1 引 言
光码分多址技术(OCDMA)是无线通信中的码分多址(CDMA)技术和光通信技术的结合，既具有CDMA的抗干扰和提高系统容量的优点，又具备光通信丰富的带宽资源的优势，尤其是OCDMA在光网络信息的安全和抗截获方面可提供一种有效的解决手段[1-3]。
二维OCDMA采用跳频-扩时(WH/TS)编码。与一维编码相比，不仅可以提高码字容量和用户数，还可以减小多址干扰。有关二维码字的研究多种多样[4-6]，例如，Agus等[4]通过改进修正素数序列(MPS)生成广义修正素数序列码字(GMPS)，提高了系统的误码率(BER，RBE)性能。扩展多级素数码拥有灵活的码长，自相关峰值为零[5]。天津大学的吉喆等[7]基于耦合双环阵列提出了一种新型的光编解码器，该编解码器的体积小、成本低，对 OCDMA 系统的集成化有重要意义。日本大阪大学的 Ryosuke Matsumoto等[8]使用超结构光纤光栅(SSFBG)实现了40 G-OCDMA系统实验，但是光纤光栅的损耗较大，导致系统中采用了多个掺铒光纤放大器(EDFA)，使系统结构变得更加复杂。
本文基于波长选择开关(WSS)和光纤时延线构造二维编解码器，分析了WSS编码器的基本原理和结构特点，搭建了OCDMA二维动态可重构编解码系统实验平台，利用半实物仿真的方法验证了该编解码器能够达到500 GChip/s的码片速率。实验实现了背靠背(B2B)和40 km无误码传输，对码重分别为17和6、码长为50的码字进行传输性能测试，实验结果表明文中采用的动态可重构的结构可以实现优于10-9的误码率性能。
2 工作原理
基于WSS和光纤时延线的二维编码器原理见图1。该编码器由WSS、光纤时延线、光耦合器和单模光纤(SMF)组成。结构中WSS将宽谱光源分成多个波道，通过程控装置实现不同的波道从4个不同的端口输出。不同中心波长的子脉冲注入到时延线再进入耦合器。从图中可以看出，在时域上，不同端口的脉冲从耦合器输出叠加在一起；在频域上，光源被分成9个波道，送入标准单模光纤，然后在时域上同一端口的波道被分开，此时编码完成。耦合器和WSS的端口时延差不同，通过时延线的设计实现端口间的固定时延差。编解码器的码片速率由系统参数决定，码片速率 Tc = 1/(B ×N×M) ，其中 B为数据信号的速率，N为选择的端口数，M是使用的波长数。单模光纤的作用是代替色散器件，它的长度与码片速率、色散系数和波道间隔有关，对于非归零码，单模光纤长度 L = Tc /(D×W) ，其中Tc为码片速率，D为光纤色散系数，W为波道间隔。本实验中所采用的 WSS(型号为 Capella CR50 Wavelength Selective Switch)波长范围为 1529.16~1567.13 nm，共有96个波道、1个输入端口和9个输出端口。每个波道的间隔为0.4 nm，即50 GHz，通过程控装置不仅可以实现不同波道从不同的端口输出，而且可对不同波道信号的功率进行控制，WSS典型的重构时间为0.5 s。
采用WSS作为编解码器，虽然WSS编码原理与传统的编码器原理一致，但是由于其独特的结构特性，所以在码字组合数空间、码字构造上与传统的编解码器区别较大。通过分析WSS的编码原理，得出此编码器结构主要有以下三大特点：
1) 一个波道只能从一个端口输出，多个波道可从同一端口输出；
2) 同一端口输出的波道通过单模光纤的群时延展宽；
3) 波道的输出端口确定，它所占有的时间片及码字的分布即可确定。
通过以上对WSS编码器结构的分析可知，如果WSS的96个波道和9个端口输出全部使用，则组合数空间为996。实际操作中，波道和端口都不能完全使用，假设在频域上选择的波道数为m(0<m<97)，选择的端口数为n(0<n<10)，则编码器的输出矩阵为
其中 qij ={01,i≤ m,j≤ n ，P为输入光源矩阵，是一个行向量，Q为编解码器传输矩阵，每一列表示一个端口，由此可计算出码字组合数空间为nm。实验中可以根据设计选择端口数和波道数。解码器的结构与编码器的结构相似，唯一不同的是光纤时延线的差别，可以通过时延线的设计实现解码自相关峰值的位置改变。当编码码字与解码码字相匹配时，解码输出自相关峰值，否则输出码字的互相关值，形成多址干扰[9]。
3 实验装置与结构
二维OCDMA编解码系统实验结构如图2所示。与非相干光源相比[10]，本实验采用短脉冲超连续谱(SC)相干光源。使用中心波长为1544 nm的分布反馈半导体激光器(DFB-LD)作为种子光源，将脉冲序列信号发生器(PPG)的2.5 G时钟(clk)注入DFB-LD形成增益开关激光器(GS-LD)作为信号光源[11]，调制信号为PPG产生的重复周期为2.5 GHz、长度为27-1的伪随机序列，送入马赫-曾德尔调制器(MZM)，经输出功率为23 dBm的功率放大器后注入长度为800 m的高非线性光纤(HNLF)中，产生70 nm平坦的超连续谱。
