毕业设计论文非相干光CDMA系统的编解码方案研究

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1、 非相干光CDMA系统的编解码方案研究非相干光CDMA系统的编解码方案研究摘要光码分多址充分利用了光的频谱资源，适合局域网中突发流量、大流量和高速率环境，动态分配带宽，网络易于扩展。与光时分多址(OTDMA)，波分多址(WDMA)等多址技术相比，光码分多址(OCDMA)技术凭借其高安全保密性，软容量，支持异步接入，并且直接进行光编码和光解码，网络中没有电节点，能真正实现在光层上的传输和交换，利于突破“电子瓶颈”效应，构成超高速率、超大容量的全光系统和网络，吸引了越来越多人的注意和研究，并被认为在未来的光网络，特别是光接入网中具有巨大的发展潜力。是实现未来全光通信网络的重要技术之一。本文介绍了光

2、通信中三种复用方式的应用，对OCDMA技术的优点和其他三种复用方式的特点作了比较和归纳总结。重点对OCDMA系统的编解码方法，编解码器的构造和工作原理，以及接收检测部分作了理论分析。提出了新型的更有效率的编码方案，最后对OCDMA技术进行了展望总结。关键词： 光码分多址（OCDMA）；编解码器；素数码；光正交码NON-COHERENT OPTICAL CDMA SYSTEM CODEC RESEARCHABSTRACTCurrent optical fiber network is bothered by the electrical bottle-neck effect. Optical c

3、ode division multiplexing technique tries to overcome this problem by taking use of optical encoding and decoding to realize optical channel multiplexing without switching. This technique can increase the data transference speed greatly. And it has evolved into many variations, e.g., Optical Time Di

4、vision Multiple Access (OTDMA), Wave Division Multiple Access (WDMA) and Optical Code Division Multiple Access (OCDMA). OCDMA is considered as the most promising method for its advantages, such as high security, convenient networkmanagement, etc.This paper first compares the three common multiplexin

5、g techniques, which are OTDMA, WDMA and OCDMA. Then the paper mainly describes the basic theory, existing problems and current applications of multiplexing techniques. OCDMA is the focus of this paper. Its working mechanism and implementation method are presented in this paper. And an improved versi

6、on of OCDMA is proposed. Finally the paper discussed the future of OCDMA.Key words: OCDMA; encoder/decoder; Prime code; Optical orthogonal code 目 录1 绪论.11.1 光通信发展回顾.11.2 光通信中的复用多址方式.2 1.2.1 光时分多址（OTDMA）技术2 1.2.2 波分多址（WDMA）技术.4 1.2.3 光码分多址（OCDMA）技术41.3 OCDMA技术发展及研究现状.51.4 课题主要研究方法.61.5 本文主要研究内容.62 OC

7、DMA系统编解码关键技术82.1 OCDMA系统模型.82.2 地址码设计.82.3 单极性码.92.3.1 光正交码.102.3.2 素数码.112.3.3 光正交跳频码.112.4 编解码器的实现132.5 光源部分162.6 检测部分173 非相干OCDMA编解码系统.203.1一维相位编解码系统.203.1.1 基于相移光栅的编解码系统.203.1.2 基于等效相移光栅的编解码系统.213.2 二维OCDMA编解码系统224 光源和接收部分研究及其实现.244.1 宽带脉冲光源24 4.1.1 二维OCDMA编解码系统中的拍频噪声分析24 4.1.2 太赫兹光非对称解复用器（TOAD）

8、254.2 相干超短脉冲光源研究27 4.2.1 主动锁模光纤激光器简介.27 4.2.2 主动锁模光纤环形激光器实现.284.3 系统接收部分性能分析及其改进29 4.3.1 多用户干扰（MAI）.29 4.3.2 基于超连续谱的阈值比较 .305 OCDMA的应用前景和新型方案.325.1 OCDMA在计算机网络中的应用.325.2 OCDMA/WDM混合网络.33 5.2.1 OCDMA和WDM的混合.33 5.2.2 OCDMA和WDM混合网络实现.345.3 OCDMA系统在PON中的应用355.4 几种新型的OCDMA编解码方案35 5.4.1 二维码到三维码的变迁.35 5.4.

9、2 基于非对称波导布拉格光栅的编码器.365.5 本章小结376 总结与展望.39参考文献.40致谢 .42 附件1 开题报告.43附件2 译文及原文影印件.481 绪论1.1 光通信发展回顾光通信的发展史可以追溯到两千年前古人利用烽火进行通信的年代。然而直到20世纪60年代，随着激光器的出现，以及随后英籍华人高昆博士及霍克姆博士提出的可以利用光导纤维进行通信的思想，现代光通信才真正出现。1970年，康宁公司开发出了第一根可用做远距离传输的光纤，这使得利用光纤进行通信成为了现实。由于光纤通信具有与生俱来的高速、大容量及高可靠性等无与比拟的巨大优点，各国竞相进行研究，并于1977年，美国最先实现

10、了商用，随后各国也开始用光纤替代传统的电缆，人类也开始进入了光纤时代。经过数十年的发展，在无源、有源光器件发展的基础上，光通信系统也得到了巨大发展，主要可分为以下三个重要阶段：(1)基于0.85微米多模光纤的光通信系统(2)基于1.31微米多模光纤/单模光纤的光通信系统(3)基于1.55微米单模光纤的光通信系统色散位移光纤(DSF，G.653)是应用于第三代光纤通信系统的一项重要成就。普通单模光纤的零色散波长在1.31微米附近，色散位移光纤将零色散波长从1.31微米移到1.55微米，从而有效地解决了1.55微米光通信系统的色散问题。20世纪80年代发明的光纤放大器是光纤通信的一场革命，实现了波

