（光学工程专业论文）光码分多址系统中编解码技术的研究.pdf

摘要 摘要 光码分多址o c d m a ( 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 ) 是未来高速全 光通信网络的备选方案之一，是目前光通信技术领域研究的热点。与其他的复用 方式相比，o c d m a 目前还处于相对不成熟的阶段。 本文主要针对一维和二维光码分多址系统中的编解码技术方案进行研究。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 系统的总体性能，决定着o c d m a 系统 能否实际应用于全光通信网络中。 本论文的第一章对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。 第二章首先对一维和二维o c d m a 系统的编解码技术方案进行归纳和总结。 为使o c d m a 系统容纳更多的用户，对五一f 结构的二维o c d m a 编解码系统方 案进行研究，用自相关性和互相关性良好的2 d o o c 方阵码在时域和频域同时进 行编码实现信道复用以扩大系统的容量，并对系统性能进行了分析。 第三章研究了目前在o c d m a 系统谱域编解码方案中占据主导地位的f b g s 编解码器。0 c d m a 系统是一个容量受限的系统，当系统的同时用户数较多时， 系统的性能主要由用户间的多址干扰决定。针对s a c o c d m a 系统，提出了一 种基于f b g s 编码器的谱域补充编解码方案。该方案充分利用了宽带非相干高斯 光源的谱域特性，对高斯光源的谱域侧缘带采取补充编码方式，弥补地址码序列 分割光源谱域的不平坦性带来的码间干扰。并在解码端结合适用于准正交地址码 序列的平衡探测法，选用双极性m 序列作为地址码，消除o c d m a 系统中多用 户存在情况下的码间干扰。 第四章对基于a w g 的编解码方案进行了研究。提出了一种基于a w g 的紧 凑结构o c d m a 系统编解码方案，采用的地址码为二维r s 码序列。不同于 o c d m a 系统中每个用户拥有一对编解码器，该方案通过利用二维r s 码字的周 期性和a w g 路由器的循环性，系统所用的编解码器能够同时对不同用户的地址 码进行编解码，使得系统中的用户共享编解码资源，减少了系统的复杂性。在解 摘要 码端，先对编码信号在时域解码，补偿编码信号的时域延迟，再在频域用平衡检 测原理进行相关解码输出，恢复传输的数据比特。 第五章为全文总结。 关键词：光码分多址，光纤布拉格光栅，阵列波导光栅，多用户干扰，光 编解码器 a b s t r a c t a b s t r a c t 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 ga c c e s s ( o c d m a ) i so n eo ft h ep o s s i b l e r e s o l u t i o n sf o ra l lo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki nt h ef u t u r e ，w h i c hi sah o tt o p i ci n o 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 c o m p a r e dw i t ho t h e rm u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g i e s ，i ti s s t i l la tt h es t a t eo f i n f a n c y t h em a i nr e s e a r c hw o r ko ft h i st h e s i si sf o c u s e do nt h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n g t e c h n o l o g i e si nt h eo p t i c a lc o d ed i v i s o nm u l t i p l e x i n ga c c e s ss y s t e m o p t i c le n c o d e ra n d d e c o d e ra r ek e yc o m p o n e n t so fo c d m a i nt h et r a n s m i t i n gp o r t , o p t i c a le n c o d e rt r r n s d a t ab i t si n t os p r e a ds p e c t r u ms e q u e n c e s ，t h e n ，o p t i c a ld e c o d e rr e t v e r t si tt od a t ab i t s w i t ht h et h e o r yo fc