1、目 录1 绪论 .11.1 引言 .11.2 自由空间光通信 .11.21 定义： .11.22 特点 .12 自由空间光通信的研究现状 .22.1 基于光电探测器直接耦合的 FSO 系统 .22.11 缺点 .32.2 基于光纤耦合技术的 FSO 系统 .32.21 这种新型的 FSO 系统具有以下优点： .32.22 基于光纤耦合技术的 FSO 系统的 2 个必要因素： .42.3 国内空间光通信系统研究现状和进展 .42.31 国内研究现状 .42.32 国外研究现状 .53 关键技术分析 .53.1 几种技术 .53.11 光源及高码率调制技术 .63.12 高灵敏度抗干扰的光信号接收
2、技术 .63.13 收发天线 .63.14 快速、精确的捕获、跟踪和瞄准技术 .63.15 大气信道的研究 .73.2 影响自由空间光通信的重要因素 .73.21 传输信道的影响 .73.22 影响激光信号传输性质 .73.23 气候条件影响 .84 自由空间光通信系统的基本原理 .84.1 概述 .84.2 系统基本框架 .94.21 系统结构 .95 常见问题及解决方法 .105.1 大气媒介的影响 .105.2 传输距离的影响 .105.3 收发端对准问题 .116 自由空间光通信技术的应用及未来发展趋势 .116.1 应用 .116.2 发展趋势 .117 结束语 .12参考文献 .1
3、3自由空间光通信技术的应用研究【摘要】：自由空间光通信技术起源于上个世纪 70 年代，近年来随着半导体技术和通信技术的发展，尤其是光纤通信技术的普遍应用，是的该项技术得到了快速的发展。自由空间光通信具有极好的保密性，并且能够解决通信中“最后一公里”的瓶颈问题，对于人类的通信具有很高的利用价值。天气影响严重等问题的制约，其发展一直停滞不前。目前国内对于无线光通信的研究进展较慢，与国外先进水平还相差较大，因此对无线光通信技术的研究有重要意义。应在及时采取有效措施的基础上，借鉴国外的一些先进经验，以尽快赶上国外先进水平，争取在无线光通信领域获得更多的成果，拥有更加广阔的应用前景。【关键词】：自由光通
4、信 现状 趋势 应用【ABTRAT】 ：Free-space laser communication as a new technology has been developed for more than thirty years.Recently,the free-space laser communication has achieved a great communication. The free-space laser communication has a great performance in data security and capacity, which will be
5、 a good choice in communication or as the complement of other communication method. However, due to its technical limitations, such as fairly short transmission distance, severely affected by the weather and other problems, the wireless optical communication is slow in development. At present, the r
6、esearch on wireless optical communication at home makes slow progress, with great difference form the advanced levels abroad. So the study on wireless optical communication technology is of great importance. The effective measures should be timely adopted, the advanced experience abroad be used for
7、reference, so as to catch up with the advanced level, achieve more results and have broader application prospects in the field of wireless optical communications.【Key word】:Free-space optical communication Current situation Development trends Application兰州交通大学课程设计01 绪论1.1 引言人类社会进入二十一世纪以来，各个科学技术领域都得到
