Генерация многоканального сверхширокополосного сигнала для RоF систем

Андрианова А.В.

Andrianova A. V.

младший научный сотрудник, аспирант кафедры «Телекоммуникационные системы» ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа

Мешков И.К. Meshkov 1.К.

кандидат технических наук, доцент кафедры «Телекоммуникационные системы» ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа

Султанов А.Х. Sultanov А.£Ь.

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Телекоммуникационные системы» ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа

УДК 629.783

ГЕНЕРАЦИЯ МНОГОКАНАЛЬНОГО СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОГО

СИГНАЛА ДЛЯ ROF СИСТЕМ

В статье предлагается метод генерации сверхширокополосного (СШП) сигнала для Radio-over-Fiber (RoF) систем. Рассматривается совместное использование СШП-технологии передачи данных и технологии RoF для передачи многоканального сигнала. При использовании СШП-технологии совместно с технологией RoF возникает проблема выбора способа передачи СШП-радиоимпульса. В работе предложена схема организации многоканальной передачи сверхширокополосного сигнала на основе FTTH (fiber to the home - оптоволокно до квартиры) сетей для передачи мультимедийного высокоскоростного контента. Проанализирована спектральная маска Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ), ограничивающая эффективную изотропную излучаемую мощность СШП-сигнала на территории Российской Федерации, и предложено использовать передачу СШП-сигнала в трех частотных «окнах» на основе технологии IR-UWB (Impulse radio ultra-wideband) с помощью сверхкоротких импульсов, позволяющих достичь высокой битовой скорости передачи.

В работе представлена экспериментальная реализация технологии передачи IR-UWB с учетом спектральной маски ГКРЧ. В эксперименте реализуется электрическая генерация трех отдельных IR-UWB каналов, частоты которых смещены на 4,5, 7 и 9,5 ГГц соответственно. Такой выбор частот объясняется тремя «окнами» маски ГКРЧ. Частоты 4,5, 7 и 9,5 ГГц являются центральными частотами этих «окон». Данный подход позволил получить сверхширокополосный сигнал, который оптимально «вписывается» в спектральную маску ГКРЧ.

Для оценки работоспособности предлагаемой системы были произведены измерения коэффициента битовых ошибок (BER - bit error rate). Коэффициент BER варьируется от 10-3 при мощности сигнала на входе фотодетектора 7 дБм, до 10-13 при мощности сигнала на входе фотодетектора 11 дБм. Измерения проводились для четырех случаев: при отсутствии оптической линии, 25 км оптической линии, 50 км оптической линии и 60 км оптической линии.

В статье на рисунках представлены схема экспериментального стенда и полученный IR-UWB сигнал. Также показаны графики зависимости коэффициента BER от мощности сигнала на входе фотодетектора.

Ключевые слова: сверхширокополосный сигнал, radio-over-fiber, передача сверхкоротких импульсов, ортогональное частотное мультиплексирование, гауссовский импульс, моноцикл, коэффициент битовых ошибок, маска ГКРЧ, спектральная плотность мощности, модулятор Маха - Цендера.

MULTICHANNEL ULTRA-WIDEBAND SIGNAL GENERATION

FOR ROF SYSTEMS

Ultra - wideband (UWB) signal generation approach for Radio-over-Fiber (RoF) systems is proposed in the paper. Shared use of UWB transmission technology and RoF technology for multichannel signal transmission is considered in the paper. There is a problem of choosing UWB radio impulse transmission approach when using UWB technology together with RoF technology. The scheme of ultra-wideband signal multichannel transmission based fiber to the home (FTTH) networks for multimedia high - speed content transmission is proposed.

State radio frequency commission (SRFC) spectral mask is analyzed, which limited UWB signal effective isotropic radiated power on the territory of Russian Federation and the using of UWB signal transmission in three frequency «windows» based Impulse radio ultra-wideband (IR-UWB) with ultra-short impulses, allowing to achieve high bit rate, is proposed.

In this paper IR-UWB transmission technology experimental realization, which takes into account SCRF spectral mask is offered. In the experiment generation of three IR-UWB channels, which frequencies are shifted to 4,5, 7 and 9,5 GHz is realized. We chose such frequencies because of SCRF spectral mask «windows». The frequencies 4,5, 7 and 9,5 GHz are central frequencies of these «windows». This approach allowed to obtain ultrawideband signal, which best corresponds the SCRF spectral mask.

To assess the performance of proposed system bit error rate (BER) measurements were taken. BER is 10-3 for received optical power at photodiode 7 dBm and 10-13 for received optical power at photodiode 11 dBm. The measurements were taken for four cases: back-to-back, 25 km optical line, 50 km optical line and 60 km optical line.

In this paper experimental setup and received IR-UWB signal are shown on the figures. Also plots BER vs. received optical power at photodiode are shown on the figures.

Key words: ultra-wideband signal, radio-over-fiber, impulse-radio-ultra-wideband, orthogonal frequency division multiplexing, Gaussian impulse, monopulse, bit error ratio, GKRCH mask, spectral power density, Mach - Zender modulator.

