基于光栅型码分多址的码字转换研究

李海涛，李 茜

（唐山学院信息工程系，河北唐山063000）

基于光栅型码分多址的码字转换研究

李海涛，李 茜

（唐山学院信息工程系，河北唐山063000）

研究了相移超结构光纤布拉格光栅（SSFBG）的码字转换原理，用传输矩阵法分析了7码片的相移SSFBG编解码器的反射谱及其相关特性，并用高斯脉冲进行了码字转换的仿真验证。结果表明：只要系统采用的码字有良好的自相关性和互相关性，高斯脉冲进入编解码器进行码字转换后，都能较好地从对应码字的解码器恢复出来。

码分多址；超结构光纤布拉格光栅；码字变换

光码分多址（OCDMA）技术是充分利用光纤带宽资源的多址技术之一［1］，并且越来越受到人们的重视。光码分多址的关键技术之一就是如何产生和识别可靠的编码序列。基于光纤布拉格光栅（FBG）的OCDMA编解码器是一种全光纤器件［2－4］，具有制作工艺简单、成本低、体积小、插入损耗低、光纤参数易于调整、可实现变址功能等优点，特别是超结构光纤布拉格光栅（SSFBG）具有产生超长光学码的能力，利用光纤光栅实现编解码器是目前研究的焦点。

本文研究了相移超结构光纤布拉格光栅（SSFBG）的码字转换原理，用传输矩阵法分析7码片的SSFBG编解码器的反射谱及其相关特性，并用高斯脉冲进行码字转换的仿真验证。

1 理论模型

相移超结构光纤布拉格光栅的折射率变化成正弦或余弦分布，但相位在某个位置发生突变，如图1所示。

对SSFBG的频率响应H（ω）作傅里叶反变换得出冲激响应h（t）：

图1 相移超结构光纤布拉格光栅的折射率分布

式中波矢k与光角频率ω成正比。由此可知，弱光栅的冲击响应的时域分布与光栅折射率调制的超结构分布的复杂形式是一致的。

当一个光脉冲在SSFBG中发生反射时，脉冲被转换成一种编码脉冲r（t），其时域形状可由输入脉冲与光栅冲激响应卷积后得到，即r（t）＝e（t）＊h（t）。编码信号的频率响应R（ω）可表示为输入信号的频谱E（ω）和光栅频率响应H（ω）的乘积，即R（ω）＝H（ω）E（ω）。解码端编码后的脉冲被解码光栅反射，输出信号的频率响应Y（ω）可由编码器输出信号的频率响应R（ω）与解码器的频率响应G（ω）相乘得出，即Y（ω）＝R（ω）G（ω）。在时域，输出信号y（t）表示为编码信号r（t）与解码器的冲激hd（t）响应做卷积运算，即y（t）＝r（t）＊hd（t）。

若将短光脉冲输入相移SSFBG，则会产生一系列相干的码片脉冲，编码器与解码器具有相反的空间排列序列，即解码器与编码器是共轭匹配的。［5］编码后分散开的信号通过匹配的解码器后得到压缩，重新生成一个强脉冲（自相关信号），而经过不匹配的解码器后，在时域上信号更加分散（互相关信号）。

2 结果分析

编码器包含7个码片，整个光栅长度为4.63mm，每个码片长度为0.65mm，单个码片的周期约为6.4ps，整个码字周期为44.97ps。假设光栅的有效折射率neff＝1.457，该编码器的反射谱和冲激响应如图2和图3所示。

图2 编码器的反射谱

图3 编码器的冲激响应

由于解码器是编码器的匹配滤波器，即解码器是编码器的空间反向响应，因此解码器与编码器的幅度反射谱相同，但具有完全共轭的相位谱。解码器的反射谱和冲激响应如图4和图5所示。

由图可以看到，均匀光纤光栅在调制折射率一定的情况下，反射率随光栅长度的加长而增加，且光栅带宽变小；在光栅长度一定的情况下，反射率随光栅芯区调制折射率的加深而增加，且光栅带宽也变大。

图6和图7分别为输入高斯脉冲编码后信号波形和解码后波形。高斯脉冲通过编码器后在时域上被扩展，产生7个小的相干脉冲，每个脉冲的相位由写入编码器的码字控制。由于在计算中是对信号强度的计算，得到的是脉冲被扩展后在扩展时间段上的强度分布，因此无法看出产生的7个小脉冲。通过相关解码后，产生编码信号的自相关波形，其时间长度为编码信号的两倍。

图4 解码器的反射谱

图5 解码器的冲激响应

图6 编码信号波形

图7 解码后自相关波形

图8和图9分别为编解器相匹配时的自相关特性和编解码器不匹配时的互相关特性。根据分析OCDMA的编解码原理，可知良好的系统要求所选择的光正交码必须具有自相关很大、互相关小的特性。对比两图可以看出：互相关峰值强度比自相关峰值强度小，故对编码信号解码后，可用阈值检测器根据相关峰值强度来提取出原始信号。

图8 编解码器的自相关特性

图9 编解码器的互相关特性

3 结论

笔者通过研究相移超结构光纤布拉格光栅（SSFBG）的码字转换原理，用传输矩阵法分析了7码片的相移SSFBG编解码器的反射谱及其相关特性。结果表明：不同码字产生的不同相移的光栅有着不同的冲激响应；在用MATLAB进行数值仿真时得到了与理论一致的反射谱结构及其相关特性；只要系统采用的码字有良好的自相关性和互相关性，高斯脉冲进入编码器进行编码后，都能较好地从对应码字的解码器恢复出来。

［1］ 李传起，李晓滨.光纤通信OCDMA系统［M］.北京：科学出版社，2008.

［2］ 刘晴，黄勇林.取样光纤Bragg光栅特性的数值模拟分析［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］ 尹肖丽，张琦，余重秀，等.相移超结构光纤布拉格光栅OCDMA编/解码器及其相关特性［J］.光学精密工程，2008，16（9）：1 608－1 613.

（责任编校：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年唐山市科学技术研究与发展第二批指导计划（111102005b）

李海涛（1981－），男，河北唐山人，讲师，硕士，主要从事光电子与光通信研究。