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1、毕业设计（论文）基于码分复用技术的光分插复用器（OADM）的设计学 院 ： 年级专业： 03级电信工程2班 学生姓名： 指导教师： 专业负责人： 答辩日期： 07年6月24日 大学信息与工程学院毕业设计（论文）任务书学生姓名学生学号专业(班级)电信工程2班系 别电子工程系指导教师职 称副教授设计题目基于码分复用技术的光分差复用器（OADM）的设计题目来源自选题目类型模拟题目性质理论设计内容和目标内容：掌握光码分复用技术原理；理解OADM在网络节点的重要性；对OADM的设计进行分析讨论，基于码分复用技术设计OADM。目标：使学生掌握信息在通信网络中上下路的关键技术；培养学生理论应用和研究能力设计
2、要求1 学会搜集整理资料；2 掌握环网设计原理；3 能够应用数学、软件工具进行模拟分析；4 论文书写规范。参考资料1 蔡临宁，光纤通信系统及其应用.2004，156160.2 龚倩等，光网络的组网与优化设计.2002，141-157.3 刘春红.全光网络中的自动保护倒换的设计及硬件实现.哈尔滨工程大学硕士学位论文周次145891213161719应完成的内容查阅文献资料、掌握软件使用。建立模型、设计考察方法考察分析编制设计文 件。使用说明完成论文基层教学单位审核院 (系)审 核说明：内容五号字，本任务书一式三份，系、学生和院教务科各一份。摘 要随着各种高速通信业务的出现和接入用户数目的增加，对
3、现有的通信网带来了不少的压力，由于WDM （波分复用）以及DWDM （密集波分复用）的出现，缓解了网络的带宽问题。传统的WDM中的分插复用设备（ADM）采用O-E-O的处理方式，对每个通道的信号都要单独的处理，当WDM的通道数达到一定程度后，它需要的设备变得非常冗杂且成本也十分昂贵，除此之外，由于电子处理速率的瓶颈，当通道的速率达到一定值后，电子处理就变得束手无策了。这就产生了在光域层来管理网络容量的强烈要求，而全光交换的OADM正适应了这种需求。全光交换无需光电转换，因此不受电子处理速率瓶颈限制，且可透明传输各种接入方式的数据，能提高网络的灵活性和可控性，使其成为现代全光网的一个关键的器件。
4、论文详细介绍了光码分多址的发展现状及其面临的问题。光码分多址技术（OCDMA）是一种极具发展潜力的扩容技术，特别是在光纤光栅技术逐渐完善的条件下，光码分多址技术势必成为未来光通信系统中重要的工具。本文首先对OCDMA系统原理进行了分析；结合光纤光栅阵列的滤波特性和空间延时特性，对OCDMA网络中关键器件OADM进行了设计。并分析了它的特点与应用。关键词 波分复用光码分多址技术；光分插复用器；光纤光栅AbstractAlong with various appearances of high-speed service and the number of access user increase
5、, there are many pressures on the existing communications network. At the beginning, the appearance of WDM (wavelength division multiplying), as well as DWDM (crowded wavelength division multiplying), alleviated the network band width question. The multiplying equipment (ADM) of the traditional WDM
6、adopted O-E-O mode, and processed independently to each channel signal. As the WDM channel number reached a certain degree, it needed a more complex equipment including more ADM. Meanwhile the cost would be very expensive. In addition, due to the limitation on the electronic processing speed, the el
