（电磁场与微波技术专业论文）ocdma系统中ssfbg编解码技术的研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 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 ea c c e s s ，o c d m a ) 技术是将 码分多址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，是 未来高速全光接入网络的备选方案之一，是目前光能信技术领域研究的热 点。具有保密性高、抗干扰性强、随机接入、管理方便等技术优势，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。光编解码器是 o c d m a 系统的核心部件，其结构和特性直接影响着o c d m a 系统的总体 性能，本文主要对o c d m a 系统的编解码技术进行分析与研究。 l 、对o c d m a 系统进行了较为全面的综述，对光码分多址技术的基 本原理和分类、编解码结构方案以及关键技术进行了详细介绍，并对光码 分多址技术的发展和现状进行了概述。 2 、分析了t s o c d m a 、w d m + o c d m a 、m w o c d m a 三种二维 o c d m a 系统的编解码方案，并通过仿真比较这三种系统的性能。分析了 基于f b g s 加光纤延迟线实现的二维名一to c d m a 系统，对二维名一t o c d m a 系统性能进行了较为深入的研究。 3 、对超结构光纤光栅进行了理论分析，分别用耦合模法和传输矩阵 法对对超结构光纤光栅( s u p e r s t r u c t u r e df i b e rb r a g gg r a t i n g ，s s f b o ) 进行 分析。并设计了基于超结构光纤光栅的时域非相干编解码器、时域相位编 解码器。 4 、对串联时域非相干编解器和多兀相位编解码器进行了研究，搭建 了基于串联时域非相干编解器和多兀相位编解码器的o c d m a 系统仿真模 型，并对每个o c d m a 系统的性能进行了分析。 关键词：光码分多址，光编解码器，超结构光纤光栅 重庆邮电大学硕士论文 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 s ( o c d m a ) t e c h n o l o g yi sam e a n s o fc o m m u n i c a t i o nw i t hc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s sc d m a t e c h n o l o g ya n d h i g h - c a p a c i t yo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n do n e o ft h ep o s s i b l e r e s o l u t i o n sf o rf u t u r ea l lo p t i c a lc o m m u n i c a t i o na c c e s sn e t w o r k ，w h i c hi sa h o tt o p i ci no p t i c a lc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h w i t ha t t r a c t i v ef e a t u r e ss u c ha s h i g hs e c u r i t y ，s t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c e ，r a n d o ma c c e s s ，e n h a n c e dn e t w o r k s c a l a b i l i t y ，a n de a s ym a n a g e m e n t ，o c d m at e c h n o l o g yh a ss t r o n gt e c h n i c a l s t r e n g t ha n db r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s o p t i c a le n c o d e ra n dd e c o d e ri st h e c o r ec o m p o n e n to ft h es y s t e m ，a n di t ss t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sa f f e c tt h e o v e r a l lp e r f o r m a n c eo fo c d m as y s t e m s t h i sp a p e rm a i n l ya n a l y z e sa n d s t u d yo c d m as y s t e me n c o d e st e c h n o l o g y 1 ac o m p r e h e n s