 1 0 8 6o 1 05 0 3 8 1 1 0 “7 3 3 1 0 8 70 1 26 0 6 9 7 1 0 “7 8 1 x 1 盯8 8o 1 47 0 1 4 3 1 0 - 68 3 8 1 0 8 9 0 1 68 0 3 4 5 l f f 68 9 2 1 0 “ 1 00 1 89 0 5 0 6 x 1 旷3 9 x1 0 。7 1 10 2 01 0 0 5 ，7 3 1 0 r b5 3 1 0 7 3 2 浙江人学硕士学位论文 虽 正 目 0 2 0 4 0 6 0 姒1 0 0 p r o p o d i o n a lb r a g gw a v e l e n g t ho f f s e t 图3 1 0 布拉格光栅中心波长不严格匹配对系统误码率的影响 从图3 1 0 中我们町以看出，随着相对布拉格波长差异的增大，系统的接收 端的误码率随之增加，特别是当光栅数量比较小的时候，误码率劣化的程度更 加严重，这与我们前面使用m a t l a b 软件仿真分析所得到的结果一致。 3 4 不对称布拉格光栅相对位置对系统性能的影响 3 4 1 相对位置误差来源 除了布拉格光栅中心波长不对称的会对系统性能造成影响外，o c d m a 编 解码中的布拉格光栅相对位置的不对称也将劣化系统的性能。能够引起相对位 置的不对称的原因包括：由于光栅在制作工艺所造成的围有偏差；在可调谐的 编解码器的时候的动态调谐偏差。在串连的f b g 光栅之间加入可调谐光延长 线，调谐的误差也将引起比较大的位置不对称。位置可调谐的编码器的结构如 图3 1 l 所示。 从图3 1 l 中我们可以看出，相比直接串连的f b g 阵列，由于使用光纤延 迟线，编码器的各波长的附加损耗由于光纤接头( a p o 1 d b ) 数量的增多而 相应增加。对于光栅数为n 的编码器来说，可调谐光延长器格式则为n 一1 ，编 码后中的子波功率最大相差为： a p m 。= ( n 一1 ) x 2 x 2 x a p ( 3 3 ) 由于解码器使用与编码器互补结构的f b g 阵列，则各子波由于使用光纤 一3 3 浙江人学颂上学位论文 延迟线带来的总的附加衰减总的数值应该相等： 。，= 只。；( j r 一1 ) x 2 x 2 x a p( 3 4 ) h 豳3 1 1 相对位置习调谐的编解器结构不意图 对于长度n = 1 0 的编码器来说，最大子波功率相差大约为3 6 d b 。而对解 码输出信号功率至少将下降3 6 d b ，实际应用中应该对此附加损耗进行功率补偿 处理。 3 4