7、ectricity processing would not run well, once the channel speed reached some certain level.Thus, an intense demand that people needed manage the network capacity in the light territory level arose. Fortunately, the entire light exchange OADM has been meeting the demand.It is not necessary for the en
8、tire light exchange to transform between light and electricity, so there is no effect on it from the electronic processing speed limitation. Besides, it can transmit transparently any kind of data inputted in different way, and enhance the flexibility and the controllability on network. These advant
9、ages make it become an essential component of the modern entire light net.This article introduces the function and the use about OCDMA, and the question it is meeting. It is an extended technology. And it is obvious that it must be one of the important tools of optical fiber communication system in
10、the future with the technology development. This article first has carried on an analysis to OCDMA system principle, and the design to the essential component OADM in OCDMA network uniting optical fiber diffraction grating array filter characteristic and the spatial time delay characteristic, and ha
11、s analyzed its characteristic and the application.Keywords WDM OCDMA OADM Optical fiber diffraction grating 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1课题背景11.2OCDMA/WDM全光网络分析11.2.1基于OCDMA/WDM技术的全光网络31.2.1.1未来通信网络混合全光网络31.2.1.2OCDMA在未来网络中的角色41.2.1.3OCDMA/WDM混合全光网络51.3本章小结6第2章 OCDMA的分类、系统模型及关键技术72.1 OCDMA的基本技术原理72.2
12、OCDMA的分类102.3 OCDMA的系统方案分类122.3.1时域编码系统132.3.2频域编码系统152.3.3跳频系统162.4 OCDMA中的关键技术182.4.1伪随机地址码序列的设计182.4.2光编解码器的设计192.4.3多用户干扰的消除202.4.4光码分复用网络结构和通信协议212.5本章小结21第3章 光纤光栅技术原理233.1引言233.2光纤光栅的特性233.2.1光纤光栅的光敏性233.2.2光纤光栅的光学特性(滤波特性)：233.3光纤光栅的写入技术253.3.1光纤光栅写入的基本原理：253.3.2 光纤光栅内部的写入结构263.4光纤光栅的应用26第4章 基
