Photonic ultra-wideband signal generation implementation for RoF systems with regard to SCRF spectral mask requirments

Full Text

Введение Технология СШП передачи данных является перспективной высокоскоростной беспроводной технологией на короткие расстояния с низким уровнем отношения сигнала к шуму, экстремально низкой эффективной изотропной излучаемой мощностью (-45 дБм/МГц) и сверхширокой полосой пропускания канала (2,85 - 10,6 ГГц). СШП системы имеют маленький радиус зоны покрытия (не более 10 м). Ключевым преимуществом СШП систем является низкая излучаемая мощность, сверхширокая безлицензионная полоса частот, низкий уровень собственных помех, устойчивостью к многолучевым замираниям, низкий уровень межсимвольной интерференции, низкая вероятностью перехвата. При использовании технологии СШП - RoF возникают дополнительные преимущества, такие как, отсутствие трансмодуляции в оптическом кабеле и частотных преобразований. Данное направление может быть привлекательным в будущем для организации передачи в одном волоконном и беспроводном канале нескольких информационных каналов, которые будут использоваться для передачи различных стандартов (LTE, HD и 4К цифровое телевидение, Wi-Fi, UWB и т.д.). При реализации данной технологии неизбежно возникают вопросы, которые необходимо решить: простой и эффективный способ генерирования СШП сигнала на базовой станции представителя услуг, скорость передачи данных должна отвечать требованиям QoS (quality of service) для конечных пользователей, должна быть организована высокая скорость передачи по волоконному и беспроводному каналу связи и интеграция СШП систем в существующие WDM-PON сети. [1]. Анализ существующих методов оптической генерации СШП сигнала в RoF системах Генерация СШП сигнала возможна электрическим и оптическим способами. При электрической генерации возникает сложность с формированием сигнала в связи с широкой полосой частот (2,85 - 10,6 ГГц). Поэтому представляет интерес оптическая генерация вследствие простоты реализации за счет использовании пассивных и активных оптических элементов. На данный момент известно несколько способов оптической генерации СШП сигнала: а) прямая модуляция лазера генератором СШП сигнала [2 - 7]; б) использование дисперсионного элемента для уширения оптического импульса с необходимой длительностью [8]; в) использование релаксационных колебаний DFB - лазера [1, 9]; г) использование решеток Брэгга, в том числе чирпирующих решеток Брэгга [10, 11]; д) использование различных пассивных оптических преобразований для изменения выходного СШП сигнала [12]. Все перечисленные методы оптической генерации СШП сигнала предложены для спектральной маски Федеральной комиссии по связи (FCC - Federal Communication Commision). В Российской Федерации предложена спектральная маска, рекомендованная Государственной комиссией по радиочастотам (маска ГКРЧ), рисунок 1 [13]. Рис. 1 - Спектральная маска ГКРЧ Ограничивающим фактором влияющим на полосу пропускания является наличие в спектральной маске «окон» в диапазоне 3,95-4,425 ГГц - I «окно», 6-8,1 ГГц - II «окно» и 8,625-10,6 ГГц - III «окно». Наличие этих «окон» не дает возможности сформировать единый IR-UWB сигнал с высокой скоростью. При этом необходимо руководствоваться критерием максимальной спектральной плотности мощности (СПМ), который ограничивает возможность использования маски ГКРЧ. При использовании всей маски уровень СПМ не будет максимальным, и соответственно радиус беспроводной персональной сети значительно ограничится. В связи с этим представляет интерес генерации трех сигналов под «окна» маски ГКРЧ с максимальным уровнем СПМ. В [14] предложен способ формирования сигналов для RoF систем, использующий OSSB (Optical single sideband) сигнал, полученный путем сложения оптической несущей и полезного оптического сигнала. Оптическая генерация СШП сигнала для RoF систем На рисунке 2 представлена схема реализации предложенной технологии передачи СШП сигнала с использование технологии RoF. В схеме используется генерация трех сигналов, частоты которых смещены относительно несущей частоты на 4,5 ГГц, 7 ГГц и 9,5 ГГц. 4,5 ГГц 7 ГГц и 9,5 ГГц - это центральные частоты т.