（电子科学与技术专业论文）基于fbg编解码器的光码分多址系统.pdf

浙江大学博士学位论文 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 l t i p l ea c c e s sf o c d m a ) i sac o m m u n i c a t i o nm o d ew h i c hi n t r o d u c e st h ec o d e d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ( c d m a ) t e c h n o l o g yi n t oo p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m b e s i d e sp r o v i d i n g a s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o n sa c c e s s ，o c d m as y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g he a p a c i t y , s e c u r i t y a g a i n s ti n t e r c e p t i o n ，s u p p r e s s i o no f n a r r o wb a n dd i s t u r b a n c e s ，c a p a b i l i t yi nf o r m i n gv a r i a b l eb i tr a t en e t w o r k s a n dm u l t i - r a t en e t w o r k s i ti m p l i e sag r e a tc h a l l e n g ef o rt h ed e v e l o p m e n to ff u t u r ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ， e s p e c i a l l ya l lo p t i c a ln e t w o r k s i nc o m p a r i s o nw i t hr a d i oc d m a s y s t e m ，o c d m as y s t e mc a na l s ob ed i v i d e di n t om a n yv e r s i o n s ，s u c ha s d i r e c ts e q u e n c e ( d s ) ，f r e q u e n c ye n c o d e d ( f e ) ，f r e q u e n c yh o p p i n g ( f h ) ，h y b r i dd i r e c ts e q u e n c e f r e q u e n c y h o p p i n g ( d s f h ) ，a n ds oo n b u to c d m as y s t e mu s e so p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n ga n df i b e rt r a n s m i s s i o n ，t h e d e s i g nm e t h o do fs p r e a ds p e c t r u mc o d e sa n dt h et e c h n i q u et oi m p l e m e n tw i 】jb ed i s t i n c tf r o mr a d i oc d m a b a s e do nt h ea n a l y z i n g , c o n c l u d i n ga n ds u m m a r i z i n gt h ep u b l i c a t i o n sc o n c e r n e d ，m yd i s s e r t a t i o nm a i n l y f o c u s e so nt h r e ea s p e c t so ft h eo c d m a s y s t e mw i t hf i b e rb r a g gg r a t i n g sr f b o ob a s e de n c o d e d d e c o d e r n a m e l y , s p r e a ds p e c t r u mc o d e s f b g sb a s e de n c o d e r d e c o d e ra n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n f i r s t l y , t h es p r e a ds p e c t r u mc o d e so f o c d m a s y s t e ma r ed