13、于OCDMA的一种OADM设计294.1OCDMA环形网方案简介294.1.1环网简介：294.1.2 ADM结构：304.2布拉格光纤光栅（FBG）和环形器构成的编解码器及其工作原理314.3环网的码下路单元314.4环网各节点处的特殊倒换模式32结 论35参考文献37附录140附录244附录348致谢70第1章 绪论1.1课题背景随着网络化时代的到来，人们对信息的需求与日俱增。IP业务在全球范围爆炸式的增长，在给传统电信业务带来巨大冲击的同时，也为电信网的发展提供了新的机遇。从当前信息技术发展的潮流来看，建设高速大容量的宽带综合业务网已成为现代信息技术发展的必然趋势。为了适应这种需求，通信
14、的两大组成部分传输与交换，都在不断地发展与变革。波分复用技术的实用化，使光纤的传输容量极大提高，为高速大容量的宽带综合业务网的传输提供了有效途径。而传输容量的飞速增长带来的是对交换系统发展的压力和动力。基于波长路由概念而发展起来的全光通信网正是适应这种需要而诞生的，被认为是网络升级的优选方案。近几年来，密集波分复用技术的发展提供了利用光纤带宽的有效途径，使点到点的光纤大容量传输技术取得了突出进展。由于电子器件本身的物理极限，传统的电子设备在交换容量上难以再有质的提高，因此交换过程中的电子“瓶颈”问题成为限制通信网络吞吐能力的主要因素。在这种情况下，光交叉连接(OXC)和光分插复用(OADM)设
15、备成为建设大容量通信干线网络的主要设备。全光网络的兴起和发展，使得以往点对点的传输机制逐步向环形网络和格形网络过渡，这就要求提供满足需要的网元，OXC和OADM正好满足全光网组网的需求。宽带城域网的兴起和发展，使波分复用(WDM)技术有了用武之地，WDM城域环形网和格形网的研究和应用，使OXC和OADM派上了用场。此外，目前正在提出和研究的智能光网络，自动交换光网络(ASON)对传输平面的路由选择、保护恢复提出了较高的要求，因此传输平面必然是较为复杂的格形网络，这就为OXC和OADM的应用提供了非常广阔的舞台1。1.2OCDMA/WDM全光网络分析随着通信容量的迅猛增长和各种各样的新型宽带信息
16、业务的不断出现，通信网络全光化将是未来通信网发展的必然趋势。信息量指数增长、传输光纤内可用的巨大传输带宽与“电子瓶颈”的矛盾决定了这一点。为了适应网络的全光化，最大程度地利用网络资源，WDM、OTDM和OCDM等网络复用技术应运而生。其中WDM已经成为主干网的主导技术，WDM全光网被认为是通信网向宽带、大容量发展的首选方案，目前骨干网已经基本实现了光纤化、数字化和宽带化。但随着用户驻地网的业务多样化（如对视频点播、视频电话和视频远程会议等互动多媒体业务的需求等），多媒体局域网，超高速并行处理互联等小型的高速通信领域的网络已开始面临接入网发展滞后的问题，并开始成为制约高速全光网络发展的障碍。尽管
17、电信运营商采用了XDSL、HFC、无线接入等技术，在一定程度上解决或缓解了这种制约，但它们毕竟不是最终的解决方式。要想应付接入网业务的数字化、宽带化和综合化趋势，无源全光接入是发展的大势所向。无源光网络充分利用了光纤的传输带宽和优良的物理性能，具有运营和维护成本低、对业务透明以及易于升级和重构等特点，具有广阔的发展前景。WDM、OTDM和OCDM等网络复用技术在未来的超高速接入网中扮演什么样的角色还在进一步讨论中。由于长途干线网络都已采用或者即将采用WDM技术来实现扩容，可以说在广域网范围内，WDM已成为主流技术。但在小型（城域网或局域网）高速通信网中，各种复用技术方案仍处于竞争阶段。总的来说
18、，WDM技术相对比较成熟，用于WDM的光器件也具有无源，价格较低的特点，因此，对基于WDM的全光网络的拓朴结构，接入协议以及物理层的研究较多，但可用波长数从根本上限制了基于WDM复用技术的全光局域网和城域网实用化的进程。对于OTDM，由于物理层各种光器件，MAC层接入协议及其实现，全光信号处理、全光再生等技术还正处于发展阶段，目前被看作是一项长期的网络解决方案。但其组网灵活、单波长传输可以克服WDM系统中存在的非线性影响，能够产生较高的线路速率，与现有的SDH等技术兼容，因此OTDM技术虽然在大容量，长距离传输上不足以与WDM技术抗衡，但在高速本地网上却具有独到优势，在容量超过100Gb/s，
