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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:李恆德
研究生(外文):Heng Te Li
論文名稱:多頻帶正交分頻多工超寬頻光纖通訊系統之研究
論文名稱(外文):The Study of Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ultra Wide Band-over-Fiber Communication Systems
指導教授:林炆標
指導教授(外文):W. P. Lin
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:電機工程學研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
論文頁數:112
中文關鍵詞:超寬頻多頻帶正交分頻多工時頻碼電吸收調變器陣列波導光柵無線光纖
外文關鍵詞:UWBMB-OFDMEAMAWGRoFmulti-band Orthogonal FrequencyUltra-widebandtime-frequency codeTFC
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無線通訊系統在近幾年來由於資料傳輸速率的需求愈來愈高,超寬頻 (Ultra Wideband,UWB) 通訊技術與系統具有極高頻寬、高資料傳輸速率及低消耗功率等優點,成為新一代無線通訊技術的注目焦點。
本論文主要利用 MB-OFDM (Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing) UWB 調變技術應用在光纖通訊系統上。此系統架構由 MB-OFDM UWB 開發模組、分佈反饋 (DFB) 雷射、電吸收調變器 (EAM) 、摻鉺光纖放大器 (EDFA) 、陣列波導光柵 (AWG) 及 UWB 天線所組成,可提供的資料傳輸速率從 53 Mbps 至 480 Mbps。經由實測驗證, MB-OFDM UWB 光纖通訊系統的資料傳輸率為 480 Mbps 時,可傳輸的無線距離為 1 公尺內,當資料傳輸率為 53 Mbps 時,則可延長至 3 公尺以上,並且還可利用時頻碼( TFC) 來有效避免頻率選擇性衰減和多路徑傳播。將 MB-OFDM 與其它調變技術 (BPSK,OOK) 比較,可發現在無線距離 1 至 3 公尺的室內環境下,測試資料傳輸率從 53 Mbps 至 200 Mbps,其系統接收的位元錯誤率 (BER) 會比其它的調變技術來的好,而且當資料傳輸率愈高時,其系統的傳輸效能愈明顯。
因此,本文將 MB-OFDM UWB 結合光纖通訊技術是一適合高速無線光纖通訊 (Radio-over-Fiber,RoF) 系統的傳輸方式,以因應未來在高速無線通訊上的需求。
The requirement of transmission data rates is more increasing for wireless communication system in recent years. The Ultra-wideband (UWB) communication technique and system owned the large bandwidth can utilized, high transmission rates and low power consumption, it being the center of attraction for new age wireless communication technique.
In this thesis, we utilize the MB-OFDM UWB modulation technique on fiber communication system. This system architecture composed of the MB-OFDM UWB signal modulation development module, distributed feedback (DFB) laser, electro-absorb modulator (EAM), erbium doped fiber amplifier (EDFA), array waveguide grating (AWG), and UWB antennas. This system can provide the data transmission rates from 53Mbps to 480Mbps. The experimental MB-OFDM UWB-over-Fiber communication system demonstrated the transmission data rate can up to 480 Mbps in wireless distance of 1 m. When the transmission data rate is 53 Mbps, the wireless distance can extended to 3 m. It’s also can utilizing the time-frequency code (TFC) to avoid the frequency selective fading and multipath propagation. Take the MB-OFDM UWB technique compared with other modulation (BPSK, OOK) techniques, we can found the received bit error rate will better than other modulation when testing transmission data rates from 53 Mbps to 200 Mbps for wireless distance 1 m to 3 m in indoor environment.
Therefore, combing the MB-OFDM UWB and fiber is a suitable transmission way for high speed radio-over-fiber (RoF) communications systems and according for the requirement of high speed wireless communication in future.
