CN1187913C - 非相干啁啾编码光码分多址接入系统 - Google Patents

Abstract

一种非相干啁啾编码光码分多址接入系统，光编码器由一个线性啁啾光纤光栅，光环行器、光纤延迟线网络和光合路器构成。数据比特调制超短脉冲激光器输出宽带超短光脉冲，经光分路器后各自经由光纤延迟线形成两个超短脉冲序列，经光环行器后进入两个光环行器间的线性啁啾光纤光栅，两个展宽后的脉冲序列经合路器形成一路双极性啁啾编码扩频信号。光解码器的结构类似，经光环行器和线性啁啾光纤光栅的脉冲压缩形成的超短光脉冲，经合路器重合，形成强输出脉冲，实现解码。本发明的系统结构简单、容易实现，编解码器均为全光纤无源结构，便于集成，系统容量大，误码率低。

Description

非相干啁啾编码光码分多址接入系统

技术领域

本发明涉及一种新型的非相干啁啾编码光码分多址接入系统，可以利用射频CDMA系统中的双极性编码实现多址接入，可用于城域网、接入网、局域网等系统，属于光纤通信技术领域。

背景技术

随着光纤通信技术的迅速发展，骨干网基本上实现了光纤化，系统的传输容量大大增加，但是随着业务量的迅速增长和新的数据业务的发展，城域网和接入网无法满足通信技术发展的要求，成为网络的瓶颈，将光纤引入城域网和接入网就成为解决这一问题的最佳方案。目前，光纤城域网的解决方案主要是采用基于WDM(波分复用)和OXC(光交叉连接器)的全光网。接入网的解决方案主要有基于SDH的有源光接入网(AON)、基于ATM的无源光接入网(PON)、HFC等。这些方式无论采用什么样的拓扑结构，都存在多个ONU共享光纤媒质并进行上行方向通信的多址接入控制问题，目前大多数采用TDMA方式，存在着带宽利用率低(因为开销比较大)、接入控制复杂(需同步定时)、接入存在延时、网络管理复杂等问题。光码分多址(OCDMA)接入技术将码分多址(CDMA)接入方式引入光纤通信领域，并利用高速光信息处理技术进行编解码，可实现无延迟异步接入，并且网络控制简单，业务透明性好，是未来宽带接入、机(舰)载数据总线和高速LAN的最佳方案之一。

OCDMA接入系统一般为星型拓扑结构，也可以采用总线型、树型拓扑结构。系统中的每个用户的发送机和接收机中分别有一个光编码器和一个光解码器，系统为每个用户分配一个独有的地址码。用户的光编码器按照其地址码将信息比特扩频为编码序列发送到光纤网络中，光纤网络由光纤、耦合器、光分路器等无源器件组成。光纤网络中的光信号经分路器进入接收用户的光解码器，光解码器基于匹配滤波的原理完成信号解码，将信息比特数据送给其用户终端。

自从OCDMA的概念出现以来，提出了各种系统方案，如非相干直接序列(DS)、相干DS、快跳频(Fast Frequency-Hop，FFH)、频域编码(FE)等。大多数方案都是采用单极性编码，也就是说对光强进行编码。这样码字的相关特性较差，且构造复杂，相对而言需要很长的地址码，增加了实现的难度。传统的射频OCDMA系统都采用双极性编码，如m-序列、Walsh码等，这些码字构造简单，相关特性好，如果能将在OCDMA技术中采用这些双极性码字，对OCDMA系统的实用化具有重要的价值。目前对双极性OCDMA的研究都采用相干编码的方法，但相干光的信号处理和传输技术还不是很成熟，系统的实现比较困难。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种非相干啁啾编码光码分多址接入系统，具有结构简单、易于实现、成本低、易于集成、系统容量大、性能好等优点。