11、长透明、速率透明和调制方式透明的光信号放大，从而推动了采用波分复用技术的新一代光纤系统的商用化。在20世纪90年代的十年间，光纤通信依然快速发展，在充分掌握了光传输技术之后，还实现了光通道的复用和解复用技术，实现了光信号的交换和路由技术等。这样光纤通信技术逐步渗入并扩展到数据链路层和网络层，不但承担了数据传输的功能，还具备了一定的交换能力和路由能力。这些交叉连接、交换和路由等功能的实现为智能光网络(ASON)的发展奠定了基础。智能光网络是由众多国际标准化组织制定的新一代传送网体系架构，在SDH和WDM传送网络基础上，通过引入新的控制平面实现网元的动态配置和保护/恢复功能。智能光网络的兴起和发展

12、推动着光通信技术的功能和结构的深刻变革，不但允许动态控制和分配光网络资源，还引入众多新的智能业务类型，充分调度现有的光网络资源，有效挖掘现有的已铺光缆的应用潜力，使光网络从传统的基础传送网向业务网方向演进。随着数十年光通信技术的实用化进程，国内外对光通信技术的理论研究和实验研究仍在继续。为进一步提高信息传输性能，各国研究机构又陆续提出了光码分多址(OCDMA)概念，并在此基础上进行深入的系统研究和实验论证，并且认为光码分多址系统可以与ASON结合，进一步挖掘光传送系统的容量并提高光网络的性能。光通信技术作为信息通信产业的重要支柱和下一代网络(NGN)的核心支撑技术，在未来还将继续保持持续发展的

13、趋势。而结合OCDMA和WDM，OTDM等先进技术的智能全光网络，将成为未来光网络发展的主要研究目标。1.2 光通信中的复用多址技术自20世纪90年代以来，随着数据通信的迅速发展，特别是Internet业务量呈爆炸性增长，数据传输网带宽的需求越来越高，据有关专家预测，每6-9个月，主要SIP的Internet骨干链路的带宽需求就增长一倍，比著名的摩尔定律(约18个月翻一倍)还要快2-3倍，而且没有减缓的迹象。这种传输网信息容量需求的快速增长，带来的直接后果是所谓的“光纤耗尽”的现象，即现有的光纤都用完了。于是出现的一些网络扩容的新技术，如波分复用、频分复用、时分复用、空分复用、副载波复用、光码

14、分复用等，逐步得到了人们的重视。在综合网络建设成本和网络性能因素后，现在认为最具潜力的是光时分复用(OTDM)，波分复用(WDM)和光码分复用(OCDM)等复用技术，而与此相对应的多址技术为光时分多址(OTDMA)，波分多址(WDMA)和光码分多址(OCDMA)等多址技术。1.2.1 光时分多址(OTDMA)技术TDMA(时分多址)是将信道与时隙相对应，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，依靠全网同步，接收端接收与预期发送者相关时隙的信息，如图1.1所示图1.1 OTDMA系统1目前在OTDMA系统中还有一些关键技术需

15、要解决，如超短光脉冲的产生，全光时分解复用技术和定时提取等。很多技术现在不成熟，所以光时分多址技术还不能在工业上进行商用。1.2.2 波分多址(WDMA)技术所谓波分复用，是指在一根光纤上不只是传送一个光载波，而是同时传送多个不同波长的光载波。这样一来，原来在一根光纤上只能传送一个光载波的单一信道变为可传送多个不同波长光载波的信道，从而使得光纤的传输能力成倍增加。如图1.2所示：图1.2 WDMA系统图2WDM目前技术比较成熟，40波长的DWDM系统己经进入了商用阶段。随着IP over WDM，IP over DWDM技术的出现，WDM和DWDM更为瞩目；且随着OADM(光分插复用器)和OX

16、C(光交叉连接器)器件的发展，基于波长路由WDM全光网络也得到了快速的发展。WDM系统的迅猛发展，由于其有很多优点：(1)超大容量传输，系统容量可以达到Tb/s以上。(2)各通路透明传输，平滑升级扩容。各通道彼此独立，可以分别透明传送不同的业务信号，互不干扰。(3)能充分利用TDM技术。利用成熟的TDM技术，提高单通道的传输容量，从而提高整个系统的总容量。(4)WDM可以与OADM、OXC混合，以组成具有高度灵活性、高生存性的全光网络。而其缺点是需要精确的波长控制、可调谐多波长激光器及可调谐滤波器等。而且在传输过程中，由于未对信息进行有效保护，降低了信息传输的安全性能。1.2.3 光码分多址(

17、OCDMA)技术OCDMA是将不同用户的信号用互成正交的不同码序列来进行光学编码，经过编码的用户信号可在同一光纤信道中传输，接收端用相应的码序列解码接收，恢复原用户发送的信息。图1.3是一个OCDMA系统示意图。图1.3 OCDMA系统OCDMA与WDM、OTDM同属新一代超大容量(超高速)光通信技术，但又有不同，下面是三者的比较表。表1-1 WDM，OTDM和OCDMA三者特性的比较 波长控制全网同步用户数其他WDM需要精确波长控制不需要由物理可用长度决定网络协议复杂，目前技术比较成熟OTDM不需要波长控制需要严格的全网同步由物理可用时隙段决定网络协议复杂，目前光存储器正在研究OCDMA不需