19、距离小于100公里的全光城域网和局域网中，OTDM仍被看作是关键复用技术之一2。在本章中，从OCDMA实用化的角度出发，结合WDM技术和OCDMA技术的优势，提出了一种混合OCDMA/WDM全光网络模型，探讨该网络模型在全光接入和局域网上通讯协议，并对网络的时延性能和信道误码率进行了分析。1.2.1基于OCDMA/WDM技术的全光网络1.2.1.1未来通信网络混合全光网络尽管WDM技术已成功地用于干线网络来实现扩容，但随着用户需求的业务永不停止的增长，只利用WDM技术形成的单纯WDM网络终将不能满足用户容量和网络性能的要求，尽管实验报道的可用波长数记录不断刷新16,17，但所要求的器件和维持波
20、长稳定技术成本都非常高，离实用化很远。OTDM和OCDMA技术虽然都已取得很大进展，但单独由任何单一技术构建一个全光网络的难度都很大。事实上，WDM、OTDM和OCDMA技术并不是互相对立的，各自的优缺点甚至可以相互补充。最近的组网技术研究已主要集中在不同复用技术相互搭配组建混合网上，并且已呈现出明显发展趋势。图1-1 一种OTDM和WDM组网的结合方式例如可以采用WDM技术构成子网，然后由OTDM技术将各个WDM子网互连，形成WDMA/OTDM混合网络，如图1-1所示。也可以将多路OTDM高速信号经波分复用以达到更高的传输速率。值得一提的是OTDM与WDM是完全不同的两种复用方式，对光信号的
21、要求也完全不同，因此OTDM网络与WDM网络的接口节点必须具有两种复用信号相互转换的功能。对于OTDM信号到WDM的转换，可以利用光纤的非线性效应等来实现30，而WDM信号向OTDM信道的映射可以利用不同波长延时不同，以及波长转换等技术实现23。采用OCDMA技术构成子网，然后由WDM技术将各个OCDMA子网互连，形成OCDMA/WDM混合网络，如图6-2所示。这种混合网络最大的特点就是：1）不同拓扑结构的子网可以方便的互联；2）网络首先进行“粗”的波分复用，因此基于WDM的全光网的拓扑结构和MAC层协议，以及对网络的分类方法仍旧适用；3）从每一个用户的角度看这种混合网是码分复用系统，保留了O
22、CDMA系统拓扑结构灵活和用户接入简单的特点，适用于广播发送信息。图1-2 混合OCDMA/WDM网络可以方便的实现不同拓扑结构的全光网互联1.2.1.2OCDMA在未来网络中的角色OCDMA技术的最大特点就是通过预先分配给每个用户一个特定的地址码来实现复用，利用地址码的正交性来实现彼此的区分；多用户可共享同一信道，在时间和频率上重叠。实际上这是一种广播式信息传输技术，所有用户信息会达到网络中的任何一个部分。这使得单独利用OCDMA技术组建大型光网络难度非常大，网络设计者们已经基本上不考虑单独利用OCDMA技术组建大型光网络，而把OCDMA技术的角色定位于组建小型高速通信网络（局域网和城域网）
23、。目前最流行的是扮演接入网的角色31，与WDM干线网结合形成混合OCDMA/WDM全光网络。由于接入网直接和用户驻地网相连，负责业务的传递和收集，所以网络必须具备公平性、灵活性、内在的安全性等特点，OCDMA技术恰好满足这些条件：1、OCDMA的公平性在于将光纤分成若干平行传输信道，在同一信道内的用户共享同一带宽资源，用户间靠地址码的正交性来区分，信道的任何一个用户不会阻碍其他用户的接入。2、OCDMA的灵活性表现在：网络拓扑容易（如OCDMA/WDM系统可以提供多种传输速率和业务服务质量，适应各种各样的综合业务，适于实时、高突发、高速率的通信业务；网管简单，无需全网时钟同步，可以异步接入，对
24、多速率、多的业务支持是在物理层实现的，无需复杂的网控，另外，还可以采用动态编码技术，即通过监视网络的多用户干扰情况，自适应地调整网络地址码序列以达到预期的服务质量；接入灵活，用户数目属于“软限制”，增加一个用户只需分配一个地址码字，系统能否再接入更多的用户主要取决于当前服务用户的通信质量，如果当前服务用户的通信质量良好，就可以接入更多的用户，其最终判决标准应是接入新的用户后，整个网络的通信质量应保持在可接受的范围内；3、通信业务内在的高保密性在于用户采用的是匹配编解码，要窃取信息必须先破解码字，入侵者在没有获得编码方案和相应码组序列的条件下，得到的只是伪随机光信号，破解各路信号的概率低。例如在
