基于光外差法產生信源的RoF系統仿真設計

沈玲玲, 伊學君， 盧 婧

(電子科技大學成都學院, 四川 成都 611731)

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基于光外差法產生信源的RoF系統仿真設計

沈玲玲, 伊學君， 盧 婧

(電子科技大學成都學院, 四川 成都 611731)

簡述了光纖無線電(RoF)技術原理及優勢,設計了一個適用于寬帶無線通信技術的RoF系統。該系統采用光外差法產生60 GHz毫米波信源,給出了設計思路,并在此基礎上使用OptiSystem軟件對系統模型進行了仿真,得出了相應的仿真結果。重點分析了系統的信源產生模塊及光纖傳輸特性對系統性能的影響。

光纖無線電(RoF)； 毫米波； 光外差法； 色散補償光纖

1 光纖無線電(RoF)概述

光纖無線電(radio over fiber,RoF)是用光纖代替大氣來傳輸無線信號的系統,是由Cooper在1990年提出來的[1],最早應用于有線電視網絡中。近年來,因其在寬帶無線通信應用中的顯著優勢而再次成為研究和應用的熱點。RoF技術結合了無線通信和光纖通信技術,它既具有光纖傳輸帶寬高、損耗低的優點,又具有無線通信的終端移動接入優勢,適用于不同的調制方式和調制頻率,為移動用戶提供靈活的寬帶接入服務[2]。

RoF系統包含一個中心控制站(center station,CS)、光纖傳輸網絡、天線基站(base station,BS),其系統結構如圖1所示[3]。根據光纖傳輸網絡中傳輸信號的不同，可以將RoF系統分為3種,即射頻光纖傳輸、中頻光纖傳輸和基帶光纖傳輸。這3種系統的光纖傳輸網絡中分別傳輸射頻、中頻和基帶信號,它們各有優缺點,分別適用于不同的應用場合[4-5]。

圖1 RoF系統結構圖

射頻光纖傳輸技術也稱為射頻光纖拉遠技術,由于其基站不需要射頻本地振蕩信號和頻率變換,所以基站結構非常簡單；同時,基站內的器件數目比較少,耗能也很低,非常適合應用于3G/4G寬帶移動通信系統中。本文所述RoF系統特指射頻光纖傳輸系統,現階段在3G/4G移動通信系統中已有陰影覆蓋、室內覆蓋和室外小基站拉遠等應用形式[6]。

下一代寬帶無線接入的無線覆蓋范圍逐漸擴大。與寬帶無線局域接入技術相比,寬帶無線城域接入技術的接入帶寬更寬、傳輸距離更遠,可提供更好的服務質量(quality of service,QoS)支持,因此基于無線城域接入的RoF技術研究將是一個研究熱點。近年來,一些相關研究也在相繼出現,比如前景看好的無線城域接入標準IEEE802.16技術全球微波互聯接入(worldwide interoperability for microwave access,WiMAX)與RoF系統的結合等。但是相比RoF與無線局域網結合及其在無線廣域3G/4G系統中的實施,基于WiMAX的RoF系統的商用實例還相對較少,在已有的案例中,主要以EPON和WiMAX這兩種技術融合的RoF系統方案比較受推崇[7],故本文擬設計一個適用于寬帶無線城域接入技術特點的射頻RoF系統,以期對其未來商用開發提供一定的借鑒。

2 60 GHz毫米波信源的RoF系統設計思路

RoF的關鍵技術主要有信源的產生、光信號的復用、接收及光纖傳輸中的色散管理和非線性克服等,只要選擇合適的信源產生方式,認真地設計光纖鏈路相關參數,就可以獲得符合需要的目標性能。

2.1 信源頻率參數選擇

無線通信系統的一個發展趨勢是開發頻率更高的無線資源,下一代無線接入——不管是移動的還是固定的無線接入——都必須在微波甚至毫米波段上實施。在目前的無線城域應用中,充分利用毫米波頻譜的低端20～60 GHz是很有吸引力的。例如WiMAX技術,其用于特定區域固定用戶的城域無線接入的頻段就是10～66 GHz。本文基于光外差法產生信源的RoF系統選擇工作于60 GHz頻段,符合大量主流無線城域接入標準的頻率需求。

