数字光纤系统技术交流

技术交流稿目录一基本原理二关键技术三模拟光纤和数字光纤的比较四设备指标一基本技术原理1.1系统拓扑结构1.2模拟信号的数字化1.3数字下变频，数字基带的形成1.4高速数字信号的光传输1.5数据链路的传输协议CPRI1.1系统拓扑介绍BTS功率合成器DFDU-4DFRU光纤DFRUBTSBTSDFRUDFRU光纤DFRUDFRUDFRU光纤DFRUDFRUDFRU光纤DFRUDFRU注：近端机DFDU:最多支持4路并联从机链远端机DFRU:最多支持3台从机菊花链连接1.1系统拓扑介绍主机单元DFDU将下行模拟信号的数字化后，将数据编码成帧，并插入管理数据，经过并串变换后通过光纤模块向所有从机单元DFRU广播。信号流程和系统拓扑描述：同时各从机单元传输上来的数据，经过解帧将IQ数据和管理数据分开。各支路IQ数据同步后累加，变换为模拟信号馈入基站。从机单元DFRU接收主机来的光信号恢复为数字信号，此信号分为两路，一路直接转发到光传输模块中变为光信号发送到菊花链链接的后一级节点。另外一路根据系统指定的时延要求存储并延时转发，变为模拟信号由天线口发出。从机单元DFRU接收来自菊花链后一级的光信号并恢复为数字信号，解帧后将IQ信号提取出来，和本机的接收到的上行信号数字化后累加，得到的数字信号变为光信号向主机传送。一个主机最大支持4路并行星形链接。主机每并行支路最大支持三级菊花链链接。1.2模拟信号的数字化模拟信号的占用的频谱的中心频率为F0,带宽为B。按照带通采样定理，当采样频率满足Fs=4×F0/(2n+1)且Fs2×B时，因采样产生的镜像频谱不会产生混叠，且频带中心频率位于Fs/2处。经带通采样后的信号，其第一奈奎斯特区的数字频谱的中心频率将落在（F0modFs）×2/Fs处。信号的数字化采样通过高速AD来实现。数字信号恢复为模拟信号通过高速的DA来完成经带通采样转变为数字信号后，在FPGA中进行数字下变频处理变为数字基带信号（即零中频信号），然后经抽值，滤波后再由光模块传送到远端。在远端数字基带信号经过数字上变频，插值，滤波，送给DA还原到中频信号。带通采样定理和中频数字化处理1.2模拟信号的数字化经过带通采样后的模拟信号，其数字频谱如上图所示，频谱变为以fs/2重复的周期性信号。第一奈奎斯特区的频谱中心频率为fd0。Fd0=2*(f0modfs)/fsf(MHz)f0fshfhflfsl)(fXa)(X-f0fd0Fd0+-fd01.3数字正交下变频和数字基带形成为了要得到基带（零中频）信号，并使得频谱变为易处理的单边频谱，需要将采样后的信号经过混频变到零频，且信号由实信号变为复信号。数字正交下变频可以完成这样的功能。本地振荡器由DDS实现，产生正交的数字载波DDSI路Q路原始信号1.4高速数字信号的光传输在实际系统中，由于高采样率以及为满足大动态范围而采用的高位数量化，导致在光纤上传输的信号速率高达0.6～3Gbps。由于光纤上传送的是串行的数字信号，而信源端（FPGA输出）是并行数据，因此存在一个串并的转换接口，称之为SerDes接口。SerDes接口完成高速数字信号的并串，串并转换，并发送和接受来自光传输模块的高速串行信号。在串行码流的接收中恢复码流的同步时钟。在信号的SerDes接口之前，需要做一次8B/10B编码，将8bit的数据通过映射方式编为10bit带冗余校验的码字。主要作用一方面是为了校验错码，另一方面是为了使码流的01分布均匀，减少码流的直流分量。数据速率，光纤要求，传输距离1.5数据链路的传输协议CPRI在分布式基站的数字IQ拉远的光纤链路传输体系中，关于链路传输管理协议目前有两种，一种叫CPRI(commonpublicradiointerface)另一种叫OBSAI（OpenBaseStationStandardInitiative）。