i v eo v e r v i e w , t h eb a s i c p r i n c i p l e ，s y s t e mt y p e s ， e n d e c o d e rs c h e m e sa n dt h e k e yt e c h n o l o g i e s o fo c d m as y s t e ma r e i n t r o d u c e d t h er e c e n tr e s e a r c ha c h i e v e m e n ti sa l s od e s c r i b e ds i m p l y 2 s c h e m eo ft s o c d m a ，w d m + 0 c d m aa n dm w 0 c d m as y s t e m e n c o d i n ga n dd e c o d i n ga r er e s e a r c h e d a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h r e ek i n d so f t w o d i m e n s i o n a lo c d m as y s t e mi s c o m p a r e db y s i m u l a t i o n t h et w o d i m e n s i o n s 旯一fo c d m as y s t e me m p l o y i n gt h ee n d e c o d e ro ft h ef b g sa n d t h ef i b e rd e l a yl i n e si sa n a l y z e d 3 c o u p l e dm o d em e t h o da n d t r a n s f e rm a t r i xm e t h o dw e r eu s e dt o a n a l y s i st h es s f b g t h ei n c o h e r e n tt i m ed o m a i ne n d e c o d e ra n dt e m p o r a l p h a s ee n d e c o d e rw a sd e s i g n e db a s e do ns s f b g 4 t a n d e mt i m e d o m a i na n dm u l t i p l e 兀e q u i v a l e n tp h a s es h i f t ss p e c t r a l p h a s ee n c o d e ra n dd e c o d e rh a sb e e ns t u d i e d t h ep e r f o r m a n c eo fe n d e c o d e r a n dt h eo c d m as y s t e m b a s e do nt a n d e mt i m e d o m a i na n dm u l t i p l e 兀 e q u i v a l e n tp h a s es h i f t ss p e c t r a lp h a s ee n d e c o d e ri sa n a l y z e da tt h es o f t w a r e p l a t f o r m k e yw o r d s ：o c d m a ，o p t i c a le n c o d e ra n dd e c o d e r ，s s f b g 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着技术的不断发展，人类社会已进入信息时代并向深层次发展。人 们对通信业务种类的要求越来越多，除了一般电话、传真、数据业务以外， 还有会议电视、i p t v 、高清晰度电视h d t v 、医疗通信等高带宽业务。现 有的通信系统已不能满足人们对通信的要求，人们迫切期望高速通信、多 媒体通信及综合业务数字网的实现。鉴于光纤巨大潜在带宽资源、低成本 和易维护等一系列优点，光网络已成为最主要的信息传输系统。然而，目 前光通信大都是采用“电处理，光传输 的通信方式，尽管单模光纤的理 论带在低损耗窗口可达2 5 t h z ，但由于在该种形式的通信系统中存在着大 量的电节点，光电转换繁多，仍存在着电子的“瓶颈效应 ，限制了光纤 的潜在传输能力，因此，光纤的传输能力大部分尚未开发，为了充分利用 光纤的带宽资源，全光网已成为了人们研究的热点。 光码分多址o c d m a 技术是将光纤通信的带宽资源和电c d m a 的技 术特点有机结合起来，给每一个上路用户分配一个地址码，由光编码器对 用户数据源进行光编码。各用户的编码信号经星型耦合器叠加在一起，形 成一个总的扩频序列信号进入光纤传输。光解码器对收到的包含所有用户 信息的扩频码序列与本地地址码进行相关运算，解出相应用户的信号，并 通过门限判决技术恢复源信号，传送给数据接收器实现数据恢复。