（光学工程专业论文）基于平面波导布拉格光栅的二维ocdma编解码器的研究.pdf

生! ：! 塑鲨堡塑丝竖垄塑塑兰丝q ! 堡竺垒堕! 型些塑塑业型 摘要 o c d m a ( o p t i c a lc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，光码分多址) 采用地 址码寻址方式，具有很大的灵活性和较高的保密性，其编解码器采用光信号处 理技术，可以实现无延迟异步接入，并且网络控制简单，业务透明性好，是未来 接入网和高速l a n 的最佳方案之一。 大容量、高性能、低成本的光编解码器是o c d m a 的关键技术之一，而平面 光波导技术是提高器件集成度和稳定性，降低成本的理想途径。本论文的工作重 点是基于j 1 - 7 面波导稚拉格光栅的二维o c d m a 编解码器的设计和研究。 编解码爨必须根据所采用的地址码来设计。论文首先介绍和分析了两种主 要的二维地址码：二维光正交码和跳频扩时素数码。重点分析了码字的构造，码 字容量和误码率。并且对已报导的二维编解码器依掘编解码器实现在选频的器 件分为基于阵列波导光栅和光线光栅两类进行介绍，菇且在此基础上，结合光通 信器件集成化、小型化的发展趋势，提出了基于波导布拉格光栅的二维o c d m a 编解码器的方案。 然后在探讨光波导和波导布拉格光栅理论的基础上进行了波导布拉格光栅 的设计，给出光栅设计参数：结合编解码器设计原理和跳频扩时素数码对基于 波导枷拉格光栅的二维o c d m a 编解码器进行了设计，给出最后的设计参数。 论文的最后采用o p t i w a v e 公司的o p t i s y s t e m 软件对所设计的编解码器进 行软件仿真，经过与编码器匹配的解码器解码后可以得输入信号，经过与编码器 非匹配的解码器解码后可以得信号包含其它干扰信号并且能量降低，表明设计的 编解码器能够实现编解码功能，并且具有较高的保密性能；系统仿真的眼图和 误码率表明在色敞补偿的情况下，在进行较长距离传输后系统仍具有优良的系统 传输性能，表明o c d m a 是适合高速局域网的方案之一。 关键问：光码分多址：平面光波导技术；波导布拉格光栅；编解码器；跳频 扩时系统 t 于r - 血波导布拉格光栅的二维o c d m a 编，解码鞘的研究 a b s t r a c t z h a n gz i q i ( o p t i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yd uc h u n l e im aj u n x i a 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 ss y s t e m sh a v eb e e nr e c o g n i z e da so n eo ft h e p r o m i s i n gf f k u r et e c h n o l o g i e sf o rt h ea c c e s sn e t w o r ka n dh i g hs p e e dl a n ( l o c a l a j e an e t w o r k ) o c d m ae m p l o y sa d d r e s sc o d ea n do p t i c a le n c o d e “d e c o d e rw h i c h p r o c e s st h es i g n a l i no p t i c a lf i e l d t h eu n i q u ea t t r i b u t e so ft h eo c d m ai n c l u d e m n l t i p l ea s y n c h r o n o u sa c c e s sw i t h o u tt i m ed e l a yb yi n d e p e n d e n tu s e r s ，e n h a n c e d f l e x i b i l i t ya n ds e c u r i t y ，s i m p l en e t w o r kc o n t r o la n dt r a n s p a r e n ts e r v i c e t h eo p t i c a le n c o d e r d e c o d e rw h i c hh a sl a r g ec a p a c i t y t h eh i g hp e r f o r m a n c ea n d t h el o wc o s ti so n ee s s e n t i a lt e c h n i c a lo fo c d m a ，a n dt h ep l a n e rl i g h t w a v ec i r c u i t ( p l c ) t e c h n o l o g yi st h ei d e a lw a yw h i c he n h a n c e st h ec o m p o n e n ti n t e g r