1、光通信原理与技术大气激光通信7.1 概述大气激光通信的研究进展大气激光通信的应用优势大气激光通信面临的主要问题7.1.1 大气激光通信的研究进展 大气激光通信又被称为自由空间光通信（free space optics，FSO）。从激光出现至今，激光通信技术的发展大致经过了高峰-低估-复苏三个阶段。高峰期：20世纪6070年代。1961年美国贝尔实验室和休斯公司分别用红宝石激光器和氦-氖激光器作了大气通信实验。60年代中期，co2激光器和Nd：YAG激光器的发明使大气激光通信又向前迈进了一步，尤其是co2激光器，它发射的波长为10.6m，正好处于大气信道传输的窗口，逐渐成为大气激光通信的候选光源
2、60年代中期以后，涌现出了许多大气激光通信实验系统，其中包括10.6m外差检测电视信号传输实验系统，传输距离19英里；30Mb/s脉冲编码调制通信实验系统，传输距离5英里；10.6m，224Mb/s脉冲编码通信实验系统等衰落期：20世纪7080年代。由于当时技术条件的限制，大气激光通信系统受气候条件的影响很大；受大气湍流的影响，通信质量也很不稳定，因此其应用场合大受限制，无法推广。70年代后，大气激光通信在光纤通信研究热潮中逐渐消退。80年代中后期，国际国内大部分从事激光大气通信技术研究的单位相继停止了对它的进一步研究。在近20年的时间内，该项技术没有取得多大的进展，大气激光通信的发展步入了低
3、谷。复苏期：20世纪90年代至今。进入90年代后，大功率半导体激光器件被研制成功并推入市场，激光技术、光电检测等关键技术也日益完善和成熟，随着空间通信需求的日益增加，大气激光通信重新唤起了人们的热情。在探索大容量、高速率通信的研究中，大气激光通信重新唤起了人们的热情。在探索大容量、高速率通信的研究中，大气激光通信技术悄然复苏并逐渐走向实用化。1988年，巴西AVIBRAS宇航公司研制出一种便携式半导体激光大气通信系统1989年，美国FARANTI仪器公司研制出一种短距离、隐藏式大气激光通信系统1990年，美国成功试验了一种适合特种战争和低强度战争需要的紫外光波通信系统，通信距离25km。与此同
4、时，俄罗斯推出10km以内的半导体激光大气通信系统近年来，美国、日本、英国等相继推出一系列大气激光通信系统产品 我国对大气激光通信的研究几乎与国际同步1963年，开始大气激光通信的研究1971年，电子工业部三十四所开始了大气激光通信技术的研究1974年，推出Nd：YAG激光大气通信系统样机1999年，中科院上海光机所分别推出了34Mb/s的激光大气通信样机2000年，中科院上海光机所分别推出了155Mb/s的激光大气通信样机；信息产业部三十四所推出了8Mb/s的实用型近地大气激光通信机目前国内一些企业已经推出了大气激光通信端机产品，并在一些场合得到了应用7.1.2 大气激光通信的应用优势1.无
5、线优势：安装便捷、使用方便，很适合于在特殊地形地貌及有限通信难以实现和机动性要求较高的场所工作；开通周期短，成本低2.容量优势：光波频率高，信息承载能力强3.电磁兼容优势：不占用无线电频率资源、抗电磁干扰能力强，具有很强的军事应用价值4.保密优势：激光良好的方向性使其传输的数据具有高度保密性；激光光束的发散角小，信息截获难5.尺寸优势：光波波长短，在提供同样增益的情况下，其天线尺寸要比微波、毫米波通信天线尺寸小得多；通信终端体积越来越小6.价格优势：半导体激光通信系统的容量/价格比极具竞争优势7.功耗优势：由于激光方向性极强，因此光源只需较小的功率即可实现通信，通信终端功耗很低，易于远程馈电
