【文章內容簡介】 時域編碼系統(tǒng)時域編碼OCDMA一般分為相干和非相干系統(tǒng)。相干系統(tǒng)利用到了光信號的相位信息。因為相干系統(tǒng)首先對光源的要求比較高，通常是鎖模激光器（MLLD）。光纖的色散和非線性效應如何影響攜帶相位信息的光信號，即光域上的CDMA信號如何受到傳輸介質的影響并且如何去補償矯正等問題還沒有得到真正解決。另外相干系統(tǒng)還需要進行偏振控制，這些因素都大大增加了實現(xiàn)的難度。實際上，最重要的問題目前集中在編解碼器上。對于相干系統(tǒng)來說，可以采用移相鍵控（PSK）調制方式，在二進制的情況下，有兩種相位狀態(tài)（0和）。這種系統(tǒng)方案，盡管從理論上來講具有許多潛在的優(yōu)越性能，但是實現(xiàn)起來難度很大。由文獻[4]可知。相干系統(tǒng)的框圖為圖29所示：圖29 相干OCDMA系統(tǒng)原理圖在擴時編碼方案里，除了相干系統(tǒng)，還有非相干系統(tǒng)。它是目前研究最多的一種OCDMA系統(tǒng)方案，其特點在于采用強度調制的功率檢測，優(yōu)點是易于實現(xiàn)，不足之處是多址干擾比較嚴重，必須要采用特殊的干擾抑制措施才能保證系統(tǒng)正常工作。該系統(tǒng)通常采用光正交碼（OOC）﹑素數碼（Prime Code）﹑以及改進素數碼（Modified Prime Code）作為地址碼。該類碼字統(tǒng)稱為單極性非相干碼，其碼重（Code Weight）是碼字“1”的個數。碼重與碼長相比，一般都比較小。這樣設計的目的是為了減小其它用戶對期望用戶的干擾，提高系統(tǒng)的性能。但是這無疑使碼字的數目減小，系統(tǒng)不能同時承載更多的用戶。另外一方面，也不能把碼長取得太大，因為對于一個傳輸數據速率一定的系統(tǒng)來說，增大碼長就意味著減小碼片的時間寬度。毫無疑問，這將在光纖中引起嚴重的色散和非線性效應。表21給出了雙極性碼和單極性碼的一些基本性質。在表21中K為碼重，F(xiàn)代表碼長。表21 雙極性碼和單極性碼的性質對比雙極性碼單極性碼調制方式BPSKOOK碼片的幅度10或1碼片的相位0或不考慮自相關峰值K自相關旁瓣或互相關值11 頻域編碼系統(tǒng)我們前面已經提到，在時域編碼OCDMA系統(tǒng)中，當系統(tǒng)需要容納更多的用戶或者提高單路傳輸速率時，就必須減少碼片的寬度，這會在光纖中引起很大的色散和非線性效應。在眾多的OCDMA系統(tǒng)方案中除了時域編碼系統(tǒng)，還有頻域編碼系統(tǒng)。在頻域編碼編碼系統(tǒng)中，可以進行變比特率傳輸，這使得它可以適應于不同的業(yè)務需要。頻域編碼系統(tǒng)可以分為兩大類：非相干系統(tǒng)和相干系統(tǒng)。非相干系統(tǒng)可以采用廉價的非相干光源（如LED和EDFA的ASE噪聲），這是一個很大的優(yōu)勢。圖210干頻域編碼OCDMA系統(tǒng)的示意圖：在這個系統(tǒng)里，采用LED作為光源，編（解）碼器由兩個衍射光柵﹑兩個透鏡和一塊掩模板（Amplitude Mask）組成。它們按照圖210其中兩個透鏡應處于同一光軸上，并且需要共焦點。由LED發(fā)出的非相干光經過數據信號調制后，先射到第一個鏡子上，然后經過衍射光柵把光譜分解開，再經過第一個透鏡后到達掩模板。掩模板示意圖中的黑色部分表示光不能通過，透明部分則表示光可以通過。黑色部分和透明部分的順序不同則代表不同的地址碼。掩模板可以由液晶顯示技術來實現(xiàn)，并且由電極來控制其上不同的部分是否能夠透光，從而使掩模板或者說編（解）碼器達到可調諧的目的。通過掩模板的光再經過第二個透鏡和衍射光柵后，重新合并成一個時域上的光脈沖信號。