基于WiMAX的射频光纤传输（RFoF）系统性能研究4
北京锦坤科技有限公司，基于WiMAX的射频光纤传输（RFoF）系统性能研究4
直接强度调制方法虽然简单，但对元器件的性能要求较高，要求激光器的P．1曲线的线性度非常好。外调制是一种独立于光源之外的调制技术。这种调制不像直接强度调制那样在光源上进行，而是将电信号加载在另一媒质上，利用该媒质的物理特性使得光波特性随电信号变化而发生变化，从而间接建立了电信号和发射的激光的对应关系。这种调制方式不会影响光源工作的稳定性，所以具有较高的传输质量。但是外调制需要昂贵的外调制器完成，成本较高。典型的外调制器有电吸收光调制器(Electro．absorption Modulator,洲)和Mach.Zende光调制器
(2)光外差法
光外差法是指在发送端产生两路相干光载波，或利用同一个激光光源的两个边带，其光频差为电载波的频率，在接收端利用光探测器的平方律特性将两路光信号混频，输出电信号。光外差法的优点是不需要额外的光调制器，但是需要产生相干光载波。如果只有一路光载波被调制，系统对于色度色散的敏感度会很低，性能很好。而且可以产生调制深度为100％的信号。由于光纤色散的影响，随着传输距离的增加，相干光载波会产生不同的延时，因此在接收端其相关程度会下降，会引起附加的相位噪声。
(3)上下变频法
上下变频法可以分为电域上下变频法和光域上下变频法两种。两者都是在光纤链路上，传输一个中频的无线信号。因此，在基站端，仍然需要实现中频信号与射频信号之间的频率变换。对于电域上下变频法，基站必须有一个高频的本地振荡信号源。对于光域上下变频法，高频源则通过两束光波相干频差产生。但是这两种上下变频法，都会造成基站的构造十分复杂，而且体积庞大，造价昂贵，并不利于推广使用。
第四章基于WiMAX的射频光纤传输系统设计与分析
目前，射频光纤传输系统研究领域已有大量关于WLAN与射频光纤传输系统相结合的论文，现有GSM和3G系统中亦有若干成功商用的实例。本章结合前两章的内容，设计了一个基于WiMAX的射频光纤传输系统。该方案主要包含了对系统的中心站与基站问点对点的下行链路结构的描述、建立系统功率预算和载波带宽选择的理论模型，并对该模型进行了分析。其**率预算和载波带宽选择的分析结果对系统在功率以及载波带宽选择方面具有一定指导意义。
4．1基于W i
MAX的射频光纤传输系统结构设计
如2．3．2所述，WiMAX／802．16的物理层由传输汇聚子层(TransmissionConvergence
subLayer，TCL)和物理媒质依赖子层(Physical Medium
Dependent，PMD)组成。物理媒质依赖子层的功能是执行信道编码、调制解调等一系列过程。基于WiMAX的射频光纤传输系统下行链路的发送端结构框图如图4_1所示。
据WiMAX论坛的统计，全球WiMAX系统从研发到应用可供使用的频段主要为2．3GHz一2．6GHz、3．3GHz一3．6GHz以及5GHz频段，其中对于移动业务而言，比较理想的频段为2．3GHz、2．5GHz、3．5GHz。我们设计的系统采用3．5GHz频段。在中心站首先按照WiMAX／IEEE 802．16标准的规定，对传输汇聚子层传来的数据进行相应的编码、交织、多路复用与突发结构、加密、调制等一系列的处理。再用调制后的射频信号作为半导体激光器的驱动电流，直接强度调制半导体激光器，使其输出光功率随电信号的幅度变化。一个单一的激光器作为光源的同时，也作为调制器。所得到的强度调制的光信号，通过光纤送到远端基站。在远端基站，使用一个高速宽带的PIN光电检测器直接检测光信号，并将其转化为
原来符合WiMAX标准的射频信号。为了放大接收到的WiMAX射频信号可以使用宽带功率放大器，产生一个足够的电压来激励天线或发射器，将射频信号辐射出去。在接收端的处理过程刚好相反，仅仅在解调前通常需要利用均衡机制来校正信号在传输过程中可能产生的相位和幅度的失真。
4．2功率受限系统传输距离预算及分析
传统的光纤通信系统，再生段距离的设计一般可以从两个角度进行考虑：损耗受限系统和色散受限系统。损耗受限系统是指由发送端和接收端之间的光通道的损耗决定再生段的距离；色散受限系统是指由发送端和接收端之间的光通道总的色散决定再生段的距离。同样地，对于射频光纤传输系统，系统所能够支持的光缆长度是一个重要的研究指标。当光纤带宽与信号速率之比足够大时，传输距离主要受到光纤损耗的限制。从损耗受限系统的角度，通过功率预算来大体计算出这一指标。功率预算对设备、器件的选取，也具有重要的指导作用。根据功率预算的结果，选择符合系统性能要求的设备，对系统的造价进行初步的估算。
4．2．1功率受限系统传输距离预算
可以将系统从射频发射机到激光器之间的各个部分分解开来，按顺序进行分析推导。主要可以分为以下几个部分：射频光纤传输系统发射机、功率放大器、光电检测器及前置放大器、光纤和激光器。所谓发射机输出功率是指发射机提供给电磁辐射器(天线)的射频功率。设WiMAX发射机的输出功率为毋(dBm)，功率放大器的平均输入功率为只(dBm)，则：
P2=P1-G (4-1)
其中，G表示功率放大器增益。根据文献[291，可以得出：
其中，4表示前置低噪声放大器互阻增益；表示PIN光电二极管的平均输出
电流:M表示光电二级管的雪崩增益;RZ表示光接收管负载电阻;m表示半导体激光器强度调制的调制指数.