目 錄
指導教授推薦書…………………………………………………….……i
口試委員會審定書………………………………………………………ii
授權書……………….…………………………………………………..iii
誌謝…………………………………………....…………………...……iv
中文摘要…………………………………………...………….................v
英文摘要………………………...............................................................vi
目錄…….………………………………………………………………viii
圖目錄…………………………………………………………………....x
表目錄…………………………………………………………….........xvi
第一章 緒論……………………………...…………………………… 1
1.1 前言…………………………………………………………… 1
1.2 研究動機……………………………………………………… 4
1.3 研究方法與目的……………………………………………… 5
1.4 論文架構……………………………………………………… 6
第二章 UWB通訊系統相關介紹……………………………...…..… 7
2.1 UWB系統背景介紹………………………………………...… 7
2.2 脈衝無線電UWB系統………………………………………. 14
2.3 多頻帶UWB系統……………………………………………. 22
2.4 多頻帶正交分頻多工UWB系統……………………………. 23
2.5 MIMO UWB技術………...…………………….……………. 29
第三章 MB-OFDM UWB 系統原理及架構.………………………. 34
3.1 MB-OFDM UWB 系統架構………..……………………...… 34
3.2 系統通道模型………...…………………………………….... 36
3.3 系統模型數學式分析…...………………………………….... 39
第四章 系統架構建立與實驗量測…...………………….................. 43
4.1 無線USB系統...…………...……………………………….... 43
4.2 MB-OFDM UWB光纖通訊系統...…...……............................ 50
4.2.1 系統實測流程………………………………………….. 50
4.2.2 系統實測流程………………………………………….. 53
4.2.3 系統實測流程………………………………………….. 58
4.3 MB-OFDM UWB調變技術與其它調變技術之比較.............. 62
4.3.1 位元錯誤率的計算與封包錯誤率的關係...................... 62
4.3.2 OOK調變技術應用在光纖通訊系統.............................. 64
4.3.3 BPSK調變技術應用在光纖通訊系統............................. 73
4.3.4 MB-OFDM UWB調變技術應用在光纖通訊系統......... 84
第五章 結論與未來展望…………………………………………..... 89
參考文獻……………………………………………….…………....… 91
圖 目 錄

圖2.1 UWB在時域上的脈衝寬度示意圖……………….…............... 9
圖2.2 UWB在頻域上的頻帶寬度示意圖………………..….............. 9
圖2.3 FCC所制定UWB頻寬示意圖……………….….................... 10
圖2.4 超寬頻與現有無線通訊系統之共用頻帶…………….…....... 11
圖2.5 FCC所制定UWB之室內EIRP發射限制................................ 12
圖2.6 脈衝無線電 UWB 系統與多頻帶 UWB 系統..................... 14
圖2.7 脈衝無線電UWB系統示意圖................................................. 17
圖2.8 脈衝振幅調變示意圖………………………………………… 18
圖2.9 脈衝位置調變示意圖………………………………………… 19
圖2.10 開關鍵調變示意圖………..………………………………… 20
圖2.11 雙相位位移鍵調變示意圖……………………………..…… 21
圖2.12 多頻帶 UWB 系統頻帶分配示意圖…………………….... 22
圖2.13 MB-OFDM UWB 系統使用 OFDM 調變技術示意圖....... 24
圖2.14 MB-OFDM UWB 跳頻示意圖.............................................. 26
圖2.15 使用循環字首(上圖)與空白訊號(下圖)的頻譜示意圖.. 26
圖2.16 MIMO 系統架構示意圖………………………………...…. 30
圖2.17 MIMO-OFDM 系統架構示意圖………………………..…. 33
圖2.18 MIMO MB-OFDM UWB系統架構示意圖……………..…. 33
圖3.1 MB-OFDM UWB 系統傳送端架構圖…………………….... 34
圖3.2 MB-OFDM UWB 系統接收端架構圖…………………….... 34
圖3.3 MB-OFDM 系統在超寬頻通道下之模擬結果……………... 42
圖4.1 透過 WUSB 連線,個人電腦與相關周邊電子裝置無線連結 示意圖………………………………..………………………. 44
圖4.2 無線 USB 傳輸系統實測架構示意圖.................................... 45
圖4.3 無線 USB 傳輸系統發送端訊號頻譜圖................................ 46
圖4.4 無線 USB 傳輸系統發送端訊號經由超寬頻天線無線傳輸距離 1 公尺後之頻譜圖………………………………………. 46
圖4.5 封包錯誤率 (PER) 對比接收功率 (Received Power) 和資料傳輸率 (Data Rate)………………………………………..…. 47
圖4.6 量測實際資料傳輸率對比無線傳輸距離………………...…. 47
圖4.7 封包錯誤率 (PER) 對比無線傳輸距離…………………….. 48
圖4.8 MB-OFDM UWB 光纖通訊系統架構…………………...…. 50
圖4.9 MB-OFDM UWB 光纖通訊系統發送端訊號頻譜圖…….... 51
圖4.10 電吸收調變器之輸出功率對調變電壓圖………………….. 53
圖4.11 MB-OFDM UWB 光纖通訊系統之量測實際資料傳輸率對比無線傳輸距離…………………………………………..…. 54
圖4.12 MB-OFDM UWB RoF 系統之 PER 對比無線傳…...….... 54
圖4.13 MB-OFDM UWB RoF 系統之 PER 對比光功率衰減...… 55
