大气激光通信系统

光电检测器（或光电探测器）也是激光通信的核心部件，用于光信号接收转换。目前常 用的光电探测器有光电子发射型光电倍增管、光生伏特型 PIN 光电二极管和雪崩光电二极 管（APD）等，它们可用于半导体激光通信、Nd：YAG 激光通信和 CO2 激光通信等系统。
4．大气传输技术 激光在大气中传输受气候条件影响很大，即光在传输时强度衰减很快，这主要是由于大 气的气体分子和大气气溶胶分子的“散射”“吸收”造成的。大气中使光的性质受到影响的主要 因素是 CO2、氧、烟、灰尘、水滴、冰片等。在较低的大气层中大部分水份以水滴、雾和水 蒸气的形式集合起来，占大气体积的 4％，同时光的传播也受到天气的影响，它使大气能见 度变差。 大气对激光强度的衰减程度，据统计，传输损耗对雨是 3～8 dB／km，对雾是 3～10 dB ／km，对雪是 3～20 dB／km。不同波长的激光在大气中的吸收衰减也不同。克服大气对通 信的影响是大气激光通信研究的主要内容之一。下面列出一些减少激光在大气中传输损失、 增加通信距离的办法和措施： （1）采用处于大气窗口的波长较长的激光器作为光源进行通信； （2）提高激光器的输出功率； （3）提高光电探测器的灵敏度，降低自身的噪声，以求探测更微弱的信号； （4）研制能同沿几个方向进行传输的通信装置； （5）设立多个中继站，在通信传输线路中设立一个或多个中继站，中继站可将变弱的
设。FSO 既是宽带接入的手段，又是宽带互连的手段，具体运用领域如下：
替代光纤 没有或不便于铺设光纤时的高速互连解决方案；
城域网和骨干网扩展 在某些光纤暂不到位的区域用 FSO 实现城域网的延
伸、连接新网络或在网络核心建设光传输环路等；缺少接入手段和资源的新兴
电信运营商的构筑城域的方案；
局域网 在城市内楼宇之间、园区之间的宽带互联；校园网、高速网络小区或
激光器用于产生激光信号，并形成光束射向空间。激光器的好坏直接影响通信质量及通 信距离，对系统整体性能的影响很大，因而对它的选择是非常重要的。建议采用大光腔 GaAs －AlGaAs 激光器。该激光器具有体积小、重量轻、结构简单、抗震动、易调整、寿命长等 优点。 2．调制器和调制方式
调制就是把信号叠加到载波上。调制器是一种电光转换器，它是输出光束的某个参数（强 度、频率、相位、偏振等）随电信号变化，完成光的调制过程。调制方式有内调制和外调制 两种。把被信息信号调制了的电信号直接加到光源上（或电源）上，使光源发出随信息信号 变化的光信号称为内调制。把调制元件（如光电晶体等）放到光源之外，使被信息信号调制 了的电信号加到调制晶体上，当光束通过晶体后，其光束中的某个参数（强度、频率、相位、 偏振等）随电信号变化而变化，从而成为载有信息的光信号称为外调制。无论是外调制还是 内调制，每一种调制方法都有各种不同的调制形式，主要有脉冲调幅、脉冲调宽和脉冲调频。 此外直接调制还有脉码调制，外调制中有振幅调制、频率调制、脉码调制、偏振调制等。 3．光接收系统
20 世纪 90 年代后期研制的激光通信系统功能强、技术复杂、自动化程度高。如美国研 制的激光通信系统，备有全球卫星定位系统（GPS）、电子指南针、倾斜校准仪，可自动高 速扫描接收定位，把定位信号用光束传给通信机，很快进行通信。还可以实现激光通信与无 线电通信互相转换，即在大雨、大雾的天气可用无线电通信，其它时间则用激光通信。美国 研制的激光通信系统还采用铯原子线路滤波器，可将光谱带宽限制在 0．01 nm（传统滤波 器 3．5nm），视野增大到 60°（传统的狭窄），功率仅为 5 W，传输性能得到较大提高。美 国航天局（NASA）正在研制 800～850 nm 半导体激光器地面和空间之间的通信技术，在 2002 年进行容量为 2．5 Gbit／s 的地面到卫星的通信实验。由此可见，各国对激光大气通信的研 制工作不断深入，大气激光通信技术势必将有较大的提高和发展，尤其是在电磁频谱复杂、 电子干扰日益严重的环境中，光通信显得尤为重要。因此研究和发展激光通信，加大通信距 离，实现全天候移动通信，是电子对抗和通信对抗的需要，也是未来发展的趋势之一。
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接口电路的作用是将计算机与调制解调器连接起来，使之能同步、协调工作。调制器的 作用是把二进制脉冲变换成或调制成适宜在信道上传输的波形通信使激光器发光，其目的是 在不改变传输结果的条件下，尽量减少激光器发射总功率。解调是调制的逆过程，它是把接 收的已调制信号进行反变换，恢复出原数字信号送到接口电路。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，使收端和发端步 调一致。 1．激光器
