第7章 无线激光通信
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7.2 水下激光通信 蓝绿激光对潜通信
<<光通信原理>>课程
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<<光通信原理>>课程
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7.3 卫星激光通信
<<光通信原理>>课程
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一、卫星激光通信的优点
<<光通信原理>>课程
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自由空间光通信系统(FSO)是以大气作为传输媒质来进行光信 号的传送的。只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和 足够的光发射功率，通信就可以进行。 系统所用的基本技术是光电转换。在点对点传输的情况下， 每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双工的通信。光 发射机的光源受到电信号的调制，并通过作为天线的光学望远镜， 将光信号经过大气信道传送到接收端的望远镜。高灵敏度的光接 收机，将望远镜收到的光信号再转换成电信号。由于大气空间对 不同光波长信号的透过率有较大的差别，可以选用透过率较好的 波段窗口。光的无线系统通常使用850nm或1550nm的工作波长。同 时考虑到1500nm的光波对于雾有更强的穿透能力，而且人眼更安 全，所以1550nm波长的FSO系统具有更广阔的使用前景。
晴天对FSO传输质量的影响最小，而雨、雪和雾对传输质量的影
响则较大。据测试，FSO受天气影响的衰减经验值分别为：晴天， 5-15db/km、雨，20-50db/km、雪，50-150db/km、雾，50300db/km。国外为解决这个难题，一般会采用更高功率的激光 器二极管、更先进的光学器件和多光束来解决。
激光的发散角很小，能量高度集中，落在接收机的望远镜天线上 的功率密度高，从而发射机的发射功率可以大大降低，通信发射机 功耗相对较低。这对于卫星通信这种功率资源宝贵的场合十分适用。
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<<光通信原理>>课程
3、重量轻
发射机较低的发射功率和功率消耗使得发射机及其供电系统 的重量得以下降；同时因为激光的波长短，在同样的发射波束发 散角和接收视场角要求下，发射和接收望远镜的口径都可以较小。 激光通信摆脱了微波系统巨大的碟形天线，重量和体积可以减轻 很多，这对于卫星通信是十分有利的。 4、高度的保密性 激光具有高度的定向性，发射波束纤细，并且在短时间内能 够传输大量数据，从而减少持续通信时间。因此卫星激光通信具 有高度的保密性和抗干扰性，能有效地防止窃听和侦测，对于军 事和民用都有较大的意义。典型的卫星激光通信系统波束发散角 为10rad。
卫星激光通信是以激光为传输媒介，在卫星之间建立光通信 链路，实现数据传输的技术。卫星激光通信系统与微波通信系统相 比具有以下优点： 1、大信道容量
激光的频率比微波高3到4个数量级，作为通信的载体意味着更大 的可资利用频带。光通信每通道的数据速率可达20Gb/s以上，并且 还可采用波分复用的技术使通信容量成倍上升，随着技术的进步还 将有大幅度上升。 2、低功耗
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自由空间光通信存在的主要问题有以下几点：
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2)可以应用于移动通信基站间的互连，无线基站数据回传；
3)应用于城域网的建设以及最后一公里接入； 4)在技术上或经济上不宜敷设光缆的地区，在不宜采用或限 制使用无线电通信的地方； 5)在军事设施或其他要害部门需要严格保密的场合；
6)在企业内部网互连和数据传输。
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自由空间光通信的基本原理及其特点
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卫星激光通信的难点 通信技术上的难点及其独有的特点：
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卫星间激光通信具有上述优点的同时，也同样带来了卫星间光 1、卫星光链路的空间瞄准、捕捉和跟踪。卫星激光通信的发 射波束很窄，这为其带来很多优点。但同时发射波束窄又在技术 上造成巨大困难。相距很远的两颗卫星之间存在相互的高速运动，
(1)FSO是一种视距宽带通信技术，传输距离与信号质量的
矛盾非常突出，当传输超过一定距离时波束就会变宽导致难以
被接收点正确接收。目前，在1km以下才能获得最佳的效果和质 量，最远只能达到4Km。多种因素影响其达不到99.999%(五个9) 的稳定性。 (2)FSO系统性能对天气非常敏感是FSO的另一个主要问题。
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。
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<<光通信原理>>课程
自由空间光通信可在以下一些范围发挥重要作用： 1)可以作为光纤通信和微波通信冗余链路的备份；
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第7章 无线激光通信
1. 有线光通信-光纤通信
2. 无线激光通信
大气激光通信
水下激光通信
卫星激光通信
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7.1 大气激光通信-自由空间激光通信
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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
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3、终端之间有相对运动。轨道之间的链路（IOL）上两颗卫星之 间有相对运动，会使激光产生多谱勒频移，光纤通信系统中的终 端位置固定，不存在激光的多谱勒频移问题。 4、卫星之间的通信距离远。地球同步卫星到地球同步卫星 （GEO-GE0）之间的通信距离可达42000公里。即使低轨道卫星到 低轨道卫星（LEO-LEO）之间也有上千公里。半导体激光器发射 功率小（一般只有几十毫瓦到几百毫瓦），这就要求通信系统具 有高的接收灵敏度，否则背景辐射等噪声的影响会使误码率达到 不可接受的程度。除从检测器本身入手以外，纠错编码、外差接 收等都是可能的解决途径。 5、卫星之间的ห้องสมุดไป่ตู้光通信对系统的可靠性要求高。这是因为发射 机、接收机都在卫星上，卫星发射升空后在对其进行维护几乎不 可能。
两个通信终端目标间的相互捕捉、瞄准、跟踪（Acquisition，