由(4-1)和式(4-2),可得:
则输入光检测器的平均光功率P3(W)如式(4-4)所示:
其中,R表示光电二极管的响应度.
式中,激光器的平均输出光功率为P(W),ar为系统损耗,其中包括:光纤活动连接器损耗ac(B/个),光纤固定熔接损耗as(dB/个)单位长度的光纤损耗aF(dB/km).Ms 为系统的富余度,单位为dB,是考虑到设备,元件的老化,系统工作参数的变化,环境变化等的影响,及其它各种难以预告估计的因素预留出来的余量.因此式
(4-5)可改写为:
式中,LF 为每段光纤的长度,L为系统的光纤总长度.若考虑接入网中的应用,光纤的长度通常不是非常长,则忽略掉光纤的焊接损耗,式(4-6)可以简化为:
可得:
则功率受限系统传输距离为:
4．2．2系统参数的选择及功率预算分析
根据式(4．9)，可以得知系统功率预算涉及到的参数如表4-1所示。下面分别对各个参数的选取进行讨论。
4．2．2．1 WiMA)(射频发射机的*大输出功率
在IEEE 802．16系列标准中，并未对WiMAX发射机的*大输出功率作相应的规定，而是把它留给设备将部署的地区，作为“地区规章"，自行选择。在一般情况中，发射机通常只需要能够提供让系统正常工作的足够功率即可。我国的行标中也没有针对3．5GHz频段与OFDM调制方式相对应的发射机输出功率的规定。文献[301提出，为了达到高性能和可靠性，WiMAX／IEEE 802．16系统通常分为两个部分：室内单元(indoor unit，IDU)和室外单元(outdoor uait，ODU)．前者提供数模／模数变换和基带处理部分，后者用来进行频率转换并将上行流和下行流信号放大到适合IDU使用的功率。在此文献中，所有和IDU相连的以及ODU与IDU之间的连接介质都是通过单一的同轴电缆。对于我们所研究的基于发射机，支持的发射机输出功率为22dBm。
4．2．2．2 功率放大器的输出功率及输入功率
现阶段有一些公司已经开发研制出针对于WiMAX系统3．5GHz频带的RF功率晶体管。针对于用于固定通信WiMAX(IEEE 802．16．2004)和欧洲移动WiMAX等的3．5GHz频带0．3Gl-lz一3．8GI-lz)l心功率晶体管“MRFTS38075H”。其平均输出功率为42dBm(16W)，作为线性极限点标准的“PldB一为48dBm(70W)。(PldB即ldB压缩点，是输出功率的性能参数，指与在很低的功率时相比增益减少ldB时的输入(或输出)功率点。如果输出PldB规范是+20dBm，则这个元件的输出功率约为+20dBm。)这个功率晶体管满足上面发射机的输出功率指标22dBm，其增益为13dB。另一款三菱电机推出的3．5GHz 0．4～3．6GHz)频带“MGFS36E3436’’功率放大器，平均输出功率为27dBm(501mW)，输出功率水平指标PldB为36dBm。也能够满足上面发射机的输出功率指标22dBm，其增益为27dB。所以，功率放大器的增益可以考虑在13dB～27dB之间取值。
4．2．2．3 光检测器中的相关参数
光电二极管是工作在反向偏压下的一个PN结二极管。当PN结加有反向偏压，即工作在反向偏压时，外加电场的方向与空间电荷区电场的方向相同，使空间电荷区里载流子基本上耗尽，形成耗尽区。当光束入射到PN结上，并且光子一能量大于半导体材料的禁带宽度时，价带的电子可以吸收光子能量而跃迁到导带，形成一对电子．空穴对。如果由于光照产生的电子．空穴对在耗尽区内产生，那么在电场的作用下，电子会将向N区漂移，而空穴将向P区漂移，从而形成光生电流。随着入射光功率变化，光生电流也发生线性变化，从而把光信号转换成电信号。这就是光电二极管的作为光检测器的工作原理。如果采用比较常见的PIN光电二极管，则其雪崩增益为M一1。通常情况下，PIN光电二极管响应度总是小于1。
4．2．2．4 光链路的损耗
ITU-T G．652建议规定光纤在1310nm和1550nm的衰减常数应分别小于0．5dB／km和0．4dB／km。文献131】中给出通信用B1类单模光纤的衰减常数如表4_2所示：
北京锦坤科技有限公司，基于WiMAX的射频光纤传输（RFoF）系统性能研究4
