具有干擾估計(jì)和雙硬件限幅器的光CDMA直接檢測(cè)接收機(jī)

　　摘 要：提出了一種應(yīng)用干擾估計(jì)和雙硬件限幅器的光CDMA的直接檢測(cè)技術(shù)。在提出的系統(tǒng)中，當(dāng)硬件限幅器的輸出為“0”時(shí)，系統(tǒng)的輸出為“0”;當(dāng)硬件限幅器的輸出為“1”時(shí)，系統(tǒng)估計(jì)這個(gè)“1”到底是干擾還是傳輸?shù)男盘?hào)。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)有效地減小了多用戶干擾的影響。

　　關(guān)鍵詞：光CDMA；雙硬件限幅器；多用戶干擾；直接檢測(cè)接收機(jī)

一、引言

　　最近，光CDMA系統(tǒng)引起了人們極大的興趣，它的系統(tǒng)容量大，保密性好，但有一個(gè)主要的問題就是多用戶干擾(MAI)對(duì)系統(tǒng)性能有很大的影響［1］。單個(gè)的光硬件限幅器應(yīng)用在廣CDMA系統(tǒng)中減小了多用戶干擾并提高了誤碼率［2］。在光CDMA系統(tǒng)中，一個(gè)硬件限幅器被放置在光相干器之前，當(dāng)期望的用戶發(fā)“0”的時(shí)候，這種系統(tǒng)不能完全去除一些類型的干擾，因此單硬件限幅器系統(tǒng)不能取得很好的性能。

　　為了提高系統(tǒng)性能，通過消除一些單硬件限幅器不能完全消除的干擾，人們提出了雙硬件限幅器光CDMA系統(tǒng)，這兩個(gè)硬件限幅器分別放置在光相關(guān)器之前和之后［4］。這種雙硬件限幅器的異步光CDMA系統(tǒng)在同步用戶數(shù)不是很多的情況下，比單硬件限幅器和沒有限幅器的系統(tǒng)有更好的性能［5］。然而，還是有一些多用戶干擾是這種雙硬件限幅器系統(tǒng)不能消除的。

　　本文提出了一種應(yīng)用干擾估計(jì)和雙硬件限幅器的多用戶干擾直接檢測(cè)技術(shù)，減小了雙硬件限幅器系統(tǒng)性能的錯(cuò)誤率。在該系統(tǒng)中，當(dāng)雙硬件限幅器的輸出為“0”時(shí)，系統(tǒng)的輸出也為“0”。當(dāng)雙硬件限幅器的輸出為“1”時(shí)，系統(tǒng)重建干擾并估計(jì)這個(gè)輸出值“1”是干擾還是傳輸?shù)男盘?hào)。當(dāng)接收光功率很大的時(shí)候噪聲可以忽略［6］。在理論上，從計(jì)算結(jié)果和計(jì)算機(jī)模擬來看，該系統(tǒng)有效地減小了多用戶干擾的影響，提高了誤比特率性能。

二、系統(tǒng)模型

　　直接檢測(cè)光CDMA系統(tǒng)需要好的相關(guān)特性的單極性碼，目前普遍采用的是光正交碼 （OOC）［7］、素?cái)?shù)碼（Prime）等。文中應(yīng)用了碼長(zhǎng)為F碼重為K的光正交碼（OOC）作為地址碼。

1.雙硬件限幅器的光CDMA系統(tǒng)

　　雙硬件限幅器的光CDMA直接檢測(cè)系統(tǒng)中，硬件限幅器放置在光相關(guān)器之前和之后，分別稱為第一和第二硬件限幅器［4］。硬件限幅器的輸出定義為
　　
式中vf是依賴于信號(hào)強(qiáng)度的一個(gè)合適的值，Th是硬件限幅器的門限值，Th=vf=KλsTc(見文獻(xiàn)［4］),λs是光子吸收率，Tc是碼片的持續(xù)時(shí)間。

　　第一個(gè)硬件限幅器會(huì)把接收光強(qiáng)鉗制回vf，因此消除和減小了其他用戶產(chǎn)生的干擾。光相關(guān)器是由光纖延時(shí)線構(gòu)成的光器件，光延時(shí)線的時(shí)延與該用戶碼的脈沖持續(xù)相匹配。當(dāng)光相關(guān)器作了相關(guān)以后，第二個(gè)硬件限幅器消除了第一個(gè)硬件限幅器沒有消除的干擾。當(dāng)指定用戶傳輸“0”時(shí)，若光相關(guān)器的輸出光強(qiáng)小于T�環(huán)時(shí)，第二個(gè)硬件限幅器把光強(qiáng)歸零。硬件限幅器的最佳門限是單位接收光功率［3］。當(dāng)門限值大于單位接收光功率時(shí)，如傳 “1”，第二個(gè)硬件限幅器的輸出有可能會(huì)是“0”，因此錯(cuò)誤率會(huì)變壞。當(dāng)門限設(shè)得比單位接收光功率小以及接收到的光功率很小的時(shí)候，減小接收光功率的影響是很大的，因此錯(cuò)誤率也會(huì)變壞。

