二维光正交码OCDMA系统编解码器的设计

1、二维光正交码O CDM A系统编解码器的设计董海峰, 杨淑雯(深圳大学 新技术研究中心, 广东 深圳 518060)摘要: 文章提出了二维光正交码的概念并对其性能进行了分析. 重点介绍了二维光正交码光纤延迟线编解码器的设计, 并且给出了二维光正交码光纤光栅编码原理.关键词: 光码分多址; 光正交码; 二维光正交码; 编解码器中图分类号: TN 913. 2文献标识码: AThe de s ign of two- d im en s iona l op t ica l or thogona l code s en coderan d decoder in op t ica l code- d i

2、v is ion m ult ip le acce ss sy stemDO NG Ha i- f en g, Y A NG Shu- wen(A dvanced T ech no lo gy R e sea rch C en te r, Sh enzh en U n ive r sity, Sh enzh en 518060, C h ina)A bstra c t: T h e co n cep t o f tw o 2d im en sio n a l op t ica l o r tho go n a l co de is exp a t ia ted, an d it sp e rf

3、o rm an ce is an a ly sed . T h e p ap e r in t ro du ce s th e de sign o f tw o 2d im en sio n a l op t ica l o r2 tho go n a l co de f ib e r de lay lin e en co de r an d deco de r em p h a t ica lly, an d th e sch em e o f th e en 2 co de r b a sed o n f ib e r g ra t in g is p re sen ted.Key wor

4、d s: O CDM A ; op t ica l o r tho go n a l co de s; tw o 2d im en sio n a l op t ica l o r tho go n a l co de s;en co de rdeco de r在光码分多址 (O CDM A ) 系统中, 每个用户被分配唯一的、且相关特性好的光地址码以便相互标的性能有较大的提高, 在相同扩频系数下, 码字数会有较大提高. 目前时域和频域相结合的跳频扩频二 维码成为研究的热点. 研究表明, 时域频域二维光 正交码的容量远远大于光正交码的容量, 码字性能 也有很大的改善.识和区别, 实现共享信道随

5、机通信. O CDM A通信系统是未来高速全光局域网的可能解决方案之一1, 由于网络的整体性能在很大程度上依赖于系统所采用的光地址码, 因此, 研究适合 O CDM A 系统的大容量、相关特性优良的光地址码是 O CDM A 的关键技术之一. 扩频码如涉及到时域、频域和空域 中的任意两个则称为二维码. 二维码的每个地址序 列的光脉冲不仅在时域上扩展, 同时还在空间或波 长上扩展, 由于增加了一个自由度 (空间或波长) , 二 维码 O CDM A 系统的性能比一维码 O CDM A 系统光正交码1光 正交码 (OO C , O p t ica l O r tho go n a l Co de

6、) 是O CDM A 系统中比较成熟的地址码之一, 文献 2 中提出了OO C 的概念, 并分析了它的性能. OO C 因 其良好的相关特性, 深受国际学术届的重视, 目前,收稿日期: 2002205217基金项目: 国家自然科学基金重点资助项目( 60132040) ; 国家自然科学基金资助项目( 69982006)光通信研究2002 年 第 6 期 总第 114 期很多人对OO C 的构造及其性能进行了讨论.一个 (n , , a , c ) 光正交码 C 就是一组长度为 n , 码重 (即码字中 1 的数目) 为 的“0”、“1”序列所 组成的集合, 其中, a 为自相关限, c 为互相

7、关限, 并m - 1 n- 1x i, j x i, j =i = 0 j = 0m - 1 n- 1x i, j x i, j © a ( 0)i = 0 j = 0m - 1 n- 1且每个码字 (x 0 , x 1 , x n- 1 ) 的循环还是一个码字,x i, j y i, j © c ( )i = 0 j = 0为了获得较好的性能, 一般取 a = 0, c = 1; a = 0意味着码字中的每个脉冲分配不同的波长, 即码字而它的循环自相关函数和任意一个相异码字 (y 0 , y n- 1 ) 之间的循环互相关函数分别满足2y 1 ,:n- 1 a = 01