25、采用41个波长、961个时隙的跳频扩时OCDMA中，假设每秒分析107个码字，要分析所有的码字需要1350年。1.2.1.3OCDMA/WDM混合全光网络尽管OCDMA接入网的优点很多，但同WDM技术和OTDM技术相比，OCDMA技术实际应用还很不成熟，目前对OCDMA全光网的研究仍处于主要解决物理层上的实际问题，而对于数据链路层和网络层，特别是MAC层协议的研究相对还较少，往往是将无线领域的接入协议套用到OCDMA上，有一定的局限性33。但OCDMA接入网技术的优点已经开始吸引专家学者们的注意力，人们开始探讨OCDMA技术的各种应用，如OCDMA/WDM混合网络，利用用户的地址码实现全光自路
26、由和光交换；在光分组交换网络中，可以直接利用地址码进行IP选路；在光节点实现基于码字的全光信号的上下路等。本节主要讨论OCDMA/WDM混合网络的特性。然后每一个波分信道再进行码分，同一波分信道内的每一个用户被分配一个特定的地址码而共享该信道，形成用户群组；这种混合网的最大优点就在于保留了OCDMA接入网和WDM干线网的各自优点，基于WDM的全光网的拓扑结构和MAC层协议，以及对网络的分类方法仍旧适用；在OCDMA接入网部分，保留了OCDMA系统拓扑结构灵活和用户接入简单的特点，适用于广播发送信息；光波长和码字的结合可以降低对光波长资源的限制，充分利用光纤带宽。图1-3混合OCDMA/WDM网
27、络中波长和地址码码字分配图虽然WDM、OTDM和OCDM技术是实现高速、大容量光纤通信系统的不同技术方案，有各自的优缺点，但它们之间并不相互排斥。在建设下一代全光网上，每一种技术都可以构筑大容量的光纤通信系统，但都存在不足，因此近年来这三种技术互补共同构筑大容量的光纤通信系统成为一种趋势。然而，光网络中所谓的“电子瓶颈”困饶了无数学者，而具有通道级上下话路的光波长分插复用器(OADM) 恰恰能解决这个问题，因此OADM引起了人们不小的兴趣。光码分多址技术(OCDMA) 以其对异步突发通信的支持能力引起了当今光通信界的广泛兴趣。OCDMA 技术尤其适合于实时、高突发、高速率和高保密性的军事通信。
28、基于WDM的OADM在近些年内出现了不少，然而,基于OCDMA 技术的分插复用器(ADM) 直到最近都鲜有报道。本文即将应用OCDMA原理并结合光纤光栅设计一种OADM。1.3本章小结本文只要介绍了光网络的走向，以及OCDMA/WDM这种混合网的原理与关键技术，引出了OADM在光网络的中的重要作用，为下文做了铺垫。第2章 OCDMA的分类、系统模型及关键技术2.1 OCDMA的基本技术原理OCDMA技术在原理上与电码分复用技术相似。大致的过程是首先给每个用户分配一个地址码，用来标记这个用户的身份。不同的用户有不同的地址码，并且它们互相正交或准正交。在发射端，要传输的数据信号首先经过适当的调制方
29、式，转换成相应的光域上的信号，然后再经过一个编码器进行扩频处理，标记上这个用户的地址信息，成为伪随机信号。编码器是在光域上进行工作的，它是OCDMA技术中的核心内容之一。扩频信号(伪随机信号)通过光纤网络到达接收端之后，通过解码器进行解码(它是编码的逆过程)处理，恢复出期望的光信号，再经过光电转换设备，得到电域上的数据信号(图2-1).图 2-1 光 码 分 多 址 系统 框 图从OCDMA的概念出现以来，专家学者们提出了各种各样的系统方案，包括相干的和非相干的系统，同步的和异步的系统以及时域编码和频域编码系统等等。但是，比较起来，非相干的时域编码(也称为单极性时域编码)系统方案最为直观，它采
30、用强度调制和功率检测.光信号只能在非负值域(0,1)内取值，没有利用到相位信息，这与无线领域扩频通信中地址码可以采用双极性码字(+1，-1)是有本质区别的。在无线CDMA中得到广泛应用的扩频码，如Gold序列，m序列等，虽然在(1，-1)域内具有良好的自相关、互相关特性，但在(0, 1)域内并不能保持这一特点，所以就不能应用于这种系统。因此设计出合适的扩频码和相应的调制、解调器就成为OCDMA的关键技术之一4。在OCDMA技术中习惯将扩频调制器和解调器称为编码器(Encoder)和解码器(Decoder).光正交码 (Optical Orthogonal Code OOC)是一组取值于(0,1