光码分 多址技术结合了两种通信方式的特点，具有很强的技术优势和广阔的应用 前景，其特点有【l 】：通过直接的光编解码实现光信道的复用和光信号的交 换，使数据的传输速率可达t b s 的量级；对于数百个用户以下的中、小规 模网络，可采用异步o c d m a 技术，此时用户之间是异步的，无需全网同 步，可实现灵活的组网方式：用户可随时访问网络，无需预约等待和排队 缓冲，业务时延非常小；对于用户容量非常大的网络，可采用同步o c d m a 技术，虽然也需要网络同步和访问预约，但因是直接采用光信号处理，也 可实现超高速数据传输，而且由于o c d m a 系统中频谱资源利用率高，还 可与w d m 结合进一步增加系统的容量。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 2o c d m a 技术的原理 o c d m a 的基本原理是在光域内的一种扩频技术，可实现多用户的接 入，适用于高速和实时通信。 图1 1 为某用户信号经由o c d m a 系统从发送到接收的原理示意图。 发射端由窄光脉冲源、光调制器和o c d m a 光编码器组成。光接收端由 o c d m a 光解码器、光电探测器和电阈值器件构成。由分配给用户的扩频 地址序列控制的光编码器对用户未编码信号进行扩频处理，获得编码信号 序列，经星型耦合器耦合叠加后进入光纤传输信道。光解码器用匹配地址 码对接收信号进行相关运算，结果送入光电探测器，经阈值器件判决后恢 复出原始信号。 图1 1 典型的o c d m a 系统原理图 o c d m a 系统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。按光信号处理的不同方式可以分为相干与非相干系统两大类，前者 利用光场的相位来传输信号，而后者则利用光场的能量；按编解码方式的 不同可以分为时域、频域、空域以及混合编码系统；按照编码参量的维数 不同可以分为一维、二维以及多维系统；按照系统是否需要同步时钟可以 分为同步与异步系统。目前在o c d m a 系统中研究的热点主要有非相干二 维时域扩展频域跳频o c d m a 系统、非相干一维频域振幅编码o c d m a 系统以及相干一维频域相位编码o c d m a 系统等。 ( 1 ) 非相干系统 非相干o c d m a 系统是利用光信号的能量来编码，是基于非相干光的 扩频编解码技术。用光信号的“有和“无刀来表示二进制的“1 ”和“0 ”， 在非相干光系统的发送端，用户数据用来调制光源的脉冲光信号，然后通 过编码器进行扩频处理，变为带有特定码字扩频特征的扩频信号序列，经 由光纤传输信道进入星型网络：在接收端，每个用户都收到来自多个编码 器的编码信号，在光解码器中，这些信号与预置的扩频地址序列进行相关 运算，结果送至平衡控测器，接收信号是功率叠加而不是振幅叠加【2 】，最 后由阈值器件判决，而恢复出原始信号。 非相干o c d m a 系统的主要优点是实现方式较为简单，对器件的性能 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 要求较低，可以实现点到点、点到多点和广播式通信，对环境变化不灵敏。 非相干o c d m a 系统的技术缺点在于：所用扩频序列为“0 ，1 ”序列，地址码 之间是伪正交，无法实现完全正交，用户扩频序列之间不可避免地存在 m u i ，当并发用集中时，就有很高的误码率。在非相干系统中，m u i 是影 响系统性能的主要因素，可以通过在接端增加光硬件限幅器得到部分抑制 【3 】 o 通常非相干o c d m a 系统主要由四大组件组成，分别为光信号发生器、 编码器、星形耦合器以及光接收机。光信号发生器一般由用户信息码发生 器、非相干光源以及电光调制器构成。光接收机一般由用户i 的解码器结 合光阈值器件构成。不同用户有不同的地址码字以及相应的编解码器结构。 编码后信号是一些类似于随机噪声的信号。只有当解码器与编码器一致时， 目标用户的信号才能被提取出来。整个o c d m a 系统当中一个非常重要的 组件是编解码器。编码器与解码器具有相反的结构。编码器的结构是根据 相应用户的地址码字来设计的，而非相干系统的解码器常常采用平衡探测 接收的方法进行解码。平衡检测原理就是利用o c d m a 系统地址码码字的 自相关和互相关特性，在接收端用原码的相关函数与补码的相关函数之差 作为解码信号。平衡检测原理可描述为： h - in - i ( 七) 一色，( 七) = t 乃+ i 一( 1 一而) 乃+ i = 2 ( 七) 一码( o ) 1 4 0j l o ，11 、 f ( + l 2 ) 码字匹配 v 一7 l 0码字不匹配 对于非相干o c d m a 系统有几个较为关键的器件，分别是宽谱光源、 编解码器以及光阈值器件。目前，宽谱光源主要有发光二极管、e d f a 放 大的自发辐射噪声、增益开关型f p 激光器以及超连续谱发生器等，这些 器件各具特点要根据实际系统的要求来进行选取。 ( 2 ) 相干系统 在o c d m a 中，相干编码方式主要是相位编码【4 j ，相位编码可获得严 格正交的扩频序列，双极性“1 ，1 ”序列码，码间干扰大减弱，系统传送数 据速率高，信噪比高，误码率低。 相干o c d m a 系统要求能控制和稳定光脉冲的相位，传输时光脉冲要 保持偏振不变。另外，光源的相干时间也很重要，要求延迟时间小于相干 时间。相干系统结构复杂，相位编解码器和接收端的时钟同步对器件要求 很高，特别是随着传输速率的上升，对激光光源的相干性要求十分苛刻。