a t i o nr a t ea n d t h es t a b i l i t y ，a n dr e d u c e st h ec o s to ft h ec o m p o n e n t t h ew o r kk e yp o i n to ft h i sp a p e r i st h e d e s i g na n dt h e r e s e a r c ho ft h ee n c o d e r d e c o d e rw h i c hb a s e do np l a n e r w a v e g u i d eb r a g gg r a t i n gf o rw a v e l e n g t h h o p p i n g t i m e - s p r e a d i n go c d m a t i l ed e s i g no ft h ee n c o d e r d e c o d e rm u s tb ea c c o r d i n gt ot h ec o d ea d d r e s s i nt h e p a p e r f i r s t l yi n t r o d u c e da n da n a l y z e dt w ok i n do ft w o - d i m e n s i o n a la d d r e s s e sf o r o c d m a ：t h et w o - d i m e n s i o n a lo p t i c a lo r t h o g o n a lc o d ea n dt h ew a v e l e n g t h r h o p p i n g t i m e s p r e a d i n gp r i m ec o d et h ec o n s t r u c t i o na n dc a p a c i t ya n dt h eb i t ee r r o rr a t e ( b e r ) o t t h ec o d e s 、，e r ea n a l y z e d a n di n t r o d u c e dt h o s e r e p o r t e d t w o d i m e n s i o n a l e n c o d m s d e c o d e r sw h i c hw e r ed i v i d e di n t ot w ot y p e sa c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h ew a v e l e n g t hs e l e c t i o n ：o n eb a s e do na r r a yw a v e g u i d eg r a t i n g ( a w g ) a n dt h e o t h e rb a s e do nf i b e rb r a g gg r a t i n g ( f a g ) i nt h i sf o u n d a t i o na n da c c o r d i n gt h e t e n d e n c y o t 、t h e o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nc o m p o n e n tw h i c h i s i n t e g r a t e d a n d m i n i a t u r i z e d ，p r o p o s e dt h ee n c o d e r d e c o d e rw h i c hb a s e do np l a n e rw a v e g u i d eb r a g g g r a t i n gf o rw a v e l e n g t h h o p p i n g t i m e s p r e a d i n go c d m a t h e nd e s i g n e dt h ew a v e g u i d eb r a g gg r a t i n gb a s e do nt h et h e o r yo fw a v e g u i d ea n d b r a g gg r a t i n g g o tt h ev a r i a b l e so ft h ew a v e g u i d eb r a g gg r a t i n g s a n dd e s i g n e dt h e 堆十吡t 曲波导布拉格光船的二维o c d m a 编，斛f i l 5 器的研究 e n c o d e r d e c o d e rb a s e do nt h ew a v e l e n g t h - h o p p i n g t i m e - s p r e a d i n gp r i m ec o d ea n d t h et h e o r yo ft h ee n c o d e r d e c o d e r ，g o tt h ev a r i a b l e so ft h ee n c o d e r d e c o d e r i nt h el a s t ，s i m u l a t e dt h ee n c o d e r d e c o d e rb yu s i n go p t i s y s t e mw h i c hi so n eo ft h e s o f t w a r e so ft h eo p t i w a v ec o r p o r a t i o n t h ep u l s ew a v e f o r md e c o d e db yt h em a t c h e d d e c o d e rw a sc o n s i s t e n tw i t ht h ei n p u tp u l s ew a v e f o r mw h i c hw a sn o te n c o d e d ，b u tt h e p u l s ew a v e f o r md e c o d e db yt h em i s m a t c h e dd e c o d e ri n c l u d es o m eu n d e s i r e ds i g n a l s a n dt h ee n e r g yr e d u c e s ，t h e s ei n d i c a t e dt h ed e s i g no f t h ee n c o d e r d e c o d e rt ob ea b l et o e n c o d i n g d e c o d i n ga n dh a v i n gh i g h e rs e c u r i t y t h ee y ec h a r ta n dt h eb e ri n d i c a t e d t h a tb yc o m p e n s a t i n gi nt h ec h r o m a t i cd i s p e r s i o n ，a f t e ral o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o n t h es y s t e ms t i l lh a dt h ef i n e s y s t e mt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e ，w h i c hi n d i c a t e d o c d m as u i t so n eo ft h ep r o m i s i n gf u t u r et e c h n o l o g i e sf o rt h ea c c e s sn e t w o r ka n d h i g hs p e e dl a n k e yw o r d ：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 ；p l a n e rl i g h t w a v ec i r c u i t ； w a v e g u i d eb r a g gg r a t i n g ；e n c o d e “d e c o d e r ：w a v e l e n g t h h o p p i n g t i m e s p r e a d i n g 、本人申明 本人郑重申明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。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科研成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：耋圭叠日期： j m 矗j 靠喝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解中国科学院光电技术研究所有关保留、使用学位论文的 规定，同意中国科学院光电技术研究所保留或向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权中国科学院光 电技术研究所可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 f索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：三酗导师签名： 主垒荔遗日期：塑竺! ：互! ! 第一章绪论 1 t 光编解码器是实现光码分多址的关键技术之一 ( 1 ) 0 c d m a 介绍 码分多址复用( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 作为一种多址方案 已经成功用于卫星通信和蜂窝电话领域，并且显示出许多优于其他技术的特点。 但由于卫星通信和微波通信中带宽的限制，c d m a 技术尚未充分发挥技术优势。 光纤通信具有丰寓的带宽，能够很好地弥补这个缺陷。 