第9章 无线激光通信PPT课件
无线通信基本原理PPT课件
MS MS
BTS MS
41
移动通信基本原理
一、蜂窝理论 二、网络结构 三、多址技术 四、概念辨析
42
a)话务量概念
话务量的严格定义应该叫做话务强度，是电 话系统业务多少的度量，它与单位时间（一般取 忙时1小时）内的呼叫次数n及呼叫占用信道的平 均时间（T）成正比。
• 在分配成语音信道后，基站和移动台就会同时地连续不断地发射 • FDMA通常是窄带系统，TACS为代表，每信道25kHz带宽 • FDMA比TDMA简单，同步和组帧比特少，系统开销小
• FDMA需要精确的RF滤波器，需要双工器（单天线）
• 非线性效应：许多信道共享一个天线，功率放大器的非线性会产生交 调频率（IM），产生额外的RF辐射
18
无线传播模型和校正
随着网络规模的扩大，对通信质量要求的提高，网络规划、 覆盖预测已不可能靠手工运算来完成。通过计算机应用传播模 型就能够很好的解决这一问题。通过模型进行预测能够得到误 差在10dB以内的路径损耗的本地均值。
·移动通信中用到的传播模型有很多,常见的有：
● Hata-Okumura模型 ● Walfisch-Ikegami模型 ● Planet通用模型 不同的模型有不同的特点，有各自的适用范围。
39
• CDMA：Code Division Multiple Access 码分多
址
频率
时间
码字
CDMA
所有用户在同一时间、同一频段上、根据编码获 得业务信道
40
SDMA(Space Division Multiple Access)：空分多 址
无线激光通信
无线激光通信提交老师：姓名：鲍玉贵班级：光信二班学号:2013210220内容摘要:从古代的利用光进行简单地信息交流，到如今快捷式的光通信时代，这是一个巨大的飞跃，无论是“烽燧”、航灯，还是电视、电话，无一不是人类智慧在信息传播中的产物。
激光是光当中特殊的一种，从它的发展历史、传播信息的原理、以及所需要的激光仪器、然后实现信息的高效、快速传递，这经历了一个漫长的过程。
而我们能做的就是在前人的基础上继续努力，把它做得更好，更完善。
英文摘要：From the ancient use of light simply the exchange of information, to today's fast-type optical communication era, this is a huge leap forward, whether it is "beacons", navigation lights, or a television, telephone, and both are in the information dissemination of human intelligence product. The laser is a special kind of light which, from its history, principles of dissemination of information, as well as the need for laser equipment, and efficient, rapid transmission of information, which has gone through a long process. And we can do is continue to work hard on the basis of previous, make it better and better.关键词：光信号检测器、非相干光、相干光、自动对准、编码一、激光通信发展历史现代人类社会三大基础结构为交通、能源、通信。
无线光通信技术课件ppt.pptx
FSO的特点和优势 六
• 成本低