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 由于这些原因，光码分多址的研究曾经主要集中在非相干系统。然而随着 光源研究的进展，相干光码分多址已成为研究重点。对于相干o c d m a 系 统有几个较为关键的器件，分别是超短光脉冲发生器、编解码器以及光阈 值器件。目前超短光脉冲光源主要有锁模环形光纤激光器( m l f r l ) 、被动 锁模多量子阱半导体激光器以及将半导体激光器或者锁模光纤激光器与 各种非线性光纤相结合，利用光纤的非线性效应来产生超短光脉冲等。相 干o c d m a 系统的编解码器与非相干光谱编码系统的编解码器类似。相干 o c d m a 利用高相干光源和相位控制措施实现光编解码和传输，光纤信道 中光脉冲的相位携带码字信息，并且在接收端用相应的解码器实现相位共 轭变化，解出源信号。由于相干光的干涉效应，可以有效抑制多用户干扰， 提高系统性能，而且可以使用双极性码进行编解码，便于数据恢复，但是 高相干光源、相位控制等技术目前还不成熟，实现难度比较大。 1 3o c d m a 系统的关键技术 地址码字和编解码器的设计是o c d m a 系统需要解决的关键技术和难 点。可以说，当前o c d m a 技术的发展主要就是光地址码和光编码器的发 展。 1 3 1 光地址码 在o c d m a 系统中，每个用户预先被分配一个地址码，即由0 和1 组 成的具有特定排列顺序的码字，且这些码字必须具有很大的自相关峰值和 很小的互相关峰值，其主要参数为( 厶织乃，五，) ，式中三为码字长度，即( o ，1 ) 序列的切谱总数；国为码字重量，即( o ，1 ) 序列中“1 ”的数目，是码字的自相 关峰值；乞、屯分别是自相关限制和互相关限制，即码字的自相关旁瓣的 最大值和互相关峰的最大值。光地址码码集c ( l ，国，丸，五，) 的自相关和互相 关特性如下所示： l - i x t x i = 彩x e c ( 1 2 ) f 譬n 五而”乃 l 卸 l - i t 咒”以 4 x c ，f 0 x ，y c ，x y ( 1 3 ) ( 1 4 ) 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 式中x 、y 为码组中任意两个不同的码字，光地址码自相关峰值较大， 互相关峰值较小的特点是为了尽可能减少其他用户的干扰，从而获得较长 高的信噪比。同时，为了使收发双方容易获得同步，自相关的旁瓣也要较 小。光地址码码集还应该尽可能的多的并发用户数，增加系统的容量。 o c d m a 系统的地址码按极性可分为单极性码和多极性码。单极性地 址码主要有光正交码( o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e ，o o c ) t 引、素数码( p r i m e c o d e s ) t 6 1 。 光素数码是最早研究的码字，是构造o c d m a 系统地址码码集的基础 之一，码长l = p 2 码重功= p ( p 为素数) 的素数序列码的码字容量为p ， 自相关限制为p l ，互相关限制为2 。自1 9 8 3 年s h a a r 首次提出o c d m a 概念，给出可作为用户地址码的基本素数码字结构以来，人们又提出了许 多新的码字设计方案，如修正素数码( m p c ) 、扩展素数码( e p c ) 、2 ”素数码， 这些相对基本素数码性能上都有很大提高。 光正交地址序列码( o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e ，o o c ) 是一种比较成熟的 地址码之一，它具有良好自相关及互相关特性。光正交码优良的相关特性 使得o c d m a 系统的异步用户数大大增加，用户数据的传输更加高效、更 加可靠，高峰值，低旁瓣自相关特性使得数据探测更加便利，低互相关值 使得多用户干扰大降低。光素数码是根据代数理论先确定码函数，用既定 的码函数给出( o ，1 ) 序列中“1 ”的位置，然后根据码函数分析相关性、多用户 干扰以及系统误码率。而o o c 是先确定系统的设计参数，定下码长、码 重以及互相关值，在既定的目标下根据某种算法确定( 0 ，1 ) 序列中“l ”的位置。 构造o o c 的算法有直接构造法、有限几何法以及区组设计法等， 从一维码字的性能分性可知，o c d m a 系统要容纳更多用户，必须增加 码字长度。码字长度的增加则导到用户数据比特率的下降，码片脉冲位的 控制难度增大，同时，对于多用户、码字的o c d m a 系统，随着用户数量 的增加，多址干扰也会增大，从而使系统性能下降。为此，人们对o c d m a 系统中的多维码进行了研究。多维码的扩频编码涉及到时域、频域和空域， 如果利用时域、频域和空域三维进行编码则称为三维码；如果利用时域、 频域和空域中的任意两个进行编码则称为二维码。目前时域和频域相结合 的跳频扩时二维光地址码成为研究的热点，二维名一，地址序列在时域和频 域同时进行编码，同时在时域和频域进行信道复用户，不仅有效地提高了 光纤带宽的利用率，系统性能也得到进一步改善，码字容量也大大增加。