這個光脈沖信號就攜帶有地址碼信息，和編碼前相比，缺失了某些頻率分量。它通過光纖網絡到達接收端時，將會遇到一個和編碼器結構相同的解碼器，如果碼字相同，就會恢復出數據信息，圖210 非相干頻域編碼OCDMA系統(tǒng)和編碼前相比，缺失了某些頻率分量。它通過光纖網絡到達接收端時，將會遇到一個和編碼器結構相同的解碼器，如果碼字相同，就會恢復出數據，否則，輸出低強度的噪聲信號。在接收端。為了提高系統(tǒng)信噪比，可以使用差動接收方式（圖210）。圖210中表示其中的掩模板與中的掩模板呈互補關系。在這種系統(tǒng)中，可以使用m序列﹑哈德瑪(Hadamard)序列作為地址碼。 盡管上述的系統(tǒng)方案有很大的優(yōu)越性，但是它的編解碼器實現(xiàn)起來有很大的困難，至少從目前來看還不是很實用。還有一種非相干頻域編碼的系統(tǒng)，有時也稱作周期性頻域編碼系統(tǒng)，采用非相干寬帶光源。它的編解碼器采用可連續(xù)調諧的法布里－珀羅腔或馬克－澤德干涉儀。不同的碼分信道對應于不同的自由譜域（FSR）。系統(tǒng)所能容納的用戶數與法布里－珀羅腔的自由譜域和精細度（Fitness）有關。當FSR一定時，精細度越大，系統(tǒng)所能容納的用戶就越多。 跳頻系統(tǒng)在時域編碼系統(tǒng)中，提高碼速率就意味著減小碼片的時間寬度。為了克服這個困難，可以把頻域看作另外一“維”，同時在時域和頻域上進行編碼，這就是二維碼，通常也稱作跳頻碼。采用跳頻碼進行工作的系統(tǒng)稱為跳頻光碼分多址系統(tǒng)（FHOCDMA）。目前最常見的跳頻系統(tǒng)的編碼器是多波長光纖光柵（FBG）。多波長光纖光柵就是利用光柵寫入技術（如掩模板法）在一根光纖上按照一定順序刻上多個光柵，并且每個光柵對應不同的波長，即不同的反射譜。光柵之間的距離是根據系統(tǒng)的碼速率和跳頻碼的情況事先精心設計好的。數據信號調制后，耦合進入光學編碼器－多波長光纖光柵。寬帶光脈沖遇到光柵后，相應的頻率分量被反射回來，剩下的頻率分量繼續(xù)向前傳播，直到被另外一個光柵反射回來。被反射回來的光脈沖具有不同的頻率分量，并且在時域上有一定的間隔。碼片與相鄰光柵之間的距離之間的關系可以由下式表示： (21)圖211 采用多波長光纖光柵的跳頻系統(tǒng)的編碼過程在（21）式中，為碼片時間，為光柵中有效群速度指數，c為真空中光速。一個大的光脈沖進入多波長光纖光柵后再被反射回來，形成了具有一定次序的小脈沖串（這個次序就體現(xiàn)了跳頻碼），這個過程就是OCDMA跳頻編碼。圖212為采用多波長光纖光柵的跳頻系統(tǒng)的解碼過程。需要注意的是，互相匹配的編解碼器應該按相反的方向放置，才能達到正確解碼的效果。在一個網絡系統(tǒng)中，如何使這樣的編解碼器達到可調諧是一個非常重要的問題。眾所周知，對光纖光柵的兩端施加應力（拉伸或者壓縮）可以改變其反射譜（或透射譜）的作用。目前一般是利用這個原理來使編解碼器實現(xiàn)可調諧的。（圖213）。它具有以下三個基本性質：（1）所有的碼序列都具有相同的長度（在這里，碼的長度也就等于編解碼器里光柵的個數）。（2）在每一個碼序列里，每一個頻率最多使用一次。（3）碼序列的自相關旁瓣和互相關值都不超過“1”。圖213所示的跳頻碼共有29個頻點（頻率）和12個時隙，而圖中只標出了圖212 采用多波長光纖光柵的跳頻系統(tǒng)的解碼過程3個碼字“1”“2”“7”。它最大的特點是采用這種碼字進行編碼的多波長光纖光柵，通過壓電（Piezoelectric）陶瓷在其兩端施加應力后，可以自動地成為本碼組內的另外一個碼字。至于說究竟跳變到哪一個碼字，取決于應力的大?。ㄒ簿褪枪鈻欧瓷渥V偏移量的多少），這可以通過調節(jié)壓電陶瓷上的電壓來精心的調節(jié)。