Технология СШП-данных является одной из перспективных технологий широкополосного доступа к мультимедийным услугам и альтернативой для замены существующих персональных и локальных беспроводных сетей. СШП-системы обладают низким уровнем собственных помех, устойчивостью к многолучевым замираниям, низкой вероятностью перехвата и возможностью прохождения через препятствия, при этом сохраняя устойчивую связь. СШП-системы обладают высокой скоростью передачи внутри пикосотовой ячейки, которую организует одно оконечное устройство. Существенной особенностью является использование СШП-технологии совместно с технологией RoF для организации передачи нескольких каналов. 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 и т. д.).

На рис. 1 представлена концепция построения и организация передачи мультимедийного контента использующих технологию построения оптических сетей FTTH (fiber to the home - оптоволокно до квартиры) и спектральная маска ГКРЧ. На базовую стан-

цию (БС) поступают мультимедийные данные, которые разводятся по отдельным частотным каналам, и генерируется единый СШП-сигнал. На абонентском модуле (АМ) оптический сигнал проходит через фотодетектор, полосовой фильтр, усилитель мощности и излучается в эфир. При этом спектральная плотность мощности (СПМ) ограничена значением -45 дБм/МГц, данное обстоятельство существенно ограничивает радиус беспроводной персональной сети в диапазоне частот от 2,85 до 10,6 ГГц [1]. Приемные модули (ПМ) располагаются на оконечных устройствах (телевизор, персональный компьютер, планшетный компьютер). Еще одним 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».

На данный момент известны две технологии передачи СШП-сигнала: передача сверхкоротких импульсов (IR-UWB) и передача на основе ортогонального частотного мультиплексирования 14 каналов с полосой 528 МГц на 128 поднесущих с QPSK модуляцией (OFDM-UWB) [2]. Последняя технология применима только для маски FCC, принятой в 2002 году. Для маски, принятой на территории Российской Федерации, на данный момент рекомендации

Рис. 1: а) схема организации передачи на основе FTTH-сетей; б) маска ГКРЧ УМ - усилитель мощности, ПФ - полосовой фильтр, БС - базовая станция, СШП-RoF - сверхширокополосный RoF

по использованию технологии OFDM-UWB отсутствуют [3].

Передача данных на основе технологии IR-UWB с помощью сверхкоротких импульсов длительностью до 0,1 нс обеспечивает высокую скорость передачи данных - до 10 Гбит/с. При реализации данной технологии в качестве переносчиков битов информации используется гауссовский моноцикл или его производные [4]. Разработка и моделирование одного импульса, спектральная плотность мощности которого соответствует всей маске частот, является трудоемкой задачей и сложной при практической ре-

ализации. Одним из подходов для решения данной проблемы является генерация трех каналов в различных «окнах» маски. Скорость передачи в каждом подканале будет определяться выбором длительности моноцикла и количеством импульсов, отвечающих за передачу логического «0» и «1». Но в общем случае для первого «окна» максимальная скорость передачи будет около 475 Мбит/с, для второго - 2,1 Гбит/с, для третьего - 1,975 Гбит/с.

На рис. 2 представлена схема экспериментальной реализации предложенной технологии передачи СШП-сигнала с использованием технологии RoF.

Рис. 2. Экспериментальная реализация СШП-системы: CW-laser - лазер, работающий в непрерывном режиме; PRBS - случайная последовательность бит; Gaussian generator - генератор гауссовских импульсов; MZM-EOM -электрооптический модулятор Маха - Цендера; PIN - PIN - фотодиод; UWB pulse shaping filter - фильтр формы; RF Amp. - электрический усилитель; Atten. - аттеньюатор; OSC - генератор колебаний; MUX - мультиплексор

В данной схеме реализуется генерация трех IR-UWB-сигналов, несущие которых смещены на 4,5 ГГц (1 ch), 7 ГГц (2 ch) и 9,5 ГГц (3 ch) соответственно. Такой выбор частот объясняется тремя «окнами» маски ГКРЧ. Частоты 4,5, 7 и 9,5 ГГц являются центральными частотами этих «окон».

На электрический вход модулятора Маха - Цен-дера, у которого полоса пропускания составляет около 10 ГГц, подается случайная последовательность гауссовских импульсов со скоростью, не превышающей максимальные скорости для каждого канала. В качестве альтернативного варианта генерирования гауссовских импульсов можно использовать лазер с фиксированным режимом формирования импульсов (MLL - mode locked lazer), тогда на электрический вход модулятора Маха - Цендера можно подавать случайную последовательность NRZ-импульсов [5]. К оптическому входу модулятора подключается CW-лазер. Модуляция оптического сигнала осуществляется электрической последовательностью с различной скоростью. Далее оптические импульсы поступают на PIN-фотодиод, где происходит их преобразование в электрические импульсы. Формирование гауссовских моноциклов осуществляется с помощью фильтра формы (UWB pulse shaping filter). После фильтра каждый моноцикл сдвигается по частоте. Сдвиг осуществляется с помощью генераторов несущего высокочастотного колебания с час-

тотами 4,5, 7 и 9,5 ГГц. Сформированные IR-UWB-сигналы поступают на мультиплексор. Общий IR-UWB-сигнал занимает полосу частот 2,85-10,6 ГГц (полоса частот маски ГКРЧ).

