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1、.西安科技大学光纤通信课程设计报告自由空间光通信技术的应用研究专 业： 通信技术 班 级： 0901班 姓 名： 吴松 学 号： 0907040108 成 绩： 姓 名： 巨亚萍 学 号： 0907040121 成 绩： 姓 名： 马柱 学 号： 0907040132 成 绩： 姓 名： 王芳 学 号： 0907040143 成 绩： 姓 名： 颜龙龙 学 号： 0907040150 成 绩： 设计时间： 2010.12.282011.01.03 审阅教师： 西安科技大学通信通信学院目 录1了解欧美发达国家在自由空间光通信方面的研究现状页码2了解自由空间光通信的基本原理页码3. 分析自由空间光
2、通信系统中关键技术4. 对自由空间光通信技术的应用前景进行分析一了解欧美发达国家在自由空间光通信方面的研究现状20世纪60年代，科技界曾掀起了研究自由空间光通信的热潮，但由于受到天气的严重影响，到了20世纪70年代，在光纤通信迅速发展的同时也陷入了低谷。有的国家甚至宣布自由空间光通信是一条“死胡同”。但随着激光器成本的不断下降以及高灵敏度接收器和先进通信电子设备的发展，自由空间光通信已经成为下一代光通信研究发展的方向之一。与激波通信相比，自由空间光通信使用的激光频率高，方向性强，可用的频谱宽，无需申请频率使用许可；与光纤通信相比，自由空间光通信造价低，施工简便、迅速。它结合了光纤通信和激波通信
3、的优势，已成为一种新兴的无线宽带接入方式，收到了人们的广泛关注。20世纪90年代后期，随着全光接入网的发展，人们对传输速率的要求越来越高；随着通信范围的延伸，人们对快捷通信链路建立的兴趣进一步提高。自由空间光通信技术因其具有独到的优势，在固定无线宽带技术中，能为宽带接入的快速部署提供一种灵活的解决方案，又得到了极大的关注。其应用范围已从军用和航天逐渐迈入民用领域，其技术本身也在不断的完善中。 美国是世界上开展空间光通信最早的国家，也是技术走在最前沿的国家之一，它最主要的研究部门有美国宇航局（NASA）和美国空军（AirForce）等。NASA早在上世纪70年代初就资助进行二氧化碳激光器和灯泵浦
4、的Nd：YAG激光器空间通信系统的研究。此项研究主要用于高码率的低轨卫星间（LEOLEO）光链路和低码率的深空（Deep Space）光中继，此后，体积小、重量轻和成本低的低轨卫星（LEO）增多，以及相应的关键技术和元器件的发展，激光通信的应用逐扩展到LEOLEO，LEOGEO（地球同步轨道卫星），LEO地面站和LEO飞机的光通链路。欧洲空间局（ESA）在空间光通信方面不仅研究早，而且制定了一系列的研究计划，从上世纪70年代起，就已经对空间激光通信的相关技术进行了有步骤、周密细致的研究，如进行基础技术研究的ARP计划，星间激光通信系统及技术研究的ASTP计划等。从1989年开始实施半导体激光通
5、信链路实验SILEX(Semiconductor Lsater Intersatellite Link Experiment)计划中还包括与日本合作进行空间激光通信实验，日本用OICETS卫星上的激光通信终端LUCE与SILEX终端进行通信实验，该计划将使欧洲空间局在民用卫星激光通信方面处于领先地位。1994年通过了SILEX设备级的方案评审，1996年进行了子系统的性能测试，2000年发射的地球同步卫星传输50Mbps的数据率，采用的波长为800-850nm通信光功率不超过60mW。SILEX计划的目的是发展星际激光通信系统的全部单元技术及元器件，建立和测试星际激光通信系统。自由空间光通信
6、空间激光通信系统是指以激光光波作为载波，大气作为传输介质的光通信系统。自由空间激光通信结合了光纤通信与微波通信的优点，既具有大通信容量、高速传输的优点，又不需要铺设光纤，因此各技术强国在空间激光通信领域投入大量人力物力，并取得了很大进展。 传输原理 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。图中系统可传递语音和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，从而使载有语音信号的激光通过光学天线发射出去。另一端的激光通信机通过光学
7、天线将收集到的光信号聚到光电探测器上，然后将这一光信号转换成电信号，再将信号放大，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。 接口电路将计算机与调制解调器连接起来，使两者能同步、协调工作；调制器把二进制脉冲变换成或调制成适宜在信道上传输的波形，其目的是在不改变传输结果的条件下，尽量减少激光器的发射总功率；解调是调制的逆过程，把接收到的已调制信号进行反变换，恢复出原数字信号将其送到接口电路
8、；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，步调一致。 下图是激光通信原理图 目前在自由空间光通信（fso）领域，国外已经开始了将近10年的研究，但是fso产品真正投入使用也就是最近几年的事情。在fso这个领域里，国外几个大的fso厂家，包括lightpointe公司，airfiber 公司，canon 公司，terabeam 公司。lightpointe收到corning和思科系统公司的投资款3千多万美元（现已增值至5千多万美元），而airfiber则获得大概来自北电网络的5千万美元（现已增值至9千多万美元），朗讯科技则投资了4亿5千万美元的巨