6、上述优势中，无线优势和容量优势二者的结合一方面克服了光纤通信在灵活性方面的缺点，另一方面又解决了无线/微波通信在容量方面的缺点，因而最为人们所看重。7.1.3 大气激光通信面临的主要问题1.对大气信道衰减大及衰减随机变量大的补偿技术问题2.大气湍流的影响，使信道折射率发生不均匀的随机变化，使接收光斑发生闪烁现象和漂移现象。3.驱动功率小、转换效率高、激光输出功率大、调制带宽大及伺服系统简单的激光发射器件的制作4.灵敏度高、噪声特性好、适合于常温环境下工作的接收器件的制作5.体积小、重量轻、光学特性好、便于安装/调校的光学收发天线的制作6.背景噪声滤除技术问题。如果采用光滤波技术，又存在激光器的
7、频率稳定技术问题7.在机动性要求高和工作平台方位稳定性差的场合下的自动跟踪、瞄准技术 可总结为：解决全天候、高机动性和高灵活性的稳定可靠工作问题 7.2 激光在大气信道中的传播特性7.2.1 大气的特点 大气是由大气分子、水蒸气及各种杂志微粒组成的混合物，这些粒子密度最大的地方是在靠近地面的对流层，粒子密度随高度增加而减小，直至穿过电离层（包含电离电子，它形成包围地球的辐射带）。实际粒子的分布依赖于大气层条件。由于温度差异、风等原因，大气中的分子、微粒处于不断的运动之中，其组成、湿度、密度等都在不断的变化，使得大气常处于湍流运动状态7.2.2 大气对激光束传播的影响 大气对激光束传播的主要影响
8、大气分子及悬浮微粒对光束的吸收与散射：导致光束能量损失，工程上常称大气衰减大气湍流运动对光束的扰动：引起光束的强度闪烁、光束漂移、扩展与抖动等现象，通常称为大气湍流效应1、大气吸收紫外区（0.20.4m）：主要的吸收来源于O3可见光区：水汽、O2、O3 均有强吸收红外区：最活跃的吸收气体分子是水汽、O3和 CO2。气体分子的大量吸收谱线组成了吸收带群，但在吸收带之间少数几个区域中存在相对“透明”的“窗口”，在这些窗口中辐射透过率较高，吸收较弱，通常称大气窗口。2、大气散射 大气散射是由大气中不同大小的颗粒的反射或折射造成的，这些颗粒包括组成大气的气体分子、灰尘和大的水滴。纯散射虽然没有造成光波
9、能量的损失，但是改变了光波能量的传播方向，使部分能量偏离接收方向，从而造成接收光功率的下降 大气对光的散射主要有瑞利散射、米式散射和非选择散射（又称几何散射）在近地面大气层中，分子散射的影响是很小的，造成光能量衰减的主要原因是悬浮粒子的散射3、大气湍流 在大气光学领域，湍流是指大气中局部温度、压力的随机变化而带来的折射率的随机变化。湍流产生许多温度、密度具有微小差异而折射率不同的漩涡元，这些漩涡元随风速等快速地运动并不断的产生和消灭。当光束通过这些折射率不同的漩涡元时会产生光束的弯曲、漂流和扩展畸变等大气湍流效应，致使接收光强的闪烁与抖动。大气湍流对光束特性的影响程度与形式同光束直径d与湍流尺
10、度l有很大关系，大致可分为三种情况：（1）dl，这是一种更常见的情况，此时光束截面内含有许多小湍流漩涡，各自对照射的那一小部分光束起衍射作用，是光束的强度和相位在空间和时间上出现随机分布，相干性退化，光束面积也会扩大，从而引起接收端的光强起伏，同时衰减总体接收光强在实际情况中，温差的扰动会使大气不断地混合，产生许多无法预料的各种尺度的湍流元，这些湍流元共同作用，加强了接收端的光强起伏（相同时间内的光强起伏还与风速及当时的气象条件有关）。因此对大气湍流的探测和观察是比较困难的，大气湍流使信号探测变得不容易掌握，对大气激光通信系统的稳定性造成很大的障碍。目前，自适应光学技术可较好的解决这一问题，但