光纤网络的成本通常很高，铺设过程耗时， 而且投资不可撤回，而无线光通信技术可以在城 域光网之外提供高带宽连接，而成本只有在地下 埋设光缆的五分之一。
38
接入方式各种性能
带
宽
保密性
传输距离
成
本
建设速度
市政许可
频率许可
便携性
维
护
光纤接入 Gbps以上 好 120公里以上 10-20万美元/ 公里 4-12月 有 无 困难 复杂
无线光通信技术
杨奋华
前言
• 无线光通信也称为自由空间光通信（Free Space Optics），简 称为FSO。 • FSO技术具有高带宽、部署迅速、费用合理等优势。FSO技术以 激光为载体，用点对点或点对多点方式实现连接。虽然FSO通信不 需要光纤而是以空气为介质，但由于其设备以发光二极管或激光二 极管为光源，因此又有“无线光纤”之称。
光接收机的灵敏度是研究接收机的主要问题。
14
FSO的关键技术
• 高功率激光光源技术 • 光收发天线和精密可靠的光束控制技术 • 大气信道的研究 • 高灵敏度的信号探测和处理技术 • 高精度的捕获、跟踪和瞄准( ATP) 技术
15
高功率激光光源技术
在FSO 通信中,背景光的干扰很强,所以 在通信过程中需要大功率、低损耗光源,调制 速率又要尽可能高。同时,光源的调制需要采 用纠错技术,尽可能减少误码和突发误码。目 前, 主要采用800～860 nm波段和1 550 nm 波段的光源。800 nm 波段光源研究时间较 早,器件比较成熟，被广泛采用。
FSO的提出：“最后一公里”的新方案
随着通信网建设的发展，局域网以及千兆以太网开始 快速增长，将这些高速的局域网和千兆以太网连接到运营 商的通信网络，必须依靠容量巨大的接入网络。当前有很 多接入技术可供选择，比如光纤、微波、XDSL等，但光 纤敷设时间长及高额投入限制了普及；微波技术日渐成熟 ，但这种接入方式需要高额的初始投资（频谱许证），对 业务提供商而言，这种接入方式不很经济；尽管铜缆是一 种易得的传输媒质，但XDSL带宽太低。
激光无线通信技术
激光无线通信技术激光通信是一种以光波作为“载波”，大气、海水或太空作为传输介质的通信方式，与利用电磁波作载波的通信原理一样，只是承载信号的载波是激光，其波长更短，频率更高。
与传统无线通信和有线通信相对应的，激光通信也形成了无线通信及有线通信，军事通信所关注的主要是激光无线通信。
激光无线通信具有电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强、重量轻、功耗和体积小、保密性好等特点。
保密性好的原因在于，一：激光具有高度定向性，发射波束非常短，通常发散角小于1弧度，在毫弧度级，二：信道速率高，能在短时间内大量发送数据，从而减少通信持续时间。
波束窄使得抗干扰抗截获能力强，通信时间短的特点使得抗侦测、防窃听的能力强。
另外，及激光通信的传输带宽宽，比较适合侦察图像等的实时传输。
美国航天局（NASA ）在2014年6月6日宣布，该机构5日利用激光束在3.5秒内把一段时长37秒的高清视频从国际空间站传送回地面，成功完成了一项“可能根本性改变未来太空通信的技术演示”，也预示着太空宽带时代的到来。
这项实验的成功表明激光传输技术是可行的，完全可以作为下一步进行更高速率传输和实用性通信的技术基础。
应用及前景展望1、用于提升星间通信速率卫星微波通信的极限通信速率在2Gbps左右，近年来通信速率提升困难。
而激光通信技术可以轻松实现10Gbps以上的通信速率，采用复用的手段甚至能获得Tbps 以上的通信速率。
如此高的通信速率，使得太空通信如同从拨号上网时代升级到了宽带上网时代。
2、用于能源成本较高的空间通信由于激光通信的光束发散角很小，大大降低了通信过程中信息被截取的可能性，目前还没有截获空间激光通信信息的可行手段，这使激光通信具有高度的保密性。
而能量的高度集中,使得落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。