o r r e l a t i o nd e c o d i n gi nt h er e c e i v i n gp o r t t h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t y o f o p t i c a le n c o d e ra n dd e c o d e ri m p a c tt h ep e r f o r m a n c eo fo c d m as y s t e md i r e c t l ya n d j u d g i n gw h e t h e rt h es y s t e mc o u l dw o r kp r a c t i c a l l y t h em a i nt y p e so fo p t i c a le n c o d e r a n dd e c o d e ra r et h ef i b e rd e l a yl i n e s ，t h ed i f f r a c t i o ng r a t i n g sa n dp h a s e - m a s kb o a r d s ， t h ea r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g sa n db r a g gf i b e rg r a t i n g s t h er e s e a r c h i n gw o r ko ft h i s t h e s i si sm a i n l ya b o u tt h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n gs c h e m e so ft h ea r r a y e dw a v e g u i d e g r a t i n g sa n dt h eb r a g gf i b e rg r a t i n g ss y s t e m s f i r s t l y , t h eb a s i cp r i n c i p l e ，s y s t e m s c h e m e sa n dt h ek e yt e c h n o l o g i e sa r e i n t r o d u c e di ns e c t i o no n e t h ed e v e l o p m e n t ，r e s e a r c hs t a t u sa n dt r e n d so fo c d m a t e c h n o l o g i e sa r ea l s os u m m a r i z e d ， b ys u m m a r i z i n g t h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n gt e c h n o l o g ys c h e m e so fo c d m a s y s t e m ，r e s e a r c h i n gw o r k sa r ed o n ea b o u tt w od i m e n s i o n so c d m as y s t e mo ft h e w a v e l e n g t ha n dt i m ei nt h es e c o n ds e c t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e c a p a c i t yo ft h et w od i m e n s i o n so c d m as y s t e mo f2 d o o cw a v e l e n g t ha n dt i m ei s b e a e rt h a nt h a to ft h eo n ed i m e n s i o ns y s t e m i ns e c t i o nt h r e e ，ac o m p l e m e n t a r js c h e m eo fs p e c t r a lc o d i n ga n dd e c o d i n gi s p r o p o s e d i tm a k e sf u l l u s eo ft h eb r o a db a n di n c o h e r e n tg a u s so p t i c a ls o u r c ea n d c o m p e n s a t e st h eu n f l a t n e s so fs e c t r u mo ft h es o u r c e c o m b i n i n gw i t ht h em e t h o do f b a n l a n c e dd e t e c t i n g ，t h em u l t i p l ea c c s s si n t e r f e r e n c eo ft h em u l t i p l