为实现这样的目的，本发明采用了基于啁啾的非相干的双极性OCDMA系统方案，采用全无源、全光纤结构。在这个啁啾编码OCDMA系统中，光编码器由超短脉冲激光光源、1∶2光分路器、1∶ω₁和1∶ω₂光分路器、ω₁+ω₂个光纤延迟线、ω₁∶1和ω₂∶1光合路器，二个光环行器，线性啁啾光纤光栅，2∶1光合路器构成，其中，ω₁、ω₂分别为编码序列中正啁啾脉冲和负啁啾脉冲的数量，ω₁+ω₂＝N，N为码长。数据比特以开关键控(On/Off keying)的方式调制超短脉冲激光光源，如锁模激光器、增益开关DFB激光器，电吸收超短脉冲光源或者外调制激光器等。光源输出的宽带超短光脉冲(其脉冲宽度远小于T_c)经1∶2光分路器后分成两路，各自完成正负啁啾展宽，上下两路脉冲分别经过由光纤延迟线组成的网络，光纤延迟线产生不同的延时，每个光纤延迟线对应于码字中的一个切普，这样形成两个离散的超短脉冲序列，光纤延迟线的相对延迟量为cT_c/n_eff的倍数，具体的延迟量由地址码决定。这里c为光在真空中的速度，T_c为切普宽度，n_eff为光纤延迟线中的有效折射率。这两个序列分别经光环行器后进入两个光环行器间的线性啁啾光纤光栅。线性啁啾光纤光栅对不同波长的光脉冲反射时延与波长成线性关系，所以超短脉冲(带宽较宽)被展宽为一个宽度为T_c的线性啁啾光脉冲，从两个方向进入光纤光栅的脉冲经历的啁啾量相等，但符号相反。两个展宽后的脉冲序列经2∶1光合路器形成一路双极性啁啾编码扩频序列。在这个啁啾编码扩频序列中，各个切普内的脉冲功率是相同的，但是光信号的频率是随时间变化的：如果地址码中的一个切普的值为+1，则在这个切普内的光信号频率是随时间线性增加的；如果地址码中的某一个切普的值为-1时，该切普内光信号的频率是随时间线性减小的。具体的频率—时间的斜率(啁啾度)可以根据系统的容量和误码率要求、线性啁啾光纤光栅制作工艺决定。

光解码器和光编码器结构类似。光解码器由1∶2光分路器、1∶ω₁和1∶ω₂光分路器、ω₁+ω₂个光纤延迟线、ω₁∶1和ω₂∶1光合路器，二个光环行器，线性啁啾光纤光栅，2∶1光合路器，光检测器，阈值判决器和时钟提取电路构成。接收机将接收到的信号，包含系统中所有用户发射的扩频信号，耦合到光解码器，光解码器中的光分路器将信号分为两路，分别进入一个光纤延迟线网络，该延迟线网络中的延迟线长度与光编码器中的相互补，也就是光解码器中上(下)面一路的某个光纤延迟线长度与光编码器中下(上)面某一光纤延迟线的长度之和为常数，这样就形成一个匹配滤波器。在光解码器的上面一路实现部分信号(负啁啾脉冲部分)的相关运算，输出一个主瓣和一系列旁瓣；同样的，下面一路也将另一部分(正啁啾脉冲部分)信号的相关运算，亦输出一个主瓣和一系列旁瓣。这两个主瓣在时间上是对应的，经过光环行器和线性啁啾光纤光栅的脉冲压缩，各形成一个功率很大的超短光脉冲，这两个超短光脉冲经2∶1光合路器重合在一起，形成一个最强的输出脉冲。光纤延迟线网络输出的旁瓣中一些脉冲的啁啾度与啁啾光纤光栅的啁啾度相反，脉冲得到压缩；反之被进一步展宽，所以光解码器的最终输出也存在一些旁瓣，但是他们相对于主瓣都很小，所以自相关干扰很小。这样输出脉冲经光电转换后由时钟提取电路和阈值判决器实现数据比特的恢复。通过选择互相关特性比较好的双极性地址码，可以使用户的互相关干扰也比较小，这样系统就实现很好的解码效果。

在本发明的系统中，由于线性啁啾光纤光栅的啁啾可以是正的，也可以是负的，而且正(负)啁啾的光脉冲经大小相同的负(正)啁啾的光纤光栅后能压缩为一个高强度的短脉冲，而如果光脉冲的啁啾度与光纤光栅的啁啾度大小相同符号也相同，那么脉冲将被进一步展宽，接近于0，所以符合{+1，-1}的双极性编码运算规则，因此在本发明的啁啾编码OCDMA系统中可以采用相关性较好的m序列，M序列，GOLD序列、WALSH序列等已有的双极性射频CDMA地址码。具体采用哪种码字由系统的容量要求，码字互相关性要求，误码性能要求等决定。光检测器将光解码器输出转换为电信号并利用提取信号中的主瓣，然后通过阈值判决提取数据比特。

