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1、 大气激光通信系统 简 介 北京京宽网络科技有限公司 北京京宽网络科技有限公司 大气激光通信系统简介 一、引 言 大气激光通信技术即无纤光通信技术是近年来出现的一种新兴技术，其原理是载波光信号通过大气作为传输信道完成点到点或点到多点的信息传输。该技术采用半导体激光器为光源，所构成的通信系统为无线数字通信系统，主要用于固定点使用，也可用作应急抢通，其潜在的应用领域是在数据网、电话网、微蜂网及微微蜂窝网的入网应急设备及不便敷设电缆及光缆的近距离场合。大气激光通信设备具有无电磁干扰、组网机动灵活、安装维护方便、通信可靠性高、保密性好、性能价格比优等优点，可传输多种速率的数据、话音、图像，具有广阔的应
2、用前景。随着技术的不断完善和新器件的不断出现，大气激光通信技术已成为当今信息技术的一大热门技术，其作用和地位已能和光纤通信、微波通信相提并论，是构筑未来世界范围通信网必不可少的一种技术。本文主要论述大气激光通信的基本原理、关键技术及其发展现状和应用领域。 二、激光传输 大气传输激光通信系统是由两台激光通信机构成的通信系统，它们相互向对方发射被调制的激光脉冲信号（声音或数据），接收并解调来自对方的激光脉冲信号，实现双工通信。图1所示的是一台激光通信机的原理框图。由图可见，本系统可传递语音以及进行计算机间数据通信。受调制的信号通过功率驱动电路使激光器发光，这样载有语音信号的激光通过光学天线发射出去
3、。接收是另一端的激光通信机通过光学天线将收集到的光信号聚到光电探测器上，将这一光信号转换成电信号，再将这一光信号放大，用阈值探测方法检出有用信号，再经过解调电路滤去基频分量和高频分量，还原出语音信号，最后通过功放经耳机接收，完成语音通信。当开关K掷向下时，可传递数据，进行计算机间通信，这相当于一个数字通信系统。它由计算机、接口电路、调制解调器、大气传输信道等几部分组成，其基本模式如图1中相关部分所示。 2北京京宽网络科技有限公司 接口电路的作用是将计算机与调制解调器连接起来，使之能同步、协调工作。调制器的作用是把二进制脉冲变换成或调制成适宜在信道上传输的波形通信使激光器发光，其目的是在不改变传
4、输结果的条件下，尽量减少激光器发射总功率。解调是调制的逆过程，它是把接收的已调制信号进行反变换，恢复出原数字信号送到接口电路。同步系统是数字通信系统中的重要组成部分之一，其作用是使通信系统的收、发端有统一的时间标准，使收端和发端步调一致。 1激光器 激光器用于产生激光信号，并形成光束射向空间。激光器的好坏直接影响通信质量及通信距离，对系统整体性能的影响很大，因而对它的选择是非常重要的。建议采用大光腔GaAsAlGaAs激光器。该激光器具有体积小、重量轻、结构简单、抗震动、易调整、寿命长等优点。 2调制器和调制方式 调制就是把信号叠加到载波上。调制器是一种电光转换器，它是输出光束的某个参数（强度
5、、频率、相位、偏振等）随电信号变化，完成光的调制过程。调制方式有内调制和外调制两种。把被信息信号调制了的电信号直接加到光源上（或电源）上，使光源发出随信息信号变化的光信号称为内调制。把调制元件（如光电晶体等）放到光源之外，使被信息信号调制了的电信号加到调制晶体上，当光束通过晶体后，其光束中的某个参数（强度、频率、相位、偏振等）随电信号变化而变化，从而成为载有信息的光信号称为外调制。无论是外调制还是内调制，每一种调制方法都有各种不同的调制形式，主要有脉冲调幅、脉冲调宽和脉冲调频。此外直接调制还有脉码调制，外调制中有振幅调制、频率调制、脉码调制、偏振调制等。 3光接收系统 光接收是把从远处传来的已