31、 )域并且具有良好的自、互相关特性的准正交序列。它具有尖锐的自相关峰值、较低的自相关旁瓣和互相关值。光正交码尖锐的自相关峰值使有用信号的检测更为方便，提高了抑制其它干扰信号的能力。较低的自相关旁瓣值使系统可以按异步方式进行工作，所有的用户可以随时接入网络，发送数据信息而不必进行同步，这样就简化了网络的结构和设备，降低了网络的造价。较低的互相关值使用户尽可能地降低对其它用户的干扰。这三点是设计码字时所要考虑的基本要素。图2-2是两个正交码的例子，其中码长为32，码重(码重为其中1”的个数)为4,为码字的时间宽度，为码片Chip时间宽度。图2-2 两个光正交码的例子（码长为32，码重为4）图 2-
32、3 a) 中表示图3.1.2中第一个光正交码的自相关曲线， b)表示图2-2中两个光正交码的互相关曲线。从图2-3中可以看出，本例中自相关旁瓣值和互相关值都不超过“11%采用这样的码字的系统多址干扰比较小。另外，在图2-3中，自相关峰和互相关峰都呈三角形，原因是在作自相关和互相关运算时，把码片视为理想的矩形脉冲。图2-4是采用光纤延迟线作为编解码器的单极性扩时OCDMA系统。此系统采用光正交码作为地址码。在发射端，当数据是“0时，光源不发光，编码器也没有任何输出:当发送数据“1”时，光源发射一个短脉冲，进入编码器后，根据码重的大小被分成若干个小脉冲，每个小脉冲经历长短不同的光纤延时线，每个小脉
33、冲所经历时延的大小完全由地址码决定。图 2-3 a）自相关曲线 b)互相关曲线图2-4 采用光纤延迟线作为编解码器的OCDMA系统编码器的输出是一个小脉冲串，这就是所谓的直接扩时信号。直接扩时信号通过光纤网络(在图1.5中为星型网络)到达接收端。在接收端，解码器对该扩时信号进行解扩处理后，输入到判决设备进行判决。在期望用户发“1”的情况下，如果解码器与编码器完全匹配6，那么输出一个尖锐的自相关峰值，判决器判定为“1:否则输出一系列低功率的伪随机噪声信号，判决器判定为“0”。这样，所传输的信息比特就被恢复出来了。通常，判决器的阐值需要精心设置，它会明显地影响系统的性能。当然，由于其它用户的信号对
34、期望用户的信号有干扰作用以及接收机中的散弹噪声和热噪声的作用，不可避免地会出现错误判决现象。以上就是单极性时域编码光码分多址系统的简要原理介绍。实际的系统可能会比上述的系统更为复杂。为了使系统更好的工作，往往会多一些必要的设备，比如为了抑制多址干扰而采用的双限幅器方案等。2.2 OCDMA的分类按照不同的标准，OCDMA可划分为不同的类型。(1)根据实现方式的不同，OCDMA可分为相干OCDMA和非相OCDMA。在相干的OCDMA系统中，不同发送端所发送的脉冲信号到达同一接受端的时间延迟之差远大于脉冲的相干时间，这样在接受端形成期望接受信号的相干叠加与不期望信号的非相干叠加，并通过使用平衡接收
35、的方法将后者予以消除，从而大大地减少了多用户干扰。.这种OCDMA系统可以采用双极性码，可以采用电CDMA系统的成熟码字，但是相干系统结构复杂，对光源要求高，检测困难，实现难度很大。因此现在实用化的系统都是非相干OCDMA系统。这种系统通常采用单极性码。由于它不能直接采用电CDMA中的双极性码，因此需重新构造地址码。目前有多种地址码，如光正交码、素数码等，但总体来说，单极性码的互相关性能不如双极性码，容量不如双极性码，但非相千系统对器件的要求比相干系统要低。(2 ) 根据地址码所在的空间，OCDMA可分为时域OCDMA,频域OCDMA、空域OCDMA.时域OCDMA就是指地址编码在时域进行，图
36、2-5画出了用户信息在时域编码的全过程。一个用户信息比特，经编码变成几个光脉冲，这几个光脉冲在时间轴的位置是由地址码确定的。假设其地址码码长为L，则经时域编码后，系统的工作传输速率为数据速率的L倍。频域OCDMA的编码则在波长上进行。图2-6画出其编码的全过程。一个用户信息比特，编码后的光脉冲时域形状不变，但只有某些波长按地址码决定的规律组合后发送出去，其他波长不发送出去。系统的工作速率没有增加，与原来的信息比特速率一样。空域OCDMA的编码则在空域进行，它对众多的空间光束进行编解码。图2-7画出一个空域频谱编解码的OCDMA示意图。图2-5 OCDMA时域编码图2-6 OCDMA频域编码图2