光码分多址( o 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 ，o c d m a ) 23 是利用光 纤的丰富带宽和高速的光信息处理技术，将数据信号扩频成光脉冲序列，经光 纤传输后，再利用光学相关技术实现解码的技术：是将扩频多址射频同轴连接 与大容量的光纤通信技术相结合的通信方式，能更有效地弥补微波通讯带宽不 足的缺陷。 o c d m a 系统采用地址码寻址方式，具有很大的灵活性，它的编解码器采 用光信号处理技术，可以实现无延迟异步接入，且网络控制简单；o c d m a 的 扩频特征可用扩频码来表示，在采用非相干光通信的单极性码时，就系统的扩 频特性而言频域码可以有效的和现有o c d m a 系统差分多址干扰检测单元进 行匹配，被广泛使用。 与光时分复用( o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o t d m ) 技术相比， o c d m a 不仅可以与前者一样，利用光纤通讯的大容量特性，：舟传输容量提高 数十倍，而且o c d m a 能真正实现全光的接入，有效提高系统透明性；由于 d w d m 技术需要剥现有光纤网做很多改造，大大增加了运营成本，而o c d m a 的扩容并不对系统提出过高的要求，只需越来越多相互正交的码序列就可以实 现，并且兼备优秀的复用和路由交换功能43 ，因此o c d m a 是新一代全光网络 的关键技术之一。 从技术特征上看，o c d m a 具有的技术优势主要有三个：( 1 ) 能实现灵活 的用户分配；( 2 ) 能支持可变的比特率传输：( 3 ) 优良的网络安全性。 壮十、卜面波导布拉格光栅的一二维o c d m a 编，肼鹕器的研究 图1 1o c d m a 原理框图 图1 1 是典型的0 c d m a 系统，其中不同用户可以占用同一波长和时隙，而只 用不同地址码来加以区分，即给每个用户分配一个互不相同的伪随机序列。在 发送端根据相应的伪随机序列由编码器对每个信息比特进行编码，如果信息比 特是0 ，激光器不发光；如果是“l ”，则按照相应伪随机序列的要求进行编 码。在接收端，使用解码器对发送过来的光信号进行解码，即用相同的伪随机序 列对接收到的码流进行相关判决和处理，最后恢复原来的信号6 。 ( 2 ) o c d m a 的关键技术 0 c d m a 的关键技术主要有：性能优良的光码地址码码集；在现有器件指标下能 第一章绪论 够实现的光编解码器构造；系统m a i ( m u l t i p l ea d d r e s si n t e r f e r e n c e ，多址 干扰) 的抑制。 光地址码应具有自相关峰值较大，互相关峰值较小的特点，这样可以减少其 他用户的干扰，获得较高的信噪比。为了使收发双方容易获得同步，自相关的旁 瓣也婴小。同n j ，地址码集应能够容纳尽可能多的并发用户数，增加系统容量。 光编解码器是o c d m a 系统的核心部件。在发送端光编码器将数据比特转换成 扩频序列，在接收端光解码器利用相关解码原理将扩频序列恢复为数据比特光 编解码器的结构和特性直接影响着o c d m a 系统的用户规模、误码率( b e r ，b i t e e r r o rr a t e ) 等7 。 多址干扰是系统的主要误码源，在解码器中采用平衡接收可以有效抑制m a i 通过硬限幅器的限幅作用也可使m a i 得到抑制，改善系统的误码性能。 其中，光解码器的结构和特性直接影响着o c d m a 系统的总体性能，决定着 o c d m a 系统能否投入实际应用，因此编解码器是o c d m a 技术研究的热点之一。 1 2 光编解码器现状及存在的问题 o c d m a 技术要求编解码器能够产生用j o 特有的伪随机地址码来区分用户。 这种伪随机地址码序列可以对光信号的任意信息进行标记来实现编码，如振幅、 相位、波长等信息因素都可以进行编码8 。根据进行编码时所采用的光信息的不 同，编0 翠码器可以分为时域编解码器、频域编懈码器、空间域编解码器和混 合编解码器。其中时域编角￥码器、频域编解码器、空间域编，角g 码器称为一维 编解码器，混合编1 0 7 码器称为多维编解码器。多维编解码器主要是二维和三 维编觯码器。二维编解码器中主要集中在时域频域编解码。由于多维码增加 了自i ：1 ：i 度，多维o c d m a 系统的性能优于一维o c d m a 系统，目前编解码器 研究的主要方向是二维o c d m a 系统。二维编解码器主要有两个研究方向9 ： ( 1 ) 基于阵列波导光栅( a w g ，a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g ) 的编解码器，这 是基于平面波导器件( p l c ，p l a n a rl i g h tc i r c u i t ) 的方案。利用a w g 的波长 分离功能，分别对分离后的各个波长信号进行延时处理，从而实现时域和频域 的编解码功能。