18、要波长控制不需要由地址码容量决定，具有软容量网络协议简单，随机接入，目前研究热点通过表1-1的比较及OCDMA自身的特点，我们知道OCDMA技术突出的特点有：(1) 安全保密性。在OCDMA技术中，各用户都分配一个地址码，然后将光学编码后的光信号接入到光纤中去，因此接收端只有用相应的码字进行解码，才能准确的恢复用户发送的信息。若光缆被窃听，由于传输光信号己经编码，对方也不可能直接得到光缆中的传输信息。而且由于对用户信息进行编码，使一个脉冲分解成多个脉冲，从而有效降低了单位脉冲的信号传输功率，使得有用信息隐藏在噪声中，隐蔽性好、被截获概率很小，被检测到的概率也很低，这在对安全保密要求很高的军事通

19、信上有很大的应用前景。(2) OCDMA网络具有软容量，使用扩展的多维编解码技术即可实现不受限制的海量用户数。(3) OCDMA网络控制管理便捷。OCDMA网络可以实现不同用户的随机异步接入；网络中的结点单元易于实现全光处理，业务透明性高；由不同码区分的不同用户可以比较容易的提供不同的服务质量(Qos，Qualytiofesvriec)，灵活的进行网络管理。由于其卓越的性能，OCDMA技术正吸引着越来越多的注意，成为现在的研究热点。1.3 OCDMA技术发展及研究现状OCDMA研究在向高速率，集成化，可调谐和更多用户的方向发展。英国南安普顿大学的光电磁研究中心于2002年实现了16通道基于16

20、码片（码片速率为20Gbit/s）SSFBG的OCDMA系统。日本国家信息和传输技术研究机构在美国召开的OFC2005上展示了十用户，基于SSFBG的异步OCDMA系统，码片速度高达640Gchip/s(码长511，比特速率1.25Gbit/s)。加拿大的McGill大学基于对非相干OCDMA研究研制成了时域/谱域扩展的二维的OCDMA编解码器件，支持传输速率10Gbit/s.美国加利福尼亚大学在国防高级研究项目机构支持下，研制出了基于AWG的单片集成的编解码器芯片，芯片大小为12mm4mm，实现可调谐的一维编码技术，美国普林斯顿大学研制了利用环形网的全光分插复用单元（OADM），用户数为4，

21、单用户的比特速率为2.5Gbit/s。国内的OCDMA研究水平相对要落后一些，研究机构主要有浙江大学光通信交叉研究中心，电子科技大学应用所，上海交大区域光纤通信网于新型光纤通信系统国家重点实验室，清华大学以及深圳大学信息工程研究中心等，其中浙江大学光通信交叉研究中心在OCDMA编解码技术的领域展开了广泛的研究，并有了OCDMA实验平台，并能初步承载155Mbit/s的系统。相比之下，其他研究机构还大多限于码字研究，编码器实现等，鲜有OCDMA实验系统报道OCDMA的发展一直以接入网，码字，编解码技术及大容量传输等为主要研究方向，近两年来则开始对安全问题进行研究，特别是在美国和日本，都开始了一些

22、由国家资助的重大研究项目，在美国，由DARPA启动了一项数千万美元的OCDMA研究计划，在日本，OCDMA技术已被政府列入未来光通信发展的战略计划。1.4 课题主要研究方法OCDMA系统目前采用的光编解码方案主要有：基于光纤延迟线的时域光正交码方案、基于衍射光栅/相位掩模板的频域编解码方案、基于FBG的编解码方案以及基于AWG的编解码方案。在OCDMA系统中，最具有代表性的编解码器实现方案是基于光纤延迟线的时域编解码和基于衍射光栅/相位掩模板的频域编解码方案。在非相干OCDMA系统中，基于光纤光栅的谱域编解码方案逐渐成为主流。前两个方案的实现主要受器件的影响，如需要造价昂贵的相干超短脉冲光源，

23、使得成本较高，缺乏市场竞争力。非相干OCDMA系统对光地址码集的相关性能要求很高，而现有光地址码集的多用户干扰问题突出，限制了系统的容量。目前，比较看好的是近几年发展起来的基于FBG单光束编/解码技术。最初采用的是在一根光纤上按序写入（或接续而成）的FBG阵列，光栅的空间位置和反射幅度用于编码。随着光检测技术的发展，光栅的反射相移也能检测到，相位编码也就成为可能，二维光栅矩阵编码（相位和幅度）器也已在实验室应用。目前，较好的方法是在一根光栅上进行连续的幅度和相位调制，形成SSFBG（超结构光纤光栅），用它替代离散FBG阵列进行编/解码。1.5 本文的主要研究内容本文在第一章介绍了OCDMA的概

24、念、特点及国内外的研究现状；接下来的第二章分析现在OCDMA系统的一些关键技术，如地址码的构造，编解码器的实现及系统检测部分； 第三章介绍发送部分光源的研究，主要是针对非相干超短脉冲光源的研究，同时分析光CDMA系统的接收部分性能，对接收到的信号进行阈 值去噪处理，以解决多用户干扰问题；第四章则将介绍OCDMA系统的应用前景以及更多的编解码方案。本文最后一章是总结与展望，总结全文的主要研究内容，并对以后的研究工作进行展望。2 OCDMA系统编解码关键技术 2.1 OCDMA系统模型通过上一章的对比和分析，已经对OCDMA的系统结构有了一个大概的了解，实际上，一个简单的OCDMA系统与传统的光通

