[摘要] 本文对光码分多址通信系统的各种方案进行了分析和比较，对实际应用系统的一些关键技术，如编/解码器实现、超短激光脉冲产生、地址码选取、光功率控制、码字同步等进行了研究。最后提出了OCDMA应用于一些领域的主要技术考虑。

[关键词] 光码分多址；地址码；超短脉冲光源；光功率控制

1  引言

码分多址技术具有系统容量大、支持异步通信和突发业务、软切换和软容量、抗干扰和保密性好等优点，已经在移动通信、卫星通信等领域得到成功应用。80年 代，基于码分多址技术原理，结合光纤的巨大带宽和光信息处理技术，产生了光码分多址技术，并成为一个研究热点。

光码分多址技术（OCDMA）利用光纤的巨大带宽和高速的光信息处理技术，将数据比特扩频成光脉冲序列，经光纤传输后，利用光学相关技术实现数据恢复。 OCDMA系统采用地址码寻址方式，具有很大的灵活性，它的编/解码器采用光信号处理技术，可以实现无延迟异步接入，并且网络控制简单，业务透明性好，是 未来接人网和高速LAN的最佳方案之一。

目前对OCDMA技术的研究多针对系统原理和编/解码器结构方面，而对系统发展的总体结构和一些关键问题（如超短脉冲光源、光功率控制、码字同步实现等） 缺少深入的研究。本文将结合已有的各种系统方案，考虑不同的应用领域和技术可行性对OCDMA系统总体方案及一些关键问题进行了探讨。

2  各种系统方案比较

典型的光码分多址通信系统的基本原理：信息比特利用On/Off键控（OOK）或脉冲位置调制（PPM）方式产生超短脉冲去调制激光器，超短激光脉冲经光 编码器编码后形成光正交地址码脉冲序列，然后进入由光纤和星型耦合器组成的光纤网络。在接收端，光纤网络中的部分光信号进人光学相关器，光学相关器根据码 字相关的原理进行解码，解码后的光信号由光检测器转变为电信号，最后由OOK或PPM解码器恢复出数据比特。下面从不同角度对几种典型的OCDMA方案进 行分析和比较。

1）从时钟同步的角度，有同步OCDMA和异步OCDMA之分。同步OCDMA就是在收发双方建立码字同步机制，可以有效提高接收信噪比，降低误码率，扩 大系统容量和同时接入的用户数。缺点是同步机制实现复杂，建立同步有一定延迟。对点对点的应用（如接入网和LAN）来讲，同步较易实现。异步OCDMA是 基于OOK调制，直接扩频机制，接收端完全依靠光解码器的匹配滤波原理实现解码。异步OCDMA系统实现相对简单，可以实现无延迟异步接入，但由于没有同 步机制，码字异相自相关输出和互相关输出对接收信噪比和误码性能影响较大，码字空间和系统容量也相对较小，适合于突发性、低密度业务（如数据LAN）和误 码性能要求不高的业务（如语音等）。

2）从光的相干态来讲，有相干OCDMA和非相干OCDMA之分，相干OCDMA利用高相干光源和相位控制措施实现光编码和传输，光纤信道中的光脉冲携带 位相信息，并且在接收端采用光纤延迟线网络，基于相干光脉冲的干涉原理实现解码。由于相干光的干涉效应，可以有效消除多用户干扰，且有容量大、误码率低等 优点，而且可以实现双极性编/解码，便于数据恢复，但是高相干光源、相位控制等技术目前还不成熟，实现难度较大。非相干OCDMA则基于非相干光的扩频编 /解码技术，光纤信道中光脉冲序列的强度表示编码信息。由于非相干光扩频序列的相关输出为光强的选加，因此多用户干扰对光解码器输出信噪比影响很大，系统 的误码性能和容量都受到限制。同时，非相干OCDMA技术所采用的各项技术都较成熟，而且采用平衡检测技术可以提高接收信噪比，因此是较为容易实现的方 式。