本发明的一个重要优点是系统容量大。由于采用传统RF CDMA系统中常用的双极性地址码，所以可以提供很多的码字供用户使用，相对于其他非相干OCDMA系统，码字数量极大地提高，所以比较适合用户数较多，业务量密度不高的接入网。为进一步提高用户数量，还可以采用不同的啁啾度形成码字子集。对每个啁啾度分别建立其码集，由于不同啁啾度的，码字间干扰也很小，所以这样也可以提高系统容量。

本系统的另一个优点是系统误码率比较低。较同样非相干的DS-OCDMA、FE-OCDMA、FFH-OCDMA系统，在相同的码长的情况下，该系统有着很低的误码率。同样，系统的吞吐量也相对得到极大的提高。

本发明的系统结构简单、容易实现，而且编解码器均为全光纤无源结构，便于集成。另外系统的成本也相对较低，更适合对成本敏感的接入网和区域网应用。

本发明的系统中每个用户可以实现比较高的数据速率。由于采用超短脉冲技术，目前的超短脉冲产生和检测技术的进展使得用户数据速率可以达到很高。相比传统的采用光正交码(OOC)的DS-OCDMA系统，由于码字长度要求很长，所以用户数据速率受到限制。而FE-OCDMA、FFH-OCDMA系统中由于色散的影响，系统的数据速率也不能很高。

附图说明

图1为本发明系统的光编、解码器结构示意图。

其中，图1(a)为光编码器，图1(b)光解码器。

图1中，1为超短脉冲激光光源，2为1∶2光分路器、3为1∶ω₁和1∶ω₂光分路器、4为光纤延迟线，5为ω₁∶1和ω₂∶1光合路器，6为光环行器，7为线性啁啾光纤光栅，8为2∶1光合路器，9为光检测器，10为阈值判决器，11为时钟提取电路。

图2为本发明系统扩频信号的光功率和光频率与时间关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

如图1(a)所示，啁啾编码的光编码器由超短脉冲激光光源1、1∶2光分路器2、1∶ω₁和1∶ω₂光分路器3、ω₁+ω₂个光纤延迟线4、ω₁∶1和ω₂∶1光合路器5，二个光环行器6，一个线性啁啾光纤光栅7，2∶1光合路器8构成。其中，ω₁、ω₂分别为编码序列中正啁啾脉冲和负啁啾脉冲的数量，ω₁+ω₂＝N，N为码长。光纤延迟线的相对长度为cT_c/n_eff的倍数，且所有光纤延迟线的相对长度各不相同，在最后合路后能形成一个连续而不重叠的脉冲序列。超短脉冲光源1在数据比特的调制下以On/Off键控(或脉冲位置调制PPM等)的方式发射宽带超短脉冲，该脉冲被分路器2分成两路，各自完成正啁啾和负啁啾展宽。上路的脉冲被分成ω₁路，分别经过ω₁个光纤延迟线4的延迟形成一个离散的脉冲序列，然后经光环行器6的端口二进入线性啁啾光纤光栅7(其啁啾度为正值)，由于线性啁啾光纤光栅7的反射延迟与光频率成线性关系，其斜率就是啁啾度，所以每个脉冲中的不同光谱成分依次被反射回来，在三端口形成一个光频随时间线性变化的展宽的正啁啾脉冲，其宽度为T_c。下路的脉冲也同样形成ω₂个离散的展宽的负啁啾脉冲，其宽度也是T_c。这两路的信号经2∶1合路器8后形成一个连续的N个脉冲，脉冲是正啁啾或者负啁啾的，这样形成双极性啁啾编码。

