基于光柵型碼分多址的碼字轉換研究

李海濤，李 茜

（唐山學院信息工程系，河北唐山063000）

基于光柵型碼分多址的碼字轉換研究

李海濤，李 茜

（唐山學院信息工程系，河北唐山063000）

研究了相移超結構光纖布拉格光柵（SSFBG）的碼字轉換原理，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特性，并用高斯脈沖進行了碼字轉換的仿真驗證。結果表明：只要系統采用的碼字有良好的自相關性和互相關性，高斯脈沖進入編解碼器進行碼字轉換后，都能較好地從對應碼字的解碼器恢復出來。

碼分多址；超結構光纖布拉格光柵；碼字變換

光碼分多址（OCDMA）技術是充分利用光纖帶寬資源的多址技術之一［1］，并且越來越受到人們的重視。光碼分多址的關鍵技術之一就是如何產生和識別可靠的編碼序列。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］，具有制作工藝簡單、成本低、體積小、插入損耗低、光纖參數易于調整、可實現變址功能等優點，特別是超結構光纖布拉格光柵（SSFBG）具有產生超長光學碼的能力，利用光纖光柵實現編解碼器是目前研究的焦點。

本文研究了相移超結構光纖布拉格光柵（SSFBG）的碼字轉換原理，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特性，并用高斯脈沖進行碼字轉換的仿真驗證。

1 理論模型

相移超結構光纖布拉格光柵的折射率變化成正弦或余弦分布，但相位在某個位置發生突變，如圖1所示。

對SSFBG的頻率響應H（ω）作傅里葉反變換得出沖激響應h（t）：

圖1 相移超結構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，弱光柵的沖擊響應的時域分布與光柵折射率調制的超結構分布的復雜形式是一致的。

當一個光脈沖在SSFBG中發生反射時，脈沖被轉換成一種編碼脈沖r（t），其時域形狀可由輸入脈沖與光柵沖激響應卷積后得到，即r（t）＝e（t）＊h（t）。編碼信號的頻率響應R（ω）可表示為輸入信號的頻譜E（ω）和光柵頻率響應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，輸出信號的頻率響應Y（ω）可由編碼器輸出信號的頻率響應R（ω）與解碼器的頻率響應G（ω）相乘得出，即Y（ω）＝R（ω）G（ω）。在時域，輸出信號y（t）表示為編碼信號r（t）與解碼器的沖激hd（t）響應做卷積運算，即y（t）＝r（t）＊hd（t）。

若將短光脈沖輸入相移SSFBG，則會產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］編碼后分散開的信號通過匹配的解碼器后得到壓縮，重新生成一個強脈沖（自相關信號），而經過不匹配的解碼器后，在時域上信號更加分散（互相關信號）。

2 結果分析

編碼器包含7個碼片，整個光柵長度為4.63mm，每個碼片長度為0.65mm，單個碼片的周期約為6.4ps，整個碼字周期為44.97ps。假設光柵的有效折射率neff＝1.457，該編碼器的反射譜和沖激響應如圖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

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，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如圖4和圖5所示。

由圖可以看到，均勻光纖光柵在調制折射率一定的情況下，反射率隨光柵長度的加長而增加，且光柵帶寬變小；在光柵長度一定的情況下，反射率隨光柵芯區調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波形和解碼后波形。高斯脈沖通過編碼器后在時域上被擴展，產生7個小的相干脈沖，每個脈沖的相位由寫入編碼器的碼字控制。由于在計算中是對信號強度的計算，得到的是脈沖被擴展后在擴展時間段上的強度分布，因此無法看出產生的7個小脈沖。通過相關解碼后，產生編碼信號的自相關波形，其時間長度為編碼信號的兩倍。

圖4 解碼器的反射譜

圖5 解碼器的沖激響應

圖6 編碼信號波形

圖7 解碼后自相關波形

圖8和圖9分別為編解器相匹配時的自相關特性和編解碼器不匹配時的互相關特性。根據分析OCDMA的編解碼原理，可知良好的系統要求所選擇的光正交碼必須具有自相關很大、互相關小的特性。對比兩圖可以看出：互相關峰值強度比自相關峰值強度小，故對編碼信號解碼后，可用閾值檢測器根據相關峰值強度來提取出原始信號。

圖8 編解碼器的自相關特性

圖9 編解碼器的互相關特性

3 結論

筆者通過研究相移超結構光纖布拉格光柵（SSFBG）的碼字轉換原理，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特性。結果表明：不同碼字產生的不同相移的光柵有著不同的沖激響應；在用MATLAB進行數值仿真時得到了與理論一致的反射譜結構及其相關特性；只要系統采用的碼字有良好的自相關性和互相關性，高斯脈沖進入編碼器進行編碼后，都能較好地從對應碼字的解碼器恢復出來。

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

［2］ 劉晴，黃勇林.取樣光纖Bragg光柵特性的數值模擬分析［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.相移超結構光纖布拉格光柵OCDMA編/解碼器及其相關特性［J］.光學精密工程，2008，16（9）：1 608－1 613.

（責任編校：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年唐山市科學技術研究與發展第二批指導計劃（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。