8、n -矩阵中的每行只有一个“1”, =1 意味着任意两个cx i r x i© =1不同的码字只有一个波长相同.二维光正交码 (m × n , , ) (这里 =i = 0n- 1) =x i r y i© cac0 n -13i = 0这里的“© ”是模 n 加. 在一个 (n , , a , c ) 光正交码C 中, 码字的个数 |C | 称为此码的容量.如果光正交码 C (n , , ) ( 这里 a = c = ) 的 容量满足 Jo h n so n 限, 即:的容量上限为5 (m × n , , ) m (m n - 1) (m n

9、 - 2) (m n - )( - 1) ( - 2)( - )二维光正交码 (m× n , , a , c )的容量上限为35 (n , , ) (n - 1) (n - 2) (n - )( - 1)( - )5 (m × n , , , ) a c则称 C 为最佳OO C.OO C 码的容量很小, 其容量随着码长的增大而 增大, 但随着码重的增大而减小, 因此为了增大容量 不得不极大地增大码长和减小码重, 增大码长导致 了有效数据的传输速率下降, 减小码重导致了自相 关峰值下降, 这些都导致系统性能的下降.m (m n - 1) (m n - 2) (m n - c

10、) a( - 1) ( - 2)( -c )假定一维O CDM A 系统使用 t 个 (n , , 1, 1) 光正交码, t = n - 1 , 则其互相关均值是4 : = 2 2 n( - 1)其互相关方差为 2 = (1 -) 2 + (0 -) 2 =二维 O O C 的描述、构造及性能分析利用业已成熟的 OO C , 构造时域频域相结合 的二维光正交码, 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m ×n 的矩阵表示, 行数m 为可用波长数, 列 数 n 为光正交码的码长, ( i, j ) = 1 表示第

11、j 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“1”时, 根据对应的地址 码扩展成长度为 n 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“1”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 (m × n , , a , c ) 来表示, 满足条件:322 (2n - 2 )2. 在N个用户同时使用的情况下, 它的4n 2误码率上界为4N - 1 12i2N - 1- iP e =C i - 11 -N2 i = T h2n2n如果 t 个 (n , , 1, 1) 光

12、正交码用于我们的二维系统, 取 n 个波长, 构成二维光正交 码O CDM A(n × n , , 1, 1) ,这时的码字数为n (n -21) =n -1n (n + 1)= n (n +1) t( - 1)( -1)22互相关均值为4 =互相关方差为<2 n 22n22 22222 =1 -+1 -0 -=2n 22n 22n 22n 22 (2n 2 - 2 )4n 4董海峰 等: 二维光正交码O CDM A 系统编解码器的设计在 N 个用户同时使用的情况下, 它的误码率上界为4N - 12i2N - 1- iP e =1 C i - 11 -N22 i = T h2n

13、2n通过比较, 二维码系统明显的具有以下 3 个优点:( 1) 码字数成倍增加; ( 2) 在相同扩频系数和相同 用户数下, 误码率低, 即在相同误码率和扩频系数 下, 同时用户数增加; ( 3) 安全、保密性大大增强, 接 收端要正确解码, 不仅要知道各个光脉冲在时域上的位置, 而且要知道对应光脉冲的不同波长.图 1时频域二维光正交码光延迟线编解码定. 考虑单模系统有5 :光纤的归一化传播常数V 为V k 0 r a r n 1 r2式中, k 0 = 2 ; 光纤芯直径为2 a m ; n 1 为光纤的折射率; = 0. 003 为弱导条件下的折射率差.导波的径向归一化相位常数 u (V

14、) 为二维 O CC 光纤延迟线编解码器31978 年, M a rom E 等人提出的在光处理中采用光纤延迟线, 被认为是大部分O CDM A 实现和应 用的基础, 光纤延迟线编解码器的研究一度成为热 点. 图 1 为二维光正交码光纤延迟线编解码原理 图. 它是把在时域内码字处于不同延时位置上的光 脉冲调制在不同的波长上. 光纤延迟线编码器是由 并行的几束不同长度的光纤和两个 1 × 星形耦合器构成的, 作用是将输入的一个短光脉冲分成几份,进行不同的延时, 在输出端得到由这些不同延迟的 短光脉冲合成的脉冲序列. 当系统采用开关键控时, 在“0”的期间不发光, 在信息为“1”的期间发