i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f f h - o c d m as y s t e m ，a nu p p e rb o u n do nt h es i z eo fs p r e a ds p e c t r u mc o d e sw i t h g o o dp e r f o r m a n c ei n a u t o c o r r e l a t i o na n dc r o s s - c o r r e l a t i o ni sd e d u c e d t h e n t h eq u a d r a t i cc o n g r u e n c e - h o pc o d e st h a ta c h i e v et h i s b o u n da r ep r e s e n t e di nc o n f o r m i t yt ot h eq u a d r a t i cc o n g r u e n c ec o d e s a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n gt ot h e p r i m e h o p c o d e sf o r a s y n c h r o n o u s d s f h o c d m as y s t e m ，t h em o d i f i e d p r i m e - h o pc o d e s w i t h g o o d p e r f o r m a n c ei na u t o c o r r e l a t i o na n dc r o s s - c o r r e l a t i o nf o rs y n c h r o n o u sd s f h - o c d m as y s t e ma r ep r e s e n t e d t h e e x a m p l e so f t h et w on e w c o d e sa r ea l s og i v e n s e c o n d l y ，t h ef b g s b a s e de n c o d e r s d e c o d e r sf o ra l lv e r s i o n so fo c d m a s y s t e mk r ei n v e s t i g a t e d o nt h e b a s i so fr e c e n tr e s e a r c h e so nt h el a d d e re n c o d e r d e c o d e rb a s e do nf b g s ，t h ep o s s i b i l i t yo f t h i se q u i p m e n tu s e d t od s ，f e ，f ha n dd s f hv e r s i o n so fo c d m as y s t e mi sd i s c u s s e d a n dt h ef b g sb a s e d p a r a i l e j e n c o d e r d e c o d e ri sp u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m e t h e n t h ep r i n c i p l e sa n dt h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r so ft h e s y s t e m sa r ed e d u c e d ，t h ef i r s t - r a n ks c h e m eo f f b g sb a s e de n c o d e r d e c o d e ri sd i s c u s s e d ，a n dt h ee x a m p l eo f p o t e n t i a la p p l i c a t i o ni sg i v e n c o m p a r e dw i t ho t h e re n c e d e r s d e c o d e r sf o ro c d m as y s t e m ，t h ef b g sb a s e d e n c o d e r d e c o d e ri sa d d r e s s a b l ea n di o wc o s la sw e l ia si tc a l lb ed e s i g n e da n di n t e g r a t e dc o n v e n i e n t l y f i n a l l y , a c c o r d i n g t ot h e c o n f i g u r a t i o n o f n e t w o r k ，s p r e a ds p e c t r u m c o d e sa n