eu s e r si sr e j e c t e di n t h ed e c o d i n gp o r t i i a b s t r a c t i ns e c t i o nf o u r , ac o m p a c to c d m as y s t e mi s p r o p o s e d w i t ht h ea r r a y e d w a v e g u i d eg r a t i n g s t h eu s e r si nt h eo c d m as y s t e mc o u l ds h a r et h es a m ee n c o d e ra n d d e c o d e rp a i r sw i t ht h i ss t r u c t u r e b yt h i sm e a n s t h es y s t e mb e c o m e sm o r ec h e a pa n d c o m p a c t t h es u m m a r i z a t i o no f a l lt h et h e s i si sg i v e ni nt h el a s ts e c t i o n k e yw o r d s ：o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s ，f i b e rb r a g gg r a t i n g ， a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g ，m u l t i p l ea c e s s si n t e r f e r e n c e ，o p t i c a le n c o d e ra n dd e c o d e r 图形列表 图形列表 图1 1w d m 、o t d m 和o c d m 对信道带宽的利用方式 图1 20 c d m a 组成框图 图2 1 平行结构光纤延迟线编解码器 图2 2 梯形结构光纤延迟线编解码器 图2 3 可调式光纤延迟线编解码器 图2 - 4 衍射光栅相位掩模板编解码器 图2 5a w g 编解码器 图2 - 6m z i 干涉仪链编解码器 图2 7 t so c d m a 系统结构 图2 8w d m + 0 c d m a 系统码字波长与码字分配 图2 - 9 基于a w g 的m w o c d m a 编码器 图2 1 0 五一t 系统网络结构图一 图2 1 1 基于f b g s 和光纤延迟线的旯一t 二维编码器 图2 一1 2 基于a w g 和光纤延迟线的旯一t 二维编码器 图2 1 3 误码率和同时用户数 图3 一l 串联结构的f b g 编解码器 图3 2 平行结构的f b g 编解码器 图3 3m 序列的s s r g 实现 图3 - 4 补充编码原理 图3 5 编码器结构 图3 - 6 解码器结构 图3 7 信号干扰比与同时用户数 图4 一l 阵列波导光栅 图4 2 基于a w g 的反馈光纤延迟线编码 图4 3 基于a w g 的镜像光纤延迟线编码 图4 - 4 基于a w g 的波长路由器 v 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 图形列表 图4 57 x ( 7 1 ) r s 矩阵 图4 - 6 编码器结构 图4 7 解码器结构 图4 8 误码率与同时用户数 v 3 9 4 1 4 2 4 3 缩略字表 o c d m a c d m a i m d d m a i o t d m w d m b e r e o m 0 f d m p n o o k s a c p p m 0 0 c d s f o f d l f b g a w g p s d t s m w s i r 2 d p i i n 缩略字表 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 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s i n t e n s i t ym o d u l a t i o nd i r e c td e t e c t i o n m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e o p t i c a lt i m ed i v i s i o n m 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 n m u l t i p l e x i n g b i te r r o rr a t e e l e c t r i co p t i c a lm o d u l a t i o n o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x p s e u d on o i s e o n - o f fk e y i n