目前看來跳頻編碼系統(tǒng)是一種很有前途的技術方案。一方面是因為它同時在時域和頻域上工作，克服了擴時系統(tǒng)中碼片比較窄的不足的頻域編碼系統(tǒng)比較難實現(xiàn)光學傅立葉展開的弱點。另一方面，因為它采用光纖光柵作為編解碼器，體積小，非常輕便，并且可以很方便地做到可調諧，這這種編解碼器就可以實現(xiàn)光學集成，則大大降低它的成本。目前，加拿大圖213 一種具有29個頻點和12個時隙的跳頻碼University Laval在這一方面的研究處于世界領先水平。 OCDMA中的關鍵技術 偽隨機地址碼序列的設計，不同的OCDM編解碼方式對偽隨機地址碼序列的要求是不同的，要根據自己的特點進行碼序列設計。適用于時域振幅編碼OCDM系統(tǒng)的偽隨機地址碼序列的設計是研究較深入的領域，其根本思想在于針對光信號單極性，無負極性的特點，在滿足自相關和互相關的基本要求下，盡量能夠容納多的用戶。已經提出的地址碼序列有：光正交碼﹑素數碼﹑準素數碼﹑素數碼﹑全等碼﹑擴展全等碼﹑同余碼﹑擴展同余碼等。光波長編碼OCDM系統(tǒng)的偽隨機地址碼序列的構造方法有以下兩種：基于對原有時域振幅編碼OCDM系統(tǒng)偽隨機地址碼序列的改造和適合于光纖光柵編解碼器的碼組設計。第一種方法中，碼組構造的思想是對單極性直擴碼中“1”位置處的光脈沖進行不同頻率的組合，構成在時域和頻域同時滿足一定正交性的跳頻擴時碼。例如對改進素數碼中的“1”脈沖進行基于素數碼的時間和波長的組合，因此又被稱為二維正交碼。二維正交碼克服了單極性直擴碼可用用戶少﹑構造困難﹑相關性差等缺點。波長光纖光柵在OCDMA系統(tǒng)的應用帶動了二維正交碼的設計。多波長光纖光柵是在光纖的不同位置處寫入不同的波長的子光柵，由于子光柵之間的位置不可能相距太遠﹑光線長度不能太長，因此要求碼組中“1”位置不能相距太遠，即稀疏碼組不適用于光纖光柵編解碼器。Bin于1997年在無線跳頻系統(tǒng)中提出的一次重疊序列在光波長編碼OCDM系統(tǒng)得到了一定的應用。這種碼組的每一個碼片位置都是“1”脈沖，不存在“0”脈沖，用戶數與波長點數相同，相鄰碼字之間波長點的關系為順序增加，該碼組雖然克服了碼組稀疏的缺點，但是構造困難。偽隨機地址碼序列的構造一直是OCDM領域的研究熱點，除了上述提到的單極性直擴碼﹑二維正交碼等，還有在空間進一步擴展的三維正交碼，隨機曼徹斯特碼﹑Trubo碼等。 光編解碼器的設計光編解碼器是OCDM系統(tǒng)的核心部件，OCDM的發(fā)展實質就是光解碼器和編碼器的發(fā)展。光編解碼器的結構和特性直接影響著系統(tǒng)的功能損耗﹑用戶容量﹑誤碼率﹑成本以及整個系統(tǒng)的靈活性。可以說每一種偽隨機地址碼序列都可以設計出相應的編解碼器。在光振幅編碼OCDM系統(tǒng)中，樹型網絡﹑梯形網絡結構應用較多，光波長編碼OCDM系統(tǒng)中采用光纖光柵﹑AWG技術，相位編碼OCDM系統(tǒng)采用掩模板﹑光纖延時線加移相器和光纖光柵等技術。圖214 采用樹形網絡的時域振幅編碼OCDM系統(tǒng)可調諧編碼器結構圖圖214就是最早提出的一種結構。一個光脈沖依次通過分波器﹑F個不等長的平行光纖延遲線﹑合波器后，成為個較小的光脈沖組成的脈沖序列，F(xiàn)是碼長，是碼重，可以通過碼字選擇來控制光開關，從而實現(xiàn)地址碼的可調諧。不同的延遲序列對應不同的碼字，同理，可得到相應的解碼器。圖215所示為自反饋的AWG編碼器，在發(fā)送端，寬帶光脈沖經過AWG后，首先在波長上分離，不同波長的光脈沖按編碼方案經歷不同的光纖時延，然后再反饋回制至AWG相應輸入端口，從輸出端口輸出的則是時間和波長上分離的跳頻擴時序列。