df b g sb a s e d e n c o d e r d e c o d e rf o ro c d v i as y s t e r n ，t h em a t h e m a t i c a 】m o d e l sf o rd s ，f e ，f ha n dd s f hv e r s i o n so f o c d m a s y s t e ma r ei n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l y t h e n t h es y s t e mi ss i m u l a t e da n da n a l y z e d t h er e s u l t sr e v e a l t h a tt h eo c d m a s y s t e m sw i t hf b g sb a s e de n c o d e r d e c o d e ra r en o to n l ye a s yt op l a n ，b u ta l s oh a v el a r g e n u m b e ro f s i m u l t a n e o u su s e r s h i g hp o w e r e 擐c i e n c y a n dl o wb i te r r o rr a t ef b e r ) f u r t h e rm o r e t h ed o u b l eo p t i c a lh a r d - l i m i t e r sa n db a l a n c er e c e i v e rw i t hf b g sb a s e de n c o d e f f d e c o d e ri s i n t r o d u c e di n t oo c d m a s y s t e mt or e d u c et h eb e r o fs y s t e m a n dan o v e lm e t h o di s a p p l i e dt oc a l c u l a t et h e p r e c i s eb e r c a u s e db y m u l t i p l eu s e ri n t e r f e r e n c e k e y w o r d s ：o p t i c a lf i b e rc 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 ，d i r e c ts e q u e n c e ，f r e q u e n c y e n c o d e d ，f r e q u e n c yh o p p i n g ，h y b r i d d i r e c t s e q u e n c e f r e q u e n c yh o p p i n g ，s p r e a ds p e c t n m ac o d e ，o p t i c a l e n c o d e r d e c o d a r ，f i b e rb r a g gg r a t i n g ，e n c o d e r d e e o d e r w i t hf i b e r b r a g gg r a t i n g s ，d o u b l eo p t i c a lh a r d l i m i t a r i i 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输介质的通信方式。由于它具有容量大、传输距离远、 信号传输质量高以及原材料来源丰富等方面的优点，因而被广泛地应用于电信和计算机通信等领域。与 之相适应，包括光码分多址( o c d m a ) 等技术在内的光纤通信技术也取得了日新月异的发展。本文 就“基于光纤布拉格光栅( f b g ) 编解码器的o c d m a 系统”展开了大量的研究工作，并取得了一定的 成果，为o c d m a 技术的研究及其应用提供了参考的依据。 1 1 光纤通信技术的发展历程 随着社会的进步，特别是i n t e m e t 和网络通信技术的发展，人们对宽带通信网的要求变得愈来愈强 烈。而石英光纤在1 3 “m 和1 5 u m 附近的两个传输窗口分别具有多达1 8 t h z 和1 2 5 t h z 的可用带宽， 这是目前广为采用的电传输媒体和无线传输媒体带宽的1 0 0 0 倍以上。因此充分地挖掘光纤通信的巨大 潜力，并在光纤通信系统中采用恰当的多址复用技术就显得尤为重要。迄今为止，实现全光通信网络的 多址复用技术主要有光时分多址( o t d m a ) 技术、密集波分复用多址( d w d m a ) 技术以及o c d m a 技术等，这些多址复用技术的基本特征可由图1 i 进行描述。 图1 i光纤通信系统中多址复用技术的演进 o t d m a 是利用高速光开关使多路光信号复用到一条光传输线上的一项技术。