基于FPGA的副載波信號在光載無(wú)線(xiàn)通信系統中傳輸的實(shí)現

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

　　關(guān)鍵詞：光載無(wú)線(xiàn)通信；副載波調制；正弦波；現場(chǎng)可編程門(mén)陣列

　　0 引言

　　光載無(wú)線(xiàn)通信（Radio over Fiber，RoF）技術(shù)是將無(wú)線(xiàn)通信與光纖通信結合的一種技術(shù)，滿(mǎn)足了無(wú)線(xiàn)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制到激光上，之后調制后的光波通過(guò)復雜的光纖鏈路進(jìn)行傳輸，到達基站后，光電轉換將微波信號解調，再通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射供用戶(hù)使用。RoF系統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(lái)傳輸射頻信號。光纖僅起到傳輸的作用，交換、控制和信號的再生都集中在中心站，基站僅實(shí)現光電轉換，這樣，可以把復雜昂貴的設備集中到中心站點(diǎn)，讓多個(gè)遠端基站共享這些設備，減少基站的功耗和成本。

　　相對于傳統的通信系統而言，RoF系統具有覆蓋更廣、寬帶更寬、成本較低、功耗較低、易于安裝維護等優(yōu)點(diǎn)，是下一代寬帶無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的研究熱點(diǎn)。而RoF通信系統在被具體應用時(shí)，副載波產(chǎn)生及接收技術(shù)是必不可少的，可以說(shuō)是RoF系統的關(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通信系統的復雜度，且容易引入相位噪聲和大量色散，進(jìn)而干擾系統性能；同時(shí)，光生毫米波技術(shù)對光纖以及光脈沖參數的選擇有較大依賴(lài)性，不利于組網(wǎng)和擴展。

      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展性，對比近5年中RoF系統與蜂窩通信系統的發(fā)展與應用，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(zhù)近幾年無(wú)線(xiàn)通信的大量應用，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(gè)新的發(fā)展階段。根據FPGA結構簡(jiǎn)單、編寫(xiě)靈活、成本低、易修改等特點(diǎn)，本文提出了通過(guò)FPGA生成電域副載波信號，從而避免光域生成副載波的缺點(diǎn)。所以將FPGA與RoF結合是未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信的主要研究方向之一。

　　1 FPGA副載波調制波形的生成

      本文采用型號為EP4CE115F29C7的FPGA芯片在電子電路上進(jìn)行副載波調制，經(jīng)過(guò)數模轉換芯片AD7545轉換后將經(jīng)過(guò)副載波調制的信號送入型號為L(cháng)TE-GX-06A的光纖實(shí)驗箱進(jìn)行傳輸實(shí)驗，而副載波的調制方式采用了AM調制，載波為正弦波，傳輸數據為低頻正弦波（傳輸數據可更改），副載波調制頻率為中頻。由于本實(shí)驗中無(wú)線(xiàn)信道不是主要研究對象，故將經(jīng)過(guò)光纖傳輸后的信息直接接入觀(guān)察設備而不進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，最后在觀(guān)察設備中評估系統的性能。

　　在通過(guò)modelsim對相應的設計分別進(jìn)行仿真后得到的AM調制波形見(jiàn)圖3。

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

　　2 副載波信號在光纖中傳輸的實(shí)現

      將副載波調制信號通過(guò)D/A轉換后，便可得到連續的正弦波。根據光載無(wú)線(xiàn)通信的原理內涵，需要將副載波信號通過(guò)光調制器接入光纖鏈路，選用第25號光收發(fā)模塊，其波長(cháng)窗口分別為1310 nm和1550 nm，進(jìn)行實(shí)驗。

　　由于在DE2-115開(kāi)發(fā)板上實(shí)現的調制信號為數字信號，故本次實(shí)驗需要使用JP5端口將信號輸出至型號為AD7545的數模轉換芯片進(jìn)行信號轉換，數模轉換芯片的輸出端分別連接示波器的探頭1以及光纖實(shí)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)光纖系統傳輸的副載波波形，第二行為經(jīng)過(guò)光纖系統傳輸的副載波波形）。

　?。?）AM副載波信號經(jīng)過(guò)2 m光纖的傳輸結果

      搭建好傳輸系統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定性，首先進(jìn)行2 m的光纖基礎性能傳輸。

　　通過(guò)分別改變載波信號頻率和調制信號頻率，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光纖中的傳輸結果見(jiàn)圖5~圖8，其中調制信號為5 kHz。

　　從圖5至圖8中可以看出，在調制方式為AM調制的情況下，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(wú)線(xiàn)通信系統的可行性和有效性。

　　2) AM副載波信號經(jīng)過(guò)1 km光纖的傳輸結果

      在RoF的實(shí)際應用中，光纖傳輸距離為2 m是遠遠不夠的，動(dòng)輒幾十千米的光纖會(huì )造成更多問(wèn)題。為了結合實(shí)際，本文使用一條長(cháng)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(cháng)度為2 m時(shí)的副載波信號相同。通過(guò)觀(guān)察示波器顯示窗口可以發(fā)現其傳輸結果與2 m光纖的傳輸結果基本相同。

　　3）傳輸后的光功率衰減

      在兩個(gè)波長(cháng)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(shí)驗平臺的光功率基準功率（發(fā)射功率）為1 mW。

　　3 實(shí)驗結果分析

      從以上結果中可以看出，使用FPGA生成的副載波信號仍能在較長(cháng)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(diǎn)：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的光纖傳輸結果相比衰減較小，符合較長(cháng)距離光纖的傳輸標準。

　　2)波長(cháng)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)現其數值均相差0.2dBm到0.3 dBm。

　　3)在光纖傳輸中，500 kHz的AM調制頻率下，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(huì )有一定的損耗衰減，在1550 nm窗口應不大于0.22 dB，在1310 nm窗口應不大于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(cháng)AM調制的傳輸結果，經(jīng)過(guò)光纖傳輸后副載波調制波形與之前的波形已經(jīng)非常近似，說(shuō)明本實(shí)驗產(chǎn)生的副載波信號能夠被光纖所傳輸，既符合光載無(wú)線(xiàn)通信系統原理，又能使系統結構簡(jiǎn)潔明了，驗證了基于FPGA的電域光載無(wú)線(xiàn)通信的可行性。

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