文献报道了四种a w g 的编解码器o1 1 2 ”，其中文献1 3 中 报道的编解码器实现了全集成，图1 2 是该编解码器的示意图，这是编解码器 拈十。卜面波导布拉格光栅的二维o c d m a 编，斛码器的研兜 发展的方向之一。 劂 蝌 o u t p u a “”1 “、潞射咖 “ 图12 平面集成型可调编t 解码器” ( 2 ) 基于光纤光栅( f b g ，f i b e rb r a g gg r a t i n g s ) 的编解码器。利用光纤光栅 的反射特性和窄带滤波特点，与光纤延时线结合实现二维编解码功能。文献报 道了串行f b g 编0 n 码器1 4 15 1 6 和f b g 阵列编，解码器1 71 8 拇。 基于f b g 的编解码器在采用压电晶体等手段后可以选择f b g 所反射的波长， 具有灵活可调的特点，且采用二维f b g 阵列的编解码器能够充分利用编码资源。 f b g 结构简单，制作方便，但由于编解码器由分离组件构成，体积较大，不利 于系统集成，且不能满足高速网络的需要。基于a w g 的编解码器具有较高集成 度，有利于系统集成应用。但是a w g 的制作对工艺、设备的要求较高，可调编 解码器中涉及混合集成，要求更高，并且体积仍然偏大。 集成化，小型化和适用于高速网络是编解码器将是发展的主要方向。平面 光波导技术是实现高集成、低成本的编解码器的最佳选择。由于平面光波导是 通过控制折射率来设计器件，因此材料的选择成为重点。目日口在材料上主要有 二氧化硅( s i 0 2 ) 、绝缘硅( s 0 1 ) 、铌酸锂( l i n b 0 3 ) 和聚合物( p o l y m e r ) 等 多种材料。二氧化硅和绝缘硅与光纤模式匹配，损耗小，其生产工艺与i c 生产 工艺兼容，可实现全光集成或光电集成，成本相对较低。聚合物的优势是材料 成本低，加工温度低，易于与有源器件结合。这两者易于集成，大规模生产可 以使生产成本显著降低。因此，平面光波导器件必将会在未来的o c d m a 系统 中占有重要的地位并获得广泛的应用。 第一章绪论 1 3 集成型编解码器的难点分析 国内外对集成型编解码器的研究已经展开了很多研究，但是都集中在采用 a w g 的编解码器，对基于波导布拉格光栅的编解码器的研究是一个全新的领 域，在工作过程中，主要遇到了以下困难： 首先，国内外对基于波导布拉格光栅i g j 7 , 1 解码器的研究工作基本处于空白 阶段，没有可以借鉴的工作。 其次，国内外对于f b g 设计、制作展开了大量的研究，但是对于波导布拉 格光栅的研究较少，缺乏可借鉴的资料。 针对以上困难，从波导布拉格光栅原理以及o c d m a 编解码器原理出发， 借助o p t i w a v e 公司的软件进行电脑辅助设计，来设计基于波导布拉格光栅的编 解码器，并对其性能进行模拟实验。 1 4 本论文的主要工作及章节安排 本论文的主要工作是设计一种新的集成型二维o c d m a 编解码器。光编 解码器的结构和特。e l - 直接影响着o c d m a 系统的总体性能，决定着o c d m a 系统能 否投入实际应用，是o c d m a 技术研究的热点之一，因此光编解码器的设计是一 个比较复杂但是很有研究价值的研究课题。本课题是在固家自然科学基金项目 “基于信道特性f i , do c d m a 编解码理论与技术的研究”( 项目编号：6 0 3 7 2 0 8 8 ) 的支持下展丌的。在该自然科学基金项目的前期研究工作中，提出了一种关于 码片波形优化的方法和理论技术路线，并且利用算法对提出对码片波形优化方 法和技术路线进行实现和验证“”。本论文在设计编解码器的时候考虑了码片 波形的优化，并且利用优化后的码片波形进行了系统仿真，获得了良好的结果。 课题： 作的主要思路如下：调研现有的二维o c d m a 编解码器的情况，分析 各利z 编解码器的优点和不足，针对编解码器的不足之处，结合编解码器向着 集成化、小型化和适用高速网络的发展的趋势，并且考虑器件加工的可行性， 提出了基于波导布拉格光栅的编解7 i ；马器设计。然后利用o p t i s y s t e m 软件对没 计对编解码器进行了仿真实验，在仿真实验中采用了优化的码片波形“7 ”。 本文的章节安排如下： 第一章作为论文的绪论部分主要介绍光码分多址技术的原理、优点和存在 箍十、r 面波导布拉格光栅的二维o c d m a 编脚码器的研究 的问题，指出编解码器是光码分多址技术的关键技术之一。并介绍了编解码器 的现状和存在的问题。 第二章中讨论了两种二维o c d m a 地址码：二维光正交码和跳频扩时素数 码，介绍分析了现有的跳频扩时编角$ 码器，并且提出了基于波导布拉格光栅的 实现编解码功能构想。 第三章中介绍了光波导基本理论和波导光栅的理论分析方法：耦合模方程 法，运用o p t i o r a t i n g 软件设计了波导光栅，并且进行基于波导布拉格光栅的二 维编解码器的设计。本章是本论文的重点。 第四章使用o p t i w a v e 公司的o p t i g r a t i n g 和o p t i s y s t e m 软件进行系统编码的仿 真模拟，得到了编码后的波形和系统眼图。 