3）从光学参量角度来讲，有时域和频域之分。时域OCDMA是将信息比特直接扩频成时间上编码的脉冲序列，解码也是在时域上利用光纤延迟线将脉冲序列恢复 成数据比特。频域OC-DMA有频率编码和跳频两种形式，频率编码采用宽带LED光源和色散元件，将宽谱光源的光色散后对各光谱区段的光强编码，并利用同 样的方式完成解码，这种频率编码由于采用平面光栅等色散元件，复杂性和稳定性要求高。跳频OCDMA则将一比特数据扩频成一个脉冲序列，其中每个脉冲都只 包含一个互不相同的光谱成分，而且各码字（扩频序列）在相同码元上的光谱也各不相同，所以这种光正交码码字间的互相关限为1，使得这种异步OCDMA系统 具有较好误码性能和容量，而且对光源的调制速率和谱宽要求不高，其编/解码器由光纤光栅和光纤延迟线等元件构成，设计简单。

4）从线路码元的极性角度来讲，有单极性和双极性之分。传统的无线CDMA系统均为双极性编码，即线路码字为｛+1，-1｝序列，多用户干扰对系统性能的 影响相对较小，系统容量较大，而由于光频过高，难于实现双极性编码，所以目前对OCDMA的研究主要针对单极性编码，各种光正交码也均是单极性码。由于单 极性OCDMA系统编码序列中没有负极性成分，所以互相关输出峰值较大，系统性能相对较低。双极性编码有利于消除多用户干扰，提高信噪比和利用已有的无线 CDMA中的成熟技术，所以也是一项研究重点。

5）从信息比特的调制方式角度来讲，有On/Off键控（OOK）调制的OCDMA方案和同步脉冲位置调制（PPM）OCDMA方案。OOK方式就是当数 据比特为“1”时，OOK调制器驱动激光器发出一个超短脉冲进行扩频，当数据比特为“ 0”时， OOK调制器设有输出信号，信道中没有光脉冲序列；接收端的解码过程是同样的反过程。OOK方式实现简单，缺点是码间串扰较大。PPM方式则将数据比特进 行PPM调制，然后在每个时隙内利用光编码器进行扩频。PPM属同步方式，可以减小信道串扰和提高接收信噪比，但系统实现复杂性略高。

随着研究的深入，新的OCDMA系统方案不断提出。结合不同的应用场合，采用合适的总体方案以满足性能、成本和配置灵活性等方面的要求成为一个重要的问题。 

3  OCDMA关键技术

由于OCDMA技术采用很多新的理论，光学信号处理技术也远未成熟，所以有很多问题需要解决，归纳起来，OCDMA发展过程中的关键技术有以下几方面。

3.1  光地址码理论

由于OCDMA技术的特殊性，传统的用于无线CDMA的M序列、Gold码等不适用于OCDMA领域，因此必须研究新的光地址码。好的光地址码应具有高的 自相关主峰、低的自相关侧峰和低的互相关输出峰值。较小的互相关输出峰值和自相关侧峰可以保证系统为更多的用户同时提供接人服务和每个用户拥有更大的接入 速率，较大的码字空间可以保证系统拥有较大的容量。码字对光编/解码器的结构和性能也有很大影响，并直接影响系统的复杂性、灵活性和成本。光地址码的主要 参数有码长、码重、自相关限、互相关限等。另外码集的构造复杂性也是较重要的评价因素。

典型的码源有素数码及其改进码、光正交码。素数码构造算法简单，但其异相自相关峰值和互相关峰值较大，码字个数较少。由于其较大的异相自相关限不利于实现 同步，所以只适合异步OCDMA系统。改进的素数码由素数码循环移位获得，用于同步OCDMA系统，其同步输出取样的自相关输出和互相关输出均为1，所以 输出信噪比较高，而且码字个数大大增加。光正交码是一种性能优异的光地址码，其互相关输出峰值和自相关侧峰均为1，相关输出的信噪比较高，既适合同步 OCDMA系统，也适合异步OCDMA系统，而且其较小的异相自相关输出有利于实现同步。光正交码的缺点是在码字空间较小，系统容量不大，而且其构造算法 较复杂。光正交码可以用于直接扩频系统，也可以用于跳频OCDMA系统。针对不同的系统研究更好的光地址码仍是一个重要的研究领域。