圖4.14 MB-OFDM UWB 光纖通訊系統在無線距離 1 公尺下之 PER 對比光功率衰減……………………………………..… 57
圖4.15 MB-OFDM UWB 光纖通訊系統在無線距離 2 公尺下之 PER 對比光功率衰減……………………………………..… 57
圖4.16 MB-OFDM UWB 光纖通訊系統在無線距離 3 公尺下之 PER 對比光功率衰減……………………………………..… 58
圖4.17 TFC 5 於單一通道干擾之 PER 對比無線傳輸距離…..… 59
圖4.18 TFC 5 於雙通道干擾之 PER 對比無線傳輸距離……..… 60
圖4.19 Wisair DV9110 RDK 模組實際圖示………………….…… 61
圖4.20 MB-OFDM UWB 光纖通訊系統測試實驗實際………….. 61
圖4.21 基於量測的眼圖估算位元錯誤率之示意圖…………….…. 62
圖4.22 OOK Modulation for RoF 系統架構……………………….. 64
圖4.23 OOK 調變之 BER 對比無線傳輸距離……………..…….. 67
圖4.24 OOK 調變之53 Mbps 眼圖……………………………….. 68
圖4.25 OOK 調變之 53 Mbps 在無線傳輸距離 1 公尺下之
眼圖……………………...…………………………….......... 68
圖4.26 OOK 調變之 53 Mbps 在無線傳輸距離 2 公尺下之
眼圖......................................................................................... 69
圖4.27 OOK 調變之 106 Mbps 眼圖…………...…………….…... 69
圖4.28 OOK 調變之 106 Mbps 在無線傳輸距離 1 公尺下之
眼圖……...…………………………………………….……. 70
圖4.29 OOK 調變之 106 Mbps 在無線傳輸距離 2 公尺下之
眼圖………...…………………………………………….…. 70
圖4.30 OOK 調變之 200 Mbps 眼圖….……………...……..……. 71
圖4.31 OOK 調變之 200 Mbps 在無線傳輸距離 1 公尺下之
眼圖…………...…………………………………………….. 71
圖4.32 OOK 調變之 200 Mbps 在無線傳輸距離 2 公尺下之
眼圖……………………………...………………………….. 72
圖4.33 BPSK Modulation for RoF 系統架構…………………….... 73
圖4.34 BPSK 調變之 BER 對比無線傳輸距離………………...... 77
圖4.35 BPSK 調變之 53 Mbps 眼圖…………………………….... 77
圖4.36 BPSK 調變之 53 Mbps 在無線傳輸距離 1 公尺下之
眼圖......................................................................................... 78
圖4.37 BPSK 調變之 53 Mbps 在無線傳輸距離 2 公尺下之
眼圖…………..…………………………………………..…. 78
圖4.38 BPSK 調變之 53 Mbps 在無線傳輸距離 3 公尺下之
眼圖…………..…………………………………………....... 79
圖4.39 BPSK 調變之 106 Mbps 眼圖.……………………..……... 79
圖4.40 BPSK 調變之 106 Mbps 在無線傳輸距離 1 公尺下之
眼圖………………………………………….……………… 80
圖4.41 BPSK 調變之 106 Mbps 在無線傳輸距離 2 公尺下之
眼圖……………...………………………………………….. 80
圖4.42 BPSK 調變之 106 Mbps 在無線傳輸距離 3 公尺下之
眼圖…………...………………………………………….…. 81
圖4.43 BPSK 調變之 200 Mbps 眼圖……………...……..………. 81
圖4.44 BPSK 調變之 200 Mbps 在無線傳輸距離 1 公尺下之
眼圖…………………...………………………………….…. 82
圖4.45 BPSK 調變之 200 Mbps 在無線傳輸距離 2 公尺下之
眼圖……...………………………………………….………. 82
圖4.46 BPSK 調變之 200 Mbps 在無線傳輸距離 3 公尺下之
眼圖………………...……………………………………….. 83
圖4.47 MB-OFDM UWB Modulation for RoF 系統架構……..…... 84
圖4.48 採用MB-OFDM UWB 調變之光纖通訊系統之量測實際資料傳輸率對比無線傳輸距離……………………….……….. 86
圖4.49 採用MB-OFDM UWB 調變之光纖通訊系統之 PER 對比無線傳輸距離…………………………………………….….. 87
圖4.50 在 53 Mbps 時,採用 OOK 、 BPSK 與 MB-OFDM UWB 調變的光纖通訊系統之 BER 數值比較圖………...……… 87
圖4.51 在 106 Mbps 時,採用 OOK 、 BPSK 與 MB-OFDM UWB 調變的光纖通訊系統之 BER 數值比較圖…………...…… 88
圖4.52 在 200 Mbps 時,採用 OOK 、 BPSK 與 MB-OFDM UWB 調變的光纖通訊系統之 BER 數值比較圖……………...… 88
圖5.1 MIMO OFDM UWB Modulation for RoF系統架構示意圖.... 90














表 目 錄

表1.1 UWB 與各種現行通訊規格之傳輸速率比較…...……….….. 3
表2.1 FCC 所制定UWB之室內與手持裝置EIRP發射限制列表.. 12
表2.2 MB-OFDM UWB 系統之七組時-頻碼規格表.............…... 25
表2.3 MB-OFDM UWB 各調變模式參數規格………………...…. 27
表2.4 MB-OFDM UWB 與 IEEE 802.11a 規格比較…………….. 28
表4.1 MB-OFDM UWB 光纖通訊系統之各項設定系統參數….... 52
表4.2 採用 OOK 調變之光纖通訊系統之各項設定系統參數..…. 65
表4.3 採用 OOK 調變之光纖通訊系統之眼圖各項參數與 BER估算對比無線傳輸距離………….…………………….………. 66
表4.4 採用 BPSK 調變之光纖通訊系統之各項設定系統參數...... 74
表4.5 採用 BPSK 調變之光纖通訊系統之眼圖各項參數與 BER 估算對比無線傳輸距離……………………..…………....…. 75
表4.6 採用 MB-OFDM UWB 調變之光纖通訊系統之各項設定系統參數…………………………………………..…………..... 85
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