第五章对所设计的集成型编解码器的进行总结，并且对编解码器的发展提 出展望。 兰兰翌旦兰旦坚垒至堑! 三笙塑坚塑塞堕! ! ! 型 第二章0 c d m a 系统中二维编码方案的研究 对于o c d m a 系统，编解码器的设计需要根据用户地址码来没计，而目前二 维码具有容量大的特点，成为研究的热点。文章将重点讨论采用时间和波长的二 维地址码和跳频扩时二维编码方案，介绍分析了现有的跳频扩时编解码器，并 且提出了基于波导布拉格光栅的实现编解码功能构想。 2 1 二维码字介绍 二维码的每个地址序列的光脉冲不仅在时域上扩展，同时还在空问或者波长 上扩展，由于增加了一个自由度( 空间或波长) ，二维码o c d m a 系统的性能比 一维码o c d m a 系统的性能有较大提高，在相同扩频系数下，码字数会有较大提 高2 2 。 2 1 1 二维光正交码。 利用成熟的光正交码0 0 c ，构造时域频域相结合的二维光正交码( 这种系统 也称为多波长即m w0 c d m a ) ，它是用不同的波长( 频率) 填充光正交扩频码( 0 ，1 ) 序列中的“1 ”脉冲。二维光正交码可以用，” 的矩阵表示，行数m 为可用波长 数，列数 为光正交码的码长，( f ，j ) = l 表示第，个脉冲用第i 个波长发送。每个 用户分配一个矩阵作为地址码。当用户发送信息比特“l ”时，根据对应的地址 码扩展成长度为”的一帧光信号，当用户发送0 时，不发送任何信息。在接 收端，每一行“l ”即同一个波长将单独进行互相关，然后进行叠加形成码字互 相关。一个二维光正交码可用( 脚 ，m ，丑，以) 来表示，埘为码重，丑为自棚 关限，a ，为互相关限，满足条件”： 璀- 1 二、l 血波导布拉格光栅的- 二维o c d m a 编，斛码器的研究 一 ，= ，= 0 ，= 0 x 。，屯( f o ) ， x i 。只胂，屯( f o ) 卢o = 0 这罩的“o ”是模”加。在一个( 掰h ，c o ，九，疋) 二维光f 交码c 中，码字的个 数蚓称为码字容量。i c l = 中”，0 9 ，九，五。) 为码字容量的最大可能值。当 丸= 丑。= 兄时，c 称为等重对称二维光f 交码；当九丸时，称为等重非对称二 维光f 交码；当c 由不同的构成时，称为可变重二维光正交码。 为了获得良好的性能，一般取九= o ，五。= 1 ，屯= 0 意味着码字中的每个脉 冲分配不同的波长，即码字矩阵中的每行只有一个1 ，五= i 意味着任意两 个不同的码字只有个波长相同。 自相关限制是为了保证每个码字序列不同于它自身的循环移位，这一特性使 接收机( 解码器) 能够实现同步一一即找到它信息的丌始，定位于码字的边界。 互相关限制是为了保证每个码字序列不同于其它码字序列的循环移位。这一 特性使接收机( 解码器) 在存在其它用户干扰的情况下能估计它的信息，因此， 互相关限制既有助于在多用户存在的情况下实现同步，又允许每个接收机在实现 同步以后始终临视它的信息。所以，自相关限制仅对同步有贡献，而互相关限制 列同步和接收机的正常工作都有影响。 一个码的合理的最佳值是使码失效所需要的干扰用户的用户数。假如接收机 已实现同步，那么第f 个接收机在估计它的数据时所产生的错误，仅是o 一1 错误， 只是当足够多的用户干扰使得第i 个接收机的相关值超过了值脚时，才会发生这 些错误，因为每个其它用户对相关的贡献最多是以，其性能最佳值是m 五，同 理，多址同步时，同步最佳值是如一五。) 2 c ，单用户同步时最佳值是九2 。 旯，五，均为零时就是严格的诈交码，电c d m a 髓够做到这一点，然而，由 第二章o c d m a 系统中二维编码方案的研究 于光通信系统是正系统，因此丸、丑。的最小值只能取到1 。丑。越小，不需要的信 号带来的干扰所导致的误码率就越小，系统性能就越好，但是同时在码长给定时 它所能提供的码字数也就相应越少，即能容纳的用户数就会比较少。所以在设计 时选择 很重要，需要权衡考虑。 式( 21 ) 只是给出了二维光正交码码字在相关意义上的定义，并没有给出 具体的构造方法。基于o o c ( o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e ，光f 交码) 构造二维光 正交码的关键是光正交码的构造，关于光正交码的构造可以等效为码字区组的构 造，国内外学者们从不同的角度，提出来许多行之有效的设计方法。构造码字区 组可以利用初等数论、有限射影几何、有限域理论等方面等知识，构造法主要有 直接构造法、代数构造法和递归构造法等。 一个二维光正交码c 所具有的码字个数( 即i cj ) 称为此码的容量，等重对称 光正交码和等重非对称光e 交码的容量的最大值分别用巾沏h ，m ，丑) 和 巾”，珊，九，丑) 来表示。 二维光正交码( m ”，珊，旯) ( 这里五。= 五= 丑) 的容量上限为2 3 撕俐，絮卷1 高等等 ( 一l ( m z 卜i 一l l ( 2 2 ) 图2 1 所示是最佳等重对称二维光正交码( x1 7 , c o ，1 ) 的容量与码长、码重之 间的关系曲线。 当九= 疋+ k 时，这里k 为非负整数，二维等重非对称光正交码 ( ，五。