另外，双极性OCDMA系统由于采用双极性编码技术，可以完全采用无线CDMA技术中常用的Gold、Walsh筹码集。

3.2  光编/解码器技术

光编/解码器是OCDMA系统的核心部件，在发送端光编码器将数据比特映射成扩频序列，在接收端光解码器利用相关解码原理将扩频序列恢复为数据比特。光编/解码器的结构和特性直接影响着系统的功率损耗、用户规模、误码率、成本以及整个系统的灵活性。

在现有的光码分多址编/解码器方案中，一般是基于光纤延迟线的并行结构编/解码器和梯形编/解码器，在并行结构编码器中，输入光脉冲由光分路器分成w路 （w为码重），每一路光纤延迟线的长度各不相同，然后经光合路器后形成编码的光脉冲序列，光解码器的结构与光编码器的结构对称设计。利用可调光纤延迟线和 延迟控制器可以实现任意寻址。梯形结构光编/解码器由光纤延迟线和耦合器按梯形构成，可以将一个脉冲扩频成一个脉冲序列。梯形光解码器的延迟线设计与光编 码器对称。梯形光编/解码器具有结构简单、功率损耗小等优点，适用于时域扩频OCDMA系统。利用光开关代替其中的光耦合器，可以实现灵活寻址。

另外，还有基于频域编码的编/解码器、跳频OCDMA编/解码器和解相关OCDMA解码器等很多方案，但设计性能更好、更实用的编/解码器仍是一个重要研究方向。

对OCDMA系统来讲，多用户干扰（MAI）是系统的主要误码源，在解码器中采用平衡接收可以有效抑制MAI。另外采用同步方案，系统的抗MAI性能较异 步方案有较大提高。另一个提高系统误码性能的方法是在电域对数据采用前向纠错码（FEC）进行编码，理论分析表明，采用FEC编码可以有效降低系统误码 率。

另一个提高光解码器抗MAI能力和输出信噪比的有效方法是采用双光硬限幅器，即在光相关器前后各放一个光硬限幅器（双稳态阈值器件），可以有效提高光解码器的解码性能。但这种器件还不实用。

3.3  码字同步技术

对同步OCDMA系统来讲，码字同步是一个关键性的技术。由于绝大多数OCDMA系统接收机都是基于非相干光的匹配滤波原理，另外光存储和光逻辑运算等技 术还不成熟，所以匹配滤波法和突发同步法比较适合OCDMA系统的同步捕获，OCDMA系统同步后的相位跟踪采用非相干跟踪方法比较适合。具体的同步实现 技术还需进一步研究。

3.4  超短脉冲光源技术

光源发出的光脉冲宽度直接影响到系统所能达到的通信速率和误码率，所以研究如何形成超短脉冲成为一个重要的问题。一般来讲，OCDMA系统要求光源发出的 光脉冲尽可能窄，占空比很小（反比于扩频系数），单位脉冲能量尽可能大。对于数据速率与扩频系数之积小于10GHz的系统，现有通信系统中使用的高速激光 器可以满足要求，但对于数据速率与扩频系数之积大于10GHz的系统，需研制超短脉冲光源。目前比较典型的超短脉冲形成方法有锁模法、增益开关法、电吸收 连续光选通调制法及正色散光纤压缩法等，其中增益开关法是比较理想的超短脉冲光源，但是这些方法还不成熟，而且如何抑制相邻光脉冲间的相干性和降低占空比 还有待研究。

