大气激光通信模块
一、概述
目前主要的通信传输手段有微波、光纤等。微波通信与有线通信相比,可节省大量有色金属,并易于跨越复杂地形;可以较灵活地组成点、线结合的通信网,使一些海岛、山区、农村的用户较方便地利用干线进行信息交换。但相对于光纤通信系统,其频带窄,信道容量小,码率低,尚有许多不足。光纤通信系统的线路容量较大,不易受外界干扰,但必须有安装光缆用的公用通道,当遇到恶劣地形条件时,工程施工难度大、建设周期长,费用高。光无线通信结合了光纤通信与微波通信的优点,既具有通信容量大的优点,又不需要铺设光纤。它以激光作为信息载体,不需要任何有线传输媒介的通信方式,可用于空间及地面间通信,其传输特点是光束以直线传播。作为对微波通信的革命,光无线通信系统得到各国的普遍重视。近年来,随着相关元器件工艺的成熟,预计通信系统很快将会进入商业应用阶段。目前,卫星间只能以微波进行通信。微波的物理特性决定了它不可能达到与光纤通信一样的带宽。这样就造成地面与卫星联通时出现了瓶颈。
全球信息社会的实现与各个频段电磁波的利用有很大的关系。光波通信的显著特点是，随着天线尺寸的减小，增益大幅度提高，3dB波束宽度下降了5个量级。与光纤通信不同，无线激光通信在自由空间传播,不需要波导；无线激光通信的设备尺寸比微波通信系统要小的多，因而便于携带，特别适合于应急通信。全光传输和全光通信是解决“电子瓶颈”的根本途径，而无线激光通信正是光通信的其中之一。
表1微波、毫米波和光波的某些传播特性
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波段 |
频率或波长 |
天线尺寸(m) |
天线增益(dB) |
3dB带宽(度) |
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S波段 |
2GHz |
2 |
30 |
5.25 |
|
Ka波段 |
26GHz |
2 |
52 |
0.4 |
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毫米波 |
60GHz |
1 |
50 |
0.35 |
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光波 |
0.83微米 |
0.07 |
108 |
几十个微弧度 |
如表1所示，与无线电通信相比，光波通信具有天线尺寸小，增益高，带宽窄的优点。目前用于无线激光通信的各种发射器、探测器等技术已经成熟，表2是无线激光通信的基本部件的配套和应用情况。
表2光通信的基本部件和应用情况
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光波/波长（微米） |
调制方式 |
信 道 |
光探测器 |
应用情况 |
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LD,LED/~0.85 |
直接调制 |
大气 |
Si- |
局部应用 |
|
LD,LED/~0.68 |
直接调制 |
星际 |
Si- |
试验 |
|
LD,LED/1.3-1.6 |
直接调制 |
星际 |
Ce,InGaAsP |
试验 |
|
CO/10.6 |
外调制 |
大气 |
TeCdHg- |
试验 |
|
LD+YAG/1.064 |
外调制 |
星际 |
Si- |
试验 |
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培频LD/0.4~0.5 |
外调制 |
星际、大气 |
Si- |
试验 |
|
培频(LD/YAG)/0.532 |
外调制 |
水下、星际 |
Si-光电培增管 |
试验 |
如表2所示，无线激光通信所需要的光源、调制方法、光探测器和传输介质等问题已经基本解决，西方发达国家还进行了卫星-地面激光通信的试验，已经取得了初步的成功。
无线光光通信(FSO)是以光束作为信息载体、在空间实现点到点或点到多点信息传输的一种技术。该技术由于具有成本低、组网灵活、安装方便、无需频谱许可等优点，已成为当今信息技术的一大热点，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。
二、FSO的基本原理和特点
FSO系统以大气作为传输媒质进行光信号的传送，只要在两端的无线收发器之间存在无遮挡的视距路径和具有足够的光发射功率，就可以进行正常通信。如图1所示。
图1中光电转换是FSO系统的基本技术之一。在点对点传输的情况下，每一端都设有光收/发设备，从而实现全双工的通信。光发射机的光源按照电信号进行激励调制，通过光学天线（光学望远镜）发射光信号，光信号经过大气信道传送到接收端光学天线，由光接收机将收到的光信号再转换成电信号。对于不同波长的光信号，大气信道的透过率差别很大，可选用透过率较好的波段范围。
自由空间激光通信FSO技术的优点主要包括：
1. 快速实施
FSO技术与大多数射频电磁波（RF）不同，由于其通信设备间的信号不会产生相互干扰，因此在全球范围内可免费使用300GHz以上的电磁波频段，无需申请频率许可证和事先进行频率规划。唯一的要求是设备发射功率不能超过国际电子技术委员会规定的功率上限（IEC60825-I标准）。另外FSO无线接收器大小适中，可以方便的安装在屋顶、屋内以及室外。