　　第二個(gè)硬件限幅器的輸出進(jìn)入光電探測(cè)器變?yōu)殡娦盘?hào)，電信號(hào)再進(jìn)入OOK解碼器。OOK解碼器在最后的碼片位置比較相關(guān)器的輸出和門限值的大小，假如輸出值大于門限值，就判決傳輸?shù)氖恰?”，否則就判決傳輸?shù)氖恰?”。

2.干擾估計(jì)和雙硬件限幅器的光CDMA系統(tǒng)



　　如圖1所示，該系統(tǒng)中接收信號(hào)分成兩路，上路信號(hào)是傳統(tǒng)的雙硬件限幅器的系統(tǒng)。 上路信號(hào)的輸出為B1。下路信號(hào)是干擾估計(jì)部分，由指定用戶傳“1”相減和2個(gè)支路組成。上面的支路由一個(gè)硬件限幅器、一個(gè)光電檢測(cè)器和積分器組成。下面的支路是干擾重建部分，由光相關(guān)器、其它所有用戶的編碼器和硬件限幅器組成。硬件限幅器［L1］、［L3］用來探測(cè)干擾脈沖的位置。［L1］、［L2］構(gòu)成了雙硬件限幅器。硬件限幅器的門限電平設(shè)置為單位接收光功率。

　　接收信號(hào)在相減復(fù)制部分分成2條支路,主要的路徑包括自適應(yīng)硬件限幅器［8］。在另一條支路是光信號(hào)變成電信號(hào)和接收信號(hào)的探測(cè)。自適應(yīng)硬件限幅器的門限電平是由另一條支路轉(zhuǎn)換的電信號(hào)控制，這樣指定用戶的信號(hào)“1”的地址碼就能從接收信號(hào)中減去。

　　下面的支路的積分器用來監(jiān)測(cè)干擾脈沖的位置的個(gè)數(shù)。積分器從c1前的個(gè)碼片開始到c1后的這段時(shí)間積分，c1是指定用戶信號(hào)的第一個(gè)位置，對(duì)指定用戶的接收者是已知的。
　　
　　接下來，我們分析一下提出系統(tǒng)的工作原則。

　�。�1）Ｂ1=0

　　當(dāng)B1是“0”的時(shí)候，傳輸?shù)谋忍乜梢员还烙?jì)為“0”。因?yàn)橹挥袀鬏敱忍貫椤?”的時(shí)候，雙硬件限幅器的輸出為“0”,因此輸出Y1是“0”。

　　（2）B1=1

　　當(dāng)B1=1時(shí)，雙硬件限幅器不知道是指定信號(hào)還是干擾信號(hào)，因此在干擾估計(jì)電路中估計(jì)干擾。

　　1）當(dāng)傳輸?shù)谋忍厥恰?”

　　當(dāng)B1=1和傳輸?shù)谋忍厥恰?”時(shí)，指定用戶的標(biāo)志位置都有可能受到其他用戶的干擾。因?yàn)閭鬏數(shù)谋忍貫椤?”，收到的信號(hào)僅僅由干擾構(gòu)成。在重建干擾的下支路中，指定用戶信號(hào)“1”的復(fù)制從接收信號(hào)中減去。在上支路中，當(dāng)減掉以后的信號(hào)通過硬件限幅器然后積分，積分器探測(cè)到干擾信號(hào)的位置數(shù)量。另一方面，在干擾信號(hào)重建的下支路，干擾信號(hào)沒有完全正確地重建。因此，干擾信號(hào)的位置數(shù)量比上支路的要�。害粒睛�。因此，當(dāng)B1=1和α＞β時(shí)，B2令作“0”，輸出的Y1=0。

　　2）傳輸?shù)谋忍貫椤?”時(shí)

　　當(dāng)B1=1和傳輸?shù)谋忍貫椤?”時(shí)，在上路中，只有指定用戶的信號(hào)從接收信號(hào)中減去。在上支路中，當(dāng)輸出信號(hào)通過硬件限幅器然后積分，如上同樣的過程。在上支路中，由于被減的信號(hào)由與接收信號(hào)一樣的干擾信號(hào)構(gòu)成，干擾信號(hào)重建完全正確。因此，當(dāng) B1=1和α=β時(shí)，B2令作1，Y2=1。

　　注意一點(diǎn)，當(dāng)傳輸比特為“0”時(shí)，有一些干擾類型導(dǎo)致了B1=1和α=β。例如，當(dāng)指定用戶的標(biāo)志位置收到兩個(gè)其他用戶標(biāo)志位置脈沖的干擾。這就是該系統(tǒng)中的一種錯(cuò)誤類型。

三、理論分析

　　我們?cè)谙嚓P(guān)特性的基礎(chǔ)上分析系統(tǒng)的誤比特率性能。為了簡(jiǎn)單起見，假設(shè)系統(tǒng)是碼片同步的。在分析中，我們忽略APD噪聲和光放大器噪聲。由于系統(tǒng)用了雙硬件限幅器，所以我們首先計(jì)算雙硬件限幅器系統(tǒng)的誤比特率；第二步，我們?cè)儆?jì)算提出的系統(tǒng)的誤比特率。