这对应用于能源成本高昂的空间通信来说也是非常适用的。
3、用于水下通信此外，激光在水下通信中也有很大的应用空间，电磁波在水中的衰减程度较大，传统的无线电波想要穿透海水，必须使用频率极低的波段，携带的信息量十分有限，传输时间长。
大气无线激光通信心疼
无线激光通信概念图 光学接收 机
激光器
调制器
发射机光学天 线
接收机光学 天线
调制器 激励器 光信号
无线电接 收机
编码器 已还原信号 信息 信息信 号
解码器
因此ATP是光通信成功的关键所在。使之始终保证双方处于对准状态。光天线在接收到光 信号之后，经过光学分束，信标光的一部分至粗对准探测器，输出信号由粗对准控制，驱 动粗对准机完成粗对准，信标光的另一部分经精对准机构，分光片至精对准探测器，由精 对准控制器控制精对准机构王城双方的精确对准和跟踪，信号有信号探测器检测。在发送 端和接收端各有一个光收发信机，将需要传送的信息调制到激光信号上，通过大气信道传 输到接收端。由于大气对光信号具有衰减效应，大气湍流还会引起光斑的漂移，因此在收 发端机用自动跟踪瞄准系统来修正大气湍流残剩的光斑漂移，但是由于大气中存在多种随 机现象，接收机检测到的关心好会有强度的起伏和光斑中心的随机抖动。而对于短距离激 光通信我们也可以采用望远镜, 2.光发射机主要包括激光器，调制解调器，核心是激光器。激光器需要两只，一只是信标 激光器，一只是信号激光器。信标激光器用作ATP系统，信号激光器具有良好的光束质量 和频率响应。激光器的波长应该选择比较成熟的技术，具有良好的可靠性。 3.接收机主要包括光探测，低噪声前置放大和信号处理电路。光探测器的主要功能是（1） 探测对方发过来的信标光，确定信标光的位置，计算位置误差信号，驱动ATP单元，校正 接收天线的方向和完成天线的粗对准。（2）在粗对准完成之后，利用信号光在四象限探 测器上的位置，由ATP系统完成双方天线的精对准和跟踪。（3）探测双方发过来的光信号， 解调出有用的信息 4.信号源的信号可以是语音，图像和数据以及视频，经过编码后，调制为双方约定的格式， 有天线发射出去，编码可以采用开关键控，相位调制编码ppm等 5.通信信道 大气中的各种自然现象会对光信号的传输照成影响，但他们会对不同波长的光照成的影响 不一样，所以选择合适的波长的光来保证光信号传输足够远的距离。这里窗口就是在介子 中合适某段激光传送的波段。
《激光原理》无线激光通信技术PPT
• 三级
发•射四天级线的作用是压缩光束发散角，对发射光束进行准直。一般来
• 五级
说，半导体激光光源输出的光束的发散角在几度到几十度以上，通过发
射天线准直后，光束发散角可变为0.25~3毫弧度，有效增加了光束在大
气中的传输距离。光束发散角的大小是通信距离与对准难度折中考虑的
• 五级
①大功率要求；
②激光光源波长必须在大气窗口内；
③伞较高调制频率的要求。
激光发射部分必须具有光功率大的特点。
12022/23//21022/23
9
单2、击发此射处系统编的辑设母计：版标题样式
通常激光器多采用半导体激光器，其优点是调制简单，耦合方便，缺点是
•出单射击光此束处质量编不辑高母，版而文且本功率样过式大影响散热，利用光纤通信系统的成熟的
据此我们可以通过增大激光光束的腰光斑半径的方法来减小光束发散角，从 而使光束的光斑直径变小，增加无线激光通信的通信距离。
12022/23//21022/23
7
单1、击无此线处激光编通辑信母系统版原标理：题样式
• 单通击信此波处长编的辑选母取版：文本样式
• 二无级线激光通信最大的特点就是不需要铺设额外的通信线路，利用大气作
• 四级 • 五级
雪崩光电二极管
12022/23//21022/23
114
单5、击无此线处激光编通辑信母中的版关标键技题术样：式
• 单击无此线处与编宽辑带母是版通信文的本两样个式最重要的发展方向，无线激光通信
相• 比二较级无线电通信以及光纤通信有着很多优势，如下图所示。
• 三级
• 四级 • 五级