2. 频带宽
FSO通信和光纤通信一样，具有频带宽的优势，在传输距离为2～4千米时，可实现155Mbps～10Gbps的传输速率。在点到多点的组网方式中，FSO同样能实现155Mbps～10Gbps的传输速率，但传输距离缩短到1～2千米。当采用格形组网结构时，则可支持622Mbps的传输速率，传输距离为200～400米[3] 。
3. 协议透明
FSO技术以光为为信号载体，可方便的承载各类传输协议（ATM、FDDI、SONET、SDH、以太网等），对于传输数据、多媒体语音和影像等信息均是透明的。
4. 低成本
FSO技术以大气作为传输介质，免去了昂贵的光纤敷设和维护工作。
5. 安全保密性强
FSO技术安全性显著，由于其波束很窄，定向性非常好，非可视光难以探测到链路的位置。并且除非其通信链路被截断，否则数据难以外泄，安全性强。
FSO激光波束很窄的原因是，其发散角约为2.5 mrad（毫弧度），可近似得到传输1千米达到的波束直径：波束直径＝2.5mrad×1.0km＝2.5m。而使用微波天线，发射角为 时，传输1千米的波束直径达到535m。由此可见激光波束发散角小，更具有安全保密性。
7. 全天候工作
FSO全天候工作的可靠率达99.999％，远远高于国际规定的通信系统年可靠率95％。
8. 可靠性
硬件可靠，其通信链路仅基于安装位置、设备组件和传输距离。
四 无线光通信的应用场合
FSO网络可以有多种拓扑，包括点对点、点对多点（星型）、环形和网格型结构，也可以将这些结构组合使用，根据用户需求和实际应用进行选择[10]。
其中，FSO网络中最基本的网络拓扑结构是点对点结构，多用于企业内部的各大楼间连接或用于宽带接入的专线连接。这种结构的优点是链路独立，结构简单，适用于接入网络；缺点是其链路无冗余保护措施，存在单点故障问题。如图2所示。
图2 点对点拓扑结构示意图
点到多点（星型）结构的优点是可以把业务集中到一点（集线器或中心节点），再接入核心网，这种组网结构效率较高、较经济。缺点是能提供的带宽较少；每条链路仍无冗余保护，可靠性较差；并且为了在视距内连接尽可能多的大楼，集线器的位置非常关键，集线器的成本也较高。但有一种点到多点结构实际上是点到点传输，只不过在中心节点集中放置了多个针对不同方向的终端，因此其好处是有专用的带宽，可进行拓展，能为单个用户提供服务。如图3所示。
图3点对多点拓扑结构示意图
环形结构是指所有节点间的光链路首尾相接自成封闭回路的网络结构。这种结构的优点是故障发生后，在不需要人工干预的情况下，网络可在较短的时间里从故障中自动恢复服务。如图4所示。
图4环形拓扑结构示意图
网格型结构的主要优点是通过多个网络节点可以提供实时性很好的迂回路由，使服务得到保护，即具有服务恢复、服务冗余的特点。在这种结构下，FSO通信既可作为有线光纤通信的补充备份，也可独立用于提供部分接入，并可以实现把业务汇聚到选定的接入点，再集中接入光纤网络，适合电信级使用需求。但这种结构存在传输距离短、成本相对其它结构高、网络规划较复杂的缺点。一种网格型的组网方式是：将网络中心节点的集线器设置在中央区域的建筑上，并与光纤环相连，此类集线器与设在附近建筑物上的其它节点通过FSO设备进行视距传输（速率10Mbps～1Gbps）。采用此结构，每一中心节点既可作为用户接入点，也可作为下一网络中心节点的中继节点。如图5所示。
图5 网格形拓扑结构示意图
FSO系统在点到点连接的应用已经得到充分证实，例如用作LAN的回程链路、应急备用和灾害恢复时的备份等，但用于“最后一公里”接入至今还没有得到充分证实。
五、FSO与其它接入技术的比较
FSO技术作为一种新型的无线宽带接入方式，和其它几类常用接入技术相比，具有独特的优势。各种接入技术在带宽和传输距离方面的定位如图6所示。
图6 接入技术定位
FSO通信技术与微波技术相比，具有调制速率高、频带宽、不占用频谱资源等特性；与有线和光纤通信技术相比，则具有机动灵活、受地形影响较小、运行成本低、易于推广等优点。FSO通信可在一定程度弥补光纤和微波的不足。图7和图8给出微波技术和FSO通信技术的实现结构图，以供比较。
图7 微波通信结构图
图8 FSO通信结构图
常用的接入技术性能比较如表3所示。
Tab.1-1 Comparison of Common Broadband Access Methods
|
接入方式 |
LMDS（本地多点分配业务） |
FTTB（光纤到大楼） |
FSO |
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工作频段 |
毫米波 |
1310~1550nm |
850~1550nm |
|
传输带宽 |
10Mbps |
622Mbps |
2.5Gbps |
|
传输距离 |
2~3km |
<20km |
<6km |
|
频率资源占用率 |
有 |
无 |
无 |
|
初期投资 |
中 |
高 |
低 |
|
安装速度 |
慢 |
极慢 |
快 |
|
天气影响 |
有 |
无 |
有 |
六、系统结构与组成