25、信系统非常类似，都是由发射机，传输信道和接收机组成，不同的是OCDMA系统在发射机和接收机中各引入了编码和解码模块，如下面的结构图2.1所示。图2.1 OCDMA系统模型在发射端，用户的数据通过调制器调制到光波中，形成光信号；该光信号由编码器用特定的地址码进行光域编码，然后该编码信号输入到光网络中进行传输；在接收端，用户利用编码器对应的解码器对光信号进行相干解码，并利用特定的检测设备对解码后的光信号进行检测判决，以恢复出传送的数据，最终实现用户间的通信。从图2.1的原理框图中可以看出，OCDMA系统，主要包括地址码的设计；编解码器的实现；光源的实现及检测模块的设计等几个关键部分，下面我们将对这

26、几个关键部分进行详细阐述。2.2 地址码设计2.2.1地址码的概念在码分多址(CDMA)通信系统中，所有用户共同占用同一信道的相同频段和时间，不同用户传输信息所用的信号靠不同的编码序列来区分，即每个用户都分配一个伪随机序列在发送端根据对应的伪随机序列用户的每个信息比特编码成串脉冲；在接收端，用户用相同的伪随机序列进行相关运算来恢复传输的信息。这些伪随机序列就叫做用户的地址码，而每一个编码脉冲则称为一个码片(Chip)。如图2.2可以清楚地展示地址码的概念及编码过程。图2.2 地址码的概念地址码选择应具有如下特征：（1）具有尖锐的自相关峰值；（2）尽可能小的互相关峰值；（3）具有足够多的码字容量

27、。为了尽量减少其它用户的干扰，获得较高的信噪比，这些码序列之间应有良好的自相关和互相关特性，即自相关的主峰值要大，互相关要小。另外，为了使收发双方容易获得同步，自相关的侧峰值也要尽可能地小。同样在OCDMA系统中，每个用户被分配唯一的、且相关特性好的光地址码来相互标识和区别，实现共享信道随机通信。所以OCDMA系统的整体性能很大程度上依赖于系统所采用的光地址码，因此研究适合OCDMA系统的大容量、相关特性好的光地址码是ODCMA系统的关键。目前OCDMA地址码的分类按照极性可以分为单极性码和双极性码。单极性码主要应用在非相干光通信中；而双极性码主要应用于相干光通信中。下面着重介绍单极性码。2.

28、3 单极性码 在非相干光通信中，由于主要是对光的强度进行检测，双极性码不能直接应用，单极性码就成为了非相干光通信中OCDMA码字研究的重点。单极性码(0，1)通常由四个参数n(，)，其中n为码长，为码重量(即码字中1的数目)，分别表示自相关和互相关参数。码字的设计要求码序列有良好的相关性和正交性，即自相关值尽可能大，互相关值尽可能小；还要求码字空间尽可能地大。OCDMA单极性码主要有直接扩序(DS)码，如光正交码(OOC)、素数码(Prime Code)、二次同余码(QC)等，光正交跳频(Frequeney hopping)码和混合码(HC)等。下面简单介绍一下常用的几种码型。2.3.1 光正

29、交码(OOC)光正交码(OOC)是OCDMA比较成熟的码之一， FnaR.K.Chung于1989年提出了这个概念，并分析了其性能。由于其良好的相关特性，OOC受到了普遍重视。一个n()光正交码C就是由一组长度为n、码重为的0，1序列组成的集合，且每个码字()的循环还是一个码字，其自相关函数满足： （2-1）互相关函数满足： （2-2）其中为的相异码字。在该OOC中，码字的个数称为此码的容量。=为容量的最大可能值，如果（）光正交码C的容量C满足Johson限，即 （2-3）则称c为最优化OOC，若C与()接近，则称c为准优化OOC。光正交码的构造方法主要有贪婪算法、射影几何法、遗传算法等。OO

30、C码的特点是容量很小，容量随码长的增大而增大，随码重的增大而减小，因此为了增大容量不得不极大地增大码长和减小码重，而增大码长又导致有效数据的传输速率下降，减小码重会导致自相关峰值的下降，这些都会导致系统性能的下降。所以从编码器复杂性的角度考虑，这种码一般码重较小，因而容量也较小。如(19，3，1)OOC共有三个码字：4，6，9，2，3，14及l，7，11，不利于大容量系统的应用。2.3.2 素数码(Prime Code)素数序列是一种长度为的地址序列，其中码重p为一个素数。素数码的构造需要先构造一个素数序列： （2-4），为伽罗华域GF=0，1，2，p-1的元素。由可构造出光素数码序列： （2

31、-5）其中 （2-6）相比于OOC码，素数码构造比较简单，且有良好的互相关特性(互相关值为2)，但自相关旁瓣过高(P-1)，不适合做随机异步接入，但可以提供的用户数较多，其容量为p。2.3.3 光正交跳频码光跳频编码是对一个比特数据上的脉冲用不同的波长进行编码，这种波长的间隔一般非常短。光正交跳频码的容量为，是光正交码码空间的q倍3。在光跳频CDMA中，设第k个用户的跳频方案是，则第k个用户表示为下式： （2-7）其中，B是带宽信号，q为跳频总数，为可选波长的集合。对于（L,W,1）OOC，设其码系为C为（L,W,1）OOC的容量，构造光正交跳频码方案的关键是构造出的OOC；然后将直接作为跳频