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 3 2 光编解码器 光编解码器是o c d m a 系统的核心组成部分之一，在发送端，光编码 器将输入光脉冲转换为扩频伪随机序列，而在接收端，光解码器利用相关 解码原理从扩频伪随机序列中恢复源信号。光编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，因此，光编解码器也是o c d m a 系统能 否实用化的关键。 目前，光编解码器的主要类型有：光纤延迟线编解码器、衍射光栅 相位掩模板编解码器、光纤布拉格光栅( f b g ) 编解码器、阵列波导光栅编 解码器和马赫曾德( m z i ) 干涉仪编解码器。 1 4o c d m a 技术及其编解码器的发展现状 o c d m a 是将c d m a 技术与光纤通信技术相结合的一种新技术，结合 了两种通信方式的特点，具有很强的技术优势和广阔的应用前景【j 7 s 引。 1 9 7 8 年，m a r o me 等人提出了在光处理中采用光纤延迟线技术，为o c d m a 技术的发展奠定了基础【1 0 ，l l 1 2 】。近年来o c d m a 技术也得到了很大的突 破和创新，在理论和实验上也取得了长足的发展。o c d m a 技术w d m 和 o t d m 技术相比具有显著的特点。w d m 系统是将信道带宽以频率分割的 方式分配给每个用户；o t d m 系统是将每个比特时间分割成许多个时间片 再分配给每个用户；o c d m a 系统是预先给每个用户分配一个特定的地址 码，各路信号是在光域上进行编解码而实现复用，所有的用户共占整个带 宽，在时间和频域上处于重叠，利用地址码在光域内的正交性彼此的区别。 自从八十年代后期j a w a r da s a l e h i 提出了采用光正交码【1 3 , 1 4 】的光码 分多址理论和实验方案以后，全世界许多光通信领域的同行把目光投向了 这个崭新的领域。在其后的十多年时间里，理论研究和实验研究都有很大 的创新和突破。在理论研究方面，先后提出了许多系统方案和各自不同的 编码理论以及抑制干扰的理论和方案，其中多数的研究集中在非相干的异 步系统。除了理论研究以外，许多实验室还开展了o c d m a 系统方面的原 理性实验。在这中间比较著名的实验有：日本邮电部通信研究实验室采用 光谱双极性编解码进行的非相干o c d m a 的系统实验，单路速率达 1 2 4 g b i t s 传输4 0 k i n ，采用的光编解码器是将光抽头延时线、相移器和光 耦合器集成在一块芯片上实现的单片集成光编解码器【i5 】；日本的n t t 实 6 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 验室采用阵列波导光栅编解码器进行的相干o c d m a 系统实验，单路速率 达1 0 g b i t s 传输4 0 k m t l 6 】。加拿大u n i v e r s i t yl a v a l 完成的采用多波长光纤 光栅作为编解码器的o c d m a 系统，单路速率达到1 2 5 g b t i s ，共有1 6 个 用户，传输8 0 公里单模光纤【1 7 】。2 0 0 7 年英国南安普顿大学利用可调谐的 连续相移s s f b g 完成了1 6 信道( 4 0 c d m a x 4 d w d m x 6 2 5 m b s ) 系统的实验 研究。实验中使用的4 相移编解码器的码片位数为31 ，通信速率为4 0g c h i p s ，信道间隔为5 0 g h z 。2 0 1 0 年王旭等人实现了采用多16 相移s s f b g 编解码器的双向l0 g b p s8 用户o c d m a 系统。除了这些原理性的实验外， o c d m a 技术己经有逐渐商业化的趋势。1 9 9 8 年在美国s u p e r c o m 9 8t r a d e 上，美国商业技术公司展示了一种采用光谱相位双极性编码的o c d m a 系 统样机，该系统在单根光纤中传输1 2 8 路o c 1 2s o n e t 信号，总速率达 1 2 0 g b s ，并且成立了一个专门开发生产这种o c d m a 产品的公司：c o d e s t r e a mt e c h n o l o g i e sc o o p e r a t i o n ，该系统于2 0 0 0 年第一季度投入使用。美 国商业技术公司提出的光谱双极性相位编码技术已申请了发明专利，可编 程光相位编码器还在研究中。加拿大的a p n 公司于2 0 0 1 年7 月在美国巴 尔的摩的n f o e c 2 0 0 1 上正式推出了基于o c d m a 技术的产品a p n 1 0 0 8 。 从宏观上看，o c d m a 技术目前还处于研究阶段，但是其明显的优势使人 们有理由相信它的极大的发展潜力，今后，随着技术的不断发展与成熟， w d m 、o t d m 、o c d m a 技术将相互结合、补充，在未来超高速传送网中 得到更广泛的应用。 o c d m a 系统编解码器的研究趋势是向高速率，集成化，可调谐和更 多用户的方向发展。 1 5 论文结构 本文共分五章，各章的内容安排如下： 第一部分对o c d m a 系统进行了较为全面的综述，对光码分多址技术 的基本原理和分类、编解码结构方案以及关键技术进行了介绍，并对光码 分多址技术的发展和现状进行了概述。 