光通信原理及技术
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光通信技术 第七章
无线激光通信系统
王 刚
第七章
无线激光通信系统
7.1 无线光通信系统分类与制式 7.2 无线光通信系统组成 7.3 无线光通信终端的基本器件 7.4 无线光通信的关键技术
7.1 无线光通信系统分类
按空间信道分类：
GEO H>20000km
上行链路 下行链路
MEO 1000～20000km
PPM光场 接收机 + 光电探测器 （V1，V2，。。。Vm） 在一帧上的位积分 选择最大值 Vi 位时钟 解码PPM 字节
位积分器
输入光场经光电检测器后通过同步位置时钟在每一个位 置上进行积分，然后对在一个帧时间上所收集到的位置积分 序列（ v1，v2，v3，v4 ......vm ）进行最大值比较，其中最大的一 个表示这一帧上的信号位置。
按制式分类
PPM——脉冲编码调制是较为流行的一种光学组编码方 式。在PPM系统中，一个光脉冲位于M个相邻时间位置之一 上来代表某一数据组， 如图所示：
8PPM (NRZ)
Ts
PPM帧 M个位
PPM帧
PPM帧 （Tf )
M个间隙构成一个PPM帧或长度为Tf秒的字节。因此， 数据字节由脉冲在帧中的位置决定。
解码比特 阈值判别
光场
i(t)
Tb
v
解码比特 阈值判别
0
图 接收机和解码器
按制式分类
二进制IM/DD系统：
曼彻斯特编码： 曼彻斯特码利用一个半占空的对称方波（如01）表示数 据“1”，而其反相波（如10）表示数据“0”。
0 0
1
编码激光强度
Tb 2
Tb
0
Tb 2
Tb
按制式分类
光场 光电探测器 i(t ) + 前放
式中R为探测器的响应度，Ps 和PL分别是信号光和本振光 的光功率，LF 为信号光频与本振光频之差，LF 0 L 称为中频。
如果信号光与本振光频率相同,则LF 0，称为零差 检测，探测器的信号电流为
is 2R Ps PL cos(s L ]
5、对星上和地面终端的要求不同
6、大气信道使得空间光束的跟瞄更困难
按空间信道分类
星间无线激光通信系统的特点：
1、激光的信道为自由空间
2、上行链路和下行链路的传输码率不对称 3、对GEO、MEO和LEO终端的要求不同 4、通信距离在20000km以上。 5、激光发散角很小
6、ATP技术要求高
按空间信道分类
按制式分类
比特 PPM编码器 PPM帧 激光 PPM光场
采用脉冲光学系统，适合于直接检测接收机。 激光器 只需要以帧的速率产生脉冲，工作脉冲重复频率为：
1/ Tf 1/ MTs
PPM发送机发送的比特的速率为：
R log2 M MTs （bit/s）
按制式分类
PPM解码器必须决定在包含光脉冲的一个帧时间内的 M 个缝隙的那一个出现脉冲。
按制式分类
相干光通信系统
比特 激光调制器 光场
接收光场
光电 探测器
RF滤波器
射频解码 器
本振 光源
载波追踪
按制式分类
在相干光通信中剧达接收端的信号光场 Es，可用复数 表示为：
Es As exp[i ( 0 t s ]
式中As为光信号的幅度，0为光载波频率，s为光场相 位。本振光场Ｅ 为： Ｌ
按制式分类分类
二进制IM/DD系统：
开关键控（ On Off Keying ——OOK）编码：
在OOK编码中，每一比特时间内光脉冲处于开或关的状 态。每个“1”比特编码为一个光脉冲，而每个“0”比特则 以一个关闭比特(无光场)进行编码。
光场 光电探测器 + 前放 光电探测器 + 前放 主放
i(t)
宽带数据传输： 数百M～10Gbps
LEO H<1000km
自由 空间
指令传输： 几Mbps
大气层顶 ～20km
10～15km
～5km
地面站
地球
按空间信道分类
空-地无线激光通信系统的特点：
1、空间光束不可避免地通过大气随机信道 2、大气随机信道对激光传输的影响随海拔高度增 加而迅速减小 3、上行链路和下行链路经过的信道截然不同 4、上行链路和下行链路的传输码率往往不对称