32、码发生器的频率，即，由此发生器可以生成的q个跳频码为，其中。该光正交跳频码的自相关最大值为 （2-8）互相关值： （2-9）根据OOC的自相关和互相关特性， 的任意两个码字，即互相关最大值为1。 如l，7，11OOC，设跳频数为13，对应的跳频码发生器为由此生成的跳频码为等13个码序列。如图2.3所示： 图2.3 光正交跳频码的变址示意图以对上述的(19，3，1)OOC码来说，光跳频码的码空间为。如图2.3所示尽管通过设计上的改进，单极性码性能有了很大的提高，但仍然有很多不足。如码空间不够大，实现大容量用户接址时需要码的码字很长，导致码片周期很短，实现起来相对困难；相关性能不理想，易于产生多用

33、户干扰等。多维码OCDMA系统的性能比单维码OCDMA系统的性能有了较大的提高，在相同扩频系数下，码空间会有较大的增加。单维码OCDMA系统无论是在误码率条件和系统总用户数方面，都不及多维码OCDMA系统。所以多维码的研究是OCDMA系统码字研究的一个重要方面。2.4 编解码器的实现光编/解码器是OCDMA系统的核心部件。OCDMA编/解码器经历了光纤延迟线体光栅、布拉格光纤光栅（FBG）、阵列波导光栅（AWG）等几种。光编解码器的结构和特性直接影响到OCDMA系统的总体性能，决定着OCDMA系统能否投入实际应用。最初使用的编码器大都基于光纤延迟线的时域编码。光纤延迟线编码系统是由并行的几束光

34、纤和2个1P星形耦合器构成的，同一码字中，编码器之间的差别在于光纤延迟线的长度不同。编码器的作用是将一个输入的短脉冲进行不同的延时，在输出端将得到由这些不同延时的短脉冲合成的脉冲序列。在OCDMA系统中，最具有代表性的编解码器实现方案是基于光纤延迟线的时域编解码和基于衍射光栅/相位掩模板的频域编解码方案。在非相干OCDMA系统中，基于光纤光栅的谱域编解码方案逐渐成为主流。前两个方案的实现主要受器件的影响，如需要造价昂贵的相干超短脉冲光源，使得成本较高，缺乏市场竞争力。非相干OCDMA系统对光地址码集的相关性能要求很高，而现有光地址码集的多用户干扰问题突出，限制了系统的容量。在2.3章节中我们已

35、经讨论了一些地址码的码型和构造方法，并对这些码型的性能进行了分析。然而为实现最终的OCDMA系统，还需要实现地址码的设计和编解码器的实现。编解码器的实现方案因地址码设计的不同而不同4。下面介绍几种编解码器的具体实现方案。2.4.1 一维编解码器这种编解码器主要适用于单极性码，如OOC，素数码等。但随着器件技术的提高，人们开始能够实现一维双极性编解码器。按照实现方式的不同，一维编解码器又分为时域编解码器，谱域编解码器和相位编解码器等。2.4.1.1 时域编解码器一维时域编解码器主要利用光纤延迟线来实现，利用这种方法实现的编解码器结构主要有两种：并行编解码器和串行编解码器5。 图2.4 并行编码器

36、5图2.5 串行编码器6图2.4所示的是并行编码器，该编码器是将一个输入光脉冲经过功分器分成等功率的几路光脉冲，这些脉冲经过不同的时延后再由光耦合器重新合成一路，从而实现将一个输入光脉冲变成一个脉冲序列(编码)的效果。图中虚线部分为可选模块，通过这个模块可以实现对各路脉冲的选择，从而实现对码字的动态控制。这种编码器实现起来比较容易，但需要器件较多，比较笨重，而且损耗比较大。图2.5所示的是串行编码器，即在每个光纤延迟块(图中的粗体黑框)都有两个选择性输出，所以这种编码器也叫n2编码器。通过控制输出出口而得到不同的时延以形成编码。相对并行编码器来说，这种编码器的功率损耗要低的多，而且由于其特殊的

37、结构，易于集成。2.4.1.2 谱域编解码器在相干OCDMA中研究比较深入的谱域编码器是所谓的自由空间4F光栅对结构，如图2.6所示。第一个衍射光栅实现了输入光信号的扩束，并对光信号进行傅立叶变换，第二个光栅则将分开的光束重新会聚；而空间光调制器则是在谱平面上对光谱进行滤波，取出特定的谱分量，从而达到谱域编码的效果。这种方法由于可以利用双极性码及相干检测，所以性能较好；需要注明的是，如果空间光调制器采用相位调制的话，这便形成了谱域相位编码，系统性能会得到进一步的提高。但是该结构也有很大的缺点：体积太大，选址速度慢且难于集成；受色散影响大，传输距离受限；容纳的用户数目有限(波长的限制)等，所以该

38、方法一直没能得到很大的发展。图2.6 空间光调制器实现的谱域编码器除了用空间光调制器外，还有一种完全基于FBG的全光谱域编码方法，如图2.7所示。图2.7 全FBG谱域编解码器每个编码、解码器端都由一对FBG组成，这两个FBG的波长阵列是完全相同的，是光的入射方向不同。入射光脉冲经过第一个FBG(G1)进行谱域编码，在时域上成一个脉冲序列，然后在经过第二个FBG(G2)后，这些脉冲序列又被压缩，并重合成一个脉冲即谱域编码过的光脉冲。这种方法在性能上可以与上述的4F光栅结构相比，且实现比较简单，只是地址码的码长受FBG数目的限制。除了用FBG做编码器以外，还可以用阵列波导光栅(AWG)做编码器，