，九) 的容量上限为2 3 c l = 巾( ”1 n ，0 9 ，2 0 ，以) m(mn-1)(mn-2)(ran-2,)2, ( 23 ) ( 一1 ) ( 一2 ) ( 0 9 一五) 图2 2 所示是最佳等重非对称二维光正交码( 月”，2 ，i ) 的容量与码长、码 重之间的关系曲线。 非十、f 。面波导布拉格光栅的- 二维o c d m a 编解码器的研究 幽21 对称二维光正交码容量的卜界关系曲线( m = i , ，五= 1 ) 图2 2 非对称二维光正交码容量的上界关系曲线( m = n ，九= 2 ，以= 1 ) 二维光诈交码的互相关均值是12 3 ： 0 ( 2 4 ) 生拼 = ， 第二二章o c d m a 系统中一维编码方案的研究 互相关方差为1 2 3 纷嘉c ，一嘉) 2 + c - 一筹即一嘉) 2 _ 亟罨掣 c ：s ， 当系统中各用户地址码的c h i p 同步，系统同时激活的用户数为n ，光地址 码的码重为甜，码长为”。系统是开关键控调制( o n o f f k e y i n g ，o o k ) ，用户 所发数据为0 和“l ”的概率相同，为1 2 。此时二维光正交码的误码率上界 为2 3 ： c = j | n - ii ( 2 g 九t ) ( 1 一筹广“j 1 刍n - i c “( 万( 0 2 一出) ( 2 6 ) 其中t h 为接收机判决门限。 2 1 2 跳频扩时素数码1 2 5 2 6 跳频扩时素数码是对普通素数码进行改进，在普通素数码的脉冲位置赋予 不同的频率形成的码字，是二维码的基本形式之一。 在跳频素数码的跳频方案中，可用的频率数等于码重p 。p 个不同频率分 别赋予素数码的p 个子序列。这样，通过频率和脉冲位置的不同组合可以把码 字的数目扩大到p ! 。但在所得的码字中，有些码字之间的互相关峰值会超过1 ， 甚至达到 p - 1 o 其中互相关值小于或等于“”的有( ： 习c 式中h 为排 列数，个。在相关限制为”时，一旦组内的某个种子码衍生出( ； 习个跳 频码后，本组内其它种子码所产生的码字均不符合互相关值的要求。所以每组 素数码最多只能产生( ； 匿 = p ( p - 1 ) 个满足互相关限制为1 ”的跳频码。 下面构造一个由p = 3 的素数码扩展的跳频扩时码。 设有素数p ，有 s 。= x qj ( 2 7 ) 其中 表示相乘后对p 取模( 如表21 ) ，t ( o ，1 ，2 ，p 一1 ) ，可以构造出素数 c x ，c 。= ( c 邶，c 川，c 叫，c _ ) ，其中 批十、y - 面波导布拉格光栅的二维o c d m a 编，解码器的研究 c 。= j 扛瓯j + 。1 表2 1s x , j ( x j ) 对3 取模得到的值表2 2p = 3 的素数码 j o12 ooo0 1o12 2o21 ( 2 8 ) l o o1 0 01 0 0 c o 1 0 00 l o0 0 1 c l 1 0 0o o l0 1 0 c 2 表2 3 由p = 3 扩展的跳频扩时素数码 跳频扩时码字跳频扩时码序 c o 日 o o & 0 0 乃0 0 c l h l 2 0o o o ；h0 0 0 2 2 c 2 q厶o o o o & o 如0 c o 日2厶0 0 也o o 丑0 0 c l h 2厶0 0 0 五o o o c 2 h 2厶0 0 0 0 如o 0 由此可以得到p = 3 的素数码如表2 2 ，也就是时间扩频模式。令h ，= s 。 作为跳频模式，h 。表示同一个波长，不存在跳频，因此只取h ，马，跳频扩时 素数码的码字数为p ( p 一1 ) ，这里p = 3 ，码字数为6 ，所得码字如表2 3 所示 该俏子目相峰值为3 ，无目相关秀瓣，互相关最大僵为1 。 跳频扩时素数码的互相关均值是1 2 5 2 6 ： p】 2 旁2 石 互相关方差为12 5 ： 占2 = 去c t 一去，2 卅一去即一去，2 = 等 ( 29 ) ( 2 1o ) 堡三! q 曼里坚垒圣堕! 三堡塑堂翌叁竺坐型 当系统中各用户地址码的c h i p 同步，系统同时激活的用户数为n ，光地址 码的码重为珊，码长为”a 系统是丌关键控调制( o n o f f k e y i n g ，o o k ) ，用户 所发数据为0 和1 的概率相同，为1 2 。此时跳频扩时素数码的误码率上 界为。： e = j 刍n - i c “( 旁( t 一旁“ 泛 其，| t h 为接收机判决门限。 22 跳频扩时编解码器 根据实现分频器件的不同，跳频扩时编角g 码器主要可以分为两大类，一类 是基于a w g 的，另一类是基于f b g 的9 。 2 2 ，l 基于a w g 的二维o c d r a 编解码器 ( 1 ) a w g ( a r r a y e d w a v e g u i d eg r a t i n g ) 原理 a w g ( 图2 3 ) 是由一系列的马赫一曾德干涉仪组成，即通过阵歹波导相连的 一系列多端口耦合器，它将经过不同相移的信号叠加在一起。