基于optisystem的ROF系统仿真

基于OptiSystem的ROF系统仿真荣建，李涛，田磊，汤林，梁国栋，张洪敏（电子科技大学物理电子学院成都610054)[摘要]本文对ROF系统下行链路做了仿真，并用OptiSystem软件搭建了一个使用Mach-Zehnder调制器，光耦合器，单模光纤、色散补偿光纤以及LED光电探测器组成的采用远程光外差技术产生毫米波信号的实验仿真模块。用Matlab与OptiSystem相结合的方式建立了ROF系统无线传输部分的仿真模型。仿真结果表明该ROF系统能在60GHz毫米波频段下传输2Gb/s基带信号时具有良好的误码效果。关键词：ROF；远程光外差；毫米波；OptiSystemAbstractanexperimentalsimulationmoduleofmillimeterwavesgeneratorbyusingOptisystemsoftwareisconstructed.thismoduleconsistsofMach-Zehndermodulator,opticalcoupler,singlemodefiber,dispersioncompensatingfiberandLEDphotodetector.BycombiningofmatlabandOptiSystem,thesimulationmodelofROFsystem'swirelesstransmissionparthasbeenestablished.SimulationresultsshowthattheROFsystemhasgooderrorcodeeffectwhentransmitting2Gb/sbase-bandsignalunder60GHzmillimeterwavefrequencysegment.KeywordROF;RemoteHeterodyneDetection;millimeterwave;OptiSystem引言：ROF技术是一种微波通信与光通信相结合的通信技术，它将射频信号调制到光载波系统上，从而有效地利用了光纤链路的低损耗，高带宽，以及抗电磁干扰等特性，通过光纤链路将无线信号从中心站分配到各个基站（BS），再将基站信号收集回中心站（CS）。ROF技术与分布式天线系统结合就构成了ROF无线接入系统，它结合了光纤通信技术与无线通信技术，充分利用了光纤传输的高带宽、低损耗，又同时具有无线通信的移动接入的特点。它适用于不同的调制方式，以及不同的载波频率，为移动用户提供灵活的接入服务。由于在ROF无线接入技术中，将信号处理的主要功能集中于中心站，因此可实现增强的微小区覆盖，并且具有损耗低、功率低和安装更加简易等特点，非常适宜机场、购物中心、大型办公室等场合的室内无线覆盖和地下、隧道、狭窄的街道以及高速公路等室外应用[4]。在ROF系统中，由于光载波上承载的是模拟的微波信号，与传统的数字光纤传输链路相比，其系统对光器件的性能以及链路自身的色散、非线性效应等都有了更为苛刻的要求。目前，对于ROF技术的研究仍然集中在物理层上，例如基于微波光子学的毫米波信号源产生[1,5]，光调制器、滤波器的特性分析与改进[3]，光纤链路的色散控制，以及基站中光载波的再利用等系统设计与优化[20]。毫米波信号源的产生技术是ROF技术的核心，[21,22,23]，近几年很多学者在这方面做了大量的研究。在ROF通信系统中，在光域里对中频微波信号进行上变频，可以得到承载高数据率的毫米波信号[2]。在本文中，我们将采用远程光外差技术来产生毫米波信号，并用OptiSystem软件对ROF的下行链路做一个功能上的方针。1ROF系统中的毫米波信号产生毫米波信号源的产生是ROF系统研究的一个热点，目前也已经有很多人在这方面做了很多工作[21,22,23]。国外提出的比较有价值的方案大致有四种：直接调制技术、上下变频技术、光外差技术、电吸收收发器技术。光外差技术能够产生很高的频率，它仅仅受限于光电探测器的带宽，而且，外差能够得到很高的探测功率和载噪比。所以本文将采用光外差技术来产生毫米波。远程光外差技术（RemoteHeterodyneDetection(RHD)）是依靠在接收端的光电二极管内的相干混频原理产生毫米波信号的。在光纤上传输两个频率差等于所余姚的毫米波频率的窄线宽光波，其中之一携带了需要传输信息的基带数据，在基站处通过外差产生毫米波载波信号。光电转换时，光电二极管同时也是一个混频器，所以它是基于远程光外差技术的ROF系统的一个关键器件。光外差法中两个载波信号只有一个信号经调制带有数据，系统色散度会大大的降低。因此，光外差方法既可以克服光纤中的色散问题，又可以简化基站的结构和成本。其原理可以描述如下：现有两个角频率为和的光信号，其中之一调制了信号m(t)，它们可以表示为：当两束光照射到PIN光电探测器上，探测器表面的光电流是与它们电场和的平方成正比。所以此时光电流可以表示为：由于这一项的频率太高，光电探测器无法响应，所以我们可以在光电探测器上得到两束光混频后的差频信号：在选择两束激光的频率时，我们可以让这两束激光的频率差等于我们想要的毫米波的频率，这样就在探测器上得到了我们所需要的毫米波信号。用这种方法产生的毫米波信号的频率上限，仅仅受限于光电探测器的自身带宽。如果从光信号的功率来考虑，我们得到此时在光电探测器上的光功率可表示为：此处，R是光电探测器的响应度，t是时间，和是两束瞬时角频率为和的光信号的瞬时功率。和是这两束光的瞬时相位。其基本原理如图所示：根据以上原理图，我们在OptiSystem7.0中建立了仿真模型，如下图所示：首先，产生一个码率为2Gb/s，码长为128bit的伪随机码。将该伪随机码变换为非归零码后用Mach-Zehnder调制器，调制一个频率为193.16THz的激光。该激光器线宽设置为默认的10MHz，功率为-10dBm。调制以后的光信号时域与频域波形如下图所示：然后将调制后的光信号与一束频率为193.1THz的光信号耦合，此激光的功率为0dBm，线宽同样为10MHz。