8、了巨大的发展，其中最为突出的，对于人类的生活影响最为巨大的莫过于信息技术的高速发展。其具体表现在，通信方式的多样化，网络的全球化发展，有线通信和移动无线通信的飞速发展;通信质量的不断提高，正在日益的满足不同人群，不通层次的需要，并成为带动其他各个领域的发展所不可缺少的必备工具;通信数据量的日益扩大，对于图像，音频、视频等数据相结合的多媒体业务的发展起到了极大的推动作用，从上个世纪八十年代到现在，移动技术已经进入了第三时代。然而，以微波通信技术为基础的卫星通信也遇到一系列的新问题，如微波频带有限、容量不够、方向性不好、保密性不乐观等。因此，通信技术的另一个发展方向“无线激光通信”在全球快速的发展
9、。自由空间光通信技术是基于无线电通信和光纤通信技术，利用激光为信号的载体，在大气或太空中直接进行信息传输的技术。目前，主要的通信传输手段有微波、光纤等。微波通信节省了大量的原材料，能够跨越复杂地形，较灵活的组建点、线结合的通信网，但具有频带窄，信道容量小，码率低等不足。而光纤通信系统，线路容量大，不易受外界干扰，但必须有安装光缆用的公用通道，但遇到恶劣地形条件时，工程施工难度大、建立周期长，费用高。无线激光通信与光纤通信属于同一范畴，既具有微波通信灵活机动的特点，又具有光纤通信码率高的优点，其误码率相对于微波通信要低。1.2 自由空间光通信1.21 定义：自由空间光通信是指利用激光束作为载波在
10、空间(陆地或外太空)直接进行语音、数据、图像信息双向传送的一种技术，又称为“自由空间激光通信”(FSO:Free-space optical communication technology、“无纤激光通信”或“无线激光网络”（Wireless Optical Network)。1.22 特点1、保密性好。由于作为载体的激光光束的发散角度窄，通常在毫弧级，方向性兰州交通大学课程设计1好，使光通信具有极好的保密性、防窃听和抗干扰能力;2、信息容量大。光频频段在 1031017Hz，可利用的带宽大约是无线射频波段的 10，倍，能够传出大于 10GbPs 的高数据码率;3、功耗小，体积小。激光的能量
11、高度集中，在接收机望远镜天线上接收到的信号功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低重量轻，架设使用方便灵活，工程周期短，网络建立十分灵活;4、天线尺寸小，成本低。由于空间激光通信的能量利用率高，使得发射机及其供电系统的重量减轻;由于激光的波长短，在同样的发散角和接收视场角的要求下，发射和接收望远镜的口径都可以减小。摆脱了射频系统巨大的碟形天线，重量减轻、体积减小;5、自由空间对于光波是一种优良的传输介质，光波在自由空间中传输损耗小，传输同样速率与信息的设备，光通信的设备的性价比最高，很适合于卫星通信。由于激光无线通信具有以上的优点，并且近年来大功率半导体激光技术、自适应变焦技术、光
12、波窄带滤波技术、光源稳频技术、信号压缩编码技术、光学天线的设计制作以及安装校准技术不断的发展和成熟，该项技术能够解决地面与卫星通信之间“最后一公里”的瓶颈问题，在太空中的应用前景十分的广大。此外，由于无线激光通信的尺寸小，建网快速方便，并且能够大大的降低临时网络的成本和工程时间，该技术也应用于建筑物密集的城区里大楼之间的网络连接，或不易铺设光纤的区域，作为光纤的外设等。2 自由空间光通信的研究现状2.1 基于光电探测器直接耦合的 FSO 系统早在30多年前，自由空间光通信曾掀起了研究的热潮，但当时的器件技术、系统技术和大气信道光传输特性本身的不稳定性等诸多客观因素却阻碍了它的进一步发展。与此同
13、时，随着光纤制作技术、半导体器件技术、光通信系统技术的不断完善和成熟，光纤通信在20世纪80年代掀起了热潮，自由空间光通信一度陷入低谷。然而，随着骨干网的基本建成以及最后一公里问题的出现，以兰州交通大学课程设计2及近年来大功率半导体激光器技术、自适应变焦技术、光学天线的设计制作及安装校准技术的发展和成熟，自由空间光通信的研究重新得到重视。 2.11 缺点目前商用的 FSO 系统通常采用光源直接输出、光电探测器直接耦合的方式，这种系统有以下几点缺点：1 半导体激光器出射光束在水平方向和垂直方向的发散角不同，且出射光斑较粗，因此我们需要先将出射光束整形为圆高斯光束再准直扩束后发射，这样发射端的光学