三种通信方式的比较
ED•FA二技级术设计为发射部分，可以有以下优点：
无线光通信
无线光通信1. 简介无线光通信（Wireless Optical Communication）是一种通过无线传播光信号来进行通信的技术。
它利用可见光或红外光进行信息传输，可以实现高速、大容量、安全可靠的无线通信。
无线光通信技术已经得到广泛应用于室内无线网络、无线传感器网络、激光通信、机器人通信等领域。
2. 原理无线光通信的原理是基于光的传输与接收。
发送端使用LED或激光二极管将电信号转换成光信号，经过传输介质（通常是空气）传输到接收端。
接收端的光接收器接收光信号，并将其转换成电信号，从而完成信息传输。
3. 技术细节3.1 发送端发送端通常由以下组件组成：•光源：LED和激光二极管是两种常用的光源。
LED通常用于短距离通信，激光二极管则适用于长距离高速通信。
•调制器：用于将电信号转换成光信号。
常见的调制方式包括振幅调制（AM）、频率调制（FM）和脉冲位置调制（PPM）等。
•光透镜：用于聚焦光信号，提高信号的传输距离和接收效果。
•驱动电路：用于控制光源的亮度和频率。
3.2 传输介质传输介质是无线光通信中的关键因素之一。
在室内环境中，空气是最常见的传输介质。
在一些特殊的情况下，也可以使用其他介质如水、玻璃等作为传输介质。
传输介质的特性会影响光信号的传输距离和衰减情况。
3.3 接收端接收端通常由以下组件组成：•光接收器：用于接收光信号并将其转换成电信号。
常见的光接收器包括光电二极管和光电二极管阵列。
•放大器：用于放大接收到的信号，提高信号的强度和质量。
•解调器：用于将电信号解调成原始的信息信号。
•控制电路：用于控制接收端的工作状态和参数。
4. 优势和应用4.1 优势无线光通信相比传统的无线电通信具有以下优势：•高速传输：无线光通信可以实现几十兆甚至几百兆的传输速率，远高于无线电通信的速率。
•大容量：利用光的频谱资源，无线光通信可以实现更大的数据传输容量。
•低干扰：无线光通信使用的光波不会产生电磁干扰，适用于医疗、航空等对电磁干扰敏感的场景。
第9章 光纤通信技术ppt课件
完整版PPT课件
7
完整版PPT课件
8
1．按光纤横截面的折射率分布分类
根据光纤横截面折射率分布的不同，常用 的光纤可以分成阶跃折射率分布光纤（简称阶 跃光纤）和渐变折射率分布光纤（简称渐变光 纤〕两种类型，其折射率分布如图9．4所示。
式中μ0为光波导介质（或真空）的导磁率；
ε 为光波导介质的介电系数。
完整版PPT课件
26
如果电磁场作简谐振荡，由波动方程可以推出均 匀介质中的矢量亥姆霍兹方程
在直角坐标系中，E，H的x，y，z分量均满足标
量的亥姆霍兹方程
在光纤的分析中，求上述亥姆霍兹方程满足边界 条件的解，即可得到光纤中的场的解答。求解的方 法主要有标量近似解和矢量解。
（2）松套光纤
典型的松紧套光纤的护套为松套管，光纤
能在其中松动。管内空间填充油膏，以防水份
渗入。松套光纤的机械性能、防水性能都比较
好，便于成缆。若一根管内放入2－20根光纤，
可制成光纤束，称为松套光纤束。
完整版PPT课件
14
9.2.2 光纤的导光原理*
光具有波粒二象性，既可以将光看成光波，也可以 将光看作是由光子组成的粒子流。因而，在分析光纤中 光的传输特性时相应地也有两种理论，即射线光学（即 几何光学）理论和波动光学理论。
完整版PPT课件
21
（2）多模渐变折射率光纤的射线光学理论分析
多模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是连续变化 的。它随纤芯半径r的增加按一定规律减小，如前图 9．4所示。采用渐变光纤的目的是减小多模光纤的模 式色散。 在多模渐变折射率光纤中，相对折射率差定义为
第9章星际激光通信
4/11/2022
第当一前页1页，，共共3三5页十，五星期页日。。
卫星激光通信——优势的结合
