CN1347210A - 码位重叠快跳频光码分多址接入系统 - Google Patents

Abstract

一种码位重叠快跳频光码分多址接入系统,光编码器中用户终端的数据比特直接调制光源,发出的宽带光脉冲经光环行器进入光纤光栅和光纤延迟线线阵,光解码器中光纤光栅的中心反射波长的位置与对应的光编码器相反,采用传统IM/DD数字光传输系统中的数据提取电路完成数据比特提取,光编码器和解码器中光纤延迟线的长度为cT/2n_eff。本发明省去了编码解码过程中的电脉冲压缩和展宽过程,简化了系统结构,不仅保留了传统快跳频光码分多址系统可自由寻址、保密性好、光功率损耗小等优点,还提高了用户的信息比特率和系统吞吐量,降低了通信成本,系统经济性极大改善。本发明可以用于全光城域网、光接入网和光纤局域网及其他光纤总线系统,应用前景极好。

Description

码位重叠快跳频光码分多址接入系统

技术领域：

本发明涉及一种快跳频光码分多址接入系统，尤其涉及一种新型的易于实现的码位重叠快跳频光码分多址接入系统，可以实现信息比特直接调制宽带光源，扩频码位重叠发送，解码输出直接检测，进而判决输出。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波分复用WDM和光交叉连接器OXC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，是未来宽带接入和高速LAN的最佳方案之一。

在目前已有的OCDMA系统方案中，快跳频光码分多址FFH-OCDMA接入方案具有很多优点，如全无源结构，可自由寻址、易于集成，系统容量大，误码率相对较低，是非常有前途的一种方案，受到广泛关注，是目前OCDMA技术领域的研究热点。

在传统的FFH-OCDMA系统(H.Fathallah，and L.A.Rusch，“Passive opticalfast frequency-hop CDMA communications system，”J.Lightwave Technol，17(3)，pp397-405，1999.)中，跳频OCDMA系统将光纤的可用带宽分成一定数量(q个)的频隙(Frequency Slot，即波长)，为多个用户所共享。每个用户拥有一个自己的地址码(跳频图案)，按照这个地址码，每个数据比特(比特周期为T)被扩频成N个时隙(切普)，每个切普内光脉冲的波长各不相同，这样各个切普内的光脉冲在不同的波长间跳变，形成快跳频扩频信号。在接收端，光解码器采用匹配滤波原理将数据从接收到的信号中提取出来。

跳频OCDMA系统的光编码器采用光纤Bragg光栅(FBG)和光纤延迟线级连的结构。各光纤光栅的中心反射波长不同，并与长度为cT_c/2n_eff的光纤延迟线串联，T_c为切普宽度，T_c＝T/N，T为数据比特周期。这里c为真空中的光速，n_eff为光纤内的有效折射率。在该编码中，数据比特经OOK调制超短脉冲宽带光源，产生宽度为T_c光脉冲。该短脉冲经光环行器进入编码器，光脉冲依次经过各个光纤光栅，光栅使中心波长为λi的光谱成分反射后进入光环行器输出端口，由于各光栅中心反射波长不同，而且不同波长的脉冲所经延迟不同，这样就形成跳频编码。光解码器的结构与光编码器基本相同，也采用“光纤延迟线+光纤光栅”级连构成，但光纤光栅的位置与编码器相反。这种光编解码器中的光纤光栅通过温度控制或应力控制(如在每个FBG上采用压电器件)可以实现中心反射波长的改变，所以可以很容易的实现自由寻址。

在这种传统FFH-OCDMA系统中，由于一个数据比特被编码成一个包含N个持续时间为T_c切普的的扩频序列，该序列的持续时间为一个比特周期T，相邻比特的扩频序列是接连的却不交迭。在发送机内要求有一个电路，将一个电的数据脉冲压缩成宽度为T_c的超短脉冲去调制宽带光源；在接收机内要求有一个电路将解码并经光电变换后输出的宽度为T_c的脉冲展宽为信息比特。这两个过程都要求有一定的定时精度，所以系统在电路上的复杂性上升。而且，对于给定的光源，其用户数据速率是光源最大调制速率的1/N，所以用户数据速率较低，相对的通信成本较高。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种新型的易于实现的码位重叠快跳频光码分多址接入系统，使之具有结构简单和信息吞吐量大的特点，能克服传统FFH-OCDMA系统的高复杂性、较高的成本和较低的吞吐量等问题。