第二部分析了t s o c d m a 、w d m + o c d m a 、m w o c d m a 三种二维 o c d m a 系统的编解码方案，并从并发用户数对系统误码率影响方面比较 三种系统的性能。分析了二维元一t o c d m a 系统，对二维名一t o c d m a 系统 性能进行了较为深入的研究。同时对改善二维o c d m a 系统提出了一些有 意义的建议。 7 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第三部分对超结构光纤光栅进行了理论分析，分别用耦合模法和传输 矩阵法对对超结构光纤光栅进行分析。并设计了基于超结构光纤光栅的时 域非相干编解码器和时域相位编解码器。然后在o p t i s y s t e m 软件平台上对 0 c d m a 系统建模仿真。 第四部分对串联时域非相干编解器和多相位编解码器进行了研究， 搭建了基于串联时域非相干编解器和多瓢相位编解码器的o c d m a 系统仿 真模型，并对每个o c d m a 系统的性能进行了分析。 第五部分为全文进行了总结。 8 重庆邮电大学硕士论文第二章o c d m a 系统编解码方案研究 2 1 引言 第二章o c d m a 系统编解码方案研究 o c d m a 系统的关键技术是地址码的结构和编解码器的设计。本文主 对编解码技术进行研究，光编解码器是o c d m a 系统的核心组成部分之一， 在发送端，光编码器将输入光脉冲转换为扩频伪随机序列，而在接收端， 光解码器利用相关解码原理从扩频伪随机序列中恢复源信号。光编解码器 的结构和特性直接影响着o c d m a 系统的总体性能，因此，光编解码器也 是o c d m a 系统能否实用化的关键。 目前，在o c d m a 系统中，可以用作编解码器的设备有：光纤延迟线 ( f o d l ) ，空间光调制器( s l m ) ，阵列波导光栅( a w g ) ，平面光波导( p l c ) ， 光纤布拉格光栅( f b g ) ，超结构光纤布拉格光栅( s s f b g ) 等。表2 1 比较了 目前可行的o c d m a 编解码器的性能。 表2 1o c d m a 编解码器性能比较 编解码器 f o d ls l ma w gp l gf b g s s f b g 相干，非相相干非相 非相干t s 二 相干t s 编 相干非相干 应用范围维编码，相干t s 编码，频域 干t s 编码干频域编码 码 频域编码- - 维编码 产生超长 低高中中高 码的能力 可重构性困难简单普通简单普通 插入损耗中 中 高 高低 整体性能 低中中中高 可靠性低高中中高 复杂度 中中高中低 成本低中高中低 o c d m a 系统可分为一维o c d m a 系统和二维o c d m a 系统。一维 o c d m a 系统编码按编解码方式的不同，可分为时域非相干编解码、时域 相位相干编解、光谱幅度编解码( s a c ) 和光谱相位编解码( s p e c t s ) 。二维 o c d m a 系统中，每个光脉冲在编码后不仅在时域上扩展，同时还在空间 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章o c d m a 系统编解码方案研究 或频域上扩展，二维o c d m a 系统常采用的方案有以下3 种：t s ( 时分 5 ， ) o c d m a 系统【1 引，w d m + o c d m a 系统 1 9 】，m w o c d m a 或频时( 允一f ) 二维o c d m a 系统【20 。，本章主要对一维和二维o c d m a 系统的编解码技术 方案进行归纳和总结。 2 2o c d m a 系统的一维编解码技术 目前o c d m a 系统的一维编解码器主要有：光纤延迟线编解码器【2 1 1 ， 衍射光栅相位掩模板编解码器【2 2 1 ，布拉格光纤光栅编解码1 2 3 ，阵列波 导光栅编解码器【2 4 1 。 2 2 1 光纤延迟线编解码器 光纤延迟线编解码器是最先提出的编解码方案，1 9 7 8 年，m a r o me 等 人首先提出在光处理中采用光纤延迟线，此后在o c d m a 系统中出现了多 种基于光纤延迟线的o c d m a 实现方案。光纤延迟线编解码技术在时域实 现编解码，没有改变信号的频频域特征，适用于直接序列扩频光码分多址 系统( d s o c d m a ) q b 2 5 1 。时域光纤延迟线编解码方案主要有三种结构形式； 平行结构，梯形结构和可调式结构。 ( 1 ) 平行结构 在平行结构光纤延迟线编解码器中，输入已调窄光脉冲通过l x c o 分波 器后分成国个切普，对应于用户码字中“1 ”的数目，每个切普经过条不等 长的平行光纤延迟线传送到c o x l 复用器，形成用户的时域编码，如图2 1 所示的【2 ，光纤延迟线的长度由地址码的码字结构，即“l ”在码字中的位置 决定，编码后的信号通过耦合器进入光网络中，解码器的实现则正好和编 码器相反，通过互补的光纤延迟线长度来补偿信号时域延迟，实现解码。 这种结构要求光信号的占空比很低，为1 0 2 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。 