g s p e c t r a la m p l i t u d ec o d i n g p u l e sp o s i t i o nm o d u l a t i o n o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e d i s p e r t i o ns h i f tf i b e r o p t i c a lf i b e rd e l a yl i n e f i b e rb r a g gg r a t i n g a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y t i m e s p a c e m u l t i w a v e l e n g t h s i g n a li n t e r f e r e n c er a t i o t w o d i m e n s i o n a l p h a s ei n d u c e di n t e n s i t yn o i s e x 光码分多址 码分多址 强度检测一直接调制 多用户干扰 光时分复川 波分复州 比特误码率 电光调制 正交频分复用 伪噪声 开关键控 谱幅编码 脉冲位置调制 光正交码 色散位移光纤 光纤延迟线 光纤布拉格光栅 阵列波导光栅 功率谱密度 时分空分 多波疑 信号干扰比 二维的 相位引导强度噪卢 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注 和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位 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谢意。 铭：卫_ 卜醐：别钆肌泪 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学 位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大 学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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 盔k型i 导师签名：丝塾 日期：w 年r 月知日 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 随着人类跨入信息时代，信息技术作为当今世界应用范围广、前景广阔的一 门科学技术，已成为2 1 世纪的一大支柱产业。作为信息产业关键技术之一的光 纤通信技术也得到了极大的发展和应用。光纤通信技术随着人们对信息需求量的 不断增长飞速发展。近年来各种宽带新型信息业务的大量涌现，如视频点播、视 频电话、高清晰图像传输和视频远程会议等多媒体信息业务，需要人们更好的充 分利用现有光纤通信系统的巨大传输容量。光纤这种传输媒质在实际应用中几乎 可以为人们提供无限的带宽，在1 3 0 0 n m 和1 5 0 0 n m 两个窗口，各约有l o o n m 的 平坦带宽，而实际中这超过3 0 t b s 的巨大带宽仍存在很大的潜在资源待人们开发 利用。 为了提高通信系统的性价比和经济效益，满足不断增长的电信和i n t e m e t 业 务需求，如何充分利用光纤潜在的带宽资源已成为光纡通信技术发展的关键问题 之一。研究者们为了更进一步的提高光纤利用率和开发出更大的带宽资源，参考 电域运用比较成熟的复用技术，提出了适用于光域的复用技术：如波分复用、频 分复用、时分复用、副载波复用和码分复用等。其中被认为最具潜力的是波分复 用w d m ( 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 ) 、光时分复用o t d m ( 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 i n g ) 和光码分复用o c d m ( o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术【”。 w d m 、o t d m 、o c d m 三种光复用技术各具特点。w d m 是将信道带宽以 频域分割的方式分配给每个用户，在同一根光纤中的每一个信道中采用不同的光 波长同时进行传输，不同的信道可以根据需要传输不同的速率和数据格式。 o t d m 是将时间分割成时间切普分配给每个用户，将传输信道与时隙相对应，将 信道分成一系列的时隙，这些时隙按指定分配给各用户或者按需动态地分配给各 用户，各个发射机定时依次查询并发送数据，接收端依靠全网同步接收与预期发 送者相关时隙的信息。o c d m 是给每个用户分配一个特定的地址码，并在光域上 进行编解码实现复用，系统中所有用户共占整个带宽，在时域和频域上处于重叠 状态，利用地址码的正交性相互区别。三种不同复用技术对信道带宽的利用方式 电子科技大学硕士学位论文 如图1 - 1 所示。 