a w g 可以用作n i 的复用器：n 个不同的波长从n 个输入口输入，在一个输出口输出；也可 以用作1 n 的解复用器：多个波长在一个输入口输入，在n 个输出口输出不 同的波长；还可以用作n x n 的波长路由，通过从不同的输入口输入复用的信 号，在确定的输_ ：口可以得到不同的波长。 a r r a y e d o u t p u t 纠，强恐 田，正。驾 瑁，置，麓 硝，麓，驾 舛，码，麓 箐，麓，鸳 图23a w g 原理及波长路由功能示意图9 ( 2 ) 采用反馈光纤延时线的a w g 的编解码器 璀十、i 面波导布拉格光栅的二维o c d m a 编，解码器的研究 b r o a d b a n d i n p u l 图2 4 采用反馈光纤延时线的a w g 编解码器示意图9 图2 4 是：爿芋反馈光纤延时线的a w g 的o c d m a 编码器1 0 oa w g 将输入宽 脉冲按波长分成小的脉冲，即不同输出端输出不同波长。每个输出端再经过固 定的光纤延时线反馈到a w g 的输入端。反馈的波长在特定端口输入以后重新 组合到一个输出端( 这是利用了a w g 的静态波长回路特性) 。在这个输出端得 到经过编码后的信号：不同波长的脉冲的时延与其对应的延时线相关。解码器 与编码器结构相似，只是光纤延时线长度不一样。只有当解码器的延时线和编 码器的延时线匹配时刁+ 能获得原来信号。 ( 3 ) 带反射光纤延时线的a w g 的编解码器 图2 5 是带反射光纤延时线的a w g 的o c d m a 编解码器”。a w g 将输入 信号分解成不同的波长从不同端口输出到光纤延时线，光纤延时线末端带有反 射断面，将不同波长信号经过不同延时后再由a w g 复用在一起，实现了地址 编码。参考文献l l 中利用一个8 x8 的a w g 实现了编码和解码功能。 莹k ， 2 如 图25 带反射光纤延时线的a v v g 编解码器示意图9 图2 6 是带反射带光纤延时线的a w g 的可调o c d m a 编解码器”。这是 在图2 5 的编解码器中加入一个1 n 光开关，通过光开关选择不同的a w g 输 入端口，利用a w g 不同端口输入的宽光谱光束在输出端的波长排列顺序不同 ( 见图2 - 3 下图) 来实现快速可调编码。 撕二章o c d m a 系统中二维编码方粜的 i j | _ 究 心 图27 全集成a w g 可调编解码器” 图2 7 是全集成的带反馈延时线的a w g 可调o c d m a 编解码器”，它将 光纤延时线也集成在平板波导上，每条延时线由多个不同臂长的非对称马赫一 曾德干涉仪级联而成。通过热光开关可以实现可编程编解码功能。 2 2 2 基于光纤布拉格光栅的二维0 c d m a 编解码器 ( 1 ) 光纤光栅原理” 光纤光栅是在纤芯纵向( 光传播方向) 上折射率周期性变化的光纤。对于 单模光纤，光纤光栅可以把前向传输的基模光耦合到后向传输的基模光中，产 生稳定的布拉格状态( 相位匹配状态) 【布拉格波长丑= 2 n 。人其中”析是光纤的 有效折射率，a 是光栅周期】。因此一个布拉格光栅就是一个虑波器。布拉格光 栅的光谱特性依赖于精确的折射率调制，而折射率调制又同时影响偏振、相移 等特性。而且在沿着光栅长度方向上改变光栅周期，布拉格状态会随着空间变 化，从而产生啁啾光纤光栅。信号中不同波长在啁啾光栅中的不同的位置产生 反射，从而产生一系列的延迟。因此可以通过选择折射率调制来控制布拉格光 拱_ 二、卜蚯波导布拉格光栅的- 二维o c d m a 编，解码器的研究 栅的频谱和色散特性。光纤光栅作为重要的光通信器件，在o c d m a 通信中有 着重要的用途。 ( 2 ) 串行光纤光栅阵列编解码器 串行光纤光栅阵列可以把宽的光脉冲在波长和时间上进行分解，因此一系 列布拉格光栅阵列可以用作波长时间的编解码5 ”，如图2 8 所示。 图28 窜行f b g 阵列编解码器示意图 假设光谱范围为【 m i n ， m a x 的宽脉冲进入上图所示的编码器。阵列中的 布拉格光栅可以根据需要通过施加拉伸或者压缩来调节，从而选择由波长时间 编码确定的波长( 通常阵列中的布拉格光栅反射的波长相同，且 r 硅f r a i n ， m a x ) 。阵列中可调和拉格光栅的位置决定了所反射波长的时间槽。如果在串 行阵列上第i 个佰拉格光栅的反射波长调整到以5 【n ”，则反射的波长根 据先进先发射的原理会占据第i 个时问槽。 为了正确解码，解码器的反射波长排列顺序必须与编码器的相反，从而使 各波长经过编解码器后所经过的时间槽一致。如果解码器中某个布拉格光栅没 有占据与编码器中所对应的位置，那么对应的波长会在时域上的传播与其他波 长不一致。针对某一编码的编码器和解码器具有相同的结构，因此可以用稚拉 格光栅的双向反射来购造编解码器 对于基于a w g 的编解码器只能在特定波长上选择时间槽，即不能实现同 一波长的复用。对于基于串行布拉格光栅阵列的编解码器只能在特定时间槽上 选择不同波长，即不能实现同一时间槽的复用。 ( 3 ) 二维光纤光栅阵列 图2 9 是二维光纤光栅阵列的o c d m a 编解码器由于每个编解码器采用 m x n 个布拉格光栅，既可以在特定波长选择相同的时问槽，也可以在特定时闻 槽选择相同的波长，编码