o 已调窄 ，o 输出编 光脉冲 1 国光 l 光 码信号 分路器 分路器 亿 o 一 几几n 图2 1 平行结构光纤延迟结编解码器 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章o c d m a 系统编解码方案研究 定义光纤中光波的传输速率为y ，当编码器和解码器的输入光脉冲均 为万( f ) 时，编码器的输出信号和能量传递函数可分别表示为： 卜砉* 一钓 亿。， i ( 缈) = i i e e - m d t 可见，当厶按照地址码的要求进行设计时，平行结构光纤延迟线编码 器就可以输出o c d m a 系统的已编码信号。而如果解码器与编码器所含有 的光纤延迟线的数数目相同，且存在，厶( 1 刀1 4 ) ，使得解码器中光纤 延迟线的长度可以利用，使得解码器中光纤延迟线的长度可以，一乙表示， 则解码器的输出信号和能量传递函数分别为： 如2 薹i 万( r l - y i n ) 。2 2 ， ( 功= p o p - j 埘d t = h * g p 一勺 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【2 6 1 。 ( 2 ) 梯形结构 梯形结构编解码器是用户梯形网络替代光纤迟线结构中的平行光纤 延迟线，如图2 2 所示，由国个3 d b 耦合器和国一1 个光纤双链路组成，每 个梯形网格的上层光纤长于下层光纤，其长度由码字中相邻的“l ”的位置差 决定。例如：在第i 个耦合器g 处耦合，端口1 到端口4 获得的延时由 + 如+ + 一l 确定，端口2 到端口3 获得的延时由+ ，i + l + + 乞- l 确定。梯形 结构的优点是损耗较小，使得功率效率得到提高。缺点是对扩频地址码的 结构要求较高，适合用2 ”素数码，但该码型的码字容量比相同码长的素数 码还少。 2 q c 2g c 。q 图2 2 梯形结构光纤延迟线编解码器 3 4 重庆邮电大学硕士论文第二章o c d m a 系统编解码方案研究 ( 3 ) 可调式结构 为了实现光纤延迟线编解码的灵活性，使地址码灵活可调，在图2 2 梯形网络结构的基础上，以2x2 光开关k 代替光纤耦合器实现可调式光纤 延迟线编解码器，如图2 3 所示。先把用户地址码发送给延时控制器，延时 控制器根据码字中的l 的位置控制可调光纤延迟线中2 2 光开关k 的状态 决定延时长短。因此可实现对不同用户的地址码进行编解码。这种方法的 优点是适用的扩频序列较多，编解码灵活，同时由于采用了光电开关，可 以使用计算机程序控制系统配置。 图2 3 可调式光纤延迟线编解码器 2 2 2 衍射光栅和相位掩膜板编解码器 输出 编码 信号 衍射光栅相位掩模板编解码器是利用光谱的相位或幅度实现编解码， 没有改变信号的时域特性。衍射光栅强度掩模板编解码器由反射式衍射光 栅、透镜、强度掩模板和反射镜等器件构成。利用光栅掩模板的全光频域 编解码的结构示意图如图2 4 所示【2 2 1 ，当光源发出的超短光脉冲经过衍射 光栅l 和透镜1 后，信号脉冲的频谱分布在掩模板空间滤波器上，完成了一 个从时域到频域的傅里叶变换掩模板则实施对信号的空间编解码功能，透 镜2 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，掩模后的脉 冲频谱相对于未掩模时减少，所以经过掩模后的信号在时域展宽，因此称 输出信号为扩时序列。解码过程正好相反，时域内的已编码信号通过傅里 叶变换转化为频域信号，通过相关解码去掉地址码序列，然后再进行傅里 叶逆变化恢复为时域信号。当作为解码器的相位掩模板的掩模函数与编码 器的掩模函数成线性复共轭关系时，解码器就能解码，实现对信号的重构。 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章o c d m a 系统编解码方案研究 图2 4 衍射光栅一相位掩模板编解码器 基于衍射光栅相位掩模板编解码器中，完成编解码功能的是相位掩模 板，掩模板的掩模函数由用户的地址码序列确定，可由计算机程序控制， 因而衍射光栅相位掩模板编解码器有使用不同的地址序列对信号进行编 解码的能力，实现可调性，这是其一大优势。但由于衍射光栅分辨率的限 制，在一定程度上限制了编解码器的性能。而且透镜体积较大，不利于集 成。 2 2 3 光纤布拉格光栅编解码器 鉴于衍射光栅相位掩模板的设计思路，考虑到光纤布拉格光栅( f b g ) 的频率选择功能，基于f b g s 的全光纤编解码技术近年受到高度重视，得到 充分研究。级联f b g s 既有光纤延迟线的延时功能，又有相位掩模板的选频 功能。f b g 是短周期光栅中利用其反射特性的一种【2 6 1 ，折射率在光纤轴向 沿其长度方向周期( 非周期) 的变化，其实质是在光纤纤芯内形成一个窄 带的( 透射或反射) 滤波器或反射镜，能对波长满足布拉格条件的入射光 产生反射，对温度和压力的变化敏感，可以非常方便的利用温度和压力来 改变光栅的中心波长，正是由于光栅的波长选择性和光栅中心波长可灵活 改变，因此，完全可以将光纤光栅应用到o c d m a 系统进行二维编码。 串联结构的f b g 编解码器如图2 5 所示，携带信号“1 ”或“0 ”的非相干光 谱经光环形器入射f b o s 编码器。光栅的中心波长可由压电陶瓷致动器( p z t ) 调节，对入射的宽带光谱进行有选择的反射，将其分解为一系列谱片。