pSim Plus光電聯(lián)合仿真示例：射頻光纖（ROF）系統(tǒng)的原理、優(yōu)勢和測試方法

逍遙設(shè)計自動化

引言射頻光纖（Radio-Over-Fiber, ROF）技術(shù)是電信領(lǐng)域的重要創(chuàng)新，顯著提高了信號傳輸質(zhì)量和效率。本文將探討ROF系統(tǒng)的基本原理、優(yōu)勢及其性能測試方法，使用 PIC Studio當(dāng)中的 pSim Plus 進(jìn)行仿真[1]。



射頻光纖系統(tǒng)簡介
7 S" J- X; c( U射頻光纖技術(shù)結(jié)合了射頻通信的優(yōu)點和光纖傳輸?shù)膬?yōu)勢。ROF系統(tǒng)的核心是將高頻射頻信號轉(zhuǎn)換為光信號，通過光纖傳輸?shù)侥康牡�，然后再轉(zhuǎn)換回射頻信號。


: n( {' Q3 R/ \3 V圖1：射頻光纖系統(tǒng)基本原理示意圖[2]。
ROF的原理可以分為三個主要步驟：

射頻到光信號的轉(zhuǎn)換：通過將射頻信號調(diào)制到光載波上實現(xiàn)。

光信號傳輸：轉(zhuǎn)換后的光信號通過光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)端接收器。

光信號到射頻的轉(zhuǎn)換：在目的地，光信號通常通過光接收器轉(zhuǎn)換回射頻信號。[/ol]
射頻光纖系統(tǒng)的優(yōu)勢與傳統(tǒng)射頻傳輸方法相比，ROF系統(tǒng)具有幾個顯著優(yōu)勢：

低信號衰減和損耗：與傳統(tǒng)同軸電纜或無線傳輸相比，光纖傳輸大大減少了傳輸損耗和信號衰減。

高帶寬：光纖提供的帶寬遠(yuǎn)高于銅纜。這使得ROF系統(tǒng)能夠支持更高頻率和更大容量的射頻信號傳輸。

抗干擾能力：光信號在傳輸過程中幾乎不受外部電磁干擾的影響。這一特性提高了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和可靠性。[/ol]
這些優(yōu)勢使ROF系統(tǒng)特別適用于需要高質(zhì)量、長距離傳輸射頻信號的應(yīng)用，如蜂窩網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信和分布式天線系統(tǒng)。
射頻光纖系統(tǒng)的測試為確保ROF系統(tǒng)的最佳性能，采用了各種測試方法。測試的一個關(guān)鍵方面是誤差矢量幅度（EVM）和非線性的測量。
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圖2：射頻光纖系統(tǒng)中EVM和非線性測試的示意圖。
6 ]' q1 l" |* \$ D1 i: |EVM是理想信號與實際測量信號之間差異的度量。提供了整體信號質(zhì)量的洞察，特別適用于評估數(shù)字調(diào)制方案。
非線性測試有助于識別ROF系統(tǒng)中各種組件（如放大器和調(diào)制器）可能導(dǎo)致的信號失真。
' {' r+ \- g( T, [ROF系統(tǒng)中的線路原理為了理解ROF系統(tǒng)在實踐中如何工作，讓我們檢視這些系統(tǒng)中使用的典型線路設(shè)置。

# t+ I' Y5 \+ @+ L) d' A4 [圖3：展示射頻光纖系統(tǒng)主要組件的線路圖。
線路可以分為三個主要部分：1. 信號生成

OFDM（正交頻分復(fù)用）：將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為多個正交子載波信號，每個子載波頻率精確選擇。