EL AL exp[ i ( L t L ]
如果信号光与本振光具有相同的偏振态，则两光场 相干混合在探测器上产生的光电流为：
I s R （ Ps PL ) 2 R P LF t s L ] sP L cos(
按制式分类
I s R （Ps PL ) 2 R Ps PL cos(LF t s L ]
பைடு நூலகம்
Tb 2
v1
比较出 最大值 解码比特
0
图
Tb
v2
v2 v1
Tb 2
曼彻斯特编码系统接收机
如图，若 v1 小于 v 2 ，输出判定为“ 1”，反之输出判定 为“0”。曼彻斯特系统脉冲持续时间为比特时间的一半。 因此与00K系统相比，解码积分器具有更短的时间间隔(更大 的带宽)。
地面无线激光通信系统的特点：
1、激光的信道为大气随机信道 2、双工系统传输码率对称 3、相对移动的平台需要ATP系统 4、通信距离在1km以上。
5、光束发散角较大
6、激光发射功率受ITUT标准的限制。
7.1 无线光通信系统分类
按制式分类：
•强度调制的直接检测（IM/DD）系统 •光外差系统。 其中（IM/DD）系统为非相干通信系统，光外差系统为 相干光通信系统。光外差系统是基带信号直接对光载波进 行ASK、FSK和PSK等调制。 IM/DD系统中有二进制系统和多进制系统。其中二进制 系统脉冲调制的最一般形式是开关键控(OOK)编码和曼彻斯 特编码。多进制系统最流行的光学组编码方式为脉冲位置 调制（Pulse Position Modulation ——PPM）。
按制式分类
多进制IM/DD系统——光学组编码
在多进制幅度键控（MASK）中一个脉冲（存在M种不 同的幅值），可以代表 log 2 M个比特。在光学组编码编码中， 使用M个光场（脉冲）代表 个比特。由于 b<M,所以相 log 2 M 同的系统带宽的情况下，信息传输速率（比特/s）比OOK降 低。 例如：用8个光场代表3个比特构成的组，8个光场不同 的组合代表不同的 3比特的组成： 000、001、010、011、 100、101、110、111。
无线激光通信系统
王 刚
第七章
无线激光通信系统
7.1 无线光通信系统分类与制式 7.2 无线光通信系统组成 7.3 无线光通信终端的基本器件 7.4 无线光通信的关键技术
7.1 无线光通信系统分类
按空间信道分类：
GEO H>20000km
上行链路 下行链路
MEO 1000～20000km
PPM光场 接收机 + 光电探测器 （V1，V2，。。。Vm） 在一帧上的位积分 选择最大值 Vi 位时钟 解码PPM 字节
位积分器
输入光场经光电检测器后通过同步位置时钟在每一个位 置上进行积分，然后对在一个帧时间上所收集到的位置积分 序列（ v1，v2，v3，v4 ......vm ）进行最大值比较，其中最大的一 个表示这一帧上的信号位置。
按制式分类
PPM——脉冲编码调制是较为流行的一种光学组编码方 式。在PPM系统中，一个光脉冲位于M个相邻时间位置之一 上来代表某一数据组， 如图所示：
8PPM (NRZ)
Ts
PPM帧 M个位
PPM帧
PPM帧 （Tf )
M个间隙构成一个PPM帧或长度为Tf秒的字节。因此， 数据字节由脉冲在帧中的位置决定。
解码比特 阈值判别
光场
i(t)
Tb
v
解码比特 阈值判别
0
图 接收机和解码器
按制式分类
二进制IM/DD系统：
曼彻斯特编码： 曼彻斯特码利用一个半占空的对称方波（如01）表示数 据“1”，而其反相波（如10）表示数据“0”。
0 0
1
编码激光强度
Tb 2
Tb
0
Tb 2
Tb
按制式分类
光场 光电探测器 i(t ) + 前放
式中R为探测器的响应度，Ps 和PL分别是信号光和本振光 的光功率，LF 为信号光频与本振光频之差，LF 0 L 称为中频。
如果信号光与本振光频率相同,则LF 0，称为零差 检测，探测器的信号电流为
is 2R Ps PL cos(s L ]
5、对星上和地面终端的要求不同
6、大气信道使得空间光束的跟瞄更困难