37、-7 空域频谱幅度编码这个编码器由一对共焦透镜组成、一对衍射光栅和掩模板(地址码)组成。一对衍射光栅分别放在两个透镜的焦平面上，第一个光栅将入射光信号在空间进行频谱展宽，一个空间幅度掩模放在两个透镜的共焦面上对光信号进行频谱编码，不同的空间掩模即代表不同的用户，编码后的信号通过第二个光栅重新合并成单光束。(3 )按编码后的维度分，可以分为一维OCDMA、二维OCDMA、三维OCDMA.一维OCDMA只是取时域编码、频域编码、空域编码三种中的二种，二维OCDMA则是其中的两种，三维则是在二维的基础上再加上偏振等进行的编码。二维OCDMA是现在研究的热点。图2-8画出了一个二维OCDMA的编码过程
38、。用户信息编码后不仅在时域上的位置由地址码决定，而且频域上波长的选取的位置也有地址码决定，这是一个典型的时域/频域编码的二维OCDMA.图2-8 二维OCDMA编码2.3 OCDMA的系统方案分类自从1989年Jawad. A.salehi发表了关于正交码的开创性的工作之后，许多对这一领域感兴趣的学者进行了广泛而深入的研究和探索，先后提出了许多种OCDMA系统方案，其中有的已经进行了实验验证，并且表现出优良的性能。在这些方案中，有相干和非相干之分，有同步和异步之分，还有时域编码和频域编码之分等等。实际上，一个系统方案可能会同时属于上述几个不同的范畴。不过由于可以实现灵活的异步接入时OCDMA系
39、统的重要优点之一，所以对同步OCDMA系统的研究就相对比较少，但同步OCDMA系统的在相同的前提条件下，可以承载更多的用户。下面就对OCDMA系统的分类作一介绍。2.3.1时域编码系统时域编码OCDMA一般分为相干和非相干系统。相干系统利用到了光信号的相位信息。因为相干系统首先对光源的要求比较高，通常是锁模激光器（MLLD）。光纤的色散和非线性效应如何影响携带相位信息的光信号，即光域上的CDMA信号如何受到传输介质的影响并且如何去补偿矫正等问题还没有得到真正解决。另外相干系统还需要进行偏振控制，这些因素都大大增加了实现的难度。实际上，最重要的问题目前集中在编解码器上。对于相干系统来说，可以采用
40、移相键控（PSK）调制方式，在二进制的情况下，有两种相位状态（0和）。这种系统方案，尽管从理论上来讲具有许多潜在的优越性能，但是实现起来难度很大。目前，日本在这方面的研究工作处于世界领先水平，图2-9是日本邮电通信研究室的Naoya wada和Ken-ichikitayama等人在1998年搭建了相干时域的OCDMA系统（图2-9），采用双极性码字，码长为8，单路速率为10Gb/s。图2-9 相干OCDMA系统原理图在扩时编码方案里，除了相干系统，还有非相干系统。它是目前研究最多的一种OCDMA系统方案，其特点在于采用强度调制的功率检测，优点是易于实现，不足之处是多址干扰比较严重，必须要采用特
41、殊的干扰抑制措施才能保证系统正常工作。该系统通常采用光正交码（OOC）素数码（Prime Code）以及改进素数码（Modified Prime Code）作为地址码。该类码字统称为单极性非相干码，其码重（Code Weight）是码字“1”的个数。码重与码长相比，一般都比较小。这样设计的目的是为了减小其它用户对期望用户的干扰，提高系统的性能。但是这无疑使码字的数目减小，系统不能同时承载更多的用户。另外一方面，也不能把码长取得太大，因为对于一个传输数据速率一定的系统来说，增大码长就意味着减小码片的时间宽度。毫无疑问，这将在光纤中引起严重的色散和非线性效应。表2-1给出了双极性码和单极性码的一些
42、基本性质。在表2-1中K为码重，F代表码长。表2-1双极性码和单极性码的性质对比双极性码单极性码调制方式BPSKOOK码片的幅度10或1码片的相位0或不考虑自相关峰值K自相关旁瓣或互相关值11对于单极性系统来讲，除了常见的对二进制数据信号进行CDMA编码的系统外，在文献中还经常会见到采用脉冲位置编码（PPM）或重叠位置编码（OPPM）的OCDMA系统（图2-10）。 在这种系统中，首先把二进制数据进行分组，不同的数据块在PPM帧中就用光脉冲的不同位置来表示（图2-11），经过PPM编码后的光脉冲再进行OCDMA编码。经过理论分析，这种系统具有很高的效率，但是在光域上实现PPM编码需要很高的技术
