基于光外差法产生信源的RoF系统仿真设计

沈玲玲, 伊学君， 卢 婧

(电子科技大学成都学院, 四川 成都 611731)



基于光外差法产生信源的RoF系统仿真设计

沈玲玲, 伊学君， 卢 婧

(电子科技大学成都学院, 四川 成都 611731)

简述了光纤无线电(RoF)技术原理及优势,设计了一个适用于宽带无线通信技术的RoF系统。该系统采用光外差法产生60 GHz毫米波信源,给出了设计思路,并在此基础上使用OptiSystem软件对系统模型进行了仿真,得出了相应的仿真结果。重点分析了系统的信源产生模块及光纤传输特性对系统性能的影响。

光纤无线电(RoF)； 毫米波； 光外差法； 色散补偿光纤

1 光纤无线电(RoF)概述

光纤无线电(radio over fiber,RoF)是用光纤代替大气来传输无线信号的系统,是由Cooper在1990年提出来的[1],最早应用于有线电视网络中。近年来,因其在宽带无线通信应用中的显著优势而再次成为研究和应用的热点。RoF技术结合了无线通信和光纤通信技术,它既具有光纤传输带宽高、损耗低的优点,又具有无线通信的终端移动接入优势,适用于不同的调制方式和调制频率,为移动用户提供灵活的宽带接入服务[2]。

RoF系统包含一个中心控制站(center station,CS)、光纤传输网络、天线基站(base station,BS),其系统结构如图1所示[3]。根据光纤传输网络中传输信号的不同，可以将RoF系统分为3种,即射频光纤传输、中频光纤传输和基带光纤传输。这3种系统的光纤传输网络中分别传输射频、中频和基带信号,它们各有优缺点,分别适用于不同的应用场合[4-5]。

图1 RoF系统结构图

射频光纤传输技术也称为射频光纤拉远技术,由于其基站不需要射频本地振荡信号和频率变换,所以基站结构非常简单；同时,基站内的器件数目比较少,耗能也很低,非常适合应用于3G/4G宽带移动通信系统中。本文所述RoF系统特指射频光纤传输系统,现阶段在3G/4G移动通信系统中已有阴影覆盖、室内覆盖和室外小基站拉远等应用形式[6]。

下一代宽带无线接入的无线覆盖范围逐渐扩大。与宽带无线局域接入技术相比,宽带无线城域接入技术的接入带宽更宽、传输距离更远,可提供更好的服务质量(quality of service,QoS)支持,因此基于无线城域接入的RoF技术研究将是一个研究热点。近年来,一些相关研究也在相继出现,比如前景看好的无线城域接入标准IEEE802.16技术全球微波互联接入(worldwide interoperability for microwave access,WiMAX)与RoF系统的结合等。但是相比RoF与无线局域网结合及其在无线广域3G/4G系统中的实施,基于WiMAX的RoF系统的商用实例还相对较少,在已有的案例中,主要以EPON和WiMAX这两种技术融合的RoF系统方案比较受推崇[7],故本文拟设计一个适用于宽带无线城域接入技术特点的射频RoF系统,以期对其未来商用开发提供一定的借鉴。

2 60 GHz毫米波信源的RoF系统设计思路

RoF的关键技术主要有信源的产生、光信号的复用、接收及光纤传输中的色散管理和非线性克服等,只要选择合适的信源产生方式,认真地设计光纤链路相关参数,就可以获得符合需要的目标性能。

2.1 信源频率参数选择

无线通信系统的一个发展趋势是开发频率更高的无线资源,下一代无线接入——不管是移动的还是固定的无线接入——都必须在微波甚至毫米波段上实施。在目前的无线城域应用中,充分利用毫米波频谱的低端20～60 GHz是很有吸引力的。例如WiMAX技术,其用于特定区域固定用户的城域无线接入的频段就是10～66 GHz。本文基于光外差法产生信源的RoF系统选择工作于60 GHz频段,符合大量主流无线城域接入标准的频率需求。

2.2 射频信源的产生方式

信源产生方式是RoF系统的关键技术之一。RoF系统中信源产生方式主要有上、下变频法,外部光学调制器法和远程光外差法[8-10]。

以上3种产生信源的方式中,上、下变频法需要在收发端进行电域变频调制由于基站结构复杂、成本高,且实质变成中频光纤传输,故不符合本设计射频光传输系统的选择。

外部光学调制器法是最传统和应用最多的一种射频信源产生方式,其原理是携带传输信息的毫米波射频信号通过外调制器和激光器输出的光信号调制,输出形成双边带调制的光学信号,在光学接收器上通过边带与中心频率的拍频产生毫米波射频光信号。此方式会存在双边带调制的光波在光纤中传输,有丰富频率成分的光波信号会加剧光纤的材料色散和波导色散,同时外调制器件在RoF系统中以电吸收调制器(electro absorption modulator,EAM)为首选,而EAM器件的插入损耗问题对系统性能的影响也不容忽视。

远程光外差法可以避免其他两种方式存在的问题。光外差法也是近年RoF系统的一个研究热点,其主要原理是在光纤中传输两路频率差等于所需射频信源的信号,需要传输的基带信号加载到其中一个光波上,到达光电检测器的时候,光电二极管将扮演混频器的作用,检测其差频信号,从而得到所需的射频信号。相比外部光学调制器法,光外差法不仅能产生很高频率的光信号,同时在光纤中传输的两个载波信号的谱线宽度都很窄,光频率成分不丰富,对系统色散的影响大大降低,是一种很有优势的方式,故60 GHz射频信源产生方式采用远程光外差法。