本系统借鉴CPRI协议来完成系统的链路连接和管理IQ数据成帧链路连接管理用户管理书据IQ数据解包链路管理数据1.5数据链路的传输协议CPRI在二关键技术2.1数字中频的关键指标和关键处理环节2.2高速数字信号传输和CPRI协议实现2.3数字静噪，信号延时调整2.4高均峰比削波2.1数字中频的关键指标和关键处理环节中频信号数字化涉及到和模拟处理不一样的指标，这些指标对系统整体方案的制定非常关键。SFDR（spuriousfreedynamicrange）：无杂散动态范围，表征非线性失真性能。该指标和信号工作频率，输出信号功率，以及器件本身线性都有密切关系。SNR(signalnoiseratio）：信噪比，表征器件对最小信号的识别能力。这个指标和量化误差产生的量化噪声，采样时钟的本身抖动(噪声)，信号工作的频率都有密切关系。Fsample：采样频率，采样频率选择要综合考虑信号带宽，中频频率，前端器件性能价格，后续器件处理能力，以及可能的杂散频率，所需动态范围等多方面因素。量化比特数：决定量化的bit数时，充分考虑所处理信号的动态范围，系统所需的灵敏度，以及器件的性价比等多方面因素。2.1数字中频的关键指标和关键处理环节数字中频信号的几个关键处理环节，对性能指标有非常重要的影响。时钟处理：各单元合理的时钟频率选取，系统时钟的降抖动处理，以及各单元的时钟的分配处理。模拟，高速数字电路以及混合电路的处理：涉及到电路形式选取，电源处理，数字模拟地处理以及PCB布线等多方面内容。模拟前端，后端处理：模拟部分增益噪声分配，频率选择特性，以及模拟数字接口匹配等。数字信号处理过程：数字滤波器实现，数字变频实现，抽值、插值滤波实现，平衡性能，算法复杂度和资源消耗的关系。2.2高速数字信号传输和CPRI协议实现在本系统中数字信号在光纤中的传输速率在1.25Gpbs以上。2.3数字静噪，信号延时调整在实际工程应用中，常常出现一个主机带多台从机的现象，在模拟应用中由于主机端的上行噪声是由多台从机噪声叠加而成，由于从机噪声主要来源于高增益导致的热噪声，不管从机端有没有上行信号，该噪声总是存在的。数字静噪的好处在于，当从机接收端检测到IQ的矢量幅度低于某一个门限时，数字IQ信号将归于0。这样当某一远端站的上行接收不到足够强度的上行信号时，本站的本底噪声将被抑制。这样主机端的总噪声将会减少，提高了系统性能。数字延时调整具有很高的精确度，是由系统很高的采样速率决定的。当系统的多个远端单元之间存在交叠覆盖区时（如对铁道沿线进行覆盖时），对交叠覆盖信源的精确同播控制是减低同频同播干扰，提升系统性能的重要手段。2.4高均峰比削波模拟信号的数字化为信号在数字域引入新的处理方式带来了可能性。引入新的数字域处理方式能显著的提升系统在某些指标上的性能。在多载波系统中，调制方式和多载波应用带来的较高的峰值均值比是影响功放效率的最重要因素。在数字系统中，对基带IQ信号进行处理将幅度高于某一门限的值按照一定的加窗算法进行处理。这可以使得系统在保证频谱模板和IQ星座误差满足指标的前提下改善信号均峰比。从而提高功放的效率。IQ信号输入极坐标转换计算幅度计算相角幅度加窗相角保持形成IQ解调星座映射EVM计算调整参数三模拟光纤和数字光纤的比较模拟光纤直放站系统回顾数字光纤直放站系统简介3.13.2数字光纤和模拟光纤优劣分析3.3两种方式杂散和传输损耗指标对比3.4模拟光纤直放站系统回顾3.1模拟光纤直放站用激光器将模拟信号直接调幅调制到光信号上，再在光纤中进行传输。在接收端使用光电转换二极管将电信号检出来。模拟光纤的这种应用方式决定了电信号要随光信号变化而变化，因此光信号的噪声，衰减将导致模拟信号的质量恶化。数字光纤直放站系统简介3.2在数字光纤系统中，信号经过采样量化变为数字信号。数字信号在光纤中进行传输。接收端将数字信号从光信号中恢复出来，数字信号再经过转换恢复为模拟信号。当光信号的信噪比在解调门限以上时能保证足够低的误码率，此时恢复出的模拟信号几乎是无损的。