在接收端的光解碼器與發(fā)送端編碼器結構類似，只是光纖延時線的分布與發(fā)送端編碼器互補，由文獻[16]可得。利用AWG來實現(xiàn)OCDM系統(tǒng)的優(yōu)點在于光信號處理靈活，可充分利用光波長，難點在于AWG的制造技術﹑成本以及編碼器的可調諧性，特別是AWG的端口數直接限制了可用碼字的長度。光纖光柵的反射特性使得它可以廣泛的應用于OCDM系統(tǒng)的編碼器中。利用光纖光柵的部分振幅反射特性，在一根光纖上寫入振幅反射率按比例減小的分段光柵，可以構成單極性振幅編碼OCDM系統(tǒng)的編解碼器；利用光纖光柵的波長選擇性，可以構成光波長OCDM系統(tǒng)編解碼器；利用光纖光柵的相位反射特性，可以代替難以集成的掩模板而構成光相位OCDM系統(tǒng)編解碼器。將光纖光柵應用于OCDM領域是目前研究比較多的課題，也是最有希望將OCDM系統(tǒng)實用化的研究方向。圖215 基于AWG的自反饋光波長編碼OCDM系統(tǒng)編解碼器 多用戶干擾的消除與WDM和OTDM技術相比，多用戶干擾（MAI,Multiple Access Interference）是OCDM系統(tǒng)特有的問題。由于不同用戶之間沒有了波長或者時間上的保護，所有用戶的光信號重疊在同一波長和時間段上，用戶之間的光信號必然存在相互干擾，特別是單極性偽隨機地址碼的正交性差，解碼時不能完全消除由此引起的信道干擾，這種干擾帶來的問題就更加突出。多用戶干擾一般遠遠大于OCDM系統(tǒng)中的其他干擾源，如接收機的熱噪聲﹑散彈噪聲﹑APD噪聲等，它的存在是限制OCDM系統(tǒng)廣泛應用的一個重要因素。目前，用于消除或者減少多用戶干擾的主要辦法是使用“光硬件限幅器”，它是一種閥值器件，理論分析證明使用光硬件限幅器可以有效的抑制碼間干擾，減小系統(tǒng)的誤碼率。然而，目前對光硬件限幅器的研究大多還停留在理論研究上，其實際實現(xiàn)還有待于光器件的發(fā)展與突破。 光碼分復用網絡結構和通信協(xié)議OCDM技術對傳輸介質而言,是一種共享媒質技術,比較適合業(yè)務特征為突發(fā)性﹑低密度和非實時性的局域網﹑接入網等共用信道網絡系統(tǒng)中.傳統(tǒng)的接入協(xié)議可以簡單的分為有沖突接入和沖突避免兩種,波分和時分接入方式通過給用戶分配不同的波長或者時隙避免了沖突的發(fā)生,當同時接入的用戶較少時,它允許多個用戶同時接入而沒有接入時延,可以方便的為每一個用戶動態(tài)的分配帶寬,用戶之間不存在沖突,但是當同時接入的用戶數較多,誤碼率就會增加,OCDM技術在網絡的構建和通信協(xié)議上有自己的不同之處.目前OCDM還處于不成熟階段,人們的研究重點在于對物理層各種問題的解決上,如編解碼器的實現(xiàn)﹑對多用戶干擾的抑制等,并且由于OCDM具有WDM和OTM所不具備的特點,將其與WDM﹑OTDM相融合,組成混合型的網絡也是一個值得我們研究的問題。 小結光碼分復用(OCDM)技術是未來極具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N復用方式，它允許所有的信道同時共享同一帶寬，提高了帶寬資源的利用率，增強了全光網絡的靈活性。OCDMA技術起步比較晚，還處在研究的初始階段，一些重要的理論問題還有待于今后的進一步解決。在下面的章節(jié)中將對以上的問題進行論述。第3章光纖光柵技術原理第3章 光纖光柵技術原理 引言光纖光柵是利用石英光纖的紫外光敏特性將光波導結構直接做在光纖上形成的光纖波導器件，它是在光纖中建立的一種空間周期性的折射率分布可以改變和控制光在光纖中的傳播行為，根據特定的光纖光柵，光柵可以做成濾波器反射器色散補償器等，利用光纖光柵可以制成滿足各種光纖通信要求的有源和無源器件。由于光纖光柵器件易