Pointing，Tracking 简称APT）技术相当复杂，这也是致使卫星 光通信发展缓慢的原因之一。
2、存在背景光的影响。这些背景光主要来源于太阳、月亮、
金星、地球和其他星球的辐射、反射，各背景光源的辐射强度不 同，频谱分布不同，对接收机所成的张角也不同。
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7.3 卫星激光通信
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一、卫星激光通信的优点
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自由空间光通信系统(FSO)是以大气作为传输媒质来进行光信 号的传送的。只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和 足够的光发射功率，通信就可以进行。 系统所用的基本技术是光电转换。在点对点传输的情况下， 每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双工的通信。光 发射机的光源受到电信号的调制，并通过作为天线的光学望远镜， 将光信号经过大气信道传送到接收端的望远镜。高灵敏度的光接 收机，将望远镜收到的光信号再转换成电信号。由于大气空间对 不同光波长信号的透过率有较大的差别，可以选用透过率较好的 波段窗口。光的无线系统通常使用850nm或1550nm的工作波长。同 时考虑到1500nm的光波对于雾有更强的穿透能力，而且人眼更安 全，所以1550nm波长的FSO系统具有更广阔的使用前景。
晴天对FSO传输质量的影响最小，而雨、雪和雾对传输质量的影
响则较大。据测试，FSO受天气影响的衰减经验值分别为：晴天， 5-15db/km、雨，20-50db/km、雪，50-150db/km、雾，50300db/km。国外为解决这个难题，一般会采用更高功率的激光 器二极管、更先进的光学器件和多光束来解决。
激光的发散角很小，能量高度集中，落在接收机的望远镜天线上 的功率密度高，从而发射机的发射功率可以大大降低，通信发射机 功耗相对较低。这对于卫星通信这种功率资源宝贵的场合十分适用。
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3、重量轻
发射机较低的发射功率和功率消耗使得发射机及其供电系统 的重量得以下降；同时因为激光的波长短，在同样的发射波束发 散角和接收视场角要求下，发射和接收望远镜的口径都可以较小。 激光通信摆脱了微波系统巨大的碟形天线，重量和体积可以减轻 很多，这对于卫星通信是十分有利的。 4、高度的保密性 激光具有高度的定向性，发射波束纤细，并且在短时间内能 够传输大量数据，从而减少持续通信时间。因此卫星激光通信具 有高度的保密性和抗干扰性，能有效地防止窃听和侦测，对于军 事和民用都有较大的意义。典型的卫星激光通信系统波束发散角 为10rad。
卫星激光通信是以激光为传输媒介，在卫星之间建立光通信 链路，实现数据传输的技术。卫星激光通信系统与微波通信系统相 比具有以下优点： 1、大信道容量
激光的频率比微波高3到4个数量级，作为通信的载体意味着更大 的可资利用频带。光通信每通道的数据速率可达20Gb/s以上，并且 还可采用波分复用的技术使通信容量成倍上升，随着技术的进步还 将有大幅度上升。 2、低功耗
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2)可以应用于移动通信基站间的互连，无线基站数据回传；
3)应用于城域网的建设以及最后一公里接入； 4)在技术上或经济上不宜敷设光缆的地区，在不宜采用或限 制使用无线电通信的地方； 5)在军事设施或其他要害部门需要严格保密的场合；
6)在企业内部网互连和数据传输。
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自由空间光通信的基本原理及其特点
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卫星激光通信的难点 通信技术上的难点及其独有的特点：
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卫星间激光通信具有上述优点的同时，也同样带来了卫星间光 1、卫星光链路的空间瞄准、捕捉和跟踪。卫星激光通信的发 射波束很窄，这为其带来很多优点。但同时发射波束窄又在技术 上造成巨大困难。相距很远的两颗卫星之间存在相互的高速运动，
(1)FSO是一种视距宽带通信技术，传输距离与信号质量的
矛盾非常突出，当传输超过一定距离时波束就会变宽导致难以
被接收点正确接收。目前，在1km以下才能获得最佳的效果和质 量，最远只能达到4Km。多种因素影响其达不到99.999%(五个9) 的稳定性。 (2)FSO系统性能对天气非常敏感是FSO的另一个主要问题。
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。
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自由空间光通信可在以下一些范围发挥重要作用： 1)可以作为光纤通信和微波通信冗余链路的备份；
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1. 有线光通信-光纤通信
2. 无线激光通信
大气激光通信
水下激光通信
卫星激光通信
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7.1 大气激光通信-自由空间激光通信
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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
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3、终端之间有相对运动。轨道之间的链路（IOL）上两颗卫星之 间有相对运动，会使激光产生多谱勒频移，光纤通信系统中的终 端位置固定，不存在激光的多谱勒频移问题。 4、卫星之间的通信距离远。地球同步卫星到地球同步卫星 （GEO-GE0）之间的通信距离可达42000公里。即使低轨道卫星到 低轨道卫星（LEO-LEO）之间也有上千公里。半导体激光器发射 功率小（一般只有几十毫瓦到几百毫瓦），这就要求通信系统具 有高的接收灵敏度，否则背景辐射等噪声的影响会使误码率达到 不可接受的程度。除从检测器本身入手以外，纠错编码、外差接 收等都是可能的解决途径。 5、卫星之间的ห้องสมุดไป่ตู้光通信对系统的可靠性要求高。这是因为发射 机、接收机都在卫星上，卫星发射升空后在对其进行维护几乎不 可能。
两个通信终端目标间的相互捕捉、瞄准、跟踪（Acquisition，
Pointing，Tracking 简称APT）技术相当复杂，这也是致使卫星 光通信发展缓慢的原因之一。
2、存在背景光的影响。这些背景光主要来源于太阳、月亮、
金星、地球和其他星球的辐射、反射，各背景光源的辐射强度不 同，频谱分布不同，对接收机所成的张角也不同。