如图1(b)所示，啁啾编码的光解码器由1∶2光分路器2、1∶ω₁和1∶ω₂光分路器3、ω₁+ω₂个光纤延迟线4、ω₁∶1和ω₂∶1光合路器5，二个光环行器6，一个线性啁啾光纤光栅7，2∶1光合路器8，APD光检测器9，阈值判决器10和时钟提取电路11构成。该延迟线网络中的光纤延迟线4长度与光编码器中的相互补，以实现匹配滤波的功能。接收机接收到的信号分成上下两路，上面一路实现负啁啾脉冲信号的相关运算，输出一个主瓣和一系列旁瓣；同样的，下面一路实现正啁啾脉冲信号的相关运算，亦输出一个主瓣和一系列旁瓣。这两路脉冲序列分别被啁啾光纤光栅7压缩或展宽(取决于脉冲的啁啾是否和光纤光栅的啁啾度互补)。这两个主瓣在时间上是对应的，经过线性啁啾光纤光栅7的压缩，各形成一个功率很大的超短光脉冲，这两个超短光脉冲经2∶1光合路器8重合在一起，形成一个最强的输出脉冲。光纤延迟线网络输出的旁瓣被展宽或压缩，使得光解码器的最终输出也存在一些旁瓣，但是他们相对于主瓣都很小，所以自相关干扰很小。通过选择互相关特性比较好的双极性地址码，可以使用户的互相关干扰也比较小，这样系统就实现很好的解码效果。经光电转换后由时钟提取电路11和阈值判决器10实现数据比特的恢复，完成解码。

图2为本发明系统扩频信号的光功率和光频率与时间关系示意图。

图2以N＝7的码字{-1，+1，+1，-1，+1，-1，+1}为例。如图2所示，一个用户比特的扩频信号在时间上由N个脉冲组成，它们在功率上是相同的。但是，他们在频率上是随着时间线性变化的，其中ω₁个是正啁啾的脉冲，ω₂个是负啁啾的脉冲。具体一个脉冲是正啁啾还是负啁啾由该用户的地址码决定。采用m序列的码字时，N＝ω₁+ω₂＝2ⁿ-1，其中n为整数，ω₁＝2^n-1，ω₂＝2^n-1-1。

Claims (3)

1、一种非相干啁啾编码光码分多址接入系统，其特征在于光编码器由超短脉冲激光光源(1)、1:2光分路器(2)、1:ω₁和1:ω₂光分路器(3)、ω₁+ω₂个光纤延迟线(4)、ω₁:1和ω₂:1光合路器(5)，二个光环行器(6)，线性啁啾光纤光栅(7)，2:1光合路器(8)构成，其中，ω₁、ω₂分别为编码序列中正啁啾脉冲和负啁啾脉冲的数量，ω₁+ω₂＝N，N为码长，超短脉冲激光光源(1)在数据比特调制下发射的宽带超短脉冲经1:2光分路器(2)分成两路，各自完成正负啁啾展宽，上下两路脉冲分别经光纤延迟线(4)形成离散的脉冲序列，然后经光环行器(6)的端口二进入线性啁啾光纤光栅(7)，在端口三分别形成光频随时间线性变化的展宽的正、负啁啾脉冲，其宽度为切普宽度T_c，两路信号经2:1光合路器(8)后形成双极性啁啾编码；光解码器由1:2光分路器(2)、1:ω₁和1:ω₂光分路器(3)、ω₁+ω₂个光纤延迟线(4)、ω₁:1和ω₂:1光合路器(5)，二个光环行器(6)，线性啁啾光纤光栅(7)，2:1光合路器(8)，光检测器(9)，阈值判决器(10)和时钟提取电路(11)构成，其中光纤延迟线(4)长度与光编码器中的相互补，接收信号分成上下两路，形成的正、负啁啾脉冲序列分别被啁啾光纤光栅(7)压缩或展宽，再经2:1光合路器(8)重合，输出脉冲经光电转换后由时钟提取电路(11)和阈值判决器(10)实现数据比特的恢复，完成解码。

2、如权利要求1所说的非相干啁啾编码光码分多址接入系统，其特征在于光纤延迟线(4)的相对延迟量为cT_c/n_eff的倍数，其中，c为光在真空中的速度，T_c为切普宽度，n_eff为光纤延迟线中的有效折射率。

3、如权利要求1所说的非相干啁啾编码光码分多址接入系统，其特征在于采用射频CDMA系统中的m序列、GOLD序列或WALSH序列双极性地址码。

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