2.3 光传输链路设计

由于RoF系统是一个光纤通信系统,故光纤传输的损耗、色散、非线性特性对系统的影响均应考虑。

在光纤传输链路设计上,传输光纤拟选用单模光纤,并针对损耗、色散问题增加在线放大器件与色散补偿模块。选择ITU-T的G.652标准光纤,且选择工作波长1 550 nm的光纤最低损耗窗口,虽然该工作波长不是光纤的零色散点,但由于采用了光外差信源产生方式,在光纤传输中不会产生像外调制法那样的复杂色散问题。采用1 550 nm工作波段的目的是可以利用性能优良的在线放大器EDFA,因其工作波长在1 550 nm附近。针对光纤色散对系统性能的影响,可采用色散补偿光纤来进行补偿,其结构非常简单。

3 系统仿真模型结构说明

按照RoF系统的设计思路,使用OptiSystem软件搭建了基于光外差产生60 GHz信源的RoF仿真系统,系统仿真结构如图2所示。整个系统主要由光外差信源产生模块、光传输链路及射频信号接收部分组成。

在中心站,光外差信源产生模块所需的两路光信号由激光器1和激光器2产生,其中激光器1的光频率为193.1 THz、功率为-10 dBm,激光器2的光频率为193.16 THz、功率为-10 dBm,它们之间的差频正好为系统的射频信源频率60 GHz,2台激光器的线宽都设置为10 MHz。一个伪随机码发生器产生2 Gbit/s码字并将其转换为非归零码后，与激光器2输出的193.16 THz的激光信号一起进入马赫-曾德尔调制器进行调制,调制后的光信号与激光器1发出的193.1 THz的光信号混合进入耦合器(耦合器的插入损耗在此忽略不计),耦合后的混合信号通过光纤链路送往基站。

光纤传输链路采用G.652单模光纤,其损耗系数为0.2 dB/km,色散系数为16 ps/(nm·km),光纤长度设为40 km。考虑光纤损耗影响,设置一个掺铒光纤放大器作为在线放大,放大器增益10 dB。采用色散补偿光纤直接进行光纤色散补偿。后文仿真分析对比补偿前后性能时会阐述色散补偿光纤的参数设定。

在基站,光电检测器将探测出射频电信号。选择响应度为1 A/W的PIN光电检测器。PIN后连接一个带通滤波器以进行边带噪声滤除。滤波后的信号通过无线信道将射频信号从BS传输到移动终端,在移动终端与正弦波发生器产生的60 GHz本振信号混频处理,再经低通滤波器滤波后得到解调基带信号,并对其用3R再生器进行放大、均衡等补偿处理。

此外,为了评估光外差法产生射频信号的过程,分别在马赫-曾德尔外调制器、耦合器后连接了光信号时/频域分析仪(图2中的光谱分析仪1、光时域分析仪、光谱分析仪2)；在PIN、带通滤波器后均连接了射频信号频谱分析仪(射频信号频谱分析仪1、射频信号频谱分析仪2 )；在3R再生器后面连接了软件自带的误码分析仪测试输出信号的眼图质量。

图2 基于光外差法的射频RoF系统仿真结构图

4 系统仿真结果及分析

4.1 光外差信源输出结果

图3所示为连接马赫-曾德尔调制器的光频谱分析仪的输出光谱图,它是信号经外调制以后的光波输出；图4是连接耦合器的光谱分析仪2输出的光谱图。从图4中可以看出：光纤链路上传输的确实是两路光信号,除了图3的光信号,还多出了一路激光器1发出的光信号,它们之间的频率差正好是设计要求的60 GHz的射频信号。

图3 马赫-曾德尔调制器的输出光频谱图

图4 光纤上传输的光信号频谱图

耦合后的两路信号经光纤传输到基站的PIN。按照光外差理论,PIN将会探测出两路信号的差频信号,即60 GHz的射频信源。图5(a)为连接PIN的光谱分析仪输出的光信号,可以看到经过PIN后已经生成了60 GHz的毫米波信号,但是从图中看到有许多边带噪声；而经过带通滤波器后的输出频谱图则可见边带噪声信号已被滤除,如图5(b)所示。滤波器的中心频率为60 GHz。

图5 PIN输出的60GHz射频信号频谱图

4.2 光纤传输链路分析

光纤传输的损耗和色散特性是影响系统性能的两大因素。损耗是光信号能量的损失,可使用EDFA进行补偿；而对于光纤的色散则会导致波形畸变[11-12],特别在高速、长途系统中会造成系统性能的急剧下降。图6(a)是误码分析仪输出的未进行色散补偿前的眼图,可以看出:不进行色散补偿,光纤色散对输出信号质量的劣化严重。增加一段长度为10 m、色散系数为-80 ps/(nm·km)的色散补偿光纤后,输出眼图张开程度增大,系统性能得到改善,如图6(b)所示。

图6 误码分析仪眼图输出

5 结语

设计的基于光外差法产生60 GHz毫米波信号的射频RoF系统,在OptiSystem软件下对系统进行了数值仿真。仿真结果表明:采用远程光外差方式产生射频信源的方法是可行的,且采用色散补偿光纤的光纤链路设计可以改善系统性能。

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

四川省教育厅科研项目(12ZB231)

沈玲玲(1982—),女,四川乐山,硕士,讲师,主要研究方向为高速光纤通信网络、电信网络和电信增值平台.

TN929.11；TP391.9

A

1002-4956(2016)11-0121-04