北京錦坤科技有限公司，基于WiMAX的射頻光纖傳輸（RFoF）系統(tǒng)性能研究4

直接強(qiáng)度調(diào)制方法雖然簡(jiǎn)單，但對(duì)元器件的性能要求較高，要求激光器的P．1曲線的線性度非常好。外調(diào)制是一種獨(dú)立于光源之外的調(diào)制技術(shù)。這種調(diào)制不像直接強(qiáng)度調(diào)制那樣在光源上進(jìn)行，而是將電信號(hào)加載在另一媒質(zhì)上，利用該媒質(zhì)的物理特性使得光波特性隨電信號(hào)變化而發(fā)生變化，從而間接建立了電信號(hào)和發(fā)射的激光的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種調(diào)制方式不會(huì)影響光源工作的穩(wěn)定性，所以具有較高的傳輸質(zhì)量。但是外調(diào)制需要昂貴的外調(diào)制器完成，成本較高。典型的外調(diào)制器有電吸收光調(diào)制器(Electro．absorption Modulator,洲)和Mach.Zende光調(diào)制器

 (2)光外差法

光外差法是指在發(fā)送端產(chǎn)生兩路相干光載波，或利用同一個(gè)激光光源的兩個(gè)邊帶，其光頻差為電載波的頻率，在接收端利用光探測(cè)器的平方律特性將兩路光信號(hào)混頻，輸出電信號(hào)。光外差法的優(yōu)點(diǎn)是不需要額外的光調(diào)制器，但是需要產(chǎn)生相干光載波。如果只有一路光載波被調(diào)制，系統(tǒng)對(duì)于色度色散的敏感度會(huì)很低，性能很好。而且可以產(chǎn)生調(diào)制深度為100％的信號(hào)。由于光纖色散的影響，隨著傳輸距離的增加，相干光載波會(huì)產(chǎn)生不同的延時(shí)，因此在接收端其相關(guān)程度會(huì)下降，會(huì)引起附加的相位噪聲。

(3)上下變頻法

上下變頻法可以分為電域上下變頻法和光域上下變頻法兩種。兩者都是在光纖鏈路上，傳輸一個(gè)中頻的無線信號(hào)。因此，在基站端，仍然需要實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)與射頻信號(hào)之間的頻率變換。對(duì)于電域上下變頻法，基站必須有一個(gè)高頻的本地振蕩信號(hào)源。對(duì)于光域上下變頻法，高頻源則通過兩束光波相干頻差產(chǎn)生。但是這兩種上下變頻法，都會(huì)造成基站的構(gòu)造十分復(fù)雜，而且體積龐大，造價(jià)昂貴，并不利于推廣使用。

第四章基于WiMAX的射頻光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

目前，射頻光纖傳輸系統(tǒng)研究領(lǐng)域已有大量關(guān)于WLAN與射頻光纖傳輸系統(tǒng)相結(jié)合的論文，現(xiàn)有GSM和3G系統(tǒng)中亦有若干成功商用的實(shí)例。本章結(jié)合前兩章的內(nèi)容，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于WiMAX的射頻光纖傳輸系統(tǒng)。該方案主要包含了對(duì)系統(tǒng)的中心站與基站問點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的下行鏈路結(jié)構(gòu)的描述、建立系統(tǒng)功率預(yù)算和載波帶寬選擇的理論模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了分析。其**率預(yù)算和載波帶寬選擇的分析結(jié)果對(duì)系統(tǒng)在功率以及載波帶寬選擇方面具有一定指導(dǎo)意義。

4．1基于W i MAX的射頻光纖傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如2．3．2所述，WiMAX／802．16的物理層由傳輸匯聚子層(TransmissionConvergence subLayer，TCL)和物理媒質(zhì)依賴子層(Physical Medium Dependent，PMD)組成。物理媒質(zhì)依賴子層的功能是執(zhí)行信道編碼、調(diào)制解調(diào)等一系列過程。基于WiMAX的射頻光纖傳輸系統(tǒng)下行鏈路的發(fā)送端結(jié)構(gòu)框圖如圖4_1所示。

據(jù)WiMAX論壇的統(tǒng)計(jì)，全球WiMAX系統(tǒng)從研發(fā)到應(yīng)用可供使用的頻段主要為2．3GHz一2．6GHz、3．3GHz一3．6GHz以及5GHz頻段，其中對(duì)于移動(dòng)業(yè)務(wù)而言，比較理想的頻段為2．3GHz、2．5GHz、3．5GHz。我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用3．5GHz頻段。在中心站首先按照WiMAX／IEEE 802．16標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對(duì)傳輸匯聚子層傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的編碼、交織、多路復(fù)用與突發(fā)結(jié)構(gòu)、加密、調(diào)制等一系列的處理。再用調(diào)制后的射頻信號(hào)作為半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流，直接強(qiáng)度調(diào)制半導(dǎo)體激光器，使其輸出光功率隨電信號(hào)的幅度變化。一個(gè)單一的激光器作為光源的同時(shí)，也作為調(diào)制器。所得到的強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)，通過光纖送到遠(yuǎn)端基站。在遠(yuǎn)端基站，使用一個(gè)高速寬帶的PIN光電檢測(cè)器直接檢測(cè)光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為