11、仍需对大气湍流的变化尺度及变化规律进行更多的实验探索4、热晕效应 所谓热晕效应，是指大功率激光束在大气中传播时，激光束路径上的大气分子或悬浮微粒将吸收部分激光能量而发热，且足以导致空气折射率发生变化，从而使激光束发生附加的弯曲和畸变等现象，也称热畸变效应 原则上讲，只要大气对激光能量有吸收就会产生热晕效应，但在激光功率较低或吸收系数很小的情况下，热晕效应对激光束传播影响极小，通常可不考虑7.3用于大气激光通信的关键器件和要求半导体光源窄带光学滤波器光学天线7.3.1 半导体光源1、工作波长的选择 大气的“通信窗口”是工作波长选择的重要依据。同时还要注意避开背景光的高辐射谱段。大气和地面对太阳光
12、的散射形成的背景辐射，对激光大气通信的接收机来说是一个强的噪声源。由图知，为减小背景辐射的影响，不宜采用可见波段的激光，紫外和红外是可选择对象从图7.1可以看出，在小于300nm的紫外波段，大气的透过率急剧下降，显然，该波段虽然避开了太阳的高辐射谱段，但是大气衰减太大，因此不利于大气激光通信。对于常用的红外激光波段都是良好的大气窗口。考虑到器件的可行性，可以认为810860nm、15501600nm都是无线光通信中可以选择的通信波长。从更好的抑制背景光噪声的考虑出发，1550nm附近是更适合的通信窗口，且与目前光纤通信使用的波长一致，可用器件选择余地大、制造水平高，价格也相应的比较便宜2、发射
13、功率的选择 激光束在大气中传播时，光能量不仅会受到大气吸收、大气散射而衰减，还会因光束的发散造成接收光功率损耗。随着传输距离的增加，单位面积内的光能量越来越小。对口径一定的接收端来讲，接收到的光功率也就减少了，因此在发送端往往需要通过光学天线系统对激光束进行扩束。当不使用发送光学天线时，光束发散损耗较大，1550nm波长尤为显著，在2km处损耗达到23dB，850nm的波长稍好一些，但也达到了18dB；而使用口径为10cm的发送光学天线后，光束发散损耗大大降低。在获得了光束发散损耗的范围后，即可结合考虑大气吸收、散射损耗以及背景噪声、大气闪烁等因素，最终获得激光器发送功率的下限。由于大气激光通
14、信系统工作在近地环境，考虑到激光对环境、生物可能造成的危害，激光器的功率不宜过大，按眼睛安全标准，激光器功率应小于17dBm，考虑到光发送天线对激光束的扩束作用分散了激光束的能量，此限制可适当放宽一些3、用于大气激光通信的半导体激光器（1）耦合阵列：难以实现1W以上的大功率衍射限输出（2）不稳定谐振器结构：加工技术要求太高，不适合大批量生产（3）单片机式有源光栅放大器：单模输出功率小（4）含外腔结构的多芯片器件：结构复杂、需要精确调整、不适合大批量生产，而且衍射限功率不太高（5）外腔注入宽面积放大器：稳定性差，制作技术复杂，不能单片集成（6）主振功率放大器LD：是目前最理想的结构。在主振功率放
15、大器的典型工作中，主振和功放分别偏置。主振可以固定偏置，此时光输出功率随加到放大器的电流呈线性变化；相反，放大器也可以固定电流偏置，输出功率改变振荡器电流开、关。这种能力是唯主振功率放大器所具备的优点仅几百毫安控制电流就能获得几瓦单模功率7.3.2 半导体光源的光学准直1、激光器的光束发散 半导体激光束的发散特性可以用发散角来描述。发散角的定义为光功率密度下降为最大辐射方向功率密度的一半的两个方向之间的夹角。在垂直于结平面和平行于结平面的方向上的发散角分别为垂直发散角 和水平发散角 。deff为有源区的有效厚度，weff为有源区的有效宽度，为激光波长 发散角越小，方向性越好2、光束准直准直光学
