基于光柵型碼分多址的碼字轉(zhuǎn)換研究

李海濤，李 茜

（唐山學(xué)院信息工程系，河北唐山063000）

基于光柵型碼分多址的碼字轉(zhuǎn)換研究

李海濤，李 茜

（唐山學(xué)院信息工程系，河北唐山063000）

研究了相移超結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵（SSFBG）的碼字轉(zhuǎn)換原理，用傳輸矩陣法分析了7碼片的相移SSFBG編解碼器的反射譜及其相關(guān)特性，并用高斯脈沖進(jìn)行了碼字轉(zhuǎn)換的仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明：只要系統(tǒng)采用的碼字有良好的自相關(guān)性和互相關(guān)性，高斯脈沖進(jìn)入編解碼器進(jìn)行碼字轉(zhuǎn)換后，都能較好地從對(duì)應(yīng)碼字的解碼器恢復(fù)出來(lái)。

碼分多址；超結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵；碼字變換

光碼分多址（OCDMA）技術(shù)是充分利用光纖帶寬資源的多址技術(shù)之一［1］，并且越來(lái)越受到人們的重視。光碼分多址的關(guān)鍵技術(shù)之一就是如何產(chǎn)生和識(shí)別可靠的編碼序列。基于光纖布拉格光柵（FBG）的OCDMA編解碼器是一種全光纖器件［2－4］，具有制作工藝簡(jiǎn)單、成本低、體積小、插入損耗低、光纖參數(shù)易于調(diào)整、可實(shí)現(xiàn)變址功能等優(yōu)點(diǎn)，特別是超結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵（SSFBG）具有產(chǎn)生超長(zhǎng)光學(xué)碼的能力，利用光纖光柵實(shí)現(xiàn)編解碼器是目前研究的焦點(diǎn)。

本文研究了相移超結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵（SSFBG）的碼字轉(zhuǎn)換原理，用傳輸矩陣法分析7碼片的SSFBG編解碼器的反射譜及其相關(guān)特性，并用高斯脈沖進(jìn)行碼字轉(zhuǎn)換的仿真驗(yàn)證。

1 理論模型

相移超結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵的折射率變化成正弦或余弦分布，但相位在某個(gè)位置發(fā)生突變，如圖1所示。

對(duì)SSFBG的頻率響應(yīng)H（ω）作傅里葉反變換得出沖激響應(yīng)h（t）：

圖1 相移超結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵的折射率分布

式中波矢k與光角頻率ω成正比。由此可知，弱光柵的沖擊響應(yīng)的時(shí)域分布與光柵折射率調(diào)制的超結(jié)構(gòu)分布的復(fù)雜形式是一致的。

當(dāng)一個(gè)光脈沖在SSFBG中發(fā)生反射時(shí)，脈沖被轉(zhuǎn)換成一種編碼脈沖r（t），其時(shí)域形狀可由輸入脈沖與光柵沖激響應(yīng)卷積后得到，即r（t）＝e（t）＊h（t）。編碼信號(hào)的頻率響應(yīng)R（ω）可表示為輸入信號(hào)的頻譜E（ω）和光柵頻率響應(yīng)H（ω）的乘積，即R（ω）＝H（ω）E（ω）。解碼端編碼后的脈沖被解碼光柵反射，輸出信號(hào)的頻率響應(yīng)Y（ω）可由編碼器輸出信號(hào)的頻率響應(yīng)R（ω）與解碼器的頻率響應(yīng)G（ω）相乘得出，即Y（ω）＝R（ω）G（ω）。在時(shí)域，輸出信號(hào)y（t）表示為編碼信號(hào)r（t）與解碼器的沖激hd（t）響應(yīng)做卷積運(yùn)算，即y（t）＝r（t）＊hd（t）。

若將短光脈沖輸入相移SSFBG，則會(huì)產(chǎn)生一系列相干的碼片脈沖，編碼器與解碼器具有相反的空間排列序列，即解碼器與編碼器是共軛匹配的。［5］編碼后分散開(kāi)的信號(hào)通過(guò)匹配的解碼器后得到壓縮，重新生成一個(gè)強(qiáng)脈沖（自相關(guān)信號(hào)），而經(jīng)過(guò)不匹配的解碼器后，在時(shí)域上信號(hào)更加分散（互相關(guān)信號(hào)）。

2 結(jié)果分析

編碼器包含7個(gè)碼片，整個(gè)光柵長(zhǎng)度為4.63mm，每個(gè)碼片長(zhǎng)度為0.65mm，單個(gè)碼片的周期約為6.4ps，整個(gè)碼字周期為44.97ps。假設(shè)光柵的有效折射率neff＝1.457，該編碼器的反射譜和沖激響應(yīng)如圖2和圖3所示。

圖2 編碼器的反射譜

圖3 編碼器的沖激響應(yīng)

