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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

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發(fā)表于 2024-9-4 08:00:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
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當中的 pSim Plus 進行仿真[1]。
2 u. b5 Q  p5 \
) m1 ^/ A. c4 j5 f# y 8 y# n- {4 A; Q

) @5 C. ^1 ^! G射頻光纖系統(tǒng)簡介* z0 D1 u: \! y* d
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。
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3 s. j; }4 L, U. ^- R% d3 v4 `  ?
" S3 c6 t& e- P$ B- \7 I" K圖1:射頻光纖系統(tǒng)基本原理示意圖[2]。2 O: n# O  q% @* h' z$ h
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]
    . C6 J" }; G% i0 E, D* g" U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], z. ~; d2 o! O$ P9 a: j" }
    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)。/ G& e# z8 d2 S% u
    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。
    : r8 t8 }% o3 q9 o4 R
    9 q% x) G, p! ^) D- Q; @! }圖2:射頻光纖系統(tǒng)中EVM和非線性測試的示意圖。
    , C9 {8 D" M$ m3 R+ G. _/ BEVM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。" s2 I- s% V" `6 N  Y$ [
    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)可能導致的信號失真。1 d6 C" d, W+ ]% J, E6 y+ h
    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。% f9 g! f; Y/ E% }# k
    4 H' O& |3 m" @- Q* L* z7 C3 Q' M
    圖3:展示射頻光纖系統(tǒng)主要組件的線路圖。( n1 q! D, O1 m9 K
    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)字數(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。
      c$ C0 y5 `) V8 L2. 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。
    - f* X" I  o  R* g8 `  l3. 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。
    , K7 a6 N# o0 c7 L9 ZROF系統(tǒng)的性能指標評估ROF系統(tǒng)性能時,考慮幾個關(guān)鍵指標:
  • 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。EVM值越低,表示信號質(zhì)量越好。
  • 無雜散動態(tài)范圍(SFDR):這個指標測量輸出中基本信號與最強雜散信號之比。SFDR越高,表示系統(tǒng)性能越好。9 a- `1 p+ k" Q1 w+ l
    [/ol]
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    * B) o3 t) |2 z# W0 W 1 R1 _5 @6 u5 Y9 n

    ) z& i0 b+ X. t2 W* Y) k
    4 A: O' R/ A" {- V / k( f) r4 m6 J4 @6 ?% W6 W
    圖4:射頻光纖系統(tǒng)中EVM和SFDR測量的示例。
    4 G3 Z' l7 I5 U  f: n在圖4所示的示例中,我們可以看到這些指標的典型值:6 Y4 m1 W2 N" w% k0 I! f  X' Y
    EVM = 0.000758SFDR = 7.609e-06
    5 Q& r' K) Y* z. q( m5 b0 j0 ?; e% [4 c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。
    & @# |' O' N5 H6 f+ e+ R' w
    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可用于擴展無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,無需多個接入點。
  • 雷達系統(tǒng):ROF系統(tǒng)的低延遲和高帶寬使得適用于先進的雷達應(yīng)用,特別是在軍事和航空航天領(lǐng)域。[/ol]
    : l  J( ^* j% J0 b' P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。
      B' E0 L# Y+ u" \% p# j正如我們所見,ROF的原理相對簡單,但實現(xiàn)需要仔細的設(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。
    7 |  \  p5 V  I# b* r4 G1 n2 B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)、先進的雷達系統(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)。( r7 _( z" e% \
    參考文獻[1]Latitude Design Automation. [Online]. Available: https://latitudeda.com/. [Accessed: Sep. 2, 2024].; ^* |. Y  I# ?6 P) C. \
    [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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    深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導體芯片設(shè)計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。( k6 i9 x/ M1 v6 b; \3 I2 B( z

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