н. «окон» российской маски ГКРЧ. Для этого используется четыре оптических CW - лазера. Их характеристики представлены на рисунке 2. Первый CW - лазер генерирует сигнал для третьего «окна» маски ГКРЧ. Его центральная частота смещена относительно частоты несущего лазера на 9,5 ГГц. Мощность лазера составляет -1дБм. Оптический сигнал с CW - лазера поступает на модулятор Маха - Цендера. Модуляция оптического сигнала осуществляется электрическим гауссовским импульсом, который подается на электрический вход модулятора Маха - Цендера. Выбор гауссовского импульса обусловлен тем, что его спектр не имеет боковых полос. Длительность импульса составляет 0,8 нс. Скорость PRBS - генератора равна 1,25 Гбит/с. Последовательность случайных импульсов с PRBS - генератора подается на генератор гауссовских импульсов. Далее электрическая последовательность гауссовских импульсов поступает на модулятор Маха - Цендера. Генерация двух остальных сигналов осуществляется аналогичным образом. CW - лазер выдающий сигнал с несущей частотой имеет мощность 5 дБм и центральную частоту 192,986 ТГц. Полосы частот всех четырех CW - лазеров равны 100 кГц. Мощность несущей больше мощностей полезных сигналов более чем в три раза. Это необходимо для того, чтобы уровень сигнала на выходе фотодетектора соответствовал уровню максимальной СПМ маски ГКРЧ. Данные мощности несущей и полезных сигналов также были выбраны таким образом, чтобы суммарная мощность на выходе соединителя была равна 0 дБм. При такой мощности меньше всего сказываются нелинейные искажения и дисперсия в оптической линии. При сильном увеличении мощности несущей и уменьшении мощности полезных сигналов, уровень шумов не позволяет детектировать полезный сигнал. А при увеличении мощности полезных сигналов и уменьшении мощности несущей спектр полезного сигнала на выходе фотодетектора отсутствует. Далее все три сигнала и несущая поступают на соединитель. После этого оптический сигнал передается в линию, далее усиливается оптическим усилителем и поступает на фотодетектор. Ширина спектра выходного сигнала равна 1,25 ГГц по уровню -3 дБ. Спектральная эффективность 0,52 бит/с/Гц. Рис. 2 - Предложенная схема оптической генерации СШП - сигнала В качестве CW-лазера используется DFB-лазер со встроенным изолятором на 1550 нм компании Emcore (модель 1782). Для детектирования оптического сигнала и последующей его передачи в электрическом домене применяется балансный фотодетектор BR-40D/16DGPPO/DC/FC от компании Picometrix. Его битовая скорость составляет 43 Гбит/с. Модуляция оптического сигнала электрическим осуществляется модулятором Маха - Цендера, модель LN81S-FC от компании Thorlabs, с полосой модуляции - 10 ГГц. Для контроля поляризации в оптическом домене используются контроллеры поляризации (PC - polarization controller) PLC-004-7-FC/APC от компании General Optics. В качестве соединителя используется оптический разветвитель с длиной волны 1550 нм, и коэффициентом деления 50/50. Электрические импульсы, поступающие на модулятор Маха - Цендера формируются генератором гауссовского моноцикла длительностью 0,2 нс и амплитудой 10 В. Измерение сигнала в оптическом домене выполняются с помощью оптического анализатора спектра Yokogawa AQ6370. В электрическом домене для измерения сигнала используется спектроанализатор компании Keysight - Fieldfox 18 GHz. Для оценки работоспособности всей системы использовался анализ коэффициента битовых ошибок (BER - bit error ratio). Анализ BER проводился для каждого из трех каналов. Для выделения нужного канала на приемной стороне использовались полосовые фильтры настроенные соответственно на свой канал с несущей частотой 4,5 ГГц, 7 ГГц, 9,5 ГГц. Анализ BER проводился для трех случаев: без оптического волокна, 25 км, 50 км и 60 км. При этом регулировалась мощность оптического усилителя от 0 - 20 дБ и с помощью оптического измерителя мощности снимались показания мощности оптического сигнала после усилителя. Мощность на входе фотодетектора варьировалась от 4 - 8 дБм. СШП сигнал для передачи по беспроводной линии должен пройти через полосовой фильтр 2,85 - 10,6 ГГц для подавления побочных излучений. Результаты измерения BER приведены на рисунках 3 - 5. Рис. 3 - Первый канал: а) коэффициент BER; б) глаз - диаграмма при мощности сигнала на входе фотодетектора 4 дБм Рис. 4 - Второй канал: а) коэффициент BER; б) глаз - диаграмма при мощности сигнала на входе фотодетектора 6 дБм Рис. 5 - Третий канал: а) коэффициент BER; б) глаз - диаграмма при мощности сигнала на входе фотодетектора 8 дБм Рис. 6 - Электрический спектр выходного сигнала На рисунке 6 представлен электрический спектр выходного сигнала после фотодетектора. Как видно из рисунка полученный сигнал соответствует спектральной маске ГКРЧ. Заключение В данной статье была предложена оптическая схема генерации СШП сигнала, соответствующего спектральной маске ГКРЧ. Особенностью предложенной схемы, является генерация трех отдельных сигналов, частоты которых смещены на 4,5 ГГц, 7 ГГц и 9,5 ГГц относительно несущей частоты. Измерения коэффициента BER проводились для следующих случаев: без волокна, 25 км волокна, 50 км волокна и 60 км волокна. Коэффициент BER варьируется от 10-3 при мощности сигнала на входе фотодетектора 4 дБм, до 10-13 при мощности сигнала на входе фотодетектора 8 дБм. Данная работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ, соглашение о предоставлении субсидии № 14.574.21.0058. Уникальный идентификатор проекта RFMEFI57414X0058.

About the authors

A. V Andrianova

I. K Meshkov

A. Kh Sultanov

References

Supplementary files