14、系统就较为复杂，体积也会相应增大。2 在接收端，光斑经光学天线会聚之后直接送入 PD 转化为电信号。通常，我们需要提供点到点的，双向的通信系统，这样，FSO 系统的每个终端都包括了激光器，探测器，光学系统，电子元器件和其中有源器件所需要的电源。这种系统的体积通常比较大，重量大，成本也比较高。从 FSO 系统终端的内部结构图中可以看出，完成一个简单的点到点的链路需要 6 个 OE 转换单元。随着人们对带宽的需求越来越高，PD 的成本也越来越高，6 个 OE 转换单元大大增加了成本闭。3FSO 终端设备一般安装于楼顶，如果终端中含有大量的有源设备，会给我们的安装带来了很多不方便。4 系统的可扩展性
15、很小。如果用户所需要的带宽增加，那么封装在一起的整个FSO 系统终端都需要被新的终端取代，安装新设备的过程需要再次对准，整个升级过程所需要的时间很长，给人们带来巨大的损失。 2.2 基于光纤耦合技术的 FSO 系统 光纤输出、光纤输入的自由空间光通信系统，激光器输出的高斯光束耦合至光纤再经准直出射，传输一定距离后，光束通过合适的聚焦光学系统聚焦在光纤纤芯上，沿着光纤传输后经 PD 接收还原信号。这样我们通过在发射和接收端都采用光纤连接的方式，只需要在楼顶放置光学天线系统，而将其他的控制系统通过光纤放置于室内就可以实现点到点的连接，整个系统结构简单，易于安装。2.21 这种新型的 FSO 系统具
16、有以下优点：兰州交通大学课程设计31 减少了不必要的 E 一 O 转换，一条链路现在只需要 2 个 OE 接口即可，大大降低了成本。2 光学系统较为简单，光纤出射的光束一般为圆高斯光，不需要整形，简化了光学系统，减小了体积，易于安装。3 易于升级及维护，当用户的带宽增加时，我们只需要对放置在室内的系统进行升级即可，免去了复杂繁琐的对准过程。4 基于光纤耦合的空间光通信系统能够很好的与现有的光纤通信网络结合，利用现有的比较成熟的光纤通信系统中的器件如发射接收模块，EDFA 和 WDM 中所用到的复用器和解复用器。5 可以与光码分多址复用技术（OCDMA）相结合，构成自由空间 OCDMA 系统，进
17、一步扩大系统的带宽。2.22 基于光纤耦合技术的 FSO 系统的 2 个必要因素：1 体积小，重量轻的光学天线系统一个最佳的光学天线的设计首先必须使尽可能多的光耦合进单模光纤，获得最大的耦合效率；其次要能通过粗跟踪系统测出入射光的角度；另外，必须满足尽可能高的通信速率和稳定性。2 性能良好的跟踪系统要使光学接收天线接收到的光能够有效的耦合进纤芯和数值孔径都极小的单模光纤，我们必须为系统加上双向的跟踪系统。2.3 国内空间光通信系统研究现状和进展 2.31 国内研究现状 就国内 FSO 的发展来说，还基本在起步阶段。有几家研究所与公司 由于跟踪这项技术比较早，所以现在在实验室作出了自己的样机，但
18、是还没有一家公司规模性的来生产 FSO 设备。当然这也有 FSO 设备由于本身的可靠性,在国内暂时不被运营商看好的因素。这几家样机比较成熟的单位有：桂林三十四所，清华同方有限公司，中科院成都 光电技术研究所，深圳飞通有限公司，上海光机所等。中科院成都光电技术研究所引进国外公司先进的激光器及其附属电 路，利用自己在光学器件上的优势，开发出了工作波长为 850nm，可 以传输 1 公里、4 公里两种距离的两款产品。产品主要性能参数是， 速率：10Mb/s；工作波长：850nm；通信距离：14Km；光发射功 率：330mW。兰州交通大学课程设计4上海光机所承担的“无线激光通信系统”项目在 2003
19、年 1 月 13 日通过 了验收。该系统具有双向高速传输和自动跟踪功能。其传输速率可以 达到 622Mb/s，通信距离可以达到 2Km，自动跟踪系统的跟踪精度为 0.1mrad，响应时间为 0.2s。自动跟踪系统采用双波长同光路接收镜 筒和高灵敏度位敏探测器，实现灵敏的伺服跟踪，并简化通信系统的 机械结构，降低成本术上具有自己的特色和创新，已申请一项专利。深圳飞通有限公司利用自身强大的光电器件的优势， 开发出了光收发 模块加上 EDFA 系统方式的样机，其速率有 155Mb/s，622Mb/s,以及 1.25Gb/s 几种，通信距离最远可达 4KM。2.32 国外研究现状在自由空间光通信(FO
20、S)领域,国外已经开始了将近10年的研究，但是 FOS产品真正投人使用也就是最近几年的事情。美国、英国、加拿大等国的十几家厂商正在从事 FOS 的相关研发工作。目前，国际市场上 Air Fiber、Light pointe 等公司是推广 FOS 技术的先行者。FOS 技术的领先供应商 Light pointe在今年的2月份推出 Flight Lite 100E 设备，它可以支持100 M 以 太 网1500米距离的 传输，每比特价格优势更优越，而且1500米的传距离几乎是原来的 Flight Lite 100设备传输距离的 3倍。Flight Lite 自从2004年推出以来一直是 Light