原來符合WiMAX標(biāo)準(zhǔn)的射頻信號(hào)。為了放大接收到的WiMAX射頻信號(hào)可以使用寬帶功率放大器，產(chǎn)生一個(gè)足夠的電壓來激勵(lì)天線或發(fā)射器，將射頻信號(hào)輻射出去。在接收端的處理過程剛好相反，僅僅在解調(diào)前通常需要利用均衡機(jī)制來校正信號(hào)在傳輸過程中可能產(chǎn)生的相位和幅度的失真。

4．2功率受限系統(tǒng)傳輸距離預(yù)算及分析

傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)，再生段距離的設(shè)計(jì)一般可以從兩個(gè)角度進(jìn)行考慮：損耗受限系統(tǒng)和色散受限系統(tǒng)。損耗受限系統(tǒng)是指由發(fā)送端和接收端之間的光通道的損耗決定再生段的距離；色散受限系統(tǒng)是指由發(fā)送端和接收端之間的光通道總的色散決定再生段的距離。同樣地，對(duì)于射頻光纖傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)所能夠支持的光纜長(zhǎng)度是一個(gè)重要的研究指標(biāo)。當(dāng)光纖帶寬與信號(hào)速率之比足夠大時(shí)，傳輸距離主要受到光纖損耗的限制。從損耗受限系統(tǒng)的角度，通過功率預(yù)算來大體計(jì)算出這一指標(biāo)。功率預(yù)算對(duì)設(shè)備、器件的選取，也具有重要的指導(dǎo)作用。根據(jù)功率預(yù)算的結(jié)果，選擇符合系統(tǒng)性能要求的設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)的造價(jià)進(jìn)行初步的估算。

4．2．1功率受限系統(tǒng)傳輸距離預(yù)算

可以將系統(tǒng)從射頻發(fā)射機(jī)到激光器之間的各個(gè)部分分解開來，按順序進(jìn)行分析推導(dǎo)。主要可以分為以下幾個(gè)部分：射頻光纖傳輸系統(tǒng)發(fā)射機(jī)、功率放大器、光電檢測(cè)器及前置放大器、光纖和激光器。所謂發(fā)射機(jī)輸出功率是指發(fā)射機(jī)提供給電磁輻射器(天線)的射頻功率。設(shè)WiMAX發(fā)射機(jī)的輸出功率為毋(dBm)，功率放大器的平均輸入功率為只(dBm)，則：

 P₂=P₁-G             (4-1)     

其中，G??示功率放大器增益。根據(jù)文獻(xiàn)[291，可以得出：

其中，4表示前置低噪聲放大器互阻增益；表示PIN光電二極管的平均輸出

電流:M表示光電二級(jí)管的雪崩增益;R_Z表示光接收管負(fù)載電阻;m表示半導(dǎo)體激光器強(qiáng)度調(diào)制的調(diào)制指數(shù).

由(4-1)和式(4-2),可得:

則輸入光檢測(cè)器的平均光功率P3(W)如式(4-4)所示:

其中,R表示光電二極管的響應(yīng)度.

式中,激光器的平均輸出光功率為P(W),a_r為系統(tǒng)損耗,其中包括:光纖活動(dòng)連接器損耗a_c(B/個(gè)),光纖固定熔接損耗a_s(dB/個(gè))單位長(zhǎng)度的光纖損耗a_F(dB/km).M_s    為系統(tǒng)的富余度,單位為dB,是考慮到設(shè)備,元件的老化,系統(tǒng)工作參數(shù)的變化,環(huán)境變化等的影響,及其它各種難以預(yù)告估計(jì)的因素預(yù)留出來的余量.因此式

(4-5)可改寫為:

式中,L_F  為每段光纖的長(zhǎng)度,L為系統(tǒng)的光纖總長(zhǎng)度.若考慮接入網(wǎng)中的應(yīng)用,光纖的長(zhǎng)度通常不是非常長(zhǎng),則忽略掉光纖的焊接損耗,式(4-6)可以簡(jiǎn)化為:

可得:

則功率受限系統(tǒng)傳輸距離為:

4．2．2系統(tǒng)參數(shù)的選擇及功率預(yù)算分析

根據(jù)式(4．9)，可以得知系統(tǒng)功率預(yù)算涉及到的參數(shù)如表4-1所示。下面分別對(duì)各個(gè)參數(shù)的選取進(jìn)行討論。

4．2．2．1 WiMA)(射頻發(fā)射機(jī)的*大輸出功率

在IEEE 802．16系列標(biāo)準(zhǔn)中，并未對(duì)WiMAX發(fā)射機(jī)的*大輸出功率作相應(yīng)的規(guī)定，而是把它留給設(shè)備將部署的地區(qū)，作為“地區(qū)規(guī)章"，自行選擇。在一般情況中，發(fā)射機(jī)通常只需要能夠提供讓系統(tǒng)正常工作的足夠功率即可。我國的行標(biāo)中也沒有針對(duì)3．5GHz頻段與OFDM調(diào)制方式相對(duì)應(yīng)的發(fā)射機(jī)輸出功率的規(guī)定。文獻(xiàn)[301提出，為了達(dá)到高性能和可靠性，WiMAX／IEEE 802．16系統(tǒng)通常分為兩個(gè)部分：室內(nèi)單元(indoor unit，IDU)和室外單元(outdoor uait，ODU)．前者提供數(shù)模／模數(shù)變換和基帶處理部分，后者用來進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換并將上行流和下行流信號(hào)放大到適合IDU使用的功率。在此文獻(xiàn)中，所有和IDU相連的以及ODU與IDU之間的連接介質(zhì)都是通過單一的同軸電纜。對(duì)于我們所研究的基于發(fā)射機(jī)，支持的發(fā)射機(jī)輸出功率為22dBm。

4．2．2．2 功率放大器的輸出功率及輸入功率

現(xiàn)階段有一些公司已經(jīng)開發(fā)研制出針對(duì)于WiMAX系統(tǒng)3．5GHz頻帶的RF功率晶體管。針對(duì)于用于固定通信WiMAX(IEEE 802．16．2004)和歐洲移動(dòng)WiMAX等的3．5GHz頻帶0．3Gl-lz一3．8GI-lz)l心功率晶體管“MRFTS38075H”。其平均輸出功率為42dBm(16W)，作為線性極限點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)的“PldB一為48dBm(70W)。(PldB即ldB壓縮點(diǎn)，是輸出功率的性能參數(shù)，指與在很低的功率時(shí)相比增益減少ldB時(shí)的輸入(或輸出)功率點(diǎn)。如果輸出PldB規(guī)范是+20dBm，則這個(gè)元件的輸出功率約為+20dBm。)這個(gè)功率晶體管滿足上面發(fā)射機(jī)的輸出功率指標(biāo)22dBm，其增益為13dB。另一款三菱電機(jī)推出的3．5GHz 0．4～3．6GHz)頻帶“MGFS36E3436’’功率放大器，平均輸出功率為27dBm(501mW)，輸出功率水平指標(biāo)PldB為36dBm。也能夠滿足上面發(fā)射機(jī)的輸出功率指標(biāo)22dBm，其增益為27dB。所以，功率放大器的增益可以考慮在13dB～27dB之間取值。

4．2．2．3 光檢測(cè)器中的相關(guān)參數(shù)

光電二極管是工作在反向偏壓下的一個(gè)PN結(jié)二極管。當(dāng)PN結(jié)加有反向偏壓，即工作在反向偏壓時(shí)，外加電場(chǎng)的方向與空間電荷區(qū)電場(chǎng)的方向相同，使空間電荷區(qū)里載流子基本上耗盡，形成耗盡區(qū)。當(dāng)光束入射到PN結(jié)上，并且光子一能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度時(shí)，價(jià)帶的電子可以吸收光子能量而躍遷到導(dǎo)帶，形成一對(duì)電子．空穴對(duì)。如果由于光照產(chǎn)生的電子．空穴對(duì)在耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生，那么在電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)將向N區(qū)漂移，而空穴將向P區(qū)漂移，從而形成光生電流。隨著入射光功率變化，光生電流也發(fā)生線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這就是光電二極管的作為光檢測(cè)器的工作原理。如果采用比較常見的PIN光電二極管，則其雪崩增益為M一1。通常情況下，PIN光電二極管響應(yīng)度總是小于1。

4．2．2．4 光鏈路的損耗

ITU-T G．652建議規(guī)定光纖在1310nm和1550nm的衰減常數(shù)應(yīng)分別小于0．5dB／km和0．4dB／km。文獻(xiàn)131】中給出通信用B1類單模光纖的衰減常數(shù)如表4_2所示：

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