FSO 本质上也是一种无线电通信其频率远高于 300 GHz，故无需申请频率使用执照。在 无线激光通信系统中多了电－光（Electric-Optical/E-O）的转换转换过程。此一单纯的传 输路径 E-O 转换与被传送数据的通信协议全然无关。
光学天线的发射镜能把截面很小的激光束变成截面较大的激光束，方便接收镜调整方位 并接收信号。如果不进行这样的处理，由于激光束截面很小，且激光是直线传播的，将会给 接收镜的方位调整带来困难。接收镜接收大面积的激光束，并聚焦成较小的光斑，起到恢复 激光束本来面目的作用。光学原理见图一。
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。由图可见，本系统可传递语音以及进行计算机间 数据通信。受调制的信号通过功率驱动电路使激光器发光，这样载有语音信号的激光通过光 学天线发射出去。接收是另一端的激光通信机通过光学天线将收集到的光信号聚到光电探测 器上，将这一光信号转换成电信号，再将这一光信号放大，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 K 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，其基本模式如图 1 中相关部分所示。
大气激光通信系统
简介
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大气激光通信系统简介
一、引 言 大气激光通信技术即无纤光通信技术是近年来出现的一种新兴技术，其原理是载波光信
号通过大气作为传输信道完成点到点或点到多点的信息传输。该技术采用半导体激光器为光 源，所构成的通信系统为无线数字通信系统，主要用于固定点使用，也可用作应急抢通，其 潜在的应用领域是在数据网、电话网、微蜂网及微微蜂窝网的入网应急设备及不便敷设电缆 及光缆的近距离场合。大气激光通信设备具有无电磁干扰、组网机动灵活、安装维护方便、 通信可靠性高、保密性好、性能价格比优等优点，可传输多种速率的数据、话音、图像，具 有广阔的应用前景。随着技术的不断完善和新器件的不断出现，大气激光通信技术已成为当 今信息技术的一大热门技术，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。本文主要论述大气激光通信的基本原理、关键技术 及其发展现状和应用领域。 二、激光传输
大企业内的网络中应用，或集团大客户专线接入骨干网；
SDH 网络备份链路；
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无线基站数据回传 2G、2.5G、3G 移动基站互连和数据回传； 跨越障碍 解决跨河流、湖泊、海峡、山沟等复杂地貌带来的挖沟布线难题； 应急/临时通信传输 如救灾、大型集会活动、展览会、短期租用的建筑、野外 的临时工作场所或地震等突发事件的现场作为一种临时的通信连接，以及其他需快 速开通业务的场合。 3、特点 频带宽，速率高，容量大。FSO 能支持 155Mb/s-10Gb/s 的传输速率，传输距离在 2-4 公里之间，基本等同于光纤通信，尤其在接入网中，可以作到同光纤的无缝联接。 组网灵活、网络扩展性好。可以协助构建包括点对点、点对多点、环/网状或组合 形态，当添加点时，原有结构无需改变 架设灵活便捷。FSO 可以在江河湖海上进行通信，可以在几小时内把带宽信道接 到任何地方，而无需埋设光纤，因此大大缩短了施工周期，这对于通信运营商来 说，是一种快速抢占市场的极好选择。 无需申请频率。由于工作在无须管制的光谱不占用拥挤的无线电频率资源， ＦＳＯ因设备间没有信号的相互干扰，也不会与其他传输发生干扰，没有频率许 可问题，故无需申请频率许可证。 安全保密性强：ＦＳＯ的波束很窄，非可视光，夜间也无法发现，因此无法探测 到链路的位置，更不存在窃听的可能性，安全保密性好。ＦＳＯ 很难被截取， 波束又非常定向，是对准某一接收机的。即使被截取用户也会发现，因为链路被 中断了。因此 ＦＳＯ 比无线系统安全得多。尤其适用于金融、法律、军事等保 密要求高的部门。 协议透明：ＦＳＯ以光为传输媒介，任何传输协议均可容易地叠加上去，现在通 信网络常用的ＳＤＨ、ＡＴＭ、ＩＰ等都能通过；对语音、数据、图像等业务可 以做到透明传送。 成本低： 起始投资低，运营费用低，ＦＳＯ的成本是光纤到楼的１/１０～ １/３。无线光接入传送每兆毕特的价格最低，这一数值，只及与之最接近的微波 无线接入的一半。加上其附加投资不多，比如同一般的微波无线接入相比，可省 去频率申请使用的开销，甚至可节省规划的费用。 快速部署：数小时内即可开通业务 。 无 EMI 和 RF 干扰：满足电信级传输的要求，没有同频干扰。