21、（MHz）为载体，在真空或大气中传递信息，不需要任何有线信道为传输媒介的一种通信技术。FOS 可用于空间及地面间通信，其传输特点是光束以直线传播。和其他无线通信相比，它具有不需要频率许可证、频率宽、成本低廉、保密性好，低误码率、安装快速、抗电磁干扰，组网方便灵活等优点。pointe 公司最畅销的企业无线网桥 。Light pointe 公司的高级副总裁BOB Preston 表示 Flight Lite 100E 的推出是该公司致力于降低企业网构建瓶颈的努力的体现。Light pointe 又于今年五月份推出 Flight Strata 100XA，是第一款集成了快速以太网光无线链路和 5.8
22、GHZRF 技术的 FOS 产品。采用该公司专利的 Dual Path T 架构，该产品提供了全天候的工作能力 ，同时可以提供与 光纤线路一样的带宽。 3 关键技术分析兰州交通大学课程设计53.1 几种技术3.11 光源及高码率调制技术在空间光通信系统中大多采用半导体激光器或半导体泵浦的 AYG 固体激光器作为信号光和信标光源，其工作波长为0.81.5娜近红外波段。信标光源(采用单管或多个管芯阵列组合，以加大输出功率)要求能提供在几瓦量级的连续光或脉冲光，以便在大视场、高背景光干扰下，快速、精确地捕获和跟踪目标，通常信标光地调制频率为几十赫兹到几千赫兹，或是几千赫兹到几十千赫兹，以克服背景光地
23、干扰。信号光源则选择输出功率为几十毫瓦的半导体激光器，但要求输出光束质量好，工作频率高(可达到几十兆赫兹到几十吉赫兹)。具体选择视需要而定。3.12 高灵敏度抗干扰的光信号接收技术空间光通信系统中，光接收端机接收到的信号十分微弱，加之在高背景噪声场的干扰情况下，会导致接收端 S/N1。为快速、精确地捕获目标和接收信号，通常采取两方面地措施:一是提高接收端机的灵敏度，达到 nw 到 pw 数量级;其次是对所接受信号进行处理，在光信道上采用光窄带滤波器，如干涉滤波片或原子滤波器等，以抑制背景杂散光的干扰，在电信道上则采用微弱信号检测预处理技术。3.13 收发天线为完成系统的双向互逆跟踪，光通信系统
24、均采用收、发合一天线，隔离度近100%的精密光机组件。由于半导体激光器光束质量一般较差，要求天线增益要高。另外，为适应空间系统，天线包括主副镜，合束、分束滤光片等光学元件，总体结构要紧凑、轻巧、稳定可靠。现国际上的自由空间光通信系统的天线口径一般为几厘米到25厘米。3.14 快速、精确的捕获、跟踪和瞄准技术信号实时处理的伺服执行机构完成粗跟踪，即目标的捕获。粗跟踪的视场角为几毫弧度，灵敏度约为1P0W，跟踪精度为几十毫弧度;二是跟踪、瞄准即精跟踪系统。该系统的功能是在完成了目标捕获后，对目标进行瞄准和实时跟踪。通常采用四象限红外探测器 QD 或 Q 一 APD 高灵敏度传感器来实现，并配以相应
25、的电子伺服控制系统。精跟踪要求视场角为几百这是保证实现空间远距离光通兰州交通大学课程设计6信的必要核心技术。Al，P 系统通常由以下两部分组成:一是捕获(粗跟踪)系统，它是在较大市场范围内捕获目标，捕获范围可达士1“一士200或是更大。通常采用阵列 CCD 来实现，并与带通光滤波器、微弧度，跟踪精度为几微弧度，跟踪灵敏度大约为纳瓦级。3.15 大气信道的研究在地对地、地对空的激光通信系统的信号传输中，涉及的大气信道是随机的。大气中的气体分子、水雾、雪、霆、气溶胶等粒子，其几何尺寸与半导体激光波长相近甚至更小，这就会引起光的吸收、散射，特别是在强湍流的情况下，光信号将受到严重干扰，甚至脱靶。因此
26、，如何保证随机信道条件下系统的正常工作，对大气信道的工程化研究是十分重要的。自适应光学技术可以较好的解决这一问题，并已逐渐走向实用化。此外，完整的卫星间光通信系统还包括相应的机械支撑结构、热控制、辅助电子学等部分及系统整体优化等技术。以上对于整个自由空间光通信的关键技术进行了较为具体的分析，就课题侧重于光发射端机的设计研究，设计为了利于光信号在空间信道中输出，对信道中影响光通信的各种因素和关键的激光器技术进行了研究。3.2 影响自由空间光通信的重要因素3.21 传输信道的影响自由空间光通信以激光作为信息载体，以大气或太空作为媒介，因此传输媒质对于传输质量的影响是十分巨大的，尤其是大气和天气的影响尤为严重。激光辐射通过大气时，由于大中存在着各种气体和微粒，如灰尘、烟雾等，以及刮风、下雨、雾气等气象变化，部分光辐射能量被吸收而转变成其他形式的能量;部分光辐射能量则被散射而偏离原来的传播方向，使得传输的光辐射强度受到衰减。3.22 影响激光信号传输性质1 激光传输路径上大气的特性，包括吸收与散射等衰减特性，以及密度与折射特性;2激光束本身的性质，如波长、脉冲宽度、位相、光束的空间及时间分布特性;(3)大气吸收的动力学特性，这确定了吸收能量到加热大气所需要的时间，特别