6、被调制的光信号通过光学接收透镜汇聚、滤波器滤波、光电3北京京宽网络科技有限公司 探测器进行光电转换的过程。接收方法有直接检测接收和外差检测接收。直接检测接收是利用光学系统和光电探测器把光学信号直接转换成电信号的过程，它是一种简单而实用的接收方式，如砷化镓激光通信就是直接检测接收，缺点是灵敏度低，信噪比小。 外差检测接收的原理与无线电波的外差检测接收相似，如图2所示。光学系统接收到频率为fc的光信号，经滤波器和有选择反射镜到光混频器的光敏面上，同时本振激光器所产生的频率为f0的激光通过反射镜也反射到混频器的光敏面上。混频器就是一个光电检测器，它对两束叠加的光波起检测和混频作用，输出差频fmf0f
7、c中频信号，经中心频率为fm的带通滤波器还原成电信号。这种接收方式灵敏度高，信噪比大，但设备复杂，技术难度大。 光电检测器（或光电探测器）也是激光通信的核心部件，用于光信号接收转换。目前常用的光电探测器有光电子发射型光电倍增管、光生伏特型PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）等，它们可用于半导体激光通信、Nd：YAG激光通信和CO2激光通信等系统。 4大气传输技术 激光在大气中传输受气候条件影响很大，即光在传输时强度衰减很快，这主要是由于大气的气体分子和大气气溶胶分子的“散射”“吸收”造成的。大气中使光的性质受到影响的主要因素是CO2、氧、烟、灰尘、水滴、冰片等。在较低的大气层中大部分水份
8、以水滴、雾和水蒸气的形式集合起来，占大气体积的4，同时光的传播也受到天气的影响，它使大气能见度变差。 大气对激光强度的衰减程度，据统计，传输损耗对雨是38 dBkm，对雾是310 dBkm，对雪是320 dBkm。不同波长的激光在大气中的吸收衰减也不同。克服大气对通信的影响是大气激光通信研究的主要内容之一。下面列出一些减少激光在大气中传输损失、增加通信距离的办法和措施： （1）采用处于大气窗口的波长较长的激光器作为光源进行通信； （2）提高激光器的输出功率； （3）提高光电探测器的灵敏度，降低自身的噪声，以求探测更微弱的信号； （4）研制能同沿几个方向进行传输的通信装置； （5）设立多个中继站
9、，在通信传输线路中设立一个或多个中继站，中继站可将变弱的4北京京宽网络科技有限公司 信号放大再转发出去，以保证当信号到达时有足够的强度； （6）升高通信发射机和接收机的位置，使之高出地面60100 m，可以克服雾等气候的影响，进行远距离通信。 三、激光通信的研究现状与发展趋势 虽然大气的吸收、色散使得利用激光在地面上通信具有某种界限，但是目前已利用气体激光器制造出能在良好气候的晚上传输信息达几十公里的设备。美国建立了一条24 km的24路双音频激光电话线路，采用40 mW连续波HeNe器件，磷酸二氢钾晶体脉位调制，作用距离达5 km。前苏联建成的两条试验线路，一条通信距离25 km，带宽为10
10、0MHz，可同时进行4路通路；另一路通信距离为11km，224路可同时通话。 20世纪90年代后期研制的激光通信系统功能强、技术复杂、自动化程度高。如美国研制的激光通信系统，备有全球卫星定位系统（GPS）、电子指南针、倾斜校准仪，可自动高速扫描接收定位，把定位信号用光束传给通信机，很快进行通信。还可以实现激光通信与无线电通信互相转换，即在大雨、大雾的天气可用无线电通信，其它时间则用激光通信。美国研制的激光通信系统还采用铯原子线路滤波器，可将光谱带宽限制在001 nm（传统滤波器35nm），视野增大到60（传统的狭窄），功率仅为5 W，传输性能得到较大提高。美国航天局（NASA）正在研制8008
11、50 nm半导体激光器地面和空间之间的通信技术，在2002年进行容量为25 Gbits的地面到卫星的通信实验。由此可见，各国对激光大气通信的研制工作不断深入，大气激光通信技术势必将有较大的提高和发展，尤其是在电磁频谱复杂、电子干扰日益严重的环境中，光通信显得尤为重要。因此研究和发展激光通信，加大通信距离，实现全天候移动通信，是电子对抗和通信对抗的需要，也是未来发展的趋势之一。 激光大气通信要在原有技术的基础上，应重点发展以下几个方面： （1）开展大气激光通信相关技术的研究； （2）研制大功率、高灵敏度、远距离的激光通信系统； （3）研制目标成像定位跟踪的移动光通信系统； （4）建立实现多中继、