图9所示为大气激光通信系统组成方框图。在本系统中，信源的信息首先经过信道纠错编码以提高系统传输的可靠性，根据不同的信道特性我们采用性能的纠错编码方式。纠错编码后的数据送入PPM（脉冲位置调制）调制系统，PPM调制属于光强度调制中具有较强抗干扰能力的一种调制方式。经过PPM调制后的信号加载到激光光源上驱动激光器发出光信号。在我们的系统中，激光光源分为两种：一种是半导体激光器，这种激光器具有很高的调制带宽，光的单色性较好；另外一种是紫外激光器，这种激光器利用大气的散射进行传输，因而可以进行非视距传输。激光器发出的光信号从准直光学镜头发射平行光束。光信号经过大气信道后到达接收端，接收端的光学接收天线将接收的光信号汇聚在光电探测器上，高速光电探测组件将接收到的光信号转换为电信号，经过微弱信号处理之后送入PPM解调器。解调后的信息送入接收系统，然后经过信道解码之后送入信息接收者。实现了数字信号的高速激光无线传输。
图9大气激光通信系统组成方框图
1．信道编码技术
大气激光通信系统是功率受限系统，由于距离远，激光发射功率有限，导致光接收机接收到的光功率很微弱，再加上各种干扰的影响，使误码率难以达到通信系统的要求。采用信道编码技术是提高通信系统误码性能的有效方法。信道编码的实现方式有很多中。我们根据大气信道的传输特性和大气信道的状态采用了两种纠错编码方式：RS纠错编码方式和Turbo编码方式。在信道状况一般的情况（不采用纠错情况下的误码率高于10-5）下，则采用RS编码。在信道状况较差的情况（不采用纠错情况下的误码率高于10-2）下，则采用Turbo编码方式。图10是采用信道编码前后系统误码率的对比，可以看出，即就是在最坏的情况下，信道编码后误码率优于10-6.
图10 不同纠错码在不同天气条件下的误码率比较
2．PPM调制技术
由于实现简单现有激光通信系统大多采用OOK（On-Off-Keying）调制方式。但是OOK调制的光功率利用率低，抗噪声干扰能力差，极大的限制了激光通信的传输距离。我们拟采用PPM调制技术，对L-PPM调制中不同的进制数L进行仿真研究，选择合适的进制数，既照顾到通信的码速率，又顾及通信的实时性，通过计算机仿真对此做出合理的抉择,我们拟采用256-PPM编码。PPM调制技术提高了系统的光功率利用率和抗干扰能力，增加了激光通信的传输距离。
PPM帧格式如图11所示，前16个时隙为保护时隙，防止激光器因发射功率太大而过载，后16个时隙是通信时隙，在通信时隙内，只有一个发射脉冲。若干个信息帧组成一个超帧，每个信息帧中都有一个保护段和信息段。超帧的前面是同步头，以保证通信系统的同步。
图11 PPM超帧结构
图12 不同的编码方式比较
3．激光光源
对于半导体激光器，选择输出功率为几百mW ～几W 的激光器, 并要求输出光束质量好, 工作频率高(可达到几十MHz～几十GHz) 。
对于紫外激光器。
4．光学收发天线
为完成系统的双向互逆跟踪,大气激光通信系统均采用收、发合一的光学天线, 隔离度近100%的精密光机组件(又称万向支架) 。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。
5．高灵敏度、强抗干扰性的微弱光信号接收技术
在大气激光通信系统中, 由于大气随机信道对激光传输的干扰, 光接收端机接收到的信号十分微弱, 往往导致接收端信噪比S/N < 1。为快速、精确地捕获目标和接收信号,我们采取两方面的措施: 一是提高接收端机的灵敏度, 达到pW 量级;二是对所接收信号进行处理, 在光信道上采用光窄带滤波器(干涉滤光片或原子滤光器等) , 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与处理技术。
四、系统指标参数
本系统设计的系统性能指标如表1所示。
表4 系统性能指标参数
|
通信距离 |
5km,³5km需要定制 |
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传输速率 |
|
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误码率 |
10-6（最坏条件下） |
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通信光发散角 |
1. 5mrad |
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通信光接收视场角 |
3mrad |
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纠错方式 |
RS码、Turob码、LDPC码可选 |
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对准方式 |
自动对准或人工瞄准可选 |
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电源电压 |
220伏±10% |
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功耗 |
£10瓦 |
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信号电平 |
TTL电平或订制 |
|
模块重量 |
£1kg |
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激光器波长 |
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