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(jì)自動(dòng)化

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(hào)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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' U4 E6 ]) Y$ R) M射頻光纖系統(tǒng)簡介
0 U; O# u/ M  C4 y/ k8 t7 Y  l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(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過光纖傳輸?shù)侥康牡兀�然后再轉(zhuǎn)換回射頻信號(hào)。
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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(gè)主要步驟：

射頻到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換：通過將射頻信號(hào)調(diào)制到光載波上實(shí)現(xiàn)。

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

光信號(hào)到射頻的轉(zhuǎn)換：在目的地，光信號(hào)通常通過光接收器轉(zhuǎn)換回射頻信號(hào)。[/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(gè)顯著優(yōu)勢：

低信號(hào)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(hào)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(hào)傳輸。

抗干擾能力：光信號(hào)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]
' g1 A7 _8 _7 e7 Q1 [$ P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(hào)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(gè)關(guān)鍵方面是誤差矢量幅度（EVM）和非線性的測量。

圖2：射頻光纖系統(tǒng)中EVM和非線性測試的示意圖。
EVM是理想信號(hào)與實(shí)際測量信號(hào)之間差異的度量。提供了整體信號(hào)質(zhì)量的洞察，特別適用于評估數(shù)字調(diào)制方案。
4 q8 r+ t# r% h! V) G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(hào)失真。
ROF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。
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圖3：展示射頻光纖系統(tǒng)主要組件的線路圖。
% C! M  F5 z6 }; H( N* I線路可以分為三個(gè)主要部分：1. 信號(hào)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(hào)，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。
2. 信號(hào)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(hào)傳輸。

SUB（減法器）：從DRV的信號(hào)輸出中減去特定部分，用于干擾消除或信號(hào)調(diào)整。
" L! Z" [4 W. m3 Z0 k/ Q9 A( K3. 信號(hào)分析

OFDMBER：測量OFDM信號(hào)的誤碼率（BER）。

ESA（電子頻譜分析儀）：分析信號(hào)的頻譜特性。

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

OSC（示波器）：監(jiān)測和分析時(shí)域信號(hào)。
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(hào)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。EVM值越低，表示信號(hào)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(hào)與最強(qiáng)雜散信號(hào)之比。SFDR越高，表示系統(tǒng)性能越好。
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# x: X: l6 {3 p- R7 O圖4：射頻光纖系統(tǒng)中EVM和SFDR測量的示例。
7 Z- X3 B8 m  R6 e在圖4所示的示例中，我們可以看到這些指標(biāo)的典型值：
! V: ?2 t0 O5 V, Z/ s) ~6 NEVM = 0.000758SFDR = 7.609e-06
- ~% r7 v8 m: ?0 @" G( p這些值表明信號(hào)質(zhì)量高，失真最小，這是設(shè)計(jì)良好的ROF系統(tǒng)的特征。
$ N" y$ I4 ~% j. r7 j' T' q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(hào)損耗使ROF成為衛(wèi)星地面站和控制中心之間傳輸信號(hào)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(hào)，信號(hào)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]
結(jié)論射頻光纖系統(tǒng)通過結(jié)合光傳輸和射頻信號(hào)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。
9 T4 C  i" U* P* b8 E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(hào)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(hào)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)。
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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