16、系统的功能：（1）能够将激光束高效率的耦合到光学天线的馈源上（2）对半导体激光器的输出光束进行整形，压缩光束发散或光束束腰半径，改善远场对称性和光斑形状7.3.3 窄带光学滤波器 用于光信号检测的PIN、APD等光检测器件均存在较大波长范围的响应区，因此落在这些波长范围内的背景光不可避免的也要形成光电流，使系统信噪比下降。背景光源抑制方法：1、采用不同的焦点成像或加长天线套筒对背景光进行有效地遮挡2、采用光学滤波技术对背景光进行抑制。用于大气激光通信的光学滤波器基本类型有吸收滤波器、干涉滤波器和原子共振滤波器。出于成本考虑，通常在大气激光通信中可以使用价格相对较低的DFT干涉型光学滤波器或光纤
17、布拉格光栅型光学滤波器当光纤纤芯经充氢处理，并使用紫外光干涉谱照射一段时间，则可在纤芯的内形成折射率沿轴方向产生周期性扰动，即形成光纤光栅。反射型光纤光栅亦称光纤布拉格光栅（fiber bragg grating，FBG）。纤芯中折射率的周期扰动将导致相反方向传输模式间的耦合，在满足相位匹配条件时，对特定波长的光波具有很高的反射率。在大气激光通信系统中应用FBG时，需要将空间光束耦合进光纤，同时，由于FBG是有选择地对某一波长范围的光波进行反射，因此还需要使用光纤环形器调整光传输方向，使反射的光波能够到达光电检测器。7.3.4 光学天线1、光学天线的作用和类型选择 光学天线的作用：（1）在发送
18、端，对激光束实现扩束，增大激光束的束腰半径（2）在接收端，增大接受面积，压缩接收视野，减少背景光干扰 光学天线的结构形式：折射式天线、反射式天线 和折反射组合式天线 在大气激光通信系统中，出于成本方面的考虑，通常选择折射式光学天线（由一组透镜构成）折射式光学天线的主要优点是成本低，光无遮挡，加之球面透镜工艺成熟，通过光学设计易消除各种像差，且物镜组牢固稳定，长期使用不变形。为减少表面反射，通常各透镜还需要镀上一层或多层针对工作波长的增透膜，如采用多层镀膜技术，实际上此时该透镜还起到了一定的光学滤波作用，可有效的减少背景光的干扰2、激光束的扩束 激光束是一种高斯光束，高斯光束可看作是均匀球面波的
19、一种推广，博伊德各和戈登已证明，高斯光束的传播轴线与透镜主轴重合时，通过透镜后仍为高斯光束，只不过表征高斯光束的参量发生改变。由透镜对高斯光束的变换规律，即可导出扩束透镜的临界焦距。扩束透镜的临界焦距等于该点波面曲率半径的1/2。当透镜的焦距大于临界焦距时，对激光束起扩束作用，且扩束的最佳透镜焦距就等于该点波面的曲率半径；反之，透镜对激光束起聚焦作用。通常我们使用透镜级联的方法在较小的空间尺寸下实现激光束的扩束。3、光束的聚焦光检测器应放置在光学接收天线的焦点处7.4 调制方法 目前的数字光通信系统大多设计为强度调制/直接检测（IM/DD）系统。应用于强度调制/直接检测光通信系统中的调制方式有
20、很多种，其中最一般的形式是开关监控（OOK）和曼彻斯特编码。通常，光源由编码脉冲波形进行强度调制，同时，直接检测接收机对强度调制后的信号进行解码。为了进一步提高传输通道抗干扰能力，应用于大气信道的光通信系统很多采用了脉冲位置调制（PPM）。PPM是一种正交调制方式，相比于开关键控调制方式，它的平均功率降低了，但是同时为此付出的代价是增加了对带宽的需求。7.4.1 单脉冲脉位调制 单脉冲脉位调制（L-PPM），是将一个二进制的n位数据组映射为由2n个时隙组成的时间段上的某一个时隙处的单个脉冲信号。如果将n位数据组写成M=（m1，m2，mn），而将时隙位置记为l，则单脉冲PPM调制的映射编码关系可