为了实现这样的目的，本发明提出的码位重叠快跳频光码分多址接入系统采用星型拓扑结构或采用总线型、树型拓扑结构，光纤网络由光纤、耦合器、光分路器等无源器件组成，通过光编码器、光解码器与用户终端相连。系统中每个用户终端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，光编码器将用户信息比特扩频为编码序列发送到光纤网络中，光纤网络中的光信号经分路器进入接收用户的光解码器，完成信号解码，将信息比特数据送给其用户终端。

每个用户的光编码器由宽带光源、光环行器、N个Bragg光纤光栅、光纤延迟线顺序连接组成。在本发明的码位重叠FFH-OCDMA系统的编解码器中，光纤延迟线长度为cT/2n_eff而不是传统FFH-OCDMA系统的cT_c/2n_eff。用户终端的数据比特直接调制光源，发出宽度等于比特周期的宽带光脉冲，经过光环行器进入光纤光栅和光纤延迟线线阵。接收用户侧的光解码器由光环行器、光纤延迟线和N个光纤光栅组成。这N个光纤光栅的中心反射波长的位置与对应的光编码器相反，这样一个编码序列经不同数量的光纤延迟线后，N个脉冲重新迭合在一起，形成一个脉冲，该脉冲的宽度等于数据比特的周期，所以由光探测器完成光电变换后通过阈值判决就可以直接提取数据比特。由于数据直接调制光源，所以相邻比特的扩频序列是相互重叠的。

本发明的系统中，数据是连续发送并直接调制宽带光源(没有传统FFH-OCDMA系统中的脉冲压缩过程)，产生宽度为T的宽带光脉冲，光脉冲进入由光环行器、Bragg光纤光栅(FBG)和光纤延迟线构成的编码器，产生由N个宽度为T的、波长互不相同的光脉冲组成的扩频序列。这样，每个用户信息比特扩频成N个切普，每个比特的扩频信号占用N个比特的时间，每个比特的扩频信号都和与它相邻的比特的扩频信号重叠(N-1个比特周期是重叠的)。由于FFH-OCDMA系统中的地址码具有一个特殊的属性：码字自相关函数没有旁瓣，也就是说，系统中不存在用户的自相关干扰，用户接收机中的光解码器能够将扩频序列的N个光脉冲重新迭合起来，形成一个单脉冲输出。所以同一个用户发送的相邻比特的信号经解码后不会发生互相干扰。因此，在本发明提出的码位重叠FFH-OCDMA系统中，用户接收机利用光解码器直接将信号恢复成数据比特，省略了传统的FFH-OCDMA系统中的脉冲展宽过程，而是利用传统IM/DD数字光传输系统中采用的简单的锁相环电路、光探测器和判决器就可以完成数据比特提取。这样就省去了编码和解码过程中的电脉冲压缩和展宽过程，而这两个过程对于高速率系统来讲实现难度较大，而且容易受环境温度变化等因素导致的时钟漂移和电磁干扰影响而产生脉冲宽度的不精确和误码，从而简化了系统结构，降低了成本，提高了性能。

在我们的码位重叠FFH-OCDMA系统中，地址码采用传统FFH-OCDMA中常用的单重合序列(One-coincident Sequence)，不需要构造特别的码字，因此也具有容易设计的优点。另外我们的系统采用全无源的光纤光栅+光纤延迟线结构，结构非常简单，编解码器的成本较低，光纤延迟线的误差相对容易控制。

在本发明的系统中，每个用户可达到的信息比特率等于光源的调制速率(在传统FFH-OCDAM系统中，用户信息比特率为光源调制速率的1/N)，因此用户信息比特率提高了N倍。提高了每个用户的信息比特率也就降低了单位信息的通信成本，因此系统经济性极大改善。这就使它很适合目前的城域网和将来的接入网。

本发明的系统中，当系统用户数小于(N+1)时，在不考虑噪声的情况下，用户可以实现无误码通信，而传统系统的无误码通信用户数为N/2，因此本系统的无误码用户数扩大了二倍。如果采取前向纠错措施，用户数还可以提高。

在本发明的系统中，系统的信息吞吐量极大提高。如果给定光源的调制速率为M，则每个用户的信息比特率就为M，对于N个用户，系统的总吞吐量为NM。而传统的FFH-OCDMA系统，每个用户的信息比特率为M/N，系统最大用户数为q(q为地址码集占用的波长数)，所以其总吞吐量为qM/N，而对于已知的地址码中，都有q＜＜N²的关系，所以系统总吞吐量提高了N²/q倍。如果我们采用q＝N+1的地址码，那么本发明的系统可以达到目前的WDM(波分复用)系统的吞吐量，所以在系统性能上就有很大优势，而系统的实现难度、成本、易维护性、保密性、网管复杂性等方面都优于WDM系统。