39、如图2.8编码器。AWG编码器有很多优点，如可以解决FBG编码器的码长受限问题，易集成，且类似于一维时域并行编码器，可以通过加一个码字控制器来进行码字的重构。不过AWG编码器由于AWG器件的存在而损耗较大。图2.8 AWG实现的谱域编码器2.4.1.3 相位编解码器在谱域编码器中已经提到了相位编码的概念，利用掩模板调制器采用相位调制的方法即可实现谱域相位编码，而在图2.7中，如果第二个FBG(G2)相对第一个FBG(Gl)存在相移，则也可以形成所谓的谱域相位编码，而且可以通过在FBG上加相位调制器来控制相移，以达到码重构的目的7。输入光脉冲经SSFBG反射后，即形成编码信号，然后在接收端通过编

40、码器对应的解码器进行解码，即可得到恢复的光脉冲信号。随着SSFBG制作技术的不断提高，SSFBG长度可以做得很长，从而码长也可以很长，可以得到较大的码空间；而且相位编码可以使用一些已经非常成熟的双极性码，如m序列，Gold序列等，提高了系统性能，所以该技术得到了广泛的关注。2.5 光源部分作为OCDMA系统的重要组成部分的光源来说，大体可以分为两大类，相干的非相干的，分别可以应用于相干和非相干系统。对于非相干光源，可以是连续光，高速时需要超短脉冲；而对于应用于非相干系统的光源而言，由于编码信号中携带有相位信息，则要求光源相干性良好，这主要就是指超短脉冲激光光源。并且在高速系统中，要求脉冲的带宽

41、在皮秒(ps)量级；如果是二维编码则要求是宽谱的脉冲光源，这种光源的研究在后文中还有具体介绍。所以超短脉冲光源是OCDMA的一个关键技术8。非相干系统中，信道编码采用光强调制方式，利用光信号的有无来表示二进制的”1”和”0”，终端采用平方律检测光信号，信号是功率叠加而不是振幅叠加。非相干系统容易实现，但实现多址功能时，编解码器结构复杂，码间串扰不可避免，误码率较高。相干的CDMA与非相干的CDMA相比，最主要的优点在于它具有较高的信噪比。这主要是由于码间具有较好的正交性，可以产生较高的处理增益。相干的OCDMA的主要缺点是技术上实现较困难，以及相位移光信号的利用率较低。2.6 检测部分在OCD

42、MA系统中，由于多个异步用户同时占用一个通道，一个用户的接收机必须能在系统其他用户光脉冲信号同时出现情况下，正确提取该用户的脉冲信息。由于现在大部分是强度检测，光信号只能是非负值(0或1)，而各地址码的互相关值大于0，因此，当一个用户发送比特”1”时，系统中其他用户在这个比特时隙可能也贡献一个脉冲，这将使得光脉冲强度的叠加，尤其当用户发送比特”0”时，当其他用户贡献的光强度大于判决值时，将引起误判，这便是多用户干扰(MUI)。现在减少多用户干扰的方法有：差分接收，加光限幅器和多用户检测等。下面图2.9是加硬件限幅器的OCDMA差分接收机基本框图：图2.9 OCDMA接收机框图差分接收即在数据发

43、送时，对比特”1”和比特”0”分别用互相关为零的两个码进行编码(如图2.10a的和，在接收时将光信号分成两路，然后对两路信号用相应的地址码进行解码接收，再对这两路信号进行判决。下图2.10是差分系统的发射机，接收机框图(其中编解码器为二维编解码器)。图2.10 差分接收系统：(a)发射机；(b)接收机差分接收系统可以消除多用户(单极性编解码)干扰9。如设两个双极性码满足互相关,则由此可产生单极性码和光阈值器主要是通过光硬件限幅器来实现： （2-10）其中：为光硬件限幅器的判决电平，为输入信号的光强。硬件限幅器可以有效地减少多用户干扰：设一个用户编码为10110001000，用户发”0”时干扰码

44、为30000001000，判决电平是”2”，如图2.11所示。图2.11 硬件限幅器的应用9从图中可以看出，如果不加限幅器，接收机相关器输出的值是”4”，判决为比特”1”；而加限幅器后，接收机相关器输出值为”2”，在判决电平是”2”的情况下，由于”2”小于”4”，所以判决为比特”0”，从而不会引起误判。但是一个限幅器也有排除不掉多用户干扰的情形，如当上面例子中的干扰为201100020000时，经过限幅器后在相关器的输出仍为”4”，将引起误判，于是在文献8中又提出了一种引入两个限幅器的方案，在接收机的相关器后，即在图2.15的解码器和检测之间再引入一个光硬件限幅器，分析得出，引入两个光硬件限幅

45、器不仅可以有效地减少多用户干扰，还可以减少系统其他噪声的影响，从而改善了系统的误码性能。随着OCDMA用户数的增多，单纯用光限幅器是不能完全解决多用户干扰问题的，于是多用户检测技术被提了出来。多用户检测技术主要有最佳多用户检测和次最佳多用户检测。其中最近多用户检测的算法复杂度随在线用户数的增加而成指数增长，很难在实际中应用。图2.12 干扰估计接收机类似于图2.12的差分接收机，地址码E与地址码l互相关为零，只是E作为干扰估计码，没有分配给用户做地址码。解码器E输出的信号经过检测后进入干扰估计接收机，得到的干扰估计值和解码器1输出的信号一起进入判决器。采用这种技术后，系统的误码率相对于其他多用