1 一t 一卜t 一 波长 ( a ) w d mc o ) o t d m ( c ) o c d m 图1 - 1w d m 、o t d m 和o c d m 对信道带宽的利用方式 o c d m 是近年来兴起的一种充分利用光纤带宽的复用技术。在发送端，给每 个信道分配唯一的光正交码作为该信道的地址码，对要传输的数据信息用该地址 码进行光编码，所有用户共占整个带宽，在时域和频域重叠；在接收端，利用地 址码在光域内的正交性进行光解码，实现多路不同用户在同一传输系统中各自的 信号传递。o c d m 技术的特点在于：系统采用同一波长的扩频序列，频谱资源利 用率高：通过直接光编码和解码实现光信道复用和光信号交换，使数据的传输速 率可达t b s 量级；采用异步o c d m 技术，无需全网同步，可实现灵活地组网方 式，每路信号可随时上网实现信道复用；对于更多路信号的复用，可采用同步 o c d m 技术，虽然也需要网络同步，但是因为直接采用光信号处理，也实现了超 高速的数据传输；增加复用路数不会使业务质量下降，不会使网络阻塞( w d m 和o t d m 复用路数增多导致业务质量下降) ；保密性好、抗干扰能力强；对光源 性能的稳定性、谱线宽度等要求比w d m 大大降低，可使用现有成熟的光通信系 统光源。 1 2o c d m a 技术基本原理及分类 目前光通信系统采用的是强度调制一直接检测i m d d ( i n t e n s i t ym o d u l a t i o n d i r e c td e t e c t i o n ) 方式。因为光的强度没有负极性，所以光信号不像电信号那样 可以进行多极性地传输，而是只能单极性地传输。因此o c d m a 对全光信号的处 理也限于对数据比特“1 ”的编解码，而对于数据比特0 不做任何处理。 o c d m a 通信系统中，每个用户分配一个相互正交的光地址码，光编码器采用开 第一章绪论 关键控o o k ( o n - o f fk e y i n g ) 方式将数据映射到地址码上，即数据为“1 ”时光 编码器发送地址码序列，数据为“0 ”时光编码器不发送地址码信号。不同用户 编码后的光信号耦合进公用光纤信道并同时在频域和时域进行传输。到达接收端 后，光解码器利用地址码的相关特性( 正交或准正交) 由光解码器自动实现数据 的恢复和接收。o c d m a 接收机包括光相关器、光检测器和硬判决电路等基本模 块。光检测器一般采取直接检测或平衡检测，后者能部分或全部消除多址干扰 m a i ( m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ) 1 2 o 典型的光码分多址系统框图如图卜2 所示。主要由用户数据源、超短脉冲激 光器、光开关、编码器、光星型耦合器、解码器、光电探测器、电阂值检测器等 组成。 依照o c d m a 系统的不同特征，可将其分为以下几种类别： 1 ) 从时钟同步的角度，分为同步o c d m a 和异步o c d m a 系统：同步 o c d m a 就是在收发双方建立码字同步机制，可以有效提高接收信噪比和扩大系 统容量。异步o c d m a 是基于o o k 调制，直接扩频机制，接收端完全依靠光解 码器的匹配滤波原理实现解码。 2 ) 从光的相干态的角度，分为相干o c d m a 和非相干o c d m a 系统：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码和传输，光纤信道中的光脉 冲携带位相信息，并且在接收端采用光纤延迟线网络，基于相干光脉冲的干涉原 理实现解码。非相干o c d m a 则基于非相干光的扩频编解码技术，光纤信道中 光脉冲序列的强度表示编码信息。 3 ) 从光学参量角度，分为时域和频域o c d m a 系统：时域o c d m a 是将信 息比特直接扩频成时间上编码的脉冲序列，解码也是在时域上利用光纤延迟线将 脉冲序列恢复成数据比特。频域o c d m a 系统的编码采用宽带l e d 光源和色散 元件，将宽谱光源的光色散后对各光谱区段的光强编码，并利用同样的方式完成 解码。 4 ) 从线路码元的极性角度，分为单极性和双极性系统：传统的无线c d m a 系统均为双极性编码，即线路码字为( + 1 ，一1 ) 序列，多用户干扰对系统性能的 影响相对较小且系统容量较大，而由于光频过高，难于实现双极性编码，所以目 前对o c d m a 的研究主要针对单极性编码，各种光正交码也均是单极性码。由于 单极性o c d m a 系统编码序列中没有负极性成分，所以互相关输出峰值较大，系 统性能相对较低。 5 ) 从信息比特的调制方式角度，分为o o k 键控调制的o c d m a 和同步脉冲 电子科技大学硕士学位论文 位置调制p p m ( p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ) 的o c d m a ：o o k 方式就是当数据比 特为“l ”时，o o k 调制器驱动激光器发出一个超短脉冲进行扩频，当数据比特 为“o ”时，o o k 调制器没有输出信号，信道中没有光脉冲序列，接收端的解码 过程是同样的反过程。