15、出一个 足够短的光脉冲, 假设光正交码 ( 217, 4, 1) ( 这里码 长为 217, 码重为 4, 自相关限和互相关限均为 1) 中 的一个码字为0, 6, 43, 65, 当用户信息的“1”出现 时, 编码器将输入的单位短光脉冲一分为四, 分别延 时 0、6、43 和 65 个单位时间, 然后利用可调谐激光 器用不同的波长调制延时脉冲, 从而得到用户的标 志序列, 与所设计的光正交码相对应. 在接收端, 解 码器首先进行滤波处理, 滤出相应的波长进行波长 互相关, 再进行延迟, 与解码器包含的标志序列作相 关运算, 进行相关识别, 直接探测, 通过阈值判断, 从 而在混有众多用户信号

16、的接收信号中识别并拣出某用户的数据, 实现光正交码的产生和解码.(1 +2 ) r Vu (V ) =V 4 ) 14(4 +1 +12( )u V2传播常数 为 =k 20 r n 1 -a光纤中的传输群速度为- 1- 2 r r C d(j ) =j = 1, 2, 3, 4g j2jd j假定系统的传输速率为 R b , 选用的地址码长为l, 则 ch ip 宽度为 = 1l × R b ; 光延迟线长度为 len j = i j r r g j ; 式中, ij 为第 j 个 ch ip 在地址码字 中所对应的位置. 解码时光纤延迟线长度为 len j =( l - 1 -i

17、j ) r r g j.光纤光栅编码器4图 2 是利用光纤光栅的时频域二维光正交码光延迟线的长度由O CDM A系统的传输速率、图 2时频域二维光正交码光纤光栅编解码原理系统选用的地址码的码长及具体的地址码共同决33光通信研究2002 年 第 6 期 总第 114 期编码原理图, 用不同的波长调制不同延时的光脉冲.光栅的中心反射波长可由压电陶瓷致动器 (P ZT ) 调 节光栅周期而改变, 实现波长编码, 而光栅的位置起 到了光纤延迟线的功能, 即实现时域的编码6 .的插损小, 结构精细小巧. 光纤光栅一般是通过紫外光照射感光光纤而制作, 受限于光纤光栅的制造技 术, 每一个码的码重由一根光纤

18、上可光刻的光栅数 决定, 一般刻的个数非常有限. 二维光正交码O CD 2M A 系统无论是在确定误码率条件和同时传输用户 数方面, 还是在系统总用户数方面, 都明显优于一维结论5码 O CDM A系统. 用现有成熟的技术实现二维码光纤延迟线编解码器制作简单, 但是受温度影响很大, 集成度和灵活度也很低. 光纤光栅编解码器O CDM A 系统, 是O CDM A 系统实现大容量的有效途径之一.参考文献:1SA L EH I J A. Co de d iv isio n m u lt ip le2acce ss tech n iqu e s in op t ica l f ib e r n e

19、tw o rk s, P a r t I: fu n dam en ta lp r in c ip le s J .IE E E T ran s. Comm u n. , 1989, 37 (8) : 8242833.F an R K C h u n g, Sa leh i J A , W e i V K. O p t ica l o r tho go n a l co de s: de sign , an a ly sis an d app lica t io n2J .IE E E T ran s. Comm u n. ,1989, 35 (3) : 5952604.Guo 2ch an

20、g yan g, Kw o n g W in g C. P e rfo rm an ce com p a r iso n o f m u lt iw ave len g th CDM A an d W DM A+ CDM A fo r f ib e r2op t ic n e tw o rk s J .IE E E T ran s. Comm u n. , 1997, 45 (11) : 142621433.3吉建华, 范戈. 二维光纤码分多址通信系统J .光纤与电缆及其应用技术, 2001, 3 (3) : 30233.456周浩强. 光纤延迟线光正交码编解码器的研究 D . 深圳: 深圳大学, 2000.邵钟浩, 马骏, 张国强. 光码分多址接入技术中单、多维编解码器的实现 J .11.光通信研究, 2001 ( 6) : 72( 上接第 26 页)参考文献:1C h rapp lyvy A R. L im ita t io n o n ligh tw ave comm u n ica t io n s im po sed b y op t ica l f ib e r no n lin