Sum（求和）：結(jié)合不同頻率的子載波，以同時傳輸。
- z9 P. z/ @: S/ s2 R; u* R; e3 ~2. 信號處理

DRV（驅(qū)動器）：提供足夠的功率驅(qū)動后續(xù)兩個分支，確保穩(wěn)定和高質(zhì)量的信號傳輸。

SUB（減法器）：從DRV的信號輸出中減去特定部分，用于干擾消除或信號調(diào)整。
3. 信號分析

OFDMBER：測量OFDM信號的誤碼率（BER）。

ESA（電子頻譜分析儀）：分析信號的頻譜特性。

TTA（雙音分析儀）：分析雙音信號，通常用于調(diào)制和非線性失真測試，可用于測量信號中的失真分量。

OSC（示波器）：監(jiān)測和分析時域信號。
! q& N  y$ c9 dROF系統(tǒng)的性能指標(biāo)評估ROF系統(tǒng)性能時，考慮幾個關(guān)鍵指標(biāo)：

誤差矢量幅度（EVM）：如前所述，EVM是評估信號質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。EVM值越低，表示信號質(zhì)量越好。

無雜散動態(tài)范圍（SFDR）：這個指標(biāo)測量輸出中基本信號與最強(qiáng)雜散信號之比。SFDR越高，表示系統(tǒng)性能越好。
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! Q' s/ ~: L$ H) Q, I0 M圖4：射頻光纖系統(tǒng)中EVM和SFDR測量的示例。
6 x7 r' H5 j0 S在圖4所示的示例中，我們可以看到這些指標(biāo)的典型值：
EVM = 0.000758SFDR = 7.609e-06
, [5 j- ~6 v+ x  b, r& n這些值表明信號質(zhì)量高，失真最小，這是設(shè)計良好的ROF系統(tǒng)的特征。
) b- S2 ~) X6 k# ]+ D4 k4 y射頻光纖系統(tǒng)的應(yīng)用ROF系統(tǒng)的優(yōu)勢使得適用于廣泛的應(yīng)用：

蜂窩網(wǎng)絡(luò)：ROF可用于連接基站和遠(yuǎn)程天線單元，提高城市地區(qū)或大型建筑內(nèi)部的覆蓋范圍。

衛(wèi)星通信：光纖的低信號損耗使ROF成為衛(wèi)星地面站和控制中心之間傳輸信號的理想選擇。

有線電視：ROF系統(tǒng)可用于長距離分配高質(zhì)量視頻信號，信號質(zhì)量幾乎不會降低。

無線局域網(wǎng)：在大型設(shè)施中，ROF可用于擴(kuò)展無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，無需多個接入點。

雷達(dá)系統(tǒng)：ROF系統(tǒng)的低延遲和高帶寬使得適用于先進(jìn)的雷達(dá)應(yīng)用，特別是在軍事和航空航天領(lǐng)域。[/ol]
結(jié)論射頻光纖系統(tǒng)通過結(jié)合光傳輸和射頻信號的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)射頻傳輸方法相比，提供了更好的性能、更高的帶寬和更大的靈活性。
正如我們所見，ROF的原理相對簡單，但實現(xiàn)需要仔細(xì)的設(shè)計和測試以確保最佳性能。使用如EVM和非線性測量技術(shù)，對于保持ROF系統(tǒng)能夠提供的高信號質(zhì)量非常重要。
隨著電信網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展，對帶寬和信號質(zhì)量的需求不斷增加，ROF技術(shù)發(fā)揮越來越重要的作用。無論是在5G和未來的蜂窩網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)的雷達(dá)系統(tǒng)，還是高速互聯(lián)網(wǎng)分配中，ROF系統(tǒng)的優(yōu)勢使得值得在未來幾年密切關(guān)注這項技術(shù)。
參考文獻(xiàn)[1]Latitude Design Automation. [Online]. Available: https://latitudeda.com/. [Accessed: Sep. 2, 2024].
[2]He, Jiayuan & Lee, Jeonghun & Kandeepan, Sithamparanathan & Wang, Ke. (2020). Machine Learning Techniques in Radio-over-Fiber Systems and Networks. Photonics. 7. 105. 10.3390/photonics7040105.
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