12、多方向的面传输通信网； （5）建立大气空间一体化的远程通信网。 四、京宽网络公司研制的大气激光传输传输设备 1、 技术及产品简介 自由空间光通信（FSO，Free Space Optitec）， 或称红外光通信，是以小功率的红外激光束为载体，以大气空间为传输媒介传输数据。这种红外光不伤眼睛，传输距离受气候条件5北京京宽网络科技有限公司 影响，FSO需操作于可目视(Line-of-sight)条件。 FSO设备有两种工作波长：850nm和1550nm。850nm的设备相对来说很便宜，一般应用在传输距离不太远的场合。工作在1550nm波长的FSO设备的价格要高一些，但在功率、传输距离和视觉安全方面
13、消除恶劣气候影响有更好的表现。 FSO本质上也是一种无线电通信其频率远高于300 GHz，故无需申请频率使用执照。在无线激光通信系统中多了电光（Electric-Optical/E-O）的转换转换过程。此一单纯的传输路径E-O转换与被传送数据的通信协议全然无关。 光学天线的发射镜能把截面很小的激光束变成截面较大的激光束，方便接收镜调整方位并接收信号。如果不进行这样的处理，由于激光束截面很小，且激光是直线传播的，将会给接收镜的方位调整带来困难。接收镜接收大面积的激光束，并聚焦成较小的光斑，起到恢复激光束本来面目的作用。光学原理见图一。 光学原理图 目前在自由空间激光通信中，一般传输距离为500m
14、4km。 FSO利用点对点连结来建构网络点到点、点到多点（星形）和格形网。路由(Routing)及多任务(Multiplexing)功能须由外接的路由器(Router)或交换器(Switch)及ADM提供。可广泛用于局域网，最后一公里接入，光纤通信系统的备份，应急通信，无线机站数据回传。 面对当前多种接入技术，比如FSO、光纤、DSL以及LMDS等。其中光纤传输无疑是最可靠的通信方式，但光纤敷设周期长及投资高，并且一旦用户离开，应运商想要收回投资就变得十分困难；LMDS技术日渐成熟，它比FSO的传输距离远，但这种接入方式需要高额的初始投资（频谱许可证），该种接入技术不如FSO经济；尽管铜缆是一
15、种非常普及的传输方式，但由于DSL的带宽太低，使得这种基于铜缆的接入方式并不能解决完全解决“最后一公6北京京宽网络科技有限公司 里”瓶颈问题；FSO相对而言是一种比较好的方案，带宽可扩展，建设速度快，并且十分经济。 系统由FSO光学天线和FSO光端机（电口、光口）两部分组成，可用于传输数据、语音、图像等。 FSO光学天线外观图（双收四发型） FSO光学天线外观图（单收单发型） 2产品的主要应用 FSO可作为光纤通信的替代品和互补产品，用于本地网和边缘网等近距离高速网的建设。FSO既是宽带接入的手段，又是宽带互连的手段，具体运用领域如下： null 替代光纤 没有或不便于铺设光纤时的高速互连解决
16、方案； null 城域网和骨干网扩展 在某些光纤暂不到位的区域用FSO实现城域网的延伸、连接新网络或在网络核心建设光传输环路等；缺少接入手段和资源的新兴电信运营商的构筑城域的方案； null 局域网 在城市内楼宇之间、园区之间的宽带互联；校园网、高速网络小区或大企业内的网络中应用，或集团大客户专线接入骨干网； null SDH网络备份链路； 7北京京宽网络科技有限公司 null 无线基站数据回传 2G、2.5G、3G移动基站互连和数据回传； null 跨越障碍 解决跨河流、湖泊、海峡、山沟等复杂地貌带来的挖沟布线难题； 应急/临时通信传输 如救灾、大型集会活动、展览会、短期租用的建筑、野外的临时工作场所或地震等突发事件的现场作为一种临时的通信连接，以及其他需快速开通业务的场合。 3、特点 null 频带宽，速率高，容量大。FSO能支持155Mb/s-10Gb/s的传输速率，传输距离在2-4公里之间，基本等同于光纤通信，尤其在接入网中，可以作到同光纤的