9、款在terabeam身上（现已增值至5亿8千多万美元）。几个公司的研究现状分别介绍如下：（1）lucent98年3月开始开发，99年3月发布wavestar opticair system 产品。单波长，传输速率2.5 gb/s, 四波长10 gb/s, 距离5km，99 年12月，global crossing ltd. 现场使用。terabeam，lucent宣布组建 terabeam internet systems，产品是基于ip 的无光纤点到多点网络，发送和接收机，固定在办公室窗户上小卫星碟。这些卫星碟型天线的波束与安装在楼内的基站相连。lucent投入资金、研究开发资源，知识产权，
10、价值450百万美元的自由空间光产品。terabeam 的产品都用lucent 的商标，光元件，网络设备和服务优先选用lucent 的。terabeam拥有70%的股份,可以使用技术和销售客户。（2）lightpointe公司将自由空间光学技术用于创造、设计和制造电信公司等级的光传输设备，向电信服务商提供比传统光缆传输速度更快、成本更低的高速通讯解决方案。lightpointe的系统以超快的带宽速度提供安全可靠的无线传输，速度最高可达2.5gb/s，产品适应性强，可解决城市地区的连接问题。公司拥有多项正在申请专利的专有技术，可提供电信公司等级的网络可用性。lightpointe的自由空间光传输（
11、fso）产品在第一层（物理层）工作，可适应任何协议（sonet、sonet/sdh、atm、fddi、以太网、快速以太网）。产品包括各种飞行自由空间光传输解决方案，其中有flightlite、flightpath、flightspectrum。速度最高可达1.25 gb/s，提供兆位级以太网通讯能力，工作波长为850纳米（nm）。2003年秋季将开始向市场提供2.5 gb/s flight spectrum，其使用半径为1000米，采用1550nm波长。产品lightstation 的特点有以下一些：a. 数据率从1 mbps到1.25 gb/s ；传输距离达2.5kmb. 分布snmp监视采
12、用光接口c. 信号高度安全d. 协议透明（ip, ethernet, atm, sonet, fddi）；容易集成到现存的网络e. 内置望远镜和信号强度表f. 微调控制；内部装有加热器，具有镜头防霜功能g. 采用自动微波备份交换技术，可使用率达99.999%，采用lightpointe patent pending force? 技术（free-space optical radio communication equipment）可补偿纯光通信带来的限制。使用无须许可证的扩展频谱ism频带的lbs 100/10微波备份交换产品，可克服有雾天气的限制。（3）airfiber公司位于美国加洲sa
13、n diego，98年5月成立，主要服务于大城市大楼宽带接入。它的产品称为optimesh，网络结构为网眼状拓扑结构，冗余备份短距离622mb/s无线光传输系统。产品特点有：a. 运行中心由交换，路由，服务平台，nmcs，网关到载体isrsb. 主干传输由光纤环，adms, 光纤/铜线分布，微波链路等c. 从核心网到初级用户网包括airfiber 节点，楼房pop，初级ntu或服务平台d. 基础服务提供用户lan, pbx,布线，终端设备，电话，计算机（4）canon是世界著名生产光学仪器的公司，利用在光学系统方面的优势，也踏足自由空间光通信系统的领域。主要产品有：canobeam dt-50
14、，速率从25mb/s到622mb/s. 可连接 fastethernnet,fddi, atm。特点是具有自动跟踪系统，调整探测器件的位置以检测激光束的光轴，所以不因建筑物的摆动和震动而使传输中断。同时，镜头自动跟踪特性增加传输距离达2km。canobeam iii：数据率达到622mb/s，有不同的网络接口，如atm, fddi, fast ethernet，并可选择snmp 的tcp/ip。在国外，FSO系统主要在美英等经济和技术发达的国家生产和使用。到目前为止，FSO己被多家电信运营商应用于商业服务网络，比较典型的有Terabeam和Airfiber公司。在悉尼奥运会上，Terabeam
15、公司成功地使用FSO设备进行图像传送，并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用FSO设备向客户提供10OMb/s的数据连接。该公司还计划4年内在全美建设100个FSO城市网络。而Airfiber公司则在美国波士顿地区将FSO通信网与光纤网（SONET）通过光节点连接在一起，完成了该地区整个光网络的建设。 目前商用的FSO系统（见图1）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： （l）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