2.2 射頻信源的產生方式

信源產生方式是RoF系統的關鍵技術之一。RoF系統中信源產生方式主要有上、下變頻法,外部光學調制器法和遠程光外差法[8-10]。

以上3種產生信源的方式中,上、下變頻法需要在收發端進行電域變頻調制由于基站結構復雜、成本高,且實質變成中頻光纖傳輸,故不符合本設計射頻光傳輸系統的選擇。

外部光學調制器法是最傳統和應用最多的一種射頻信源產生方式,其原理是攜帶傳輸信息的毫米波射頻信號通過外調制器和激光器輸出的光信號調制,輸出形成雙邊帶調制的光學信號,在光學接收器上通過邊帶與中心頻率的拍頻產生毫米波射頻光信號。此方式會存在雙邊帶調制的光波在光纖中傳輸,有豐富頻率成分的光波信號會加劇光纖的材料色散和波導色散,同時外調制器件在RoF系統中以電吸收調制器(electro absorption modulator,EAM)為首選,而EAM器件的插入損耗問題對系統性能的影響也不容忽視。

遠程光外差法可以避免其他兩種方式存在的問題。光外差法也是近年RoF系統的一個研究熱點,其主要原理是在光纖中傳輸兩路頻率差等于所需射頻信源的信號,需要傳輸的基帶信號加載到其中一個光波上,到達光電檢測器的時候,光電二極管將扮演混頻器的作用,檢測其差頻信號,從而得到所需的射頻信號。相比外部光學調制器法,光外差法不僅能產生很高頻率的光信號,同時在光纖中傳輸的兩個載波信號的譜線寬度都很窄,光頻率成分不豐富,對系統色散的影響大大降低,是一種很有優勢的方式,故60 GHz射頻信源產生方式采用遠程光外差法。

2.3 光傳輸鏈路設計

由于RoF系統是一個光纖通信系統,故光纖傳輸的損耗、色散、非線性特性對系統的影響均應考慮。

在光纖傳輸鏈路設計上,傳輸光纖擬選用單模光纖,并針對損耗、色散問題增加在線放大器件與色散補償模塊。選擇ITU-T的G.652標準光纖,且選擇工作波長1 550 nm的光纖最低損耗窗口,雖然該工作波長不是光纖的零色散點,但由于采用了光外差信源產生方式,在光纖傳輸中不會產生像外調制法那樣的復雜色散問題。采用1 550 nm工作波段的目的是可以利用性能優良的在線放大器EDFA,因其工作波長在1 550 nm附近。針對光纖色散對系統性能的影響,可采用色散補償光纖來進行補償,其結構非常簡單。

3 系統仿真模型結構說明

按照RoF系統的設計思路,使用OptiSystem軟件搭建了基于光外差產生60 GHz信源的RoF仿真系統,系統仿真結構如圖2所示。整個系統主要由光外差信源產生模塊、光傳輸鏈路及射頻信號接收部分組成。

在中心站,光外差信源產生模塊所需的兩路光信號由激光器1和激光器2產生,其中激光器1的光頻率為193.1 THz、功率為-10 dBm,激光器2的光頻率為193.16 THz、功率為-10 dBm,它們之間的差頻正好為系統的射頻信源頻率60 GHz,2臺激光器的線寬都設置為10 MHz。一個偽隨機碼發生器產生2 Gbit/s碼字并將其轉換為非歸零碼后，與激光器2輸出的193.16 THz的激光信號一起進入馬赫-曾德爾調制器進行調制,調制后的光信號與激光器1發出的193.1 THz的光信號混合進入耦合器(耦合器的插入損耗在此忽略不計),耦合后的混合信號通過光纖鏈路送往基站。

光纖傳輸鏈路采用G.652單模光纖,其損耗系數為0.2 dB/km,色散系數為16 ps/(nm·km),光纖長度設為40 km。考慮光纖損耗影響,設置一個摻鉺光纖放大器作為在線放大,放大器增益10 dB。采用色散補償光纖直接進行光纖色散補償。后文仿真分析對比補償前后性能時會闡述色散補償光纖的參數設定。