本发明的系统还可以采用文献H.Fathallah，and L.A.Rusch，“Robust opticalFFH-CDMA communications：coding in place of frequency and temperaturecontrols，”IEEE Journal of Lightwave Technology，Vol.17，No.8，p1284-1293，Aug.1999.中提出的地址码，就可以有效克服环境温度变化导致的光纤光栅中心反射波长的漂移，提高系统的鲁棒性，这相对于WDM系统所必须的昂贵的温度控制措施而言，大大降低了复杂性和成本。所以，本发明的系统可以提供比WDM更好的接入性能和更佳的经济性。

本发明的系统保留了传统FFH-OCDMA系统的优点，如可自由寻址、保密性好、光功率损耗小等诸多优点。

本发明可以用于全光城域网、光接入网和光局域网以及其他光纤公用总线系统(如舰船和飞行器的内部总线)领域，而且采用色散补偿措施后也可以用于骨干网领域，具有极好的应用前景。

附图说明和具体实施方式：

图1为本发明系统的原理框图。

如图1所示的系统采用了星型拓扑结构。系统中有N个用户终端，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。光编码器将用户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，完成信号解码，将信息比特数据送给其用户终端。

图2为本发明系统的光编码器和光解码器结构示意图。

其中，图2(a)为本发明的光编码器，图2(b)为本发明的光解码器。这是典型的N＝4，地址码集占用的波长数q＝5的光编码器和光解码器。

如图2(a)所示，每个用户的光编码器由宽带光源(1)、光环行器(2)、N个Bragg光纤光栅(4)、光纤延迟线(3)和光纤(6)顺序连接组成。N为码字长度。光源(1)可以是LED，EDFA/ASE光源，或其他宽带光源。用户终端的数据比特直接调制光源，发出宽度等于比特周期的宽带光脉冲(7)。光脉冲(7)经过光环行器(2)的端口进入光纤光栅(4)和光纤延迟线(3)线阵。在一个编码器中光纤光栅的中心反射波长是各不相同的，所以每个光纤光栅反射一个宽度为T的中心波长不同的窄带(相对的)光脉冲(8)。

在本发明系统的编码器中，光纤延迟线长度为cT/2n_eff而不是传统FFH-OCDMA系统的cT_c/2n_eff，式中T＝NT_c，为数据比特周期。所以就形成了一个持续时间为NT的光脉冲序列。该序列经光环行器(2)进入光纤网络，广播给所有的用户。

如图2(b)所示，本发明在接收用户侧的光解码器有着类似的结构，由光环行器(2)、光纤延迟线(3)和N个光纤光栅(4)组成。这N个光纤光栅的中心反射波长的位置与对应的光编码器相反，这样一个编码序列经不同数量的光纤延迟线后，N个脉冲重新迭合在一起，形成一个脉冲，该脉冲的宽度等于数据比特的周期，所以由光探测器(5)完成光电变换后通过阈值判决就可以直接提取数据比特。由于数据直接调制光源，所以相邻比特的扩频序列是相互重叠的。

图3为本发明系统中一个用户发送信号的码位重叠示意图。

图3中给出了经解码器解码后的波形，图中数据图案以“1101”为例，其中第三比特为“0”，其波形为虚线绘制，意味着没有光信号。从图3中可以看出，接收机可以在光电变换后直接进行阈值判决输出。

Claims (2)

1、一种码位重叠快跳频光码分多址接入系统，由光纤、耦合器、光分路器等无源器件组成的光纤网络通过光编码器、光解码器与用户终端相连，用户光编码器将用户信息比特扩频为编码序列发送到光纤网络中，光纤网络中的光信号经分路器进入接收用户的光解码器，完成信号解码，将信息比特数据送给其用户终端，其特征在于每个用户的光编码器由宽带光源(1)、光环行器(2)、N个Bragg光纤光栅(4)、光纤延迟线(3)和光纤(6)顺序连接组成，用户终端的数据比特直接调制光源发出的宽度等于比特周期的宽带光脉冲(7)经光环行器(2)进入光纤光栅(4)和光纤延迟线(3)线阵，每个光纤光栅(4)反射一个宽度为T的中心波长不同的窄带光脉冲(8)，接收用户侧的光解码器由光环行器(2)、光纤延迟线(3)和N个光纤光栅(4)组成，光纤光栅(4)的中心反射波长的位置与对应的光编码器相反，采用传统IM/DD数字光传输系统中的锁相环电路、光探测器和判决器完成数据比特提取。

2、如权利要求1所说的码位重叠快跳频光码分多址接入系统，其特征在于光纤延迟线(3)的长度为cT/2n_eff，式中T为数据比特周期。

Images