利用o t d m a 技术可 以获得较高的速率带宽比，可克服掺铒光纤放大器( e d f a ) 增益不平坦、四波混频非线性效应等诸多 因素的限制，而且还能够支持大量的并发用户，从而增加网络的灵活性。目前，已有不少的o t d m a 实 验系统研制成功，如日本的n t t 传输实验室已实现了速率高达4 0 0 g b p s 的o t d m a 系统。但由于其关 键技术比较复杂( 如同步技术) ，所以这项技术迟迟没有得到很大的发展和应用。 d w d m a 则是利用单模光纤的宽带低损耗特性将信息调制到多个波长的光信号上的一项技术。目 前实验研究中的密集波分复用( d w d m ) 系统的传输容量已经达到1 0 t b p s 以上，实际应用中的d w d m 系统的传输容量则可达到4 0 0 g b p s 左右，因而它已被广泛地应用于长途骨干网之中。但是，d w d m 系 统要求具有性能较高的激光器和光分插复用器( 0 d m ) 及光交叉连接器( o x c ) 等网元设备，所以其 成本很高。另外，d w d m a 技术仅提高了骨干网上的传输速率却并未克服接入端的电子瓶颈，因而也不 能用于提高局域网的传输带宽。 与此同时一种新的实现全光通信网络的技术一o c d m a 技术正越来越引起人们的重视。作为一 种多址复用技术，c d m a 的工作原理这样的：发送端将不同用户的信息采用相互正交的扩频序列进行调 第一章绪论 制后发送，相应的接收端则采用相关解调来恢复出原始数据。它具有同步方式简单、抗干扰能力强、安 全性好和软性容量等方面的优点口j ，因而在移动通信( 3 g 的核心就是c d m a 技术) 、微波通信以及卫星 通信等系统中广为运用。始于2 0 世纪8 0 年代中期的o c d m a 则是将c d m a 技术与大容量的光纤通信 技术相结合的一种通信方式”“j 。相对于o t d m a 和d w d m a 技术而言，o c d m a 技术的主要优点表现 在： o c d m a 系统允许多个用户随机地接人同一信道。它不要求各用户间的同步，也不要求用户具有 波长可调节的能力，因而适合于局域网中突发流量和高速率的工作环境”j 。 ) o c d m a 系统对用户数据 进行了全光信号处理，因而可构成真正“透明”的全光通信网络。( 9 0 c d m a 系统所采用的扩频技术保 证了只有在接收端与发送端的地址严格匹配的情况下，接收端才能够恢复出发送端的原始信号，因而具 有良好的安全性能l 。o c d m a 系统具有可变速率或多速率传输的能力卜”l ，并可同时提供多种业务 支持( 如a t m 和i p 服务等1 1 4 - 1 6 1 ) 。 o c d m a 系统运用了光编解码器对脉冲信号进行了扩频处理，使 得己扩频信号的带宽足够大，从而增强了系统的抗干扰能力，并能够充分地利用石英光纤的可用带宽i l ”。 此外，该技术还可以方便地与o t d m a 和d w d m a 等技术相结合 1 8 , 1 9 ，以便为局域网或骨干网提供性 能更为优良的网络支持。因此，o c d m a 技术具有很强的技术优势和广阔的应用前景1 2 ”。 1 2o c d m a 技术的研究现状 实现o c d m a 技术可以采用如下两种方案第一种方案是利用波分复用技术将光纤带宽进行分割， 然后在每个载波上直接加载电c d m a 的信号。此时，系统为每个用户提供的最大带宽将小于1 0 m b p s ， 所以它只能满足中低速的业务需求。而超短激光脉冲的获得使得采用全光信号处理的光纤通信系统成为 可能，因此，我们就可以为o c d m a 技术设计出一种全光信号处理的实现方案，如图1 2 所示 4 1 ，其中 星形耦合器是整个网络的中心。该系统的工作是这样的：图中的发送端利用无源光器件将原始信息以超 短脉冲信号的形式进行发送，接着，星形耦舍器将超短脉冲信号的功率均匀地分配到每一个输出端，接 收端则利用无源光器件对脉冲序列进行相关处理，并最终恢复出原始信息。 图1 2o c d m a 系统的简易框图 根据编解码方式的不同，上述o c d m a 系统具有相干和非相干的两种实现方式，它们分别利用了光 信号的振幅相位和能量来传输信息，因而也具有本质的区别。 1 2 i 相干o c d m a 系统 相干o c d m a 系统的网络结构如图1 3 所示口”j 。在该系统中，如果不同发送端所发送的脉冲信号 到达同一接收端的时间延迟之差远大于脉冲的相干时间，那么在接收端将形成期望接收信号的相干叠加 与不期望接收信号的非相干叠加，并可通过使用平衡接收的方法将后者予以消除，从而大大地减小了多 用户干扰( m u i ) 。但相干o c d m a 系统具有系统结构复杂，对器件要求高、实现技术难度大、成本高 等缺点。特别是随着数据传输速率的上升，系统对光源相干性的要求就变得越来越苛刻，并远远超出了 现有激光器的指标，因而不易实现基于这一原因，研究工作者对相干o c d m a 系统的研究较少f 2 ”， 本文将不再对此进行讨论。 2 浙江大学博士学位论文 1 2 2 非相干o c d m a 系统 图1 - 3 相干o c d m a 系统的网络结构 作为当前研究重点的非相干o c d m a 系统的实现方式则较为简单，其网络结构可由图1 - 4 进行描述 【”】。