21、以写成是：l=m1+2 m2+2n-1 mn 0，1，n-1例如，对于一个4-PPM调制：若M=（0，0），则l=0；若M=（1，0），则l=1；若M=（0，1），则l=2；若M=（1，1），则l=3；单位传信率 用来比较不同调制方式的一个参数，是指每秒每赫兹传输比特数 =R/B（bit/（sHz）式中R是传输速率（bit/s）,B是信号带宽（Hz）在相同传信率时，单脉冲PPM调制要求传输码率比OOK调制高，相应的带宽也大PPM的功率及频带利用率两者之间的折中率较好，IEEE802.11委员会于1995年11月推荐PPM调制方式用于速率为010MHz的红外无线通信7.4.2 差分脉位调制 差分
22、脉冲位置调制（DPPM）是一种在单脉冲PPM调制基础上改进的调制方式。对于一个L-PPM码组，它的位数是固定的L位，其中一位为1，其他的位都为零。而L-DPPM的码组位数是不定的，它是由一串低电平后跟着一位高电平构成。DPPM调制信号将PPM调制信号的一个码组中高电平以后的信号全部去掉。在相同传信率的情况下，DPPM调制比PPM调制占用的信道带宽少，而与OOK调制相比，它的平均光功率要小。DPPM调制后的信号数据量是不确定的，这限制了DPPM在某些系统中的应用。7.4.3 多脉冲PPM调制 多脉冲PPM调制方式是将n个二进制的信息元映射为有M个时隙组成的时段上的多个脉冲。实现上较为复杂。7.4
23、.4 解调及比较 在接收端，要对接收到的信号进行解码，最重要的就是对信号进行判决。对于无线光通信，不论是室内的光通信还是应用于室外的光通信或是空间光通信，由于各种原因，光脉冲总会有色散延时，脉冲波形会展宽，不仅会导致一个码组内码元的串扰，还会引起码组间信号的相互干扰。这对在接收端的判决解码会产生很严重的影响，需要想办法克服或尽量减小其影响。对于L-PPM信号，判决可以分为软判决和硬判决。硬判决解码就是对每一个抽样根据判决门限直接进行判决，高电平为1，低电平为0；然后将已经判决的一个L位的码组的解码交给解码器。由解码器来决定解码输出，包括在所有抽样都为0或者不止一位抽样为1的情况下的解码输出（这
24、个时侯显然会有误码产生）。通常，这种判决解码较容易实现。软判决解码对每一个抽样值不量化，而是比较一个码组中的所有L位值，由解码器选择L位中值最大的位作为脉冲位值进行解码。有研究表明，在一定条件下硬判决解码比软判决解码要多1.5dB功率损伤。7.5 大气通信系统目前，大气激光通信系统已基本发展成熟，有众多厂家推出了实用化的产品7.5.1 系统框图7.5.2 系统各单元功能1、电端机 电端机实现对信息的编码和还原。目前大多数系统没有设计这一功能单元，主要原因是多数情况下大气激光通信系统担任的角色是提供一条无线宽带链路，换言之，进入系统的已经是经过电编码的比特流。在这种情况下，大气激光通信系统的电端