外差检测接收的原理与无线电波的外差检测接收相似，如图 2 所示。光学系统接收到频 率为 fc 的光信号，经滤波器和有选择反射镜到光混频器的光敏面上，同时本振激光器所产生 的频率为 f0 的激光通过反射镜也反射到混频器的光敏面上。混频器就是一个光电检测器， 它对两束叠加的光波起检测和混频作用，输出差频 fm＝f0－fc 中频信号，经中心频率为 fm 的 带通滤波器还原成电信号。这种接收方式灵敏度高，信噪比大，但设备复杂，技术难度大。
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影响，FSO 需操作于可目视(Line-of-sight)条件。 FSO 设备有两种工作波长：850nm 和 1550nm。850nm 的设备相对来说很便宜，一般应用
在传输距离不太远的场合。工作在 1550nm 波长的 FSO 设备的价格要高一些，但在功率、传 输距离和视觉安全方面消除恶劣气候影响有更好的表现。
光学原理图 目前在自由空间激光通信中，一般传输距离为 500m－4km。 FSO 利用点对点连结来建构网络点到点、点到多点（星形）和格形网。路由(Routing) 及多任务(Multiplexing)功能须由外接的路由器(Router)或交换器(Switch)及 ADM 提供。可 广泛用于局域网，最后一公里接入，光纤通信系统的备份，应急通信，无线机站数据回传。 面对当前多种接入技术，比如 FSO、光纤、DSL 以及 LMDS 等。其中光纤传输无疑是最 可靠的通信方式，但光纤敷设周期长及投资高，并且一旦用户离开，应运商想要收回投资就 变得十分困难；LMDS 技术日渐成熟，它比 FSO 的传输距离远，但这种接入方式需要高额的 初始投资（频谱许可证），该种接入技术不如 FSO 经济；尽管铜缆是一种非常普及的传输方 式，但由于 DSL 的带宽太低，使得这种基于铜缆的接入方式并不能解决完全解决“最后一公
光接收是把从远处传来的已被调制的光信号通过光学接收透镜汇聚、滤波器滤波、光电
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探测器进行光电转换的过程。接收方法有直接检测接收和外差检测接收。直接检测接收是利 用光学系统和光电探测器把光学信号直接转换成电信号的过程，它是一种简单而实用的接收 方式，如砷化镓激光通信就是直接检测接收，缺点是灵敏度低，信噪比小。
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里”瓶颈问题；FSO 相对而言是一种比较好的方案，带宽可扩展，建设速度快，并且十分经 济。
系统由 FSO 光学天线和 FSO 光端机（电口、光口）两部分组成，可用于传输数据、语 音、图像等。
FSO 光学天线外观图（双收四发型）
FSO 光学天线外观图（单收单发型）
2产
应
FSO 可作为光纤通信的替代品和互补产品，用于本地网和边缘网等近距离高速网的建
激光大气通信要在原有技术的基础上，应重点发展以下几个方面： （1）开展大气激光通信相关技术的研究； （2）研制大功率、高灵敏度、远距离的激光通信系统； （3）研制目标成像定位跟踪的移动光通信系统； （4）建立实现多中继、多方向的面传输通信网； （5）建立大气－空间一体化的远程通信网。 四、京宽网络公司研制的大气激光传输传输设备 1、 技术及产品简介 自由空间光通信（FSO，Free Space Optitec）， 或称红外光通信，是以小功率的红外激 光束为载体，以大气空间为传输媒介传输数据。这种红外光不伤眼睛，传输距离受气候条件
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源自文库
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信号放大再转发出去，以保证当信号到达时有足够的强度； （6）升高通信发射机和接收机的位置，使之高出地面 60～100 m，可以克服雾等气候
的影响，进行远距离通信。 三、激光通信的研究现状与发展趋势
虽然大气的吸收、色散使得利用激光在地面上通信具有某种界限，但是目前已利用气体 激光器制造出能在良好气候的晚上传输信息达几十公里的设备。美国建立了一条 24 km 的 24 路双音频激光电话线路，采用 40 mW 连续波 He－Ne 器件，磷酸二氢钾晶体脉位调制， 作用距离达 5 km。前苏联建成的两条试验线路，一条通信距离 25 km，带宽为 100MHz，可 同时进行 4 路通路；另一路通信距离为 11km，224 路可同时通话。