p p m 方式则将数据比特进行p p m 调制，然后在每个时隙 内利用光编码器进行扩频。 1 3o c d m a 关键技术 图1 - 2 0 c d m a 组成框图 o c d m a 系统的关键技术归纳起来有以下几方面3 】 1 3 1 地址码序列 由于o c d m a 系统的单极性，因此不能直接引用无线c d m a 系统的码字， 必须研究适合光域编解码的地址码序列【4 l 。光地址码的性能是用码长、码重、自 相关系数、互相关系数和码字容量来衡量的。在同样的码长和码重情况下，自相 关系数和互相关系数越小，解码时的自相关旁瓣干扰和多用户干扰就越小，系统 的误码率也越低，系统的通信容量就越大。另外，还需考虑对应的光编解码器结 构的复杂程度。目前研究较多的地址码序列有光正交码及其改进码、素数码及其 改进码【5 】、唯一叠合码、混合码、用于空间光通信的空间结构码等f “。其中，光正 交码的码重较小，自相关系数和互相关系数小，相关性佳，但码字个数较少，产 生码字的算法较为复杂【7 】。素数码在非相干和跳频o c d m a 系统中有着广泛的应 用，其码重为素数p ，码长为p 2 ，码字个数为p ，优点是产生算法和编解码器结 第一章绪论 构简单，利用光纤延迟线网络和光开关即可实现，但相关输出旁瓣较大，自相关 系数为p - 1 ，互相关系数为2 。唯一叠合码适合频域编码和跳频o c d m a 系统， 即任何码字对每个频率通道最多使用一次，任何两个码字对任何时移的相关输出 即两个信号中拥有的一致频率个数为l 脚。 光地址码的另一个问题是系统所允许的最大用户数。在保证一定的服务质量 和接入速率的前提下，如果0 c d m a 接入系统允许较多的同时用户接入，从系统 容量的角度来讲才能与a p o n ( a t m p o n ) 、光纤同轴电缆混合网h f c ( h y b r i d f i b e r - c o a x i a l ) 及w d m 等技术竞争。 1 3 2 编解码技术 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映射 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系统的功率损耗、用户规模、误码率、成本 以及整个系统的灵活性。 目前o c d m a 系统中典型的光编解码器有：光纤延迟线编解码器，衍射光 栅相位掩模板编解码器，光纤光栅编解码器，阵列波导光栅编解码器和m z i 干 涉仪编解码器。 对o c d m a 系统来讲，多用户干扰m a i ( m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ) 是系 统的主要误码源 9 1 。m a i 对系统的影响远大于系统中的其他影响，如热噪声、散 粒噪声、a p d 噪声等。目前主要采用以下几种方法消除m a i ：1 ) 在解码端采用 平衡接收可有效抑制m a i ；2 ) 采用同步方案，系统的抗m a i 性能较异步方案有 较大提高：3 ) 在电域对数据采用前向纠错码进行编码，可以有效降低系统误码 率；4 ) 采用双光硬限幅器可以提高光解码器抗m a i 能力和输出信噪比。 1 3 3 超短脉冲光源技术 超短脉冲光源的光脉冲宽度直接影响光通信系统的速率和误码率，所以如何 形成超短脉冲成为o c d m a 系统需要研究的一个重要的问题。o c d m a 系统要求 光源发出的光脉冲尽可能窄，占空比尽可能小，单位脉冲能量尽可能大。对于数 据速率与扩频系数之积小于1 0 g h z 的系统，使用现有系统中使用的高速激光器即 可满足要求，但对于数据速率与扩频系数之积大于1 0 g h z 的系统，则需研制超短 脉冲光源。目前比较典型的超短脉冲形成方法有锁模法、增益开关法、电吸收连 电子科技大学硕士学位论文 续光选通调制法及正色散光纤压缩法等。其中增益开关法是比较理想的超短脉冲 光源，但是这些方法还不成熟，如何抑制相邻光脉冲间的相干性和降低占空比还 有待研究。 1 3 4 多用户检测技术 多用户检测技术能充分利用光信号的能量减小m a i 。多用户检测技术分为： 适合单极性码的非相关匹配滤波器探测，零差相关探测，自零差相关检测等。多 用户检测充分利用o c d m a 系统中所有用户或系统用户子集的相关信息，如光地 址码序列，信号强度，延迟等，对接收信号进行信号恢复。多用户检测比单用户 检测接收有着较大程度的改善。然而，由于多用户检测技术依赖于对系统中其他 用户解码信息的掌握，从而降低了系统的灵活性。 1 4o c d m a 技术的发展现状 o c d m a 技术在2 0 世纪7 0 年代中期始见报道，8 0 年代中后期，人们开始了 全光实现o c d m a 的研究，其间有大量的单极性码的研究报道。但由于只能采用 单极性码，因此其性能受到单极性地址码容量小、码长太长的制约，使得系统的 容量有限，传输效率低下。这使得实验系统的性能不理想，速率很低。