46、户检测技术来说，得到了非常明显的改善。从上述方法的分析中可见,减小多用户干扰的一个思想就是避免发送比特为“0”时没有光脉冲通过。虽然并行干扰抑制通过两个支路相减可以更好地抑制多用户干扰,但对于采用光正交码的系统,多用户干扰不能通过两个支路相减去除,因此若采用门限判决则会增加误码可能10。3 非相干OCDMA编解码系统在研究了OCDMA系统的关键技术，并对OCDMA系统的一些关键部分的也有了比较深入的了解后，本章将对OCDMA的系统进行分析。并介绍一维相位编解码系统和二维编码系统：基于FBG编解码结构的快跳频光码分多址系统。3.1 一维相位编解码系统在2.4.节中已经对一维编解码做过讨论，相位编

47、码的优越性尤其体现在：采用双极性码，其互相关特性以及串扰都比采用单极性码要好的多，并且对于给定码长时，相位编码的信道之间的干扰也要小的多，于是可以允许更多的用户接入11。3.1.1 基于相移光栅的编解码系统在采用一维相位编解码的OCDMA系统中，由于采用的是双极性码，一般又都是相干系统，所以采用的光源都是超短激光脉冲，通常使用相移光栅作为编解码器。相移光栅指的是光栅的正弦调制中涉及特定的相位突变。相移光栅可以根据地址码的码字设计在光栅相应的位置引入不同的相移作为OCDMA的编码器，它的结构小巧，便于集成化。图3.1则显示了单极性码和双极性码在FBG上实现的区别：对于单纯的幅度调制的单极性码，只

48、是由光纤上某处有无光栅来确定是否码字为”1”，对光栅内部的折射率如何实现要求不高；而对于相位调制的双极性码，在整个光纤编解码器部分都写有均匀的光栅，只是在某些特定位置，即两个相邻码片的边界处引入了折射率变化(即相移)，正是因为需要在布拉格波长百纳米级的精度上引入相移，对光栅制作技术精度要求极高，光栅的制作难度也就较大。图3.1 基于FBG：(a)单极性码；(b)双极性比较复杂的相移光栅的制作需要使用带有精确位置、幅度、相移数的相位掩模板，而这种精确的相位掩模板和负责写入光栅的激光光源的精度要求都很高。还有另外的方法，就是在两段光栅之间加入精确的相移，但是此项方法要求对光纤和掩模板的位移具备纳米

49、量级的精确位移控制，这样的位移精度要求很高，不易实现。其他的方法，诸如紫外光写入、局部加热处理等方法都不能非常精确的达到这样的相移目的。3.1.2 基于等效相移光栅的编解码系统3.1.2.1 等效相移光栅原理除了使用这种制作复杂的相移光栅作为一维相位编码器，还可以使用等效相移光栅实现，这种等效相移光栅以幅度采样的方式起到相移的效果，但是大大降低对位移控制精度的要求(只需达到微米量级)，制作工艺与相移光栅相比要简单。但是由于受掩模板大小的限制，这种方法制作的等效相移光栅编解码器能够实现的码字不能太长。由于用于光CDMA编解码器的光栅需要弱光栅，可以用以标量理论为基础的傅立叶变换来近似计算。等效相

50、移光栅是对采样光栅在采样函数上引入特定的相位变化制作而成。根据傅立叶变换的标量计算，采样光栅的相移可以等效成光栅的相移。如3-1式： （3-1）其中：是第m级衍射的傅立叶系数；A是光栅周期；为引入的等效相移；P为采样周期。当m=1或者-1时候，时，引入的相移为，如图3.2所示。图 3.2 等效相移采样光栅沿光纤轴向的折射率变化曲线3.2 二维OCDMA编解码系统时域系统主要时域相干和非相干两种系统，时域相干系统可以采用双极性码作为地址码，与非相干系统相比，系统性能如容量，误码率等都有较大的改善，但是该系统对器件、检测部分的要求也很高，实现起来比较困难。相对于一维时域或者一维谱域的OCDMA系统

51、，二维的时域/谱域编解码系统要相对复杂，同时性能更好：它可以提供更大的码空间，从而满足大容量用户的需要；二维编码具有更好的互相关性能从而可以尽可能的降低多用户干扰。所以二维OCDMA系统是较为成功的非相干OCDMA系统。在二维OCDMA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,同时还在空间或波长域上扩展。由于增加了一个自由度(空间或波长),二维OCDMA系统的性能比一维OCDMA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。最重要的是二维OCDMA系统的实现对现阶段的光纤通信现状比较现实，成本也要比双极性OCDMA

52、系统低的多。FBG是光纤通信中是一种重要的基础无源器件，在光纤激光器、色散补偿器、波长复用器/解复用器、光插/分复用器以及传感系统中有着重要的作用。在宽谱光源、光谱仪的监测系统监测下，利用准分子激光器和相位掩模板，可以在光纤上光学刻蚀形成布拉格光栅。布拉格光栅波长由相位掩模板的特征参数确定。在一根光纤上写上一系列不同反射频率的光栅，称为多波长光纤光栅，可以用它来作为跳频系统的编解码器。或者也可以先写上相同频率的光栅，然后用压电陶瓷设备通过拉伸作用来逐个地调节每个光栅的反射谱。这样的好处就是只需要一块相位掩模板。图3.3 二维OCDMA编解码系统上图3.3为一个典型的二维OCDMA编解码系统，数