在基站,光電檢測器將探測出射頻電信號。選擇響應度為1 A/W的PIN光電檢測器。PIN后連接一個帶通濾波器以進行邊帶噪聲濾除。濾波后的信號通過無線信道將射頻信號從BS傳輸到移動終端,在移動終端與正弦波發生器產生的60 GHz本振信號混頻處理,再經低通濾波器濾波后得到解調基帶信號,并對其用3R再生器進行放大、均衡等補償處理。

此外,為了評估光外差法產生射頻信號的過程,分別在馬赫-曾德爾外調制器、耦合器后連接了光信號時/頻域分析儀(圖2中的光譜分析儀1、光時域分析儀、光譜分析儀2)；在PIN、帶通濾波器后均連接了射頻信號頻譜分析儀(射頻信號頻譜分析儀1、射頻信號頻譜分析儀2 )；在3R再生器后面連接了軟件自帶的誤碼分析儀測試輸出信號的眼圖質量。

圖2 基于光外差法的射頻RoF系統仿真結構圖

4 系統仿真結果及分析

4.1 光外差信源輸出結果

圖3所示為連接馬赫-曾德爾調制器的光頻譜分析儀的輸出光譜圖,它是信號經外調制以后的光波輸出；圖4是連接耦合器的光譜分析儀2輸出的光譜圖。從圖4中可以看出：光纖鏈路上傳輸的確實是兩路光信號,除了圖3的光信號,還多出了一路激光器1發出的光信號,它們之間的頻率差正好是設計要求的60 GHz的射頻信號。

圖3 馬赫-曾德爾調制器的輸出光頻譜圖

圖4 光纖上傳輸的光信號頻譜圖

耦合后的兩路信號經光纖傳輸到基站的PIN。按照光外差理論,PIN將會探測出兩路信號的差頻信號,即60 GHz的射頻信源。圖5(a)為連接PIN的光譜分析儀輸出的光信號,可以看到經過PIN后已經生成了60 GHz的毫米波信號,但是從圖中看到有許多邊帶噪聲；而經過帶通濾波器后的輸出頻譜圖則可見邊帶噪聲信號已被濾除,如圖5(b)所示。濾波器的中心頻率為60 GHz。

圖5 PIN輸出的60GHz射頻信號頻譜圖

4.2 光纖傳輸鏈路分析

光纖傳輸的損耗和色散特性是影響系統性能的兩大因素。損耗是光信號能量的損失,可使用EDFA進行補償；而對于光纖的色散則會導致波形畸變[11-12],特別在高速、長途系統中會造成系統性能的急劇下降。圖6(a)是誤碼分析儀輸出的未進行色散補償前的眼圖,可以看出:不進行色散補償,光纖色散對輸出信號質量的劣化嚴重。增加一段長度為10 m、色散系數為-80 ps/(nm·km)的色散補償光纖后,輸出眼圖張開程度增大,系統性能得到改善,如圖6(b)所示。

圖6 誤碼分析儀眼圖輸出

5 結語

設計的基于光外差法產生60 GHz毫米波信號的射頻RoF系統,在OptiSystem軟件下對系統進行了數值仿真。仿真結果表明:采用遠程光外差方式產生射頻信源的方法是可行的,且采用色散補償光纖的光纖鏈路設計可以改善系統性能。

References)

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Simulation design of RoF system based on signal source generated by optical heterodyne technique

Shen Lingling, Yi Xuejun， Lu Jing

(Chengdu College of University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

This paper briefly introduces the technological principles and advantages of RoF (Radio over Fiber)，and designs RoF system which is suitable for the broadband wireless communication technology. By using the optical heterodyne technique, 60 GHz millimeter wave signal source is produced, and the design idea is discussed. On this basis, the model is simulated by using OptiSystem software, and the related simulation results are obtained, focusing on analysing the module producing signal source in this system and the influence of optical fiber transmission properties on this system performance.

RoF(Radio over Fiber); millimeter wave; optical heterodyne technique; dispersion compensating optical fiber

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.030

2016-05-30

四川省教育廳科研項目(12ZB231)

沈玲玲(1982—),女,四川樂山,碩士,講師,主要研究方向為高速光纖通信網絡、電信網絡和電信增值平臺.

TN929.11；TP391.9

A

1002-4956(2016)11-0121-04