1 9 8 4 年， d a v i e s 和j a m e s 提出了时域相干o c d m a 系统方案【4 】，这种实验系统需要超短光 脉冲的时间带宽积大的光源。但是，因为相干o c d m a 具有系统结构复杂、对器 件要求高、实现难度大、成本高等缺点，就目前的硬件水平而言还难以实现。 近年来，国外对非相干o c d m 技术的研究开始活跃。在o c d m 技术发展的 十多年中，已经由开始的概念提出、地址码构造理论、系统设计向实验系统和实 际应用发展。研究较深入且认为比较接近实用的是时域编码的o c d m a 。特别是 对于采用素数码和光正交码的o c d m a ，从地址码的理论、地址码的构造方法、 码字容量、光编解码方法到实验系统、系统性能分析等均做了较系统和深入的研 究。 对非相干o c d m a 采用频域编码和相位编码的系统实验及相干o c d m a 的 系统实验研究有代表性的报道有：日本邮电部通信研究实验室采用谱双极编解 码进行的非相干o c d m a 的系统实验【l ，单路速率达1 2 4 g b w s ，传输距离 4 0 k m ，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系统：日本的n t t 采用阵列波导光栅编解码器 第一苹绪论 进行的相十o c d m a 系统实验 ”】，单路速率达i 0 g b i v s ，传输距离4 0 k m 。但这些 实验还属于原理性实验，实现的信道数都很少。1 9 9 8 年，在亚特兰大的 s u p e r c o m 9 8t r a d e 上，美国的商业技术公司展示了一种采用光相位双极性编码的 非相干o c d m a 系统样机【”】。该系统能在单根光纤中传输1 2 8 路o c 一 1 2 s o n e t ( 6 2 2 m b i “s ) ，总速率达1 2 0 g b i t s 。并在会上宣布成立了一个专门开发 生产这种o c d m a 系统的公司：c o d es t r e a mt e c h n o l o g i e sc o r p o 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双极性相位编码技术已申 请了发明专利，可编程的光相位编码器目前正在研究之中。2 0 0 0 年，在德国柏林 市的k o m n e t 城域网中u 2 ，其接入部分首次采用了基于等间隔频谱分割技术的 o c d m a 系统，与w d m 和o t d m 技术结合，实现了双向4 用户，传输距离2 0 公里，用户速率1 5 5 m b s 。该系统侧重于o c d m a 在全光接入方面的应用，用户 速率设计不高，但是具有实用性。在o f c 2 0 0 1 上，加拿大的h f a t h a l l a h 研究组 报道了采用一次重叠码的多波长光纤光栅编解码器【”】，实现了1 6 个用户的系统 演示实验。该系统每个用户的速率为1 2 5 g b s ，传输距离为8 0 公里。英国的南安 普顿大学对相位编码的光纤光栅编解码的研究较深入，目前己实现采用1 6 相位 编码、1 6 路( 4 0 c d m 4 w d m ) 、单路传输速率3 1 1 m b s 普通单模光纤，无需色散 补偿，传输5 0 公里【1 4 】。2 0 0 1 年7 月以f a t h m l a h 为c e o 的加拿大a p n 公司在 n f o e c 2 0 0 1 上发布了他们的光码分复用系列产品a p n 一1 0 0 8 ，宣布其产品具有 对速率、协议透明，拓扑结构灵活等优点。由i n t e l 投资的t e m p l e x 公司也正在开 发基于光纤光栅的o c d m a 产品。 从目前的研究结果和研究方向来看，o c d m a 技术在全光接入网方面具有独 到优势，与w d m 、o t d m 技术相结合更能使o c d m a 技术的优势得到充分发挥 【l “，便于挖掘光纤的带宽资源。随着光纤光栅技术的迅速发展对o c d m a 技术的 发展注入新活力，现在也有很多基于光纤光栅编解码器的o c d m a 系统。设计大 容量，各种性能良好伪随机地址码，并在此基础上构建一个完全基于o c d m a 技 术的全光网是可行的。系统设计上光码分多址技术经历从传统o c d m a 系统( 将 传统移动通信、卫星通信等领域成熟技术和非相干光通讯相结合) ，光电混合 o c d m a 系统( 充分发挥电信号处理技术和光信号处理技术的各自优势的通信技 术) ，全光o c d m a 系统( 相干和非相干o c d m a 系统) 的发展历程。现许多研究 者也把研究焦点集中到相干光码分多址系统。 目前o c d m a 技术上引起了世界各国学者极大研究兴趣，现在该技术处于领 先水平的国家主要是美国、加拿大、日本、德国和英国。 电子科技大学硕士学位论文 1 5 本论文主要研究工作 本论文研究内容主要将围绕o c d m a 系统的编解码结构和性能展开。主要工 作包括： 1 ) 对旯一r 结构的二维o c d m a 编解码系统进行研究，并结合自相关性和互 相关性良好的2 d o o c 方阵码，对系统性能进行了仿真验证。 