具有干扰估计和双硬件限幅器的光CDMA直接检测接收机

　　摘 要：提出了一种应用干扰估计和双硬件限幅器的光CDMA的直接检测技术。在提出的系统中，当硬件限幅器的输出为“0”时，系统的输出为“0”;当硬件限幅器的输出为“1”时，系统估计这个“1”到底是干扰还是传输的信号。仿真结果表明，该系统有效地减小了多用户干扰的影响。

　　关键词：光CDMA；双硬件限幅器；多用户干扰；直接检测接收机

一、引言

　　最近，光CDMA系统引起了人们极大的兴趣，它的系统容量大，保密性好，但有一个主要的问题就是多用户干扰(MAI)对系统性能有很大的影响［1］。单个的光硬件限幅器应用在广CDMA系统中减小了多用户干扰并提高了误码率［2］。在光CDMA系统中，一个硬件限幅器被放置在光相干器之前，当期望的用户发“0”的时候，这种系统不能完全去除一些类型的干扰，因此单硬件限幅器系统不能取得很好的性能。

　　为了提高系统性能，通过消除一些单硬件限幅器不能完全消除的干扰，人们提出了双硬件限幅器光CDMA系统，这两个硬件限幅器分别放置在光相关器之前和之后［4］。这种双硬件限幅器的异步光CDMA系统在同步用户数不是很多的情况下，比单硬件限幅器和没有限幅器的系统有更好的性能［5］。然而，还是有一些多用户干扰是这种双硬件限幅器系统不能消除的。

　　本文提出了一种应用干扰估计和双硬件限幅器的多用户干扰直接检测技术，减小了双硬件限幅器系统性能的错误率。在该系统中，当双硬件限幅器的输出为“0”时，系统的输出也为“0”。当双硬件限幅器的输出为“1”时，系统重建干扰并估计这个输出值“1”是干扰还是传输的信号。当接收光功率很大的时候噪声可以忽略［6］。在理论上，从计算结果和计算机模拟来看，该系统有效地减小了多用户干扰的影响，提高了误比特率性能。

二、系统模型

　　直接检测光CDMA系统需要好的相关特性的单极性码，目前普遍采用的是光正交码 （OOC）［7］、素数码（Prime）等。文中应用了码长为F码重为K的光正交码（OOC）作为地址码。

1.双硬件限幅器的光CDMA系统

　　双硬件限幅器的光CDMA直接检测系统中，硬件限幅器放置在光相关器之前和之后，分别称为第一和第二硬件限幅器［4］。硬件限幅器的输出定义为
　　
式中vf是依赖于信号强度的一个合适的值，Th是硬件限幅器的门限值，Th=vf=KλsTc(见文献［4］),λs是光子吸收率，Tc是码片的持续时间。

　　第一个硬件限幅器会把接收光强钳制回vf，因此消除和减小了其他用户产生的干扰。光相关器是由光纤延时线构成的光器件，光延时线的时延与该用户码的脉冲持续相匹配。当光相关器作了相关以后，第二个硬件限幅器消除了第一个硬件限幅器没有消除的干扰。当指定用户传输“0”时，若光相关器的输出光强小于T環时，第二个硬件限幅器把光强归零。硬件限幅器的最佳门限是单位接收光功率［3］。当门限值大于单位接收光功率时，如传 “1”，第二个硬件限幅器的输出有可能会是“0”，因此错误率会变坏。当门限设得比单位接收光功率小以及接收到的光功率很小的时候，减小接收光功率的影响是很大的，因此错误率也会变坏。

　　第二个硬件限幅器的输出进入光电探测器变为电信号，电信号再进入OOK解码器。OOK解码器在最后的码片位置比较相关器的输出和门限值的大小，假如输出值大于门限值，就判决传输的是“1”，否则就判决传输的是“0”。

2.干扰估计和双硬件限幅器的光CDMA系统



　　如图1所示，该系统中接收信号分成两路，上路信号是传统的双硬件限幅器的系统。 上路信号的输出为B1。下路信号是干扰估计部分，由指定用户传“1”相减和2个支路组成。上面的支路由一个硬件限幅器、一个光电检测器和积分器组成。下面的支路是干扰重建部分，由光相关器、其它所有用户的编码器和硬件限幅器组成。硬件限幅器［L1］、［L3］用来探测干扰脉冲的位置。［L1］、［L2］构成了双硬件限幅器。硬件限幅器的门限电平设置为单位接收光功率。

　　接收信号在相减复制部分分成2条支路,主要的路径包括自适应硬件限幅器［8］。在另一条支路是光信号变成电信号和接收信号的探测。自适应硬件限幅器的门限电平是由另一条支路转换的电信号控制，这样指定用户的信号“1”的地址码就能从接收信号中减去。