53、据源以ON/OFF Keying(OOK)方式调制宽带激光源，输出的比特数据通过级联的FBG编码器后，每个数据比特被编码成长度为p的光脉冲序列，光脉冲序列经过环形器、EDFA、色散位移光纤的传输进入解码器，解码器与光脉冲序列进行相关运算，得到的解码序列经过光电二极管和信号分析仪，恢复出发送端数据源的数据。4 光源和接收部分研究及其实现4.1宽带脉冲光源在二维编解码的光CDMA系统中，宽带光源是不可或缺的，如果使用连续光源，调制器上加载的用户信号必须是归零码(RZ)形式的，这时电信号脉冲的宽度必须比码片宽度小，在电域要得到较小脉宽的脉冲是很困难的，所以在现行电路处理的限制下，码片宽度就比较大，这

54、样就大大限制了可传输的用户速率。直接使用脉冲光源采用非归零码(NRZ)可以提高传输速率，这是一种比较好的方案，从非线性光学方法比如超连续谱，可以用相干的皮秒超短脉冲通过一段高非线性系数光纤得到宽谱的光脉冲，但是这样得到的宽带脉冲是相干光源，使用相干光源会使OCDMA系统产生较强的拍频噪声。所以，寻求一种非相干的宽带脉冲光源对实现高速率二维编解码系统将有重大的意义。4.1.1 二维OCDMA编解码系统中的拍频噪声分析当系统中存在多用户时，影响系统性能的因素主要有多用户干扰、拍频噪声和接收器的热噪声。而拍频噪声主要在多个用户的光信号同时被接收器接收时产生，也就是说当物理信道中同时有多个用户信号到达

55、接收部分时，不仅会产生多用户干扰，同时会有拍频噪声产生。而这种拍频噪声在相干系统中体现的更为突出。图4.1 OCDMA系统及其噪声源对一个如图4.1所示的OCDMA网络系统，在接收端得到的光信号可表示为式4-1： Data interference Primary data-interference beat terms+Secondary interference-interference beat noiseReceive noise (4-1)式中R为光探测器的响应值；是码片长度；反映接收器的噪声电流；和分别表示从目标用户和非目标用户的编码信号解码出来的光功率；和分别表示它们的光频率；和

56、分别表示它们的相位噪声。按照文献中的推理，拍频噪声主要由两级组成：根据文章的讨论第二级可以忽略；对于第一级，又有三部分，第一部分的-2，所以积分后可以忽略；第二部分的(t-)将很大程度取决于光源脉冲的相关性。对于非相干系统，整个拍频噪声这一项都可以忽略，主要噪声还是多用户干扰；而对于相干系统，拍频噪声这一项不能忽略，会对系统产生一定程度的影响。使用相干光源对二维的OCDMA编解码系统会产生较强的拍频噪声，故而非相干脉冲光源的研究是很重要的。下面将介绍基于太赫兹光非对称解复用器(TOAD)的非相干光脉冲发生器的原理。4.1.2 太赫兹光非对称解复用器(TOAD)4.1.2.1 TOAD结构及其工

57、作原理对最简单的非线性光纤环镜的分析，如果环中加入其他的非线性元件后，两个方向传输的光的相位差将发生较大的变化11。TOAD结构即是在上述的环内再加入了半导体光放大器(SOA)、通过另一个耦合器送入环内的控制脉冲、偏振控制器等。其具体实现见图4.2。图4.2 非相干宽带光脉冲产生器的TOAD结构12如图所示，半导体放大器放置在距环的中点处，该的量可以通过可调光纤延迟线调节。由于SOA位置的不对称，顺时针和逆时针方向的光会先后到达SOA，时间差为，是光纤环中的光速。为了使两个方向的光在耦合器处更好的干涉，环中还放置了一个偏振控制器以较好的调整光的偏振态。控制脉冲经由另一个光纤耦合器注入环内，用户

58、数据可以通过电光调制器加载在控制脉冲上(也可以加载在输出得到的宽带脉冲上)。该控制脉冲的脉宽为，由于它的峰值功率较大，到达SOA时使SOA迅速饱和，SOA的增益将经历先变小再恢复的过程，设这个恢复时间为，那么在时间+内，没有跟脉冲相遇的顺时针连续光经过了正常放大，而同控制脉冲一起到达 SOA的逆时针连续光得到的是饱和增益。也就是说，两个方向传输的连续光到达耦合器时，能量和相位都发生了变化，不再等同于上一节介绍的非线性光纤环镜的情况，于是在输出端能够有光透射，并且该透射光为脉宽为+的非相干的宽带脉冲。如图4.3(a)所示。而为避免输出的脉冲互相重叠，加载在控制脉冲上的数据的比特周期应该比+大。这时输出的宽带光脉冲应该和控制脉冲在时域上是基本重合的。如果，脉宽等价于；如果，脉宽就等价于。图4.3 两种情况下的输出：(a) 连续光与控制脉冲伴随一起进入SOA； (b)连续光在SOA处与控制脉冲相遇而在另一种情况下:顺时针的连续光正好在到达S