基于FPGA的副載波信號在光載無線通信系統(tǒng)中傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

　　袁琪，陳蓉，寇召飛

　?。ㄎ靼部萍即髮W(xué)通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

　　摘要：為了避免RoF在光域調(diào)制容易引入相位噪聲和大量色散等缺點，提出了一種在電域進(jìn)行副載波調(diào)制的方法，具體是使用FPGA進(jìn)行AM副載波調(diào)制，生成基帶副載波信號，然后使用激光調(diào)制器將副載波信號調(diào)制為光信號，并將信號經(jīng)過光纖傳輸。在經(jīng)過光纖系統(tǒng)傳輸后的示波器上能夠觀察到清晰的副載波波形，且光功率計讀數(shù)符合預(yù)期，表明經(jīng)過光纖傳輸后效果良好，實驗結(jié)果表明在電域能進(jìn)行副載波調(diào)制，從而驗證了基于FPGA的光載無線通信的副載波信號的傳輸可行性，為電域副載波調(diào)制提供了解決方法。

　　關(guān)鍵詞：光載無線通信；副載波調(diào)制；正弦波；現(xiàn)場可編程門陣列

　　0 引言

　　光載無線通信（Radio over Fiber，RoF）技術(shù)是將無線通信與光纖通信結(jié)合的一種技術(shù)，滿足了無線通信向高速大容量方向發(fā)展的需求。RoF技術(shù)的基本原理就是在中心站將微波調(diào)制到激光上，之后調(diào)制后的光波通過復(fù)雜的光纖鏈路進(jìn)行傳輸，到達(dá)基站后，光電轉(zhuǎn)換將微波信號解調(diào)，再通過天線發(fā)射供用戶使用。RoF系統(tǒng)中運用光纖作為基站(BS)與中心站(CS)之間的傳輸鏈路，直接利用光載波來傳輸射頻信號。光纖僅起到傳輸?shù)淖饔?，交換、控制和信號的再生都集中在中心站，基站僅實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，這樣，可以把復(fù)雜昂貴的設(shè)備集中到中心站點，讓多個遠(yuǎn)端基站共享這些設(shè)備，減少基站的功耗和成本。

　　相對于傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)而言，RoF系統(tǒng)具有覆蓋更廣、寬帶更寬、成本較低、功耗較低、易于安裝維護(hù)等優(yōu)點，是下一代寬帶無線通信技術(shù)的研究熱點。而RoF通信系統(tǒng)在被具體應(yīng)用時，副載波產(chǎn)生及接收技術(shù)是必不可少的，可以說是RoF系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。而光生副載波技術(shù)雖然能夠產(chǎn)生高頻副載波，但是增加了RoF通信系統(tǒng)的復(fù)雜度，且容易引入相位噪聲和大量色散，進(jìn)而干擾系統(tǒng)性能；同時，光生毫米波技術(shù)對光纖以及光脈沖參數(shù)的選擇有較大依賴性，不利于組網(wǎng)和擴(kuò)展。

      RoF的通信方式雖然能夠傳輸高頻毫米波信號，但是犧牲了成本和擴(kuò)展性，對比近5年中RoF系統(tǒng)與蜂窩通信系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用，最初提出的光生毫米波方案反而成為RoF發(fā)展的阻礙。隨著近幾年無線通信的大量應(yīng)用，以及新技術(shù)新硬件（如FPGA）的發(fā)展，使得副載波的產(chǎn)生方式多樣化，讓其不拘泥于光域，將RoF推入了一個新的發(fā)展階段。根據(jù)FPGA結(jié)構(gòu)簡單、編寫靈活、成本低、易修改等特點，本文提出了通過FPGA生成電域副載波信號，從而避免光域生成副載波的缺點。所以將FPGA與RoF結(jié)合是未來無線通信的主要研究方向之一。

　　1 FPGA副載波調(diào)制波形的生成

      本文采用型號為EP4CE115F29C7的FPGA芯片在電子電路上進(jìn)行副載波調(diào)制，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7545轉(zhuǎn)換后將經(jīng)過副載波調(diào)制的信號送入型號為LTE-GX-06A的光纖實驗箱進(jìn)行傳輸實驗，而副載波的調(diào)制方式采用了AM調(diào)制，載波為正弦波，傳輸數(shù)據(jù)為低頻正弦波（傳輸數(shù)據(jù)可更改），副載波調(diào)制頻率為中頻。由于本實驗中無線信道不是主要研究對象，故將經(jīng)過光纖傳輸后的信息直接接入觀察設(shè)備而不進(jìn)行無線傳輸，最后在觀察設(shè)備中評估系統(tǒng)的性能。