3.5  光功率控制技术

OCDMA系统与无线CDMA系统有着类似的功率控制问题。各用户有着不同接入距离和不同发射功率，在多个用户同时接入的情况下，相对功率较强（对接收 方）的光脉冲序列将对较弱的光脉冲序列产生严重的码间干扰，所以功率控制问题显得更加突出，需采用类似无线CDMA系统的反向链路开环和闭环功率控制措 施。

3.6  光学逻辑运算技术

全光学的“AND”，“OR”，“XOR”等逻辑运算和光存储对于OCDMA编码和解码过程都是关键性技术，该技术的成熟将极大地促进该技术的进一步发展。

4  OCDMA系统的应用

OCDMA系统主要应用在局域网、接入网、全光网及其他共用信道结构系统中。

由于LAN中业务特征为突发性、低密度和非实时性，所以OCDMA技术比较适合LAN。OCDMA技术在LAN中，主要采用环型或总线型拓扑结构，这就要 求为每一个用户分配一个地址码，当某一用户要向该用户发送数据时，需将自己的发送机的编码器结构进行更改以实现寻址，这就要求采用易于实现寻址的码组和编 码器（如前面介绍的并行和梯形光纤延迟线光编码器及跳频型光编码器等）。在局域网中，较大的用户数，较小同时接入用户数决定了地址码应选取码字空间大的码 集（如改进的素数码或光正交码），而且必须采用闭环反馈功率控制机制，以抑制功率差异引起的附加干扰。误码控制措施（纠错码）对数据业务显得很必要。对于 要传输多媒体业务的LAN来讲，有文献提出采用同步OCDMA技术，采用改进的素数码，每个用户拥有一个子码组（由一个素码循环移位构成的多个相似码字， 子码组内码字互相关为0），子码组内每一个码字对应一种业务类型。这种方案有一定的价值，但码字和信道资源利用率较低。

OCDMA技术在公用网中主要是在光接入网（OAN）中使用，因为在骨干网中色散和损耗将限制其传输速率、容量和距离。在接入网中，主要采用无源星型或树 型拓扑，由光耦合器和分路器实现信道共享。每一个ONU拥有一个地址码，OLT可以对每一个ONU寻址并被每一个ONU接入。可以采用同步方式，也可以采 用异步方式。对同步OCDMA系统，OLT应为ONU提供同步定时信息。上行链路采用OCDMA技术，下行也可以采用OCDMA或广播式TDM技术。同步 方式可以容纳更多的用户，所以有一定优势。相对OOK，PPM方式性能更佳，因为对这种点对点通信来讲，电PPM相对容易实现，但各ONU与OLT的距离 不同，为实现PPM方式，系统需有测距功能。OCDMA在骨干网中应用时，其超短脉冲受光纤色散影响相当严重，一种较为实用的方案是采用WDM和 OCDMA结合的方式，在WDM基础上，在每个波长的信道内采用OCDMA技术实现多址接入，这样具有更强的灵活性，这种WDM+OCDMA更适合将来的 接入网。骨干网应用也可以采用TDMA+S/OCDMA方式，即在信息帧内，一部分时隙为TDMA方式，传输高速率、高密度和实时性业务（如视频信号和时 钟信号），另一部分时隙为同步OCDMA方式，传输突发性、低速率、低密度业务（如语音和数据），这样可以发挥两种技术各自的优势。

OCDMA技术也可以应用于其他共用总线领域，如舰船或飞行器的传感器总线及其他对保密性要求较高的场合。

5  结束语

综合考虑各种OCDMA技术方案的优缺点，技术可行性，与现有技术和业务的融合，结合具体的应用场合，选择合适的技术方案，是OCDMA技术应用的基本原 则。同时，OCDMA是电子、光电子、编码等技术相互渗透、相互融合的一种新兴技术，其发展强烈依赖于这些技术领域的最新进展，深入开展对地址码和光信息 处理等技术的研究将有力促进OCDMA技术的成熟和实用化。