43、水平，所以这种系统目前仅限于理论研究，国内外尚未有实验报道。图2-10示意图图2-11 光PPM-CDMA系统模型2.3.2频域编码系统我们前面已经提到，在时域编码OCDMA系统中，当系统需要容纳更多的用户或者提高单路传输速率时，就必须减少码片的宽度，这会在光纤中引起很大的色散和非线性效应。在众多的OCDMA系统方案中除了时域编码系统，还有频域编码系统。在频域编码编码系统中，可以进行变比特率传输，这使得它可以适应于不同的业务需要。频域编码系统可以分为两大类：非相干系统和相干系统。非相干系统可以采用廉价的非相干光源（如LED和EDFA的ASE噪声），这是一个很大的优势。图2-12干频域编码OCD
44、MA系统的示意图：图2-12 非相干频域编码OCDMA系统在这个系统里，采用LED作为光源，编（解）码器由两个衍射光栅两个透镜和一块掩模板（Amplitude Mask）组成。它们按照图2-6其中两个透镜应处于同一光轴上，并且需要共焦点。由LED发出的非相干光经过数据信号调制后，先射到第一个镜子上，然后经过衍射光栅把光谱分解开，再经过第一个透镜后到达掩模板。掩模板示意图中的黑色部分表示光不能通过，透明部分则表示光可以通过。黑色部分和透明部分的顺序不同则代表不同的地址码。掩模板可以由液晶显示技术来实现，并且由电极来控制其上不同的部分是否能够透光，从而使掩模板或者说编（解）码器达到可调谐的目的。通
45、过掩模板的光再经过第二个透镜和衍射光栅后，重新合并成一个时域上的光脉冲信号。这个光脉冲信号就携带有地址码信息，和编码前相比，缺失了某些频率分量。它通过光纤网络到达接收端时，将会遇到一个和编码器结构相同的解码器，如果码字相同，就会恢复出数据信息，否则，输出低强度的噪声信号。在接收端。为了提高系统信噪比，可以使用差动接收方式（图2.3.6）表示其中的掩模板与A(W)中的掩模板呈互补关系。在这种系统中，可以使用m序列哈德玛(Hadamard)序列作为地址码。 尽管上述的系统方案有很大的优越性，但是它的编解码器实现起来有很大的困难，至少从目前来看还不是很实用。还有一种非相干频域编码的系统，有时也称作周
46、期性频域编码系统，采用非相干宽带光源。它的编解码器采用可连续调谐的法布里珀罗腔或马克泽德干涉仪。不同的码分信道对应于不同的自由谱域（FSR）。系统所能容纳的用户数与法布里珀罗腔的自由谱域和精细度（Fitness）有关。当FSR一定时，精细度越大，系统所能容纳的用户就越多。2.3.3跳频系统在时域编码系统中，提高码速率就意味着减小码片的时间宽度。为了克服这个困难，可以把频域看作另外一“维”，同时在时域和频域上进行编码，这就是二维码，通常也称作跳频码。采用跳频码进行工作的系统称为跳频光码分多址系统（FH-OCDMA）。目前最常见的跳频系统的编码器是多波长光纤光栅（FBG）。多波长光纤光栅就是利用光
47、栅写入技术（如掩模板法）在一根光纤上按照一定顺序刻上多个光栅，并且每个光栅对应不同的波长，即不同的反射谱。光栅之间的距离是根据系统的码速率和跳频码的情况事先精心设计好的。数据信号调制后，耦合进入光学编码器多波长光纤光栅。宽带光脉冲遇到光栅后，相应的频率分量被反射回来，剩下的频率分量继续向前传播，直到被另外一个光栅反射回来。被反射回来的光脉冲具有不同的频率分量，并且在时域上有一定的间隔。码片与相邻光栅之间的距离之间的关系可以由下式表示： (2-1)在（2-1）式中，为码片时间，为光栅中有效群速度指数，c为真空中光速。一个大的光脉冲进入多波长光纤光栅后再被反射回来，形成了具有一定次序的小脉冲串（这个次序就体现了跳频码），这个过程就是OCDMA跳频编码。需要注意的是，互相匹配的编解码器应该按相反的方向放置，才能达到正确解码的效果。在一个网络系统中，如何使这样的编解码器达到可调谐是一个非常重要的问题。众所周知，对光纤光栅的两端施加应力（拉伸或者压缩）可以改变其反射谱（或透射谱）的作用。目前一般是利用这个原理来使编解码器实现可调谐的。L设计了