　　每個(gè)用戶都賦予一個(gè)碼長(zhǎng)為F、碼重為K的光正交碼。在雙硬件限幅器系統(tǒng)中，我們定義在指定用戶的第i個(gè)標(biāo)志位置受到N-1各非指定用戶的干擾為ki，令κ=(κ1,κ2,…κK)是干擾的類型。

　　我們假設(shè)第一個(gè)用戶是指定用戶。假如接收光子數(shù)為b1≤θ，第一個(gè)接收機(jī)就判定b1j=0，否則判定θ是OOK解碼器的判決電平。信號(hào)“0”傳輸時(shí)，指定用戶的所有標(biāo)志位置被其它用戶的脈沖撞擊時(shí)，該系統(tǒng)不能去除這類干擾［5］。
　　
發(fā)“1”時(shí)，系統(tǒng)不可能發(fā)生誤判。

　　我們?cè)俑鶕?jù)上面誤比特率，推出提出系統(tǒng)的誤比特率的上限，該理論上限為
　　
被不期望用戶的脈沖撞擊，也就是κi=1,i=1,2,…Ｋ，雙硬件限幅器系統(tǒng)不能去除干擾，從而會(huì)產(chǎn)生誤判，而提出的具有干擾估計(jì)和雙硬件限幅器系統(tǒng)就能估計(jì)干擾從而正確地判決。因此發(fā)“0”產(chǎn)生誤判的概率上限就是雙硬件限幅器系統(tǒng)發(fā)“0”概率減去期望用戶的標(biāo)志位置全部被不期望用戶脈沖撞擊的概率。
　

四、計(jì)算結(jié)果和仿真

　　我們計(jì)算了雙硬件限幅器和具有干擾估計(jì)的雙硬件限幅器的光CDMA系統(tǒng)的誤比特率。在分析中，我們假設(shè)最佳判決門限，碼異步和片同步，忽略APD噪聲、熱噪聲和光放大器的噪聲。



　　圖2 是雙硬件限幅器和干擾估計(jì)雙硬件限幅器的光CDMA系統(tǒng)的誤比特率與系統(tǒng)的用戶數(shù)的關(guān)系。兩個(gè)系統(tǒng)都是用了F=1000、K=7的光正交碼�？梢钥吹骄哂懈蓴_估計(jì)的雙硬件限幅器系統(tǒng)的誤比特率優(yōu)于無干擾估計(jì)的雙硬件限幅器系統(tǒng)，換句話說，它有比較大的系統(tǒng)的容量。

　　圖3 是雙硬件限幅器和具有干擾估計(jì)的雙硬件限幅器的光CDMA系統(tǒng)的誤比特率與碼重之間的關(guān)系。光正交碼的碼長(zhǎng)F=1000,N=10,最大碼重Kmax=10。從圖中可以看出，提出的系統(tǒng)的誤比特率低于雙硬件限幅器系統(tǒng)。為了達(dá)到無比特率10-10，雙硬件限幅器系統(tǒng)需要K=6，而提出的系統(tǒng)則需要K=5，因此所需的光功率較低。



五、結(jié)論

　　從以上的理論分析和計(jì)算機(jī)仿真可看出，具有干擾估計(jì)的雙硬件限幅器比傳統(tǒng)的硬件限幅器有更好的性能，或者說系統(tǒng)中能容納更多的用戶數(shù)。

參考文獻(xiàn)

［1］Jawad A Salehi.Code division multiple-access techniques in optical fiber networks-part I:Fundamental principles［J］.IEEE Trans.Commun,1989,(37): 824~833.
［2］Jawad ASalehi，Charles A Brackett.Code division multiple-access techniques in optical fiber networks-part II:System performance analysis［J］.IEEE Trans.Commun,1989,(37): 834～842.
［3］Tomoaki　Ohtsuki,Iwao　Sasase,Shinsaku　Mori. Effects of hard-limiter and error correction coding on performance of direct-detection optical CDMA systems with PPM signaling［C］.Proc.ICC′95［Ｃ］.1995.1307~1311.
［4］TomoakiOhtsuki,Kazumi　Sato,Iwao　Sasase，et al.Direct-detection optical synchronous CDMA systems with double optical hard-limiters using modified prime sequence codes［J］.IEEE J.Select.Areas Commun.,1996,(14):1879～1887.
［5］Tomoaki　Ohtsuki.Performance analysis of direct-detection optical asynchronous CDMA systems with double optical hard-limiters［J］.J.Lightwave Technol,1997,(15):452～457.
［6］Svetislav V　Maric，Vincent KN Lau.Multirate fiber-optical CDMA:system design and performance analysis［J］.J.Lightwave Technol,1998,(16):9～17.
［7］Fan RK Chung,Jawad A　Salehi，Victor K　Wei.Optical orthogonal codes:design,analysis ,and applications［J］.IEEE Trans.Inform.Theory,1989,(35):595～604.
［8］Che-li Lin，Jingshown Wu.A synchronous fiber-optical CDMA system using adaptive optical hardlimiter［J］.J.Lightwave Technol,1998,(16):1393～1403.