　　在通過modelsim對相應(yīng)的設(shè)計分別進(jìn)行仿真后得到的AM調(diào)制波形見圖3。

　　如圖3所示，第二行為載波信號，頻率f=50 kHz；第三行為調(diào)制信號，頻率f=5 kHz；第一行為已調(diào)信號，生成的AM信號周期T=0.2 ms，頻率f=5 kHz。此調(diào)制波形即為RoF傳輸系統(tǒng)中采用的副載波。

　　2 副載波信號在光纖中傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

      將副載波調(diào)制信號通過D/A轉(zhuǎn)換后，便可得到連續(xù)的正弦波。根據(jù)光載無線通信的原理內(nèi)涵，需要將副載波信號通過光調(diào)制器接入光纖鏈路，選用第25號光收發(fā)模塊，其波長窗口分別為1310 nm和1550 nm，進(jìn)行實驗。

　　由于在DE2-115開發(fā)板上實現(xiàn)的調(diào)制信號為數(shù)字信號，故本次實驗需要使用JP5端口將信號輸出至型號為AD7545的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的輸出端分別連接示波器的探頭1以及光纖實驗箱光纖傳輸模塊的輸入端，再將光纖傳輸模塊的輸出端口接到示波器的探頭2上。對波形的測試顯示如圖5至圖8所示（各圖中第一行為未經(jīng)光纖系統(tǒng)傳輸?shù)母陛d波波形，第二行為經(jīng)過光纖系統(tǒng)傳輸?shù)母陛d波波形）。

　?。?）AM副載波信號經(jīng)過2 m光纖的傳輸結(jié)果

      搭建好傳輸系統(tǒng)后就可以將前面使用FPGA生成的副載波信號進(jìn)行傳輸了，考慮到傳輸信號的穩(wěn)定性，首先進(jìn)行2 m的光纖基礎(chǔ)性能傳輸。

　　通過分別改變載波信號頻率和調(diào)制信號頻率，生成了幾種不同頻率的AM副載波信號并在1550 nm和1310 nm光纖中傳輸，其在1550 nm光纖中的傳輸結(jié)果見圖5~圖8，其中調(diào)制信號為5 kHz。

　　從圖5至圖8中可以看出，在調(diào)制方式為AM調(diào)制的情況下，使用FPGA能夠產(chǎn)生副載波信號，并且能在光纖鏈路中進(jìn)行傳輸，驗證了電域產(chǎn)生副載波的光載無線通信系統(tǒng)的可行性和有效性。

　　2) AM副載波信號經(jīng)過1 km光纖的傳輸結(jié)果

      在RoF的實際應(yīng)用中，光纖傳輸距離為2 m是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，動輒幾十千米的光纖會造成更多問題。為了結(jié)合實際，本文使用一條長度為1 km的單模光纖進(jìn)行傳輸，其中的副載波信號與光纖長度為2 m時的副載波信號相同。通過觀察示波器顯示窗口可以發(fā)現(xiàn)其傳輸結(jié)果與2 m光纖的傳輸結(jié)果基本相同。

　　3）傳輸后的光功率衰減

      在兩個波長窗口（1550 nm和1310 nm）下，副載波信號在2 m以及1 km光纖中傳輸后的接收光功率如表1所示。本文使用的實驗平臺的光功率基準(zhǔn)功率（發(fā)射功率）為1 mW。

　　3 實驗結(jié)果分析

      從以上結(jié)果中可以看出，使用FPGA生成的副載波信號仍能在較長的光纖中進(jìn)行傳輸，且傳輸效果良好，其中的傳輸特性有以下幾點：1)1 km傳輸中光傳輸功率衰減最小有2.32dBm，最大只有3.47dBm，與2 m的光纖傳輸結(jié)果相比衰減較小，符合較長距離光纖的傳輸標(biāo)準(zhǔn)。

　　2)波長窗口1550 nm下的傳輸性能比1310 nm的傳輸性能好，波形不易失真。且在1550 nm窗口下，對比2 m和1 km傳輸距離的光功率衰減，可以發(fā)現(xiàn)其數(shù)值均相差0.2dBm到0.3 dBm。

　　3)在光纖傳輸中，500 kHz的AM調(diào)制頻率下，1550 nm的傳輸窗口比1310 nm的傳輸性能較好，原因是光纖收發(fā)自身會有一定的損耗衰減，在1550 nm窗口應(yīng)不大于0.22 dB，在1310 nm窗口應(yīng)不大于0.36 dB，所以1310 nm的比1550 nm的損耗大。

　　綜合不同頻率，不同波長AM調(diào)制的傳輸結(jié)果，經(jīng)過光纖傳輸后副載波調(diào)制波形與之前的波形已經(jīng)非常近似，說明本實驗產(chǎn)生的副載波信號能夠被光纖所傳輸，既符合光載無線通信系統(tǒng)原理，又能使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔明了，驗證了基于FPGA的電域光載無線通信的可行性。

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     本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第6期第49頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處