该系统的工作原理是这样的：发送端的原始信息对经掺铒光纤放大器( e d f a ) 放大的光信号以开 关键控( o o k ) 1 3 5 】或脉冲编码调制( p p m ) p “o 】的调制方式进行调制，再通过编码器进行扩频，并由环 行器输出，此时原始信息的载体就变成了带有特定扩频特征的已扩频信号，该已扩频信号经色散位移光 纤( d s f ) 和星型耦合器而传递到接收端。由于o c d m a 网络采用了类似于以太网中的广播传送机制， 接收端将同时收到多个编码器发送而来的信号，这些信号在解码器内与预置的扩频码完成相关运算，只 有匹配的已扩频信号才能被正确的解码，其余信号均被视为m u l 。 ! 匿酣斗侈e d f a 咂逊 tl| ”j s e a d e rs i 如f 墅竺竺f 三= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一， ；p h o t od e t e c t o rc i r c u l a t o r | 【水“盈斗s 哐薹k 雏 j o r i g i n a lle d f a u 牛j i s i g n a l 幽l d s f o l t h e r 忐r s 1r m v e r 巴竺型l “5 圈l - 4 非相干o c d m a 系统的网络结构 光硬限幅器已被广泛地运用于降低光通信系统的误码率( b e r ) 4 1 4 7 1 。在上述的非相干o c d m a 系 统中，1 号光硬限幅器用于将输入解码器的脉冲强度限制在单一码元的水平。假定单一码元的强度为1 ， 则1 号光硬限幅器的输出函数可定义为【4 8 】： e 。：j 1 e l - 1 ( 1 1 ) 【0 ，e u 1 而2 号光硬限幅器将用于脉冲整形，若定义z 砑为判决门限值，则它的输出函数可表示为 4 s 】： f 矽。e ，7 h 岛。2 1o ，e j 。 劢 “。2 第一章绪论 1 2 3 国内外研究状况的总结 无线c d m a 系统工作于无线信道，因此首先要强调抗噪声干扰、克服远近效应、抗多径衰落的能 力，然后才会考虑它的多址能力。而非相干o c d m a 系统( 以下简称为o c d m a 系统) 则采用了非相干 的光信号处理和光纤传输，人们更关心的是其多址能力和编解码过程的实现。因此，o c d m a 系统在扩 频码的选择和实现方法等方面都具有特殊性。基于上述的原因，国内外的研究工作者在o c d m a 系统的 扩频码、编解码实现方法以及o c d m a 系统的性能分析等方面做了大量的研究工作。 截止本文的定稿时间为止，在腰e e i e ee l e c t r o n i cl i b r a r y 上直接查找o p t i c a l + c d m a 共可以检索 到5 3 4 篇文献，我们将1 9 9 8 年以来每年度o c d m a 相关论文的发表情况进行了统计( 如图1 5 所示) ， 结果表明o c d m a 技术的研究正受到愈来愈多的关注，但总的来说，o c d m a 技术的研究还处于起步阶 段。从论文作者的国籍来看，美国、加拿大、英国、韩国、日本、新加坡和伊朗等国家的研究工作者较 多。其中，美国、加拿大和日本的研究工作者们进行了一些相关的实验1 1 7 , 4 9 - 5j 1 ，而其他国家的研究工作 者基本上都局限于对o c d m a 系统进行概念设计和理论分析。 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 1 9 8 81 9 9 01 9 9 21 9 9 41 9 9 6 1 9 9 82 0 0 0 图i - 5i e e e i i e ee l e c t r o n i cl i b r a r y 中相关论文统计 另一方面，在国内展开o c d m a 技术研究的主要集中在以下高校：北京邮电大学5 2 。”、北京大学、 深圳大学【5 “、上海交通大学0 6 ”、苏州大学【6 2 “】、长春邮电学院 6 5 1 、解放军理工大学1 6 6 】、解放军信息 工程大学1 6 7 。】、南京通信工程学院【7 0 】等。与此同时，我国政府也非常重视o c d m a 技术的研究工作，近 年来已分别批准了多项8 6 3 计划和国家自然科学基金的资助项目。但国内的研究工作者几乎都局限于对 o c d m a 系统进行有关的理论分析，到目前为止，尚未见到任何有关系统级实验的报导。 换言之，o c d m a 技术还存在着巨大的理论研究空间。这主要表现在当前o c d m a 技术的三大研究 方向：研究具有高自相关值、低互相关值并具有更大用户容量的扩频码。依照己设计出的扩频码提 出o c d m a 系统全光编解码器的设计思路，并分析它们的工作原理，优化相关参数。对o c d m a 系统 进行性能仿真、分析和比较。