耦合后得到的光信号时域与频域波形如图所示：由图可以看到，耦合后，光纤上的光信号多了一束频率为193.1T的光波。它与加载了信号的光波的频率差恰好为60GHz。这正是我们希望在接收端得到的毫米波信号的频率。对于光纤传输链路，我们采用了两根单模光纤（SMF）、三个EDFA放大器和一根色散补偿光纤(DCF)，其连接顺序如图所示。该单模光纤长度为25Km，它的衰减系数为0.2dB/Km，色散系数为17ps/(nm*Km)。EDFA光放大器的增益为5dB，噪声系数为6dB。色散补偿光纤长度为10Km，该光纤的衰减系数为0.5dB/Km，色散系数为-85ps/(nm*Km)。在基站端，传输过来的光信号经过LED光电探测器，进行光电转换。LED的响应度设置为1A/W，暗电流为10nA。经过光电探测得到的电信号时域和频域波形如下图所示：从上图，我们可以看到，光电探测器已经生成了我们需要的60GHz的毫米波信号，只是这时候的信号含有其他边带，我们再经过一个带通滤波器滤波就可以得到我们所需要的信号。我们采用一个高斯滤波器，该滤波器中心频率为60GHz，带宽为3GHz。经该滤波器滤波后的电信号时域和频域波形如图所示：2毫米波信号的解调当光信号传送到基站变换为毫米波信号以后，再由基站通过无线信道传输到移动终端。对于无线信道，我们认为它是一个加性高斯白噪声信道。在仿真时，我们假设该毫米波信号在无线信道中的衰落为10dB，附加了一个信噪比为10dB的高斯白噪声。这个高斯白噪声的加入，我们采用了在OptiSystem中调用Matlab文件的方法来产生。此时可以得到移动终端接收到的信号可以表示为：其中A为信道中的衰落，为无线信道中叠加的加性高斯白噪声。移动终端接收到该信号后，经过一个混频，即与一个角频率为的本地振荡器相乘，可得此时信号：将此信号经过一个低通滤波器滤波后即可得发送的基带信号：其基本原理如图所示：根据以上原理图，我们在OptiSystem7.0中建立了仿真模型，如下图所示：基站发出的信号经过一个衰减器衰减30dB，然后经过一个Matlab元件。该Matlab程序的功能是给该信号附加一个信噪比为5dB的加性高斯白噪声。此时在移动终端得到的信号时域和频域波形如图所示：在移动终端内，将此信号与一个频率为60GHz的本振信号混频，然后经过一个低通滤波器滤波，即可得到解调后的信号。此处采用贝塞尔低通滤波器，截止频率设为3GHz。此时得到的信号时域和频域波形如图所示：3仿真结果与分析最后，我们用OptiSystem自带的误码率分析器观察解调得到的结果的信号眼图和误码率：从信号眼图，我们可以看到眼图形状很规则。在一个比特的中间处，即x轴为0.5处，眼高达到最大。该误码率分析器还计算出了Q因子，其最大值为20.8975。在X轴的0.45至0.65段，采样解调的误码率最小，为3.7e-107，约等于0。即在此区间可以达到无误码率的传输。由以上仿真，我们可以看到，运用远程光外差方法产生毫米波信号实现ROF系统是可行的，并具有很好的效果。4结论本文用OptiSystem软件对ROF系统的下行链路做了仿真。在60GHz毫米波信号的产生方法上采用了远端外差法。仿真结果表明此方法可行，并取得了很好的传输效果。在传送码率为2GBit/S的基带信号，传输距离为300Km时，可实现无误码传输。参考文献[1]潘英华，林如俭，修明磊。60GHz毫米波ROF系统的光源研究。光通信技术，2006.11[2]HaoChiandJianpingYao,FrequencyQuadruplingandUpconversioninaRadioOverFiberLink..Journaloflightwavetechnology,VOL.26,NO.15,August1,2008[3]C.G.SchaefferandI.GonzalezInsua,OpticalGenerationofMicrowaveSignalsbasedonanUnbalancedFiberLoopMirror.CommunicationsLaboratory,DresdenUniversityofTechnology,D-01062Dresden,Germany[4]HongBongKim,MarcEmmelmann,BertholdBathke,andAdamWolisz,ARadiooverFiberNetworkArchitectureforRoadVehicleCommunicationSystems.TechnicalUniversityofBerlinSekrFT5Einsteinufer2510587BerlinGermany.IEEE2005[5]BiagioMasellaandXiupuZhang,ANoverSingleWavelengthBalancedeSystemforRadioOverFiberLinks.IEEEPhotonicsTechnologyLetters,VOL.18,NO.1,January1,2006[6]Jun-HyukSeo,Chang-SoonChoi,Woo-YoungChoi,Young-ShikKang,Young-DuckChung,andJehaKim,RemoteOptoelectronicFrequencyDown-ConversionUsing60-GHzOpticalHeterodyneSignalsandanElectroabsorptionModulator.IEEEPhotonicsTechnologyLetters,VOL17,NO5,May2005[7]Jun-HyukSeo,Young-KwangSeo,andWoo-YoungChoi,1.244-Gb/sDataDistributionin60-GHzRemoteOpticalFrequencyUp-ConversionS