由于解碼器是編碼器的匹配濾波器，即解碼器是編碼器的空間反向響應(yīng)，因此解碼器與編碼器的幅度反射譜相同，但具有完全共軛的相位譜。解碼器的反射譜和沖激響應(yīng)如圖4和圖5所示。

由圖可以看到，均勻光纖光柵在調(diào)制折射率一定的情況下，反射率隨光柵長(zhǎng)度的加長(zhǎng)而增加，且光柵帶寬變小；在光柵長(zhǎng)度一定的情況下，反射率隨光柵芯區(qū)調(diào)制折射率的加深而增加，且光柵帶寬也變大。

圖6和圖7分別為輸入高斯脈沖編碼后信號(hào)波形和解碼后波形。高斯脈沖通過(guò)編碼器后在時(shí)域上被擴(kuò)展，產(chǎn)生7個(gè)小的相干脈沖，每個(gè)脈沖的相位由寫(xiě)入編碼器的碼字控制。由于在計(jì)算中是對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的計(jì)算，得到的是脈沖被擴(kuò)展后在擴(kuò)展時(shí)間段上的強(qiáng)度分布，因此無(wú)法看出產(chǎn)生的7個(gè)小脈沖。通過(guò)相關(guān)解碼后，產(chǎn)生編碼信號(hào)的自相關(guān)波形，其時(shí)間長(zhǎng)度為編碼信號(hào)的兩倍。

圖4 解碼器的反射譜

圖5 解碼器的沖激響應(yīng)

圖6 編碼信號(hào)波形

圖7 解碼后自相關(guān)波形

圖8和圖9分別為編解器相匹配時(shí)的自相關(guān)特性和編解碼器不匹配時(shí)的互相關(guān)特性。根據(jù)分析OCDMA的編解碼原理，可知良好的系統(tǒng)要求所選擇的光正交碼必須具有自相關(guān)很大、互相關(guān)小的特性。對(duì)比兩圖可以看出：互相關(guān)峰值強(qiáng)度比自相關(guān)峰值強(qiáng)度小，故對(duì)編碼信號(hào)解碼后，可用閾值檢測(cè)器根據(jù)相關(guān)峰值強(qiáng)度來(lái)提取出原始信號(hào)。

圖8 編解碼器的自相關(guān)特性

圖9 編解碼器的互相關(guān)特性

3 結(jié)論

筆者通過(guò)研究相移超結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵（SSFBG）的碼字轉(zhuǎn)換原理，用傳輸矩陣法分析了7碼片的相移SSFBG編解碼器的反射譜及其相關(guān)特性。結(jié)果表明：不同碼字產(chǎn)生的不同相移的光柵有著不同的沖激響應(yīng)；在用MATLAB進(jìn)行數(shù)值仿真時(shí)得到了與理論一致的反射譜結(jié)構(gòu)及其相關(guān)特性；只要系統(tǒng)采用的碼字有良好的自相關(guān)性和互相關(guān)性，高斯脈沖進(jìn)入編碼器進(jìn)行編碼后，都能較好地從對(duì)應(yīng)碼字的解碼器恢復(fù)出來(lái)。

［1］ 李傳起，李曉濱.光纖通信OCDMA系統(tǒng)［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

［2］ 劉晴，黃勇林.取樣光纖Bragg光柵特性的數(shù)值模擬分析［J］.光通信研究，2010，39（6）：39－41.

［3］ Erdogan T.Fiber grating spectra［J］.Journal of Lightwave Technology，1997，15（8）：1 277－1 294.

［4］ Teh P C，Petropoulos P，Ibsenm M，et al.A comparative study of the performance of seven and 63chip optical code division multiple access encoders and decoders based on superstructured fiber Bragg gratings［J］.Journal of Lightwave Technology，2001，19（9）：1 352－1 365.

［5］ 尹肖麗，張琦，余重秀，等.相移超結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵OCDMA編/解碼器及其相關(guān)特性［J］.光學(xué)精密工程，2008，16（9）：1 608－1 613.

（責(zé)任編校：夏玉玲）

Study of Code Word Conversion Based on Grating CDMA

LI Hai－tao，LI Xi

（Department of Information Engineering，Tangshan college，Tangshan 063000，China）

Based on Superstructure Fiber Bragg Grating（SSFBG），encoding/decoding principles were researched and its reflection spectrum and correlation property were analyzed by transmission matrix method.Simulation of codeword conversion was verified by using Gaussian pulse.Results show that the good autocorrelation and cross correlation of the codeword were used in the system.After entering the codeword translation and being coded，Gaussian pulse was well restored.

code division multiple access；superstructure fiber Bragg Grating；codeword conversion

book=30,ebook=30

TN248.4

A

1672－349X（2012）03－0103－03

2012－03－13

2011年唐山市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展第二批指導(dǎo)計(jì)劃（111102005b）

李海濤（1981－），男，河北唐山人，講師，碩士，主要從事光電子與光通信研究。