在这一背景下，浙江大学电子信息技术与系统研究所也早在1 9 9 8 年就向 浙江省自然科学基金委员会提出了资助申请，用于展开o c d m a 技术的研究工作，并成功地获得了基金 支持( 项目名称为“光纤c d m a 网实用化的关键技术研究”，编号6 9 8 0 1 6 ) 。 1 3o c d m a 系统的技术类型 o c d m a 系统通过伪随杭序列将一个窄带信号在传输前转换成宽带信号，因此传输带宽比最小所需 带宽高若干个数量级，这一扩频特征可以运用扩频码来表示。而由于相干光通信技术尚不成熟，目前设 计的光纤通信系统大都运用了光信号的能量承载信息，因此，利用具有良好相关性能的单极性 0 ，1 ) 序列 来构造o c d m a 系统的扩频码就成为一种必然选择。在o c d m a 系统中，一个性能优良的扩频码必须具 4 北i眈 n鼹i酏i弘鹃i弘i埔i地m 。山 lj l l 咀 浙江大学博士学位论文 有如下三个特点：良好的自相关和互相关性能。极大的码字数量。可以方便地被引入到o c d m a 系统之中。我们将具有上述特征并具有相同参数的扩频码归结为一组，并简记为瑚j 1 3 2 ： n ( l ，g ，w ，九，五。) ( 1 3 ) 其中为本组扩频码的个数，三和g 分别代表一个扩频周期内所涉及的时间片和频率片的数量，为 自相关峰值( 即码重) ，无、以分别为自相关和互相关常数，一般情况下，以、以均为1 ( 同步o c d m a 系统中，五。没有定义) 。因此，我们可定义扩频码的码函数为 c 。( 5 ，以) 0 ，1 ) ，h 0 , i ，一，n 一1 ) j o ，i , - - - , l 1 ) ，| j 1 ，2 ，- 一，g ) ( 1 - 4 ) 其中s 和，分别为时域和频域的变量，定义扩频码的相关函数为 r 。( s ) ：圭芝c 。( j ，a ) c 。( ( f + s ) m o d 【q ，五) ， ，聊 o ，1 ，n 一1 ( 1 - 5 ) k = l r = 0 对于同步o c d m a 系统，有s = 0 ，且扩频码的相关函数必须满足： f ；w ：m 凡羽 以：h 聊 “。6 而对于异步o c d m a 系统，扩频码的相关函数必须满足： f = w ， = m ，且s = 0 月。( j ) s i o ， = 肌，且s 0 ( 1 - 7 ) l 五， 肝， 根据上述表达式和相关条件，并运用有限射影几何法、线性全等理论、二次全等理论、块设计理论 等方法，我们就可以设计出多种o c d m a 系统的扩频码，如光正交码( 见图l 6 的示例) 、素数码、二 次全等码和跳频素数码等，详细的设计情况将在第二章进行讨论 - _，- ， 一 _ 1 _ 。 图1 - 62 ( 1 3 ，3 ，1 ) 系列光正交码 依照所采用扩频码的不同性质，我们可以将o c d m a 系统划分为直接序列扩频( d s ) 、谱域编码( f e ) 、 跳频( f h ) 和混合直扩跳频( d s f h ) 等多种类型。其中，d s o c d m a 系统通过将扩频序列直接与基 带脉冲数据相乘以扩展基带数据，因此系统中已扩频信号的谱域并没有受到影响；f e o c d m a 系统利用 了信道占用频率片所具备的准正交性以区分不同用户，因此系统中已扩频信号的时域并没有发生变化； f h o c d m a 系统是d s o c d m a 和f e 。o c d m a 系统的高度融合，该系统中单个用户的载波在宽带信号 范围内按扩频码进行伪随机跳变，因此，f h - o c d m a 系统具有良好的保密性能，此外，它还具有较大 的用户容量、较高的功率效率和较好的信噪比( s n r ) 性能；而d s f h o c d m a 系统中的传输信号不仅 在时间上具有伪随机的特征，而且信号的中心频率也按照伪随机方式进行跳变，因此它相对于其它 o c d m a 系统而言具有更强的安全性能，并且能够在频率片数量一定的情况下，获得比f h o c d m a 系 5 第一章绪论 统更大的用户容量，而系统的最大功率效率则仍然维持在较高水平。 各种光纤通信系统的对比情况如表1 - 1 所示，其中f 、，分别为系统中时间片和可用频率片的数 量，且有0 x ，y 1 。 表l - 1各种光纤通信系统的对比 m u l t i p l ea c c e s ss c h e m e t r a n s m i s s i o nn u m b e ro f u s e r d i f f i c u l t y o t d m a o r t h o g o n a l 2 ， s y n c h r o n i z a t i o n d w d m a o r t h o g o n a l n jf r e q u e n c ym a n a g e m e m d s o c d m a q u a s i o r t h o g o n a ln ： s y n c h r o n o u sd s - o c d m aq u a s i o r t h o g o n a l n ， s y n c h r o n i z a t i o n f e o c d m a o r t h o g o n a l n ； f e o c d m a q u a s i o r t h o g o n a l n 7 f h o c d m a o r t h o g o n a l n ； f h o c d m a q u a s i o r t h o g o n a ln | s y n c h r o n o u sf h - o c d m aq u a s i - o r t h o g o n a l ； s y n c h r o n i z a t i o n h y b r i do c d m aq u a s i - o r t h o g o n a l n ：n h y b r i ds y n c h r o n o u so c d m aq u a s i - o r t h o g o n a ln j | n ?s y n c h r o n i z a t i o n 1 4o c d m a 系统的编解码实现 o c d m a 系统的编解码实现方法在o c d m a 技术的研究中占有举足轻重的地位，它不仅是系统数据 传输速率的决定性因素之一，而且还直接影响到系统的功率效率、b e r 、工作环境和工作稳定性等。总 的来说，一个性能优良的o c d m a 系统编解码器应该具有如下一些特点：可依照不同的扩频码进行方 便地设计。可集成化。价格低廉。可以保证o c d m a 系统具有较高的功率效率和较低的b e r 。 可编址能力，以便系统中的任意用户之间都可以进行交互通信。目前，o c d m a 技术的编解码实施方案 主要有如下几种：利用光纤延迟线编解码器实现的d s o c d m a 系统t 2 0 、利用衍射光栅编解码器实现的 f e o c d m a 系统【7 ”以及利用f b g 编解码器、集成阵列波导光栅( a w g ) 编解码器实现的f h o c d m a 系统和d s f h - o c d m a 系统”4 ”1 等。这里仅就光纤延迟线编解码器、衍射光栅编解码器和a w g 编解 码器的工作原理和应用现状进行归纳和总结，而f b g 编解码器将在第三章进行详细地探讨。 1 4 1 光纤延迟线编解码器 光纤延迟线就是具有一定长度的光纤，它能够使输入的光信号获得一定的延迟。在o c d m a 系统中， 我们可以运用光纤延迟线的这一特征方便地设计出带抽头的光纤延迟线编解码器( 如图1 7 所示) 。在该 编码器的输出端，由输入端输入的光信号将被劈裂为由矽个较小光脉冲组成的脉冲序列，后者就构成了 o c d m a 系统的己扩频信号，而已扩频信号的解码过程也可以通过类似的装置加以实现。它的优点是结 构简单，但它的缺点也是显而易见的：由于扩频序列已经固定在抽头的位置上，变址就很困难；当 扩频序列较长时，损耗也非常大；它具有较多的元器件数目，不能满足集成化的要求。为此，研究工 作者先后提出了平行结构和梯形结构光纤延迟线编解码器p 8 , 6 7 1 6 浙江大学博士学位论文 1 4 1 1 平行结构光纤延迟线编解码器 如果一个光脉冲信号依次通过1 耦合器、个平行且不等长的光纤延迟线、w x l 耦合器，那 么该信号将被劈裂为由矿个较小光脉冲组成的脉冲序列，这一脉冲序列就有可能构成o c d m a 系统的 己扩频信号。根据这一思路而设计的器件就是平行结构光纤延迟线编码器，如图1 - 8 所示。 l ll 2，l r c oc r n三2 = 刊 n 厶 口t n 岛 c 卜善扣”争 。， 【h e ( 国) = r e l “防 卜善扣”半， ， ih 。( ) = k 叫d t = 珥, p - j o i 因此，解码器的能量传递函数与相应编码器能量传递函数的复共轭成线性关系，解码器就能够对相应编 码器的输出信号进行信号重构，实现解码功能【6 7 】 1 4 1 2 梯形结构光纤延迟线编解码器 平行结构光纤延迟线编码器具有很低的功率效率，这就大大地影响了整个o c d m a 系统的性能，为 此，研究人员设计出梯形结构的光纤延迟线编解码器，如图1 9 所示。 1 2 工l上2厶o - i c lc 2c 3c w 一，c ， 图1 9 梯形结构光纤延迟线编解码器 7 3 4 第一章绪论 假定图中上层光纤延迟线比下层对应的光纤延迟线要长l 。( 1 玎w ) 。光纤耦合器的耦合因子 为口、传输因子为( 当光纤耦合器的附加损耗为0 时，= 1 一口) ，并定义光纤中光波的传输群速率 为v ，上下层光纤延迟线的总长分别为l u 和三d 。如果从端口1 输入光脉冲占( ，) ，由- y a g 五时，有 q n 垡呸二型 缈2 一q 丑 ( 2 1 1 ) 当取上限时，该扩频码即为优化扩频码。显然，只有在某些特定的情况下，优化扩频码才有可能得到 而大部分的扩频码是非优化的。 