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pSim Plus光电联合仿真示例:射频光纤(ROF)系统的原理、优势和测试方法

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发表于 2024-9-4 08:00:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
引言射频光纤(Radio-Over-Fiber, ROF)技术是电信领域的重要创新,显着提高了信号传输质量和效率。本文将探讨ROF系统的基本原理、优势及其性能测试方法,使用 PIC Studio當中的 pSim Plus 进行仿真[1]。+ `' Y$ m9 G. t7 @; N

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射频光纤系统简介
! D1 \4 N! j- w射频光纤技术结合了射频通信的优点和光纤传输的优势。ROF系统的核心是将高频射频信号转换为光信号,通过光纤传输到目的地,然后再转换回射频信号。
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! C$ `+ d& }; ?! Q' n图1:射频光纤系统基本原理示意图[2]。
/ `* f4 q0 Z" A& }8 rROF的原理可以分为三个主要步骤:
  • 射频到光信号的转换:通过将射频信号调制到光载波上实现。
  • 光信号传输:转换后的光信号通过光纤传输到远端接收器。
  • 光信号到射频的转换:在目的地,光信号通常通过光接收器转换回射频信号。[/ol]$ r. A6 T; P6 ^( x8 U0 \
    射频光纤系统的优势与传统射频传输方法相比,ROF系统具有几个显着优势:
  • 低信号衰减和损耗:与传统同轴电缆或无线传输相比,光纤传输大大减少了传输损耗和信号衰减。
  • 高带宽:光纤提供的带宽远高于铜缆。这使得ROF系统能够支持更高频率和更大容量的射频信号传输。
  • 抗干扰能力:光信号在传输过程中几乎不受外部电磁干扰的影响。这一特性提高了系统的整体稳定性和可靠性。[/ol]
    ( s9 z5 R1 h# w- B9 U1 {这些优势使ROF系统特别适用于需要高质量、长距离传输射频信号的应用,如蜂窝网络、卫星通信和分布式天线系统。
    5 c. N7 b! |+ X* V& d. W' V
    射频光纤系统的测试为确保ROF系统的最佳性能,采用了各种测试方法。测试的一个关键方面是误差矢量幅度(EVM)和非线性的测量。
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    图2:射频光纤系统中EVM和非线性测试的示意图。
    0 w9 X& `9 a7 w' k& J* QEVM是理想信号与实际测量信号之间差异的度量。提供了整体信号质量的洞察,特别适用于评估数字调制方案。& G. g- ^$ w& ~0 \; e
    非线性测试有助于识别ROF系统中各种组件(如放大器和调制器)可能导致的信号失真。
    / o* h( \  t# M8 }7 S* YROF系统中的线路原理为了理解ROF系统在实践中如何工作,让我们检视这些系统中使用的典型线路设置。# K  V# v5 _6 \& R

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    ! \# K- H% J( [. _, r- w图3:展示射频光纤系统主要组件的线路图。
    ' y( ^! `0 o% g/ P" Z线路可以分为三个主要部分:1. 信号生成
  • OFDM(正交频分复用):将数字数据流转换为多个正交子载波信号,每个子载波频率精确选择。
  • Sum(求和):结合不同频率的子载波,以同时传输。
    ( ]# q2 K; {/ T4 \5 x/ g- C! q2. 信号处理
  • DRV(驱动器):提供足够的功率驱动后续两个分支,确保稳定和高质量的信号传输。
  • SUB(减法器):从DRV的信号输出中减去特定部分,用于干扰消除或信号调整。
    + H& s# H: g5 x6 d+ Q- q3. 信号分析
  • OFDMBER:测量OFDM信号的误码率(BER)。
  • ESA(电子频谱分析仪):分析信号的频谱特性。
  • TTA(双音分析仪):分析双音信号,通常用于调制和非线性失真测试,可用于测量信号中的失真分量。
  • OSC(示波器):监测和分析时域信号。
    + |; c% R) n" Y( ^9 Y( u$ \. X8 ?ROF系统的性能指标评估ROF系统性能时,考虑几个关键指标:
  • 误差矢量幅度(EVM):如前所述,EVM是评估信号质量的关键指标。EVM值越低,表示信号质量越好。
  • 无杂散动态范围(SFDR):这个指标测量输出中基本信号与最强杂散信号之比。SFDR越高,表示系统性能越好。7 U) Z5 }4 y6 z( j4 u+ B
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    图4:射频光纤系统中EVM和SFDR测量的示例。
    % {2 s1 Y' B6 L在图4所示的示例中,我们可以看到这些指标的典型值:4 W- h# s. H! o8 w# O/ |( D
    EVM = 0.000758SFDR = 7.609e-06
    / u! j8 @: _7 i" j  {0 \这些值表明信号质量高,失真最小,这是设计良好的ROF系统的特征。
    & O. h7 u& Y( D# @' s+ k+ p* R- p- f. J
    射频光纤系统的应用ROF系统的优势使得适用于广泛的应用:
  • 蜂窝网络:ROF可用于连接基站和远程天线单元,提高城市地区或大型建筑内部的覆盖范围。
  • 卫星通信:光纤的低信号损耗使ROF成为卫星地面站和控制中心之间传输信号的理想选择。
  • 有线电视:ROF系统可用于长距离分配高质量视频信号,信号质量几乎不会降低。
  • 无线局域网:在大型设施中,ROF可用于扩展无线网络的覆盖范围,无需多个接入点。
  • 雷达系统:ROF系统的低延迟和高带宽使得适用于先进的雷达应用,特别是在军事和航空航天领域。[/ol]2 r: q* t' D% e# ^2 j7 Z  J
    结论射频光纤系统通过结合光传输和射频信号的优势,与传统射频传输方法相比,提供了更好的性能、更高的带宽和更大的灵活性。+ _- C9 b/ `! y# j& P
    正如我们所见,ROF的原理相对简单,但实现需要仔细的设计和测试以确保最佳性能。使用如EVM和非线性测量技术,对于保持ROF系统能够提供的高信号质量非常重要。
    $ q; c3 r. V& T: O; p随着电信网络不断发展,对带宽和信号质量的需求不断增加,ROF技术发挥越来越重要的作用。无论是在5G和未来的蜂窝网络、先进的雷达系统,还是高速互联网分配中,ROF系统的优势使得值得在未来几年密切关注这项技术。
    ; q0 Q, \2 k0 q8 r3 y/ N# F参考文献[1]Latitude Design Automation. [Online]. Available: https://latitudeda.com/. [Accessed: Sep. 2, 2024].1 ]. w- K5 M! c; y6 Q; c$ o
    [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/photonics7040105.9 W  Y, @( ~! Q& z7 i9 I. n8 s
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    ( W' H% S# Z5 i: w  N0 _深圳逍遥科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家专注于半导体芯片设计自动化(EDA)的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件,提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务,广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作,推动特色工艺半导体产业链发展,致力于为客户提供前沿技术与服务。5 @4 O- Y; O* m$ D; Z7 G2 v
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