而 光栅的位置起到光纤延迟线的作用，即实现了时域的编码。解码器与编码 器有相同的f b g 和延迟线，但排列顺序正好相反。同时为了减少f b g 编解 码器所引入的信噪比损失，f b g s 的中心波长为等差数列，其公差要比编解 码器的反射谱宽大得多，反射率也应尽可能相等，以保证各f b g 的反射信 重庆邮电大学硕士论文第二章o c d m a 系统编解码方案研究 号具有相等的功效。该编解码器的插入损耗小，结构精细小巧。 且由 ( ) 卜 1 1 1 1 1 1 1 1 c i r c u l a t o r i 皿3 l 争 k 刀广 c i r c u l a t o r t h et u n a b l ep z td e v i c e l ， 7 图2 5 可调谐串联f b g s 编解码器结构图 并行结构f b g 编解码器的原理如图2 6 所示，与平行结构的光纤延迟线 编码器原理类似，具有相同反射性能的f b g 按照o c d m a 扩频码的特征进 行布局，为了减小系统由编解码器引入的信噪比损失，f b g s 编解码器中 的f b g 应具有相同的最大反射率和反射谱宽。由于所用f b g 反射波长相同， 所以各个反射脉冲在频域相同，只是有时延的区别，所以输入光脉冲在经 过环形器后会形成一个具有不同时间间隔的脉冲序列，从而达到编码效果。 以 l ii - iii l ii 一 1 7 i。 斤ii ii i ， n 栅 n if i 土 1 l i i ， 。m 瞳荔 i i 1 ii ( a ) e n c o d e r 图2 6 并行结构f b g s 编解码器结构图 2 2 4 阵列波导光栅编解码器 阵列波导光栅( a w c s ) 是在同一块衬底上集成阵列波导、输入输出波导 和两个平面波导( s l a b ) 而构成的平面器件，在光信号的复用解复用、光分 插复用、光交叉互边等方面有较为广泛的应用1 2 4 1 ，a w g s 的直接功能是将 宽带信号分解为多个信号切普输出，辅之以光延时器件，可以对d s - o c d m a 系统实施时域编解码；辅之以空间滤波器件，可以对f e - o c d m a 系统实施频域编解号。如在图2 4 中，可用a w g s 替代衍射光栅实现光信号 的时空转换，形成a w g s 编解码器，如图2 7 所示。 1 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章o c d m a 系统编解码方案研究 ( ( n 相位调制器相位调制器 图2 7a w g 编解码器原理图 a w g 将光波长在空间上分离，分离后的每个波长可分别进行处理，因 此a w g 应用于o c d m a 系统中作为编解码器可用于与光纤延迟线阵列结合 实现时频编解码，主要有基于a w g 的自反馈光波长编码和镜像光纤延迟 线编码两种方案【2 7 1 。 2 3o c d m a 系统的二维编解码技术 基于时域编码的非相干o c d m a 系统，不能直接采用双极性码，只能 采用单极性的地址码。由于单极性码的容量极其有限，为了增大码的容量 必须极大地增大码长，码字长度的增加则会导致用户数据比特率的下降， 码片脉冲位的控制难度增大，同时，对于多用户、码字的o c d m a 系统， 随着用户数量的增加，多址干扰也会增大，从而使系统性能下降。为此， 人们提出了二维的编码方案1 2 引。 在二维o c d m a 系统中，每个用户的地址码序列是二维的，即每个地 址码序列的光脉冲不仅在时域上扩展，同时还在空间或频域上扩展。由于 增加了一个自由度( 空间或波长) ，二维o c d m a 系统的性能比一维o c d m a 系统有很大的提高。在相同的扩频系数下，不仅码字数增多，同时可使用 的用户数也有较大的提高。 二维o c d m a 系统主要有3 种实现方案【2 9 】：时间和空间的组合( t s o c d m a ) ，波分和码分的组合( w d m + o c d m a ) ，多波长的组合( m w o c d m a ) 或频时允一f 二维o c d m a 。 2 3 i 二维o c o m a 系统地址码2 d o o c 的构造 二维地址码的码字参数为( n xl ，缈，屯，以) 【3 0 】其中，l 为码字长度，即每 码字在时间轴上的时间片数目，为码字所用的波长片数，这样，二维码 重庆邮电大学硕士论文 第二章o c d m a 系统编解码方案研究 的总码片数目为n x l ，每个码字由n x l 矩阵表示，称为码字矩阵；国为码 重，即分布在码字矩阵的“1 ”的数日：丸，丸分别为码字的自相关值和互相 关值。 一1l - ! x , j 薯，- - ( 0 ( 2 3 ) 1 = 0j * o 一l - 1 薯，而一，茹q9l-m匣 重庆邮电大学硕士论文 第三章s s f b g 编解码器的研究 岔 已 釜 三 8 零 叱 图3 4 不同条纹可见度下均匀f b g 的反射谱 3 2 超结构光纤光栅分析与设计 均匀光纤光栅是指一种光栅的周期和折射率调制的大小均为常数的 光纤光栅。而超结构光纤光栅( s s f b g ) 是一种特殊的光纤布拉格光栅m 6 1 ，沿着长 度方向折射率调制有缓变包络，而不是均匀调制。是按照一定规律对均匀光纤 光栅在空间上进行采样得到的，它的折射率调制