❖ 利用光载波极高的频率可达成巨大的通信容量
❖ 利用光器件体积小、重量轻的优点可显著降低卫星质量
❖ 利用光波波长短的优点可减小天线口径，提高卫星有效载荷
❖ 利用卫星通信的优点可方便地实现全球覆盖和移动性
4/11/2022
当前第2二页页，共，3共5页三，十星五期页日。。
卫星光通信链路分类 ❖ 星间链路
▪ ISL ▪ IOL ❖ 星地链路
4/11/2022
第三页，当共前3三页，十共35五页，页星期。日。
9.3.1 主要问题及对策
4/11/2022
当前第4四页页，共，3共5页三，十星五期页日。。
主要问题
4/11/2022
第十九页，当前共19页三，共十35五页，星页期日。。
几种双反射面光学天线
牛顿式
卡塞格伦式
格雷果里式
❖ 牛顿式光学天线的副镜面为平面镜，成像于主镜的侧方
❖ 卡塞格伦式光学天线的副镜面为旋转双曲面，内侧焦点与主镜焦点重合， 成像于主镜后方的外侧焦点处
❖ 格雷果里式光学天线的副镜面为旋转椭圆面，近侧焦点与主镜焦点重合，成像于主镜后方的远 侧焦点处
第十当前二1页2页，，共共3三5页十，五星期页日。。
大气信道
❖ 大气效应
▪ 大气吸收
▪ 大气散射
▪ 大气湍流
❖ 对光束的影响
▪ 衰减 ▪ 多径色散 ▪ 到达角起伏 ▪ 闪烁
4/11/2022
当第前十13三页页，共，3共5页三，十星五期页日。。
选择工作波长
4/11/2022
避开大气
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
X
14
第
9.1 概述
页
9.1.4 微波与无线激光通信的比较
5、大气传输特性的差别
地球大气气象条件对微波和激光的传输都有影响， 但对激光传输的影响要严重得多，对微波传输影响最 大的是雨、云、雾，而且频率越高影响越大。
激光和微波各有其优点，一般认为，激光通信在空间站之间 最为合适，在地球站之间或地球站与空间站之间，因为通信 线路穿过大气，采用微波更为合适。在某些特殊条件下，激 光通信可以作为无线电通信的补充。但随着大功率集成激光 器件的出现，激光在大气中的传输衰减问题必将为人们所克 服，激光通信将会成为人类今后的主要通信手段。
1
第9章 无线激光通信
第 页
无线激光通信是指利用激光束作为载波在空间(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”（Free Space Optical Communication，FSO）、“无纤 激光通信”或“无线激光网络”(Wireless Optical Networks，WON)。
X
10
第
9.1 概述
页
9.1.4 微波与无线激光通信的比较
1、可利用的频带宽度的差别
激光的频带宽度超过105GHz，大约是微波波段带 宽总和的1万多倍。
X
11
第
9.1 概述
页
9.1.4 微波与无线激光通信的比较
2、相关器件、设备尺寸的差别
根据电磁理论中的波长同比定理，理论上讲，用 于电磁波发射、传输和接收的器件及设备尺寸与波长 成正比。这就使光通信设备的尺寸、重量大大减小。
X
3
9.1 概述
第 页
9.1.2 激光
激光(laser)是指受激辐射产生的光放大，是一种高 质量的光源，它具有以下特性： 1、方向性好 2、单色性好 3、相干性极好 4、光脉冲宽度可以极窄
X
4
9.1 概述
第 页
9.1.3 激光通信
X
5
9.1 概述
第 页
9.1.3 激光通信
光纤通信的发展可以分为以下四个阶段：
X
8
9.1 概述
第 页
9.1.3 激光通信
光纤通信的发展可以分为以下四个阶段：