2 ) 研究了目前在谱域编解码方案中占据主导地位的f b g 编解码器。针对 s a c o c d m a 系统，提出了一种基于f b g 编码器的谱域补充编解码方案。 3 ) 通过利用二维r s 码字的周期性和a w g 路由器的循环性，提出了一种基 于a w g 的紧凑结构o c d m a 系统编解码器方案。 第二章o c d m a 系统的一维和二维编解码技术 第二章o c d m a 系统的一维和二维编解码技术 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o c d m a 系统的用户规模、误码率b e r ( b i t e r r o rr a t e ) 等，并且决定o c d m a 系统能否投入实际应用。本章在对一维+ n - - 维 o c d m a 系统的编解码技术方案进行归纳和总结的基础上，对五一r 结构的二维 o c d m a 编解码系统进行了研究，并结合自相关性和互相关性良好的2 d o o c 方 阵码，对系统性能进行了仿真验证。 2 1 引言 o c d m a 系统按编解码的维数通常可分为一维o c d m a 系统和二维o c d m a 系统。 一维o c d m a 系统按编码方式的不同，可分为时域编码( d s o c d m a ) 和 频域编码( f e o c d m a ) 系统。在d s o c d m a 中，每一个传输比特用时域脉冲 序列组成的码字来定义，这种方式的编解码器实现简单；在f e o c d m a 中，传 输数据比特通过分割谱域序列组成的码字来定义，这种编码方式结合了光纤的巨 大带宽资源。 二维o c d m a 系统，每个地址码序列的光脉冲不仅在时域上扩展，同时还在 空间或波长上扩展。在相同扩频系数下，二维o c d m a 系统不仅码字数增多，而 且同时用户数也大大提高，因此发展潜力较大。二维o c d m a 系统常采用的方案 有以下3 种： ( 1 ) t s ( 时分空分) o c d m a “】。用户的地址码同时在时间域和空间域上 编码。较常见的情况是码字中的每个脉冲通过光纤延迟线调制在不同的光纤信道 上进行传输，采用的是并行传输和同步解调方式。 ( 2 ) w d m + o c d m a t ”】。是波分复用和码分多址两种技术相互融合的产 物，用户的地址码通过在不同波长上的重复使用达到扩容的目的，系统用户数随 可用波长数的增加成倍增长。 ( 3 ) m w - o c d m a 或f h o c d m a t ”】( 多波长o c d m a 或跳频0 c d m a ) 。 此时用户的地址码中不同位置上的“1 ”需要调制在不同的波长上。这样同一个 电子科技大学硕士学位论文 地址码就可以通过几个波长之间的排列组合而衍变为多个，每个码字同时在时域 和波长上扩展。 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，衍射光 栅一相位掩模板编解码器，布拉格光纤光栅编解码器，阵列波导光栅编解码器和马 赫曾德( m z i ) 干涉仪链编解码器。 2 2 1 光纤延迟线编解码器 光纤延迟线编解码器主要由光纤延迟线o f d l ( o p t i c a lf i b e rd e l a yl i n e ) 在 时域实现编解码，不改变信号的谱域特征，适用于直接序列扩频光码分多址系统 ( d s o c d m a ) 中【”j 。时域光纤延迟线编解码技术的发展较为成熟，主要有三 种结构形式：平行结构，梯形结构和可调式结构。 如图2 1 所示的平行结构光纤延迟线编解码器中，输入已调窄光脉冲通过 1 x w 分波器后分成w 个切普，对应于用户码字中“l ”的数目，每个切普经过w 条不等长的平行光纤延迟线传送到w x l 复用器，形成用户的时域编码。光纤延迟 线的长度由地址码的码字结构，即“1 ”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l o 。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。 n o m l i 1 x m c o x l 分波器 复用器 f n n 图2 - 1 平行结构光纤延迟线编解码器 如图2 2 所示，梯形结构编解码器是用梯形网络替代图2 一l 中光纤延迟线结 构的平行光纤延迟线。由w 个3 d b 耦合器c 和w 一1 个光纤双链路组成。该结构 第二章o c d m a 系统的一维和二维编解码技术 的上层光纤长十卜层光纤，其长度差由码字中相邻的“1 ”的位置差决定。例 如：在第i 个耦合器c ，处耦合，端口1 到端口4 获得的延时由l 。+ l 2 + + l f - 1 确 定，端口2 到端口3 获得的延时由l 。+ l 。+ + l 。确定。梯形结构的优点是损 耗较小，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，但码字容量小。 2 l