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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(jiǎng)勵(lì) |倒序?yàn)g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?jiǎng)?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]。
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射頻光纖系統(tǒng)簡介# z; z4 w, d, H$ K$ k6 j
射頻光纖技術(shù)結(jié)合了射頻通信的優(yōu)點(diǎn)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。
! Y* j4 }1 y* T$ t4 `4 c2 k: n# ^1 M) {2 v: I! _
9 L# I- r0 Y' `4 h7 f# I3 w% s
圖1:射頻光纖系統(tǒng)基本原理示意圖[2]。" r: l  ~0 n$ S" N
ROF的原理可以分為三個(gè)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(shí)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]
    5 A+ `: E  U# a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(gè)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]
    ! b7 b% D4 B0 n+ O$ K2 L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)。
    : b" }8 L3 ?: }2 h  u2 `4 P! O
    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(gè)關(guān)鍵方面是誤差矢量幅度(EVM)和非線性的測量。
    # U- m/ |4 V4 Y" C. i9 ~# b 6 C# n! v. d, M/ b7 m( J/ {
    圖2:射頻光纖系統(tǒng)中EVM和非線性測試的示意圖。4 d- K5 H" C# D) U( ~
    EVM是理想信號與實(shí)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。
    4 I) V5 [. D$ w; x3 K+ x- t1 K非線性測試有助于識(shí)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。
    + |; O9 K, A: d( c  K1 T8 bROF系統(tǒng)中的線路原理為了理解ROF系統(tǒng)在實(shí)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。, H4 y* y" M. c- T# |

    " s( G$ \, X; y; k4 i圖3:展示射頻光纖系統(tǒng)主要組件的線路圖。
    % B: G+ o0 P9 a& N* U; E# Y, h線路可以分為三個(gè)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(gè)正交子載波信號,每個(gè)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(shí)傳輸。
    & `' T. i/ Y% f2. 信號處理
  • DRV(驅(qū)動(dòng)器):提供足夠的功率驅(qū)動(dòng)后續(xù)兩個(gè)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。' F4 X: m# C4 s
    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(shí)域信號。: G. d4 O) B9 J) j5 A$ Y
    ROF系統(tǒng)的性能指標(biāo)評估ROF系統(tǒng)性能時(shí),考慮幾個(gè)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(dòng)態(tài)范圍(SFDR):這個(gè)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。
    7 B7 p( Y1 F3 j# b[/ol]
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    1 y8 z+ S& ~1 S! v. {
    圖4:射頻光纖系統(tǒng)中EVM和SFDR測量的示例。
    $ U" Y  p. I9 p: _: D在圖4所示的示例中,我們可以看到這些指標(biāo)的典型值:
    * s" t  d5 Q- T3 `0 P5 cEVM = 0.000758SFDR = 7.609e-06
    " G0 W9 k* ]" d% y* i+ |6 E這些值表明信號質(zhì)量高,失真最小,這是設(shè)計(jì)良好的ROF系統(tǒng)的特征。. f+ f0 ~- T" N; t+ y' |4 R+ i
    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(huì)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(gè)接入點(diǎn)。
  • 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]
    # `* a. o5 o7 F6 |' g9 s* j( {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。: k8 s- p2 J8 a- t4 y$ d
    正如我們所見,ROF的原理相對簡單,但實(shí)現(xiàn)需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)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 g! M# N& K* R5 _$ q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(xiàng)技術(shù)。# J5 k. j0 y4 |8 g
    參考文獻(xiàn)[1]Latitude Design Automation. [Online]. Available: https://latitudeda.com/. [Accessed: Sep. 2, 2024].
    : H! P* A9 N# Q% h4 F$ V[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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    2 I6 b  E! z5 X" D% M% h3 n/ A軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用,PIC Studio都可提升您的工作效能。
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    : J+ ~! o$ M& G* y5 g' v0 K% A轉(zhuǎn)載請注明出處,請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!
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    5 Q9 m* U# M% I  ^1 P6 t/ B7 w深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)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(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)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(jì)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(dòng)特色工藝半導(dǎo)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)。
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