　　下面的支路的积分器用来监测干扰脉冲的位置的个数。积分器从c1前的个码片开始到c1后的这段时间积分，c1是指定用户信号的第一个位置，对指定用户的接收者是已知的。
　　
　　接下来，我们分析一下提出系统的工作原则。

　　（1）Ｂ1=0

　　当B1是“0”的时候，传输的比特可以被估计为“0”。因为只有传输比特为“0”的时候，双硬件限幅器的输出为“0”,因此输出Y1是“0”。

　　（2）B1=1

　　当B1=1时，双硬件限幅器不知道是指定信号还是干扰信号，因此在干扰估计电路中估计干扰。

　　1）当传输的比特是“0”

　　当B1=1和传输的比特是“0”时，指定用户的标志位置都有可能受到其他用户的干扰。因为传输的比特为“0”，收到的信号仅仅由干扰构成。在重建干扰的下支路中，指定用户信号“1”的复制从接收信号中减去。在上支路中，当减掉以后的信号通过硬件限幅器然后积分，积分器探测到干扰信号的位置数量。另一方面，在干扰信号重建的下支路，干扰信号没有完全正确地重建。因此，干扰信号的位置数量比上支路的要小：α＞β。因此，当B1=1和α＞β时，B2令作“0”，输出的Y1=0。

　　2）传输的比特为“1”时

　　当B1=1和传输的比特为“1”时，在上路中，只有指定用户的信号从接收信号中减去。在上支路中，当输出信号通过硬件限幅器然后积分，如上同样的过程。在上支路中，由于被减的信号由与接收信号一样的干扰信号构成，干扰信号重建完全正确。因此，当 B1=1和α=β时，B2令作1，Y2=1。

　　注意一点，当传输比特为“0”时，有一些干扰类型导致了B1=1和α=β。例如，当指定用户的标志位置收到两个其他用户标志位置脉冲的干扰。这就是该系统中的一种错误类型。

三、理论分析

　　我们在相关特性的基础上分析系统的误比特率性能。为了简单起见，假设系统是码片同步的。在分析中，我们忽略APD噪声和光放大器噪声。由于系统用了双硬件限幅器，所以我们首先计算双硬件限幅器系统的误比特率；第二步，我们再计算提出的系统的误比特率。

　　每个用户都赋予一个码长为F、码重为K的光正交码。在双硬件限幅器系统中，我们定义在指定用户的第i个标志位置受到N-1各非指定用户的干扰为ki，令κ=(κ1,κ2,…κK)是干扰的类型。

　　我们假设第一个用户是指定用户。假如接收光子数为b1≤θ，第一个接收机就判定b1j=0，否则判定θ是OOK解码器的判决电平。信号“0”传输时，指定用户的所有标志位置被其它用户的脉冲撞击时，该系统不能去除这类干扰［5］。
　　
发“1”时，系统不可能发生误判。

　　我们再根据上面误比特率，推出提出系统的误比特率的上限，该理论上限为
　　
被不期望用户的脉冲撞击，也就是κi=1,i=1,2,…Ｋ，双硬件限幅器系统不能去除干扰，从而会产生误判，而提出的具有干扰估计和双硬件限幅器系统就能估计干扰从而正确地判决。因此发“0”产生误判的概率上限就是双硬件限幅器系统发“0”概率减去期望用户的标志位置全部被不期望用户脉冲撞击的概率。
　

四、计算结果和仿真

　　我们计算了双硬件限幅器和具有干扰估计的双硬件限幅器的光CDMA系统的误比特率。在分析中，我们假设最佳判决门限，码异步和片同步，忽略APD噪声、热噪声和光放大器的噪声。



　　图2 是双硬件限幅器和干扰估计双硬件限幅器的光CDMA系统的误比特率与系统的用户数的关系。两个系统都是用了F=1000、K=7的光正交码。可以看到具有干扰估计的双硬件限幅器系统的误比特率优于无干扰估计的双硬件限幅器系统，换句话说，它有比较大的系统的容量。

　　图3 是双硬件限幅器和具有干扰估计的双硬件限幅器的光CDMA系统的误比特率与码重之间的关系。光正交码的码长F=1000,N=10,最大码重Kmax=10。从图中可以看出，提出的系统的误比特率低于双硬件限幅器系统。为了达到无比特率10-10，双硬件限幅器系统需要K=6，而提出的系统则需要K=5，因此所需的光功率较低。



五、结论

　　从以上的理论分析和计算机仿真可看出，具有干扰估计的双硬件限幅器比传统的硬件限幅器有更好的性能，或者说系统中能容纳更多的用户数。

参考文献

［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.

作者：谈亚芳（电子科技大学 物理电子学院，四川 成都 610054）   来源：电讯技术