第四阶段(1996～)，这个时期是以密集波分复用(DWDM)技 术为主要研究对象，追求的目标是超大容量、超高速率、超 长距离。利用光放大器延长传输距离，利用电的时分复用 (ETDM)提高单波长的传输速率，利用DWDM提高单根光纤 的传输容量，不断地改进光纤的设计，采用一些新技术(如新 型调制格式、纠错编码和各种色散管理技术等)来克服传输损 伤，利用光电集成(OELC)和光子集成(PIC)来提高设备的性能 并使之小型化，有力地推动了各种光纤通信系统的更新换代。 与此同时，基于波长路由概念而发展起来的全光网诞生，光 纤到家(FTTH)技术在不断发展。智能光网络将成为未来几年 光通信的发展方向。
X
13
第
9.1 概述
页
9.1.4 微波与无线激光通信的比较
4、抗干扰特性的差别
微波和激光通信系统都受背景辐射的影响。太阳 辐射在近红外波段(即空间通信激光波段)远比微波波 段强。但是由于微波通信系统接收望远镜(天线)的视 场比激光系统中大很多，加之微波还要受大气闪烁和 地球上其他人工电磁波的干扰，结果使微波噪声特性 反而差很多。
X
7
9.1 概述
第 页
9.1.3 激光通信
光纤通信的发展可以分为以下四个阶段：
第三阶段(1986～1996年)，这是以大容量长距离为 目标、全面深入开展新技术研究的时期。在这个时期， 实现了1.55µm色散位移单模光纤通信系统。采用外 调制技术，传输速率可达2.5～1OGb/s，无中继传输 距离可达100～150km。掺饵光纤放大器(ErbiumDoped Fiber Amplifier，EDFA)成熟并商业化。光 孤子(Soliton)通信被广泛研究。
第一阶段(1966～1976年)，这是从基础研究到商业 应用的开发时期。在这个时期，实现了短波长 (0.85µm)低速率(45或34Mb/s)多模光纤通信系统， 无中继传输距离约1Okm。
X
6
9.1 概述
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第 页
9.1.3 激光通信
光纤通信的发展可以分为以下四个阶段：
第二阶段(1976～1986年)，这是以提高传输速率和 增加传输距离为研究目标，大力推广应用的大发展时 期。在这个时期，光纤从多模发展到单模，工作波长 从短波长(0.85µm)发展到长波长(1.31µm和1.55µm)， 实现了工作波长为1.31µm、传输速率为140～ 565Mb/s的单模光纤通信系统，无中继传输距离为 50～1O0km。
X
9
9.1 概述
第 页
9.1.3 激光通信
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，缺乏 灵活性。在这些方面，无线光通信会体现出优势。
光采用无线方式，即在自由空间中传播时会碰到近 地面大气层、远离地面的深空和水下这三种情况(信 道)。
无线激光通信和无线电通信一样，都是将信息加 载到电磁波上传送，只是激光是光频的电磁波，具有 了一些与无线电通信完全不同的特性。
X
2
9.1 概述
第 页
9.1.1 光通信的历史
3000多年前我国就有了用光传递远距离信息的设 施——烽火台；
近代无线光通信的开始—光电话装置（1881年）； 第二次世界大战期间，红外线光通信系统； 1960年7月8日，美国科学家梅曼发明了红宝石激 光器，开创了以激光为主的光通信的新纪元。
S波段
Ka波段
光波段
天线孔径
2m
2m
0.07m
天线增益
30dB
52dB
108dB
波束宽
75000μrad 5500μrad
12μrad
X
12
第
9.1 概述
页
9.1.4 微波与无线激光通信的比较
3、波束发散角的差别
电磁波的远场发散角受衍射极限角θ限制，θ＝ 1.22λ／D，其中λ为电磁波波长，D为发射天线(望远 镜)的口径。波束发散角的差别，使电磁波能量的利 用率不同，相应要求不同的发射功率。另一方面，波 束发射角的差别，使激光通信中光束控制更为困难， 而微波则无此困难。
X
15
第
9.1 概述
页
9.1.5 无线激光通信的优势
（1）无须授权执照 （2）安全保密 （3）实施成本相对低廉 （4）建网速度快 （5）协议的透明性 （6）设备尺寸小 （7）信息容量大