IR-UWB сигнал после мультиплексора поступает на электрический вход модулятора Маха - Цен-дера. Промодулированный оптический сигнал поступает в линию. В эксперименте использовалось четыре варианта длин оптических линий SMF со стандартными техническими характеристиками: без оптической линии (режим Back-to-back), оптическая линия 25 км (L1), 50 км (L2), 60 км (L3). После оптической линии общий IR-UWB-сигнал детектируется PIN-фотодиодом. Частота дискретизации фотодиода 80 ГГц, полоса модуляции - 2 ГГц.

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, 7, 9,5 ГГц. Анализ BER проводился для трех случаев: без оптического волокна, 25, 50 и 60 км. Измерения проводились при мощности сигнала на входе фотодетектора 4-8 дБм.

Рис. 3. Первый канал: а) коэффициент BER; б) глаз-диаграмма

Как видно из рис. 3-5, с увеличением длины волокна коэффициент BER увеличивается. Это объясняется влиянием нелинейностей в оптическом волокне. Также можно отметить, что при отсутствии волокна и при расстоянии в 25 км BER для третьего канала 9,5 ГГц меньше, чем для первого - 4,5 ГГц и второго - 7 ГГц. Но с увеличением длины волок-

на BER увеличивается. При 50 и 60 км наименьший BER был получен для первого канала - 4,5 ГГц. На рис. 6 приведена спектральная плотность мощности сгенерированного IR-UWB-сигнала с наложением маски ГКРЧ. Из рисунка видно, что полученный сигнал соответствует маске ГКРЧ.

02 -6

Ы

СО

-10

-12

-14

Back-to-back 2 ch 25 km 2 ch

50 km 2 ch 60 km 2 ch

Received optical power

Time

Рис. 4. Второй канал: а) коэффициент BER; б) глаз-диаграмма

О 0.5 1

0 0.5 1

Time

Рис. 5. Третий канал: а) коэффициент BER; б) глаз-диаграмма

40 60 80 Frequency

12G

Рис. 6. СПМ полученного сигнала

В данной статье предложена схема генерации трехканального IR-UWB-сигнала, соответствующего спектральной маске ГКРЧ частот. Данная схема позволяет осуществить передачу мультимедийной информации по трем независимым каналам с различной скоростью, используя технологию RoF, при этом позволяя гибко управлять спектральной плотностью мощности сверхширокополосного сигнала.

Данная работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ, соглашение о предоставлении субсидии № 14.574.21.0058. Уникальный идентификатор проекта RFMEFI57414X0058.

Список литературы

1. Приложение к решению ГКРЧ от 15 декабря 2009 г. № 09-05-02. Сверхширокополосные беспроводные устройства. - 2009. - 2 с.

2. Multiband OFDM. Physical layer specification [Online]. WiMedia Alliance, 2005. - Available:http:// www.wimedia.org/en/docs/10003r02WM_CRB-WiMedia_PHY_Spec_L5.pdf.

3. YuX. System wide implementation ofphotonically generated impulse radio ultra-wideband for gigabit fiber-wireless access [Text] / X. Yu, T.B. Gibbon, I.T. Monroy //Journal of lightwave technology. - 2013. -Vol. 31. - № 2.

4. Solomon Tesfay Abraha. Impulse Radio Ultra Wideband over Fiber Techniques for Broadband InBuilding Network Application, Ph. D. thesis [Text] / Solomon Tesfay Abraha. - Eindhoven: Tech. Univ.

Eindhoven, 2012. - Available: http://alexandria.tue.nl/ extra2/735363.pdf.

5. Llorente R. Ultra-Wideband radio signals distribution in FTTH networks [Text] / R.Llorente, T. Alves, M. Morant // IEEE Photonics technology letters. - 2008. - Vol. 20. - № 11.

References

1. Prilozhenie k resheniju GKRCh ot 15 dekabrja 2009 g. № 09-05-02. Sverhshirokopolosnye besprovodnye ustrojstva. - 2009. - 2 s.

2. Multiband OFDM. Physical layer specification [Online]. WiMedia Alliance, 2005. - Available:http:// www.wimedia.org/en/docs/10003r02WM_CRB-WiMedia_PHY_Spec_L5.pdf.

3. Yu X. System wide implementation of photonically generated impulse radio ultra-wideband for gigabit fiber-wireless access [Text]/ X. Yu, T.B. Gibbon, I.T. Monroy //Journal of lightwave technology. - 2013 - Vol. 31. - № 2.

4. Solomon Tesfay Abraha. Impulse Radio Ultra Wideband over Fiber Techniques for Broadband InBuilding Network Application, Ph. D. thesis. [Text]/ Solomon Tesfay Abraha. - Eindhoven: Tech. Univ. Eindhoven, 2012. - Available: http://alexandria.tue.nl/ extra2/735363.pdf.

5. Llorente R. Ultra-Wideband radio signals distribution in FTTH networks [Text] / R. Llorente, T. Alves, M. Morant // IEEE Photonics technology letters. - 2008. - Vol. 20. - № 11.