其信噪比不会发生恶化。数字光纤和模拟光纤优劣分析3.3处理灵活，可在同一硬件平台的基础上用软件实现不同系统的处理，且处理一致性好，可靠性高杂波噪声抑制能力强准确的实现信号时延，有利于交叠区同播控制，在一些特殊应用的场合（如铁路）这个功能特别有意义便于传输，在传输和恢复过程中不存在信噪比恶化，信号纯净网络拓扑形式灵活，便于工程实际操作一主带多从时噪声不累加，噪声性能大大提升克服由于模拟应用时上行支路光叠加引起的光路自激现象方便随路管理数据传输，可实现较大数据量的监控便于引入有利于提高系统性能的处理手段，如削波，预失真等对光传输路由要求较模拟方式低数字光纤相对于模拟光纤的好处：数字光纤和模拟光纤优劣分析3.3处理信号带宽受限于前端器件，因此处理带宽较窄有可能产生新的杂散数字处理的时延较长（取决于实现什么样的处理功能）数字器件价格较高数字光纤相对于模拟光纤的缺点：杂散和传输距离指标对比3.3模拟光纤的传输距离-普通激光二极管LD的最大光输出功率:+3dBm-最小光接收功率(PD):-14dBm-系统允许的最大光路损耗17dB，设计时要求最大损耗不超过14dB-光在光纤中的传输损耗为0.5dB/Km(基于1310nm波长)考虑到跳线和额外损耗-模拟系统中远端机的最远传输距离一般不超过20km（使用菊花链方式，最远也受限于此数值）由于光损耗与RF损耗成正比，使得传输距离和多支路的数目受到限制-光信号损耗1dBo=RF射频信号损耗2dB(13dBooptic损耗=26dBRF损耗)-增加远端的数目会增加额外的光损耗，使得噪声特性恶化-噪声增加对系统指标的影响下行:增加带内杂散，恶化邻道性能上行:噪声系数增加，灵敏度下降杂散和传输距离指标对比3.3数字光纤的传输距离-1.25Gbps的数字光模块其输出的标称光输出功率:+0dBm-接收端的灵敏度为－23dBm-因此系统允许的最大光路损耗23dB，设计时要求最大损耗不超过20dB-光在光纤中的传输损耗为0.5dB/Km(基于1310nm波长)考虑到跳线和额外损耗-数字光纤的最远传输距离一般不超过35km(不考虑通信系统的本身限制）-若使用菊花链连接方式，由于远端机的中继作用可成倍的加大传输距离(不考虑通信系统的本身限制）理论上由于光损耗和传输信号不存在关系，因此系统的传输距离和多支路的数目一定程度上不受光路的限制杂散和传输距离指标对比3.3关于模拟光纤直放站和数字光纤直放站的上行噪声性能分析：假设数字处理的采样频率为92.16MHz,此时AD的信噪比70dB（－1dBFs），满量程输入信号电平6dBm，则AD的噪声基底为－142dBm/Hz。等效噪声系数为32dB（此处假设带内杂散很小的情况）。由于光传输链路上无损，而DA的噪声基底一般在160dBm/Hz左右，因此AD后级对整体噪声系数的影响非常小。对于模拟光纤直放站来说，在不考虑光链路损耗的前提下光模块噪声为37dB左右。若存在光链路损耗，该损耗将双倍叠加在噪声系数上。考虑下面的应用条件下两种系统的上行底噪情况：数字光纤系统和模拟光纤系统均为一台主机带三台从机的形式。光纤链路损耗为6dB。具体情况如图所示杂散和传输距离指标对比3.3射频前端数字处理数字光模块射频后端数字处理数字光模块射频前端数字处理数字光模块射频前端数字处理数字光模块去基站射频前端模拟光模块模拟光模块射频后端射频前端模拟光模块射频前端模拟光模块去基站G=51NF=2.56dBo6dBo6dBo6dBo6dBo6dBoG=34NF=2.5杂散和传输距离指标对比3.3在如图所示的图中，为保证每个支路单独的噪声系数小于4，在模拟系统中的射频前端的增益为51dB，在数字系统中射频前端增益为34dB。此时两个系统的噪声系数均为3.8dB左右。因此计算得到得每个单独支路的噪声贡献，数字系统要比模拟系统低17dB左右。计算3支路并联时的总的噪声贡献，在模拟系统中是叠加关系，三支路相对于单支路来讲总