按空间信道分类
星间无线激光通信系统的特点：
1、激光的信道为自由空间
2、上行链路和下行链路的传输码率不对称 3、对GEO、MEO和LEO终端的要求不同 4、通信距离在20000km以上。 5、激光发散角很小
6、ATP技术要求高
按空间信道分类
按制式分类
比特 PPM编码器 PPM帧 激光 PPM光场
采用脉冲光学系统，适合于直接检测接收机。 激光器 只需要以帧的速率产生脉冲，工作脉冲重复频率为：
1/ Tf 1/ MTs
PPM发送机发送的比特的速率为：
R log2 M MTs （bit/s）
按制式分类
PPM解码器必须决定在包含光脉冲的一个帧时间内的 M 个缝隙的那一个出现脉冲。
按制式分类
相干光通信系统
比特 激光调制器 光场
接收光场
光电 探测器
RF滤波器
射频解码 器
本振 光源
载波追踪
按制式分类
在相干光通信中剧达接收端的信号光场 Es，可用复数 表示为：
Es As exp[i ( 0 t s ]
式中As为光信号的幅度，0为光载波频率，s为光场相 位。本振光场Ｅ 为： Ｌ
按制式分类分类
二进制IM/DD系统：
开关键控（ On Off Keying ——OOK）编码：
在OOK编码中，每一比特时间内光脉冲处于开或关的状 态。每个“1”比特编码为一个光脉冲，而每个“0”比特则 以一个关闭比特(无光场)进行编码。
光场 光电探测器 + 前放 光电探测器 + 前放 主放
i(t)
宽带数据传输： 数百M～10Gbps
LEO H<1000km
自由 空间
指令传输： 几Mbps
大气层顶 ～20km
10～15km
～5km
地面站
地球
按空间信道分类
空-地无线激光通信系统的特点：
1、空间光束不可避免地通过大气随机信道 2、大气随机信道对激光传输的影响随海拔高度增 加而迅速减小 3、上行链路和下行链路经过的信道截然不同 4、上行链路和下行链路的传输码率往往不对称
EL AL exp[ i ( L t L ]
如果信号光与本振光具有相同的偏振态，则两光场 相干混合在探测器上产生的光电流为：
I s R （ Ps PL ) 2 R P LF t s L ] sP L cos(
按制式分类
I s R （Ps PL ) 2 R Ps PL cos(LF t s L ]
பைடு நூலகம்
Tb 2
v1
比较出 最大值 解码比特
0
图
Tb
v2
v2 v1
Tb 2
曼彻斯特编码系统接收机
如图，若 v1 小于 v 2 ，输出判定为“ 1”，反之输出判定 为“0”。曼彻斯特系统脉冲持续时间为比特时间的一半。 因此与00K系统相比，解码积分器具有更短的时间间隔(更大 的带宽)。
地面无线激光通信系统的特点：
1、激光的信道为大气随机信道 2、双工系统传输码率对称 3、相对移动的平台需要ATP系统 4、通信距离在1km以上。
5、光束发散角较大
6、激光发射功率受ITUT标准的限制。
7.1 无线光通信系统分类
按制式分类：
•强度调制的直接检测（IM/DD）系统 •光外差系统。 其中（IM/DD）系统为非相干通信系统，光外差系统为 相干光通信系统。光外差系统是基带信号直接对光载波进 行ASK、FSK和PSK等调制。 IM/DD系统中有二进制系统和多进制系统。其中二进制 系统脉冲调制的最一般形式是开关键控(OOK)编码和曼彻斯 特编码。多进制系统最流行的光学组编码方式为脉冲位置 调制（Pulse Position Modulation ——PPM）。
按制式分类
多进制IM/DD系统——光学组编码
在多进制幅度键控（MASK）中一个脉冲（存在M种不 同的幅值），可以代表 log 2 M个比特。在光学组编码编码中， 使用M个光场（脉冲）代表 个比特。由于 b<M,所以相 log 2 M 同的系统带宽的情况下，信息传输速率（比特/s）比OOK降 低。 例如：用8个光场代表3个比特构成的组，8个光场不同 的组合代表不同的 3比特的组成： 000、001、010、011、 100、101、110、111。