25、机只需要实现输入输出接口比特流线路码型到NRZ码的还原即可大部分大气激光通信系统在设计时都考虑了提供光纤接口（数据源到端机之间信号的传输通常需要使用光纤来实现）。常见的光纤接口有100/1000（Mb/s）单/多模以太网光接口、155/622/2488（Mb/s）SDH单模光接口。某些设备称其接口速率从10155Mb/s，这种接口通常是2R接口，即没有时钟恢复电路，只是完成光信号到电信号的变换和放大整形，其优点是对线路协议透明，缺点是信号质量有所下降，误码率略高一些，大气激光通信终端离客户光端机不能太远2、线路编解码 由于大气信道的不稳定性，大气激光通信链路的误码问题较为严重，因此有必要使用线
26、路编码实现前向纠错。大气激光通信中误码主要表现为突发误码，即在一段时间内激光束传播受大气湍流影响或被移动物体短时遮挡，导致接收机误码率突然上升3、光调制解调 光调制解调单元实现信号的电-光/光-电转换。目前大多数系统使用半导体激光器作光源，PIN或APD作光检测器。大气激光通信发送机中的激光器驱动、保护电路和接收机中的前放、主放、AGC电路以及后续的时钟恢复、抽样判决等电路与光纤通信中的光端机电路并无大的不同。4、自动功率控制 自动功率控制电路，在不同的大气衰减条件下，自动调整发送光功率，降低对接收机AGC电路的动态范围要求，使系统能够正常工作。自动功率控制电路可以从接收信号中获得控制基准信息
27、。当接收光信号功率上升或下降且保持一段时间不回调时，通常意味着大气传输条件发生了变化，此时控制电路将自动调整半导体激光器的调制电流大小，使发送光功率下降或上升，以补偿大气变化导致的激光束传播损耗变化滞后调整：防止自动功率控制电路频繁起作用。5、光学收发天线 接收光学天线的任务是将一定面积内的信号光会聚到光检测器上，目的是增大接收光信号功率。发送光学天线的任务是压缩光束发散角降低激光束在大气中传播时的发散损耗。光学天线的构成方式：收发分离式和收发合一式（1）收发分离式光学天线 优点：发送口径小，接收口径大；很容易实现多光束发送和接受，成本较低，实际应用效果较好 缺点：发送天线和接收天线可能存在指
28、向不一致的问题，因此对光学天线的装配、收发方向要求较高（2）收发合一式光学天线 收发合一式光学天线收发同向，但在没有PAT子系统时，光束的瞄准/保持很困难，通信易受外界影响而中断。PAT技术指自动跟瞄技术，又称瞄准、捕获、跟踪技术。通过检测光束对准误差并反馈至可移/转动镜片以实现发送光束方向的实时动态调整，最终使激光束始终锁定住目标，保持对准误差在很小的范围内。PAT子系统需要额外的光学器件和控制电路，成本较高，因此，收发合一式光学天线很少被大气激光通信系统采用7.5.3 大气激光通信中其他问题的考虑1、抑制大气湍流的影响：用几个位于不同位置的激光发射器同时发送同样的信息，在接收机中采用多个独
29、立大口径透镜的方法与之结合。2、建筑物晃动对策：影响两点之间的激光对准，解决方法有两种：散光法和自动跟瞄法。散光法是让激光束以较大的发散角发送，在到达接收器时光束就会形成一个很大的光锥。3、空中障碍物的影响对策：散光法、阵列多点发射、网状结构4、安全性考虑:有关激光的安全标准都建议其功率电平应允许裸视和有辅助（如双筒望远镜）的眼睛看到但不会造成伤害。7.5.4 大气激光通信端设备实例7.6 大气激光通信的应用7.6.1 应用场合（1）城域网扩展（2）局域网互联（3）最后1km接入：在最终用户和服务提供商间或本地环 网络（4）光纤链路的备份（5）宽带网接入（6）无线基站数据回传（7）与DWDM设备集成（8）快速业务开通（9）其他特殊场合：如有强电磁干扰；不宜布线；危险性 大；走线成本高，施工难的场合（10）军事应用 7.6.2 组网应用 大气激光通信系统应用组网拓扑：点到点、点到多点（星形）、环形和网状网拓扑
