基于FPGA的副载波信号在光载无线通信系统中传输的实现
袁琪，陈蓉，寇召飞
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201905/401020.htm（西安科技大学通信与信息工程学院，陕西 西安 710054）
摘要：为了避免RoF在光域调制容易引入相位噪声和大量色散等缺点，提出了一种在电域进行副载波调制的方法，具体是使用FPGA进行AM副载波调制，生成基带副载波信号，然后使用激光调制器将副载波信号调制为光信号，并将信号经过光纤传输。在经过光纤系统传输后的示波器上能够观察到清晰的副载波波形，且光功率计读数符合预期，表明经过光纤传输后效果良好，实验结果表明在电域能进行副载波调制，从而验证了基于FPGA的光载无线通信的副载波信号的传输可行性，为电域副载波调制提供了解决方法。
0 引言
光载无线通信（Radio over Fiber，RoF）技术是将无线通信与光纤通信结合的一种技术，满足了无线通信向高速大容量方向发展的需求。RoF技术的基本原理就是在中心站将微波调制到激光上，之后调制后的光波通过复杂的光纤链路进行传输，到达基站后，光电转换将微波信号解调，再通过天线发射供用户使用。RoF系统中运用光纤作为基站(BS)与中心站(CS)之间的传输链路，直接利用光载波来传输射频信号。光纤仅起到传输的作用，交换、控制和信号的再生都集中在中心站，基站仅实现光电转换，这样，可以把复杂昂贵的设备集中到中心站点，让多个远端基站共享这些设备，减少基站的功耗和成本。
相对于传统的通信系统而言，RoF系统具有覆盖更广、宽带更宽、成本较低、功耗较低、易于安装维护等优点，是下一代宽带无线通信技术的研究热点。而RoF通信系统在被具体应用时，副载波产生及接收技术是必不可少的，可以说是RoF系统的关键技术。而光生副载波技术虽然能够产生高频副载波，但是增加了RoF通信系统的复杂度，且容易引入相位噪声和大量色散，进而干扰系统性能；同时，光生毫米波技术对光纤以及光脉冲参数的选择有较大依赖性，不利于组网和扩展。
RoF的通信方式虽然能够传输高频毫米波信号，但是牺牲了成本和扩展性，对比近5年中RoF系统与蜂窝通信系统的发展与应用，最初提出的光生毫米波方案反而成为RoF发展的阻碍。随着近几年无线通信的大量应用，以及新技术新硬件（如FPGA）的发展，使得副载波的产生方式多样化，让其不拘泥于光域，将RoF推入了一个新的发展阶段。根据FPGA结构简单、编写灵活、成本低、易修改等特点，本文提出了通过FPGA生成电域副载波信号，从而避免光域生成副载波的缺点。所以将FPGA与RoF结合是未来无线通信的主要研究方向之一。
1 FPGA副载波调制波形的生成
本文采用型号为EP4CE115F29C7的FPGA芯片在电子电路上进行副载波调制，经过数模转换芯片AD7545转换后将经过副载波调制的信号送入型号为LTE-GX-06A的光纤实验箱进行传输实验，而副载波的调制方式采用了AM调制，载波为正弦波，传输数据为低频正弦波（传输数据可更改），副载波调制频率为中频。由于本实验中无线信道不是主要研究对象，故将经过光纤传输后的信息直接接入观察设备而不进行无线传输，最后在观察设备中评估系统的性能。
在通过modelsim对相应的设计分别进行仿真后得到的AM调制波形见图3。
如图3所示，第二行为载波信号，频率f=50 kHz；第三行为调制信号，频率f=5 kHz；第一行为已调信号，生成的AM信号周期T=0.2 ms，频率f=5 kHz。此调制波形即为RoF传输系统中采用的副载波。
2 副载波信号在光纤中传输的实现
将副载波调制信号通过D/A转换后，便可得到连续的正弦波。根据光载无线通信的原理内涵，需要将副载波信号通过光调制器接入光纤链路，选用第25号光收发模块，其波长窗口分别为1310 nm和1550 nm，进行实验。
由于在DE2-115开发板上实现的调制信号为数字信号，故本次实验需要使用JP5端口将信号输出至型号为AD7545的数模转换芯片进行信号转换，数模转换芯片的输出端分别连接示波器的探头1以及光纤实验箱光纤传输模块的输入端，再将光纤传输模块的输出端口接到示波器的探头2上。对波形的测试显示如图5至图8所示（各图中第一行为未经光纤系统传输的副载波波形，第二行为经过光纤系统传输的副载波波形）。
（1）AM副载波信号经过2 m光纤的传输结果
搭建好传输系统后就可以将前面使用FPGA生成的副载波信号进行传输了，考虑到传输信号的稳定性，首先进行2 m的光纤基础性能传输。
通过分别改变载波信号频率和调制信号频率，生成了几种不同频率的AM副载波信号并在1550 nm和1310 nm光纤中传输，其在1550 nm光纤中的传输结果见图5~图8，其中调制信号为5 kHz。
从图5至图8中可以看出，在调制方式为AM调制的情况下，使用FPGA能够产生副载波信号，并且能在光纤链路中进行传输，验证了电域产生副载波的光载无线通信系统的可行性和有效性。
2) AM副载波信号经过1 km光纤的传输结果
在RoF的实际应用中，光纤传输距离为2 m是远远不够的，动辄几十千米的光纤会造成更多问题。为了结合实际，本文使用一条长度为1 km的单模光纤进行传输，其中的副载波信号与光纤长度为2 m时的副载波信号相同。通过观察示波器显示窗口可以发现其传输结果与2 m光纤的传输结果基本相同。
3）传输后的光功率衰减
在两个波长窗口（1550 nm和1310 nm）下，副载波信号在2 m以及1 km光纤中传输后的接收光功率如表1所示。本文使用的实验平台的光功率基准功率（发射功率）为1 mW。
3 实验结果分析
从以上结果中可以看出，使用FPGA生成的副载波信号仍能在较长的光纤中进行传输，且传输效果良好，其中的传输特性有以下几点：1)1 km传输中光传输功率衰减最小有2.32dBm，最大只有3.47dBm，与2 m的光纤传输结果相比衰减较小，符合较长距离光纤的传输标准。
2)波长窗口1550 nm下的传输性能比1310 nm的传输性能好，波形不易失真。且在1550 nm窗口下，对比2 m和1 km传输距离的光功率衰减，可以发现其数值均相差0.2dBm到0.3 dBm。
3)在光纤传输中，500 kHz的AM调制频率下，1550 nm的传输窗口比1310 nm的传输性能较好，原因是光纤收发自身会有一定的损耗衰减，在1550 nm窗口应不大于0.22 dB，在1310 nm窗口应不大于0.36 dB，所以1310 nm的比1550 nm的损耗大。
综合不同频率，不同波长AM调制的传输结果，经过光纤传输后副载波调制波形与之前的波形已经非常近似，说明本实验产生的副载波信号能够被光纤所传输，既符合光载无线通信系统原理，又能使系统结构简洁明了，验证了基于FPGA的电域光载无线通信的可行性。
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本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第6期第49页，欢迎您写论文时引用，并注明出处
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