SC光源注入被编程的WSS，实现不同波长从4个端口输出并注入时延呈差值为100 ps的等差数列的时延线，然后送入耦合器和长度为294 m的标准单模光纤，光纤的色散系数D=17 ps/(nm·km)。由于294 m的标准单模光纤的群时延为5 ps/nm，而每个波道的间隔为0.4 nm，所以得到的码片速率为500 GChip/s。解码器的结构同样采用WSS和时延线，解码器与编码器的区别是时延线改变[12]。编码信号经过40 km传输和色散补偿模块送入解码器和光检测模块，接收端采用与编码器WSS1相匹配的解码器WSS2，解码后的信号经过小信号放大器放大后，送入带宽为10 GHz的光探测器(PD)，检测后的信号经过时钟数据恢复模块(CDR)，恢
复出时钟和数据信号，最后送入误码率测试仪进行传输性能测试。
本实验的码片速率达到500 GChip/s，需要精度为2 ps的示波器。结合实验室的器件，采用VPI对该编解码器结构进行半实物仿真，即采用光矢量网络分析仪(OVA)对编码器的插入损耗和时延特性进行实测，将实测数据带入VPI搭建的仿真平台，如图3所示。仿真中编解码器都是实际测得的数据，利用软件理想的宽谱光源注入到编码器再通过长度为294 m的标准单模光纤得到不同的波道在时域上的分布图，用软件中的示波器显示(见图 4)。从图中可以看出，由于单模光纤的色散特性，在时域上可以清晰看出码片的速率为500 GChip/s，码片个数为44个。
在WH/TS编解码系统中，残余色散将光谱展宽数倍，增大了功率代价，对误码率的影响比较大，因此需要精确的色散补偿[13-14]。为了精确补偿传输中的色散，本实验使用色散分析仪器(型号为CHROMOS11)，精确匹配40 km的标准单模光纤，并且测量得出色散补偿模块的群时延为676 ps/nm。
4 实验结果
GS-LD激光器光谱如图5(a)所示，光谱的中心波长为1544 nm，20 dB带宽约为1.6 nm，GS-LD经过HNLF和EDFA之后的超连续谱和经过uWSS均衡后的频谱如图5(b)所示。由于种子光源的影响，超连续谱光源在中心波长处光源会出现尖峰，导致光谱的平坦度约为12 dB，利用WSS的均衡功能，测得频谱图的平坦度减小到2 dB。DFB激光器的20 dB带宽由1.6 nm增加到79.1 nm，谱宽增加了数十倍。图6是码重w分别为6和17的编解码频谱图。图6(a)为编码频谱图，从图中可以看出编码后的频谱图的平坦度约为2 dB，经过WSS均衡后在1544 nm附近出现一个尖峰，比信号源的峰值低7 dB。解码频谱图如图6(b)，解码输出与编码的频谱图相似，表明编码码字与解码码字之间相互匹配，解码器能够顺利解码。由于解码器端口损耗不同导致解码的频谱的幅值抖动比较大。图7(a）、(b)分别为光源的频谱和眼图，眼图中眼皮略薄，上下眼皮分的较开。
图7(c）、(d)为解码后的波形图和眼图，解码输出波形与高非线性光纤的输入波形相同，眼图的眼皮稍厚，这主要是由于系统噪声的存在和光纤的非线性抖动。解码器不仅在频域上能够恢复出编码的频谱图，在时域上也能够恢复出编码信号。
基于上面的结构，进行了B2B和40 km传输实验，误码率结果见图8。从图中可以看出，相比较没有编码的B2B传输，编码方式2(OC2)，即码长为50、码重为17的编码，在40 km传输和B2B传输时的功率代价分别为8.2 dB和4.1 dB，误码率分别达到1.51′10-10和6.16′10-11。编码方式1(OC1)，即码长为50、码重为6的编码，在40 km和B2B传输时的误码率分别达到5.2′10-10和8.3′10-11，而且本实验采用WSS作为编解码器，通过程控装置快速切换码字，变址灵活性得到很大改善。从图中还可以看出，随着码重的增加接收功率会降低，灵敏度平均提高了约3 dB，系统性能得到改善。
5 结 论
为提高码片速率进而实现二维光学码分多址动态可重构编解码，采用WSS和光纤时延线作为跳频-扩时编解码器，设计实现了单用户、数据速率为2.5 Gbit/s和码片速率为500 GChip/s的系统实验。此外，利用单模光纤的色散将码片在时域上分隔开，从仿真的结果可以清晰地看见2 ps的码片间隔。虽然分析了WSS编解码器的结构特点，但是在分析与此结构相匹配的码字方面略显薄弱。接下来需要进行现有码字的分析，从中找出适合此编解码器结构的码字。
参 考 文 献
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