2 2 2f e o c d m a 系统扩频码的表示 f e - o c d m a 系统的扩频码是一组由0 和l 组成的序列，因此，应用序列的集合就可以简洁地标示扩 频码，例如w = 5 的素数码作为f e - o c d m a 系统的扩频码使用时就可以表示为c = i o o o o1 0 0 0 01 0 0 0 0 1 0 0 0 01 0 0 0 0 ，1 0 0 0 00 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 00 0 0 0 1 ，1 0 0 0 00 0 1 0 00 0 0 0 10 1 0 0 0 0 0 0 1 0 ，1 0 0 0 00 0 0 1 0 0 1 0 0 00 0 0 0 1 1 9 丑 蛉 一 ( d 成立，因此，频率片 所能出现的最大次 数就是满足该不等式的所有，的个数，可得： f q k d ，k 1 ，2 ，d j s q 一2 d 一1 ，k d + 1 ，d + 2 ，一，q d ) ( 2 1 6 ) ik d 一1 ，k 妇一d + 1 ，q d + 2 ，q ) 因而有： ! 二垫：垡二! 生：型( 2 肿) 上 当取上限时，该跳频码即为优化跳频码。显然，只有在某些特定的情况下，优化跳频码才有可能得到， 而大部分跳频码是非优化的。此外，同步f h o c d m a 系统的码容量为n s q2 2 q d q + d 2 + d ， 证明过程从略。 2 3 2f h o c d m a 系统跳频码的表示 跳频码是一组在特定频率上取值为“1 ”的数字序列，因此，依照码片顺序将取值为1的频率片 号排列成一个序列就可以简洁地表示跳频码的码字，而一组跳频码则是由上述序列所组成的集合。当码 字的数量较多时，还可以采用列表的形式，例如：当q = 2 9 、d = 8 ( 三= 1 2 ) 时，跳频码2 9 ( 1 2 ，2 9 ，1 2 ， 0 ，1 ) 可用表2 - 6 进行表示。 表2 - 6 q = 2 9 、d = 8 时，跳频码的列表形式 n o f r e q u e n c yh o pc o d e n o f r e q u e n c yh o pc o d e 11 52 40 71 80 3 1 32 9 2 00 82 61 20 21 60 l 1 02 20 4 1 82 81 50 62 3 1 22 71 7 21 62 50 8 1 90 4 1 40 12 10 92 7 1 30 31 70 2 l l2 30 5 1 9 2 9 1 60 72 4 1 3 2 8 1 8 31 72 60 92 00 5 1 50 2 2 2 1 0 2 8 1 40 41 80 31 22 4 0 6 2 00 l 1 70 82 51 42 91 9 4 1 82 71 02 10 61 60 32 31 12 91 50 51 90 4 1 32 50 72 l0 2 1 80 9 2 6 1 50 】2 0 5 1 9 2 81 12 20 71 70 4 2 41 20 11 60 62 0 0 51 4 2 6 0 8 2 20 31 91 02 71 60 22 l 62 02 9 1 22 30 8 1 80 52 5 1 30 2 1 70 72 l0 61 52 70 92 30 42 0 】12 81 70 32 2 72 10 1 1 32 4 0 9 1 9 0 62 6 1 4 0 3 1 80 82 20 71 6 2 81 02 4 0 52 l 1 22 91 80 42 3 82 20 3 1 42 51 0 2 00 72 71 50 41 90 92 30 8 1 72 9 1 12 50 62 2 1 30 l 1 90 52 4 92 30 3 1 52 6l l2 l0 82 81 60 52 01 02 40 91 80 l 1 22 60 72 31 40 22 00 62 5 1 02 40 41 62 71 22 20 92 91 70 62 11 12 51 01 90 2 1 32 70 82 41 50 32 10 72 6 1 1 2 50 5 1 72 8 1 32 3 1 00 1 1 80 72 2 1 2 2 61 12 0 0 31 4 2 80 9 2 51 60 4 2 20 82 7 1 2 2 6 0 6 1 82 9 】42 4 1 l0 2 1 90 82 3 1 3 2 71 22 10 41 52 91 02 61 70 52 30 92 8 1 32 70 71 90 l 1 52 51 20 32 00 92 41 42 81 32 20 51 60 l1 l2 71 80 62 41 02 9 1 42 80 82 0 0 21 62 61 30 42 1 1 02 51 52 9 1 42 30 61 70 21 2 2 8 】90 7 2 5l 】0 】 1 52 90 92 10 3 1 72 7 1 40 52 2 1 12 6 1 6 浙江大学博士学位论文 除了可以利用数字序列表示之外，跳频码还可以利用直观的跳频图案来表示( 见图2 - 9 ( a ) ) 。利用 跳频码的跳频图案，我们还可以方便地考察跳频码的相关性能。我们可以选择图中的任何一个跳频码( 如 7 号跳频码) ，将图示依照t i m e 方向进行任意伸缩，并将底色进行反转，得到如图2 - 9 ( b ) 的结果，其 中底色