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论文题目：一个自由空间信息光传输 试验系统的研制与开发 专业：光学专业 硕士生：罗帼材 指导教师：余振新教授 摘要 自由空间信息光传输技术是一种新型的无线通信技术，在很多领域具有比较 好的应用前景。本文对自由空间信息光传输技术进行简要的介绍，包括特点与优 势、存在的问题、主要应用领域、国内外的发展现状、成功应用的范例等，阐述 了开展自由空间信息光传输研究的必要性及重要性。然后介绍了自由空间信息光 传输系统的工作原理和系统组成，并列举了研究自由空间信息光传输系统的几项 关键技术，为进一步深化自由空间信息光传输系统的研究奠定了基础。最后，本 文分析介绍了自行设计的自由空间信息光传输系统。该系统能够实现完整的无线 通信，在基础科研和国民经济建设中有一定的实用意义。 关键词：自由空间信息光传输光学天线p e c l 通信协议 t i t l e ：t h ed e v e l o p m e n to faf r e es p a c e 0 p t i c a l1 1 r a n s m i s s i o nt r i a ls y s t e m m i j o r ：o p t j c s n a m e ：i m og u o c a i s u p c i s o f ：p f o 缸s o ry uz h e n x j l l f r e es p a c eo p t i c a l t r 锄s m i s s i o nj san e wt e c h i l o l o g yo f w i r e l e s sc 0 删珈n i c a t i o n ， w h i c hc a nb eu s c d 矗im 卸y 矗e i d s s om 锄yc o u n t r i c s 血c l l i d 如ga 血ah a v e0 0 n c e m e d t l l j st e c h 玎d 1 0 9 y a t 血s t ，ab r i c f 缸r o d u c t i o no f 丘e es p a c c o p t 妇lt r a n s m 醣j o n t e c l l l l 面u e ，i n d u d i l l g 矗sc h a r a d e r ，a d 啪t a g e ，1 i n i i t a i o ，丘e l do f a p p l i c a t j o n ， d e v e l o p m e n tl e v e lj l lt h ew o r l d ，s u o c e s s f i l la p p u c a t i o n ，a n ds o0 n ，i sg i v e nmt h i s p a p c r t h es j g l l 艳c a i ) c eo fl h ef c s e a r c ha n ds o m ek e yt e c h 1 0 9 i c s ，w h 汹眦 j i i l p o n a n tf b r t h es y s t e ma r ed i s 0e 冲a t i a t e d a th s t ，as y s l e mo f 丘e es p a c eo p t 王c a l t r 鲫i s 珂i s s i o n 撇d eb yu s ，w h j c hc a nt r a n s f e r 血f o 彻a t i o ni l lt b ew i f c 】e s s 、v a y j s 锄r o d u c e d 1 t sp 血c i p l e 髓dt e c h n i q u e 缸ec o n 删dj nt h j sp a p c r k e yw o r d s ：f r e es p a c eo p t 砌t m 璐m 矗s i o n 、 o p t i c a la n t e 聃a 、 p e c l 、c b l 姗u n i c a t j o np m t o c o l 中山大学硕士论文一个自由空间信息光传输试验系统的研制与开发 第一章引言 1 1 自由空间信息光传输技术简介 人类通过听觉、视觉、嗅觉、触觉等感官感知现实，获取信息，并通过通信 系统来传递。现代通信意义上所指的信息已不仅局限于语音、电报、传真等单 媒体信息，而是将声音、图像、文字、数据等合为一体的多媒体信息。信息通过 通信系统来传递，随着人类互相交往越来越频繁，信息的需求量随之增大，通信系 统的发展也越来越多样化。 按传输媒介来分，通信系统可以分为有线通信网和无线通信网。有线通信网 的传输媒介有电缆、光纤和光缆等，如电话网、计算机网络：无线通信网的传输媒 介有长波、中波、短波、超短波、微波、卫星等，如有线电视网和移动通信网。 以上各种通信系统各有优点和缺点。微波通信可以较灵活地组成点、线结合的通 信网，让身处海岛、山区、农村的用户可以较方便地利用干线进行信息交换。但 相比于光纤通信，其最大的缺点是频带窄，传输速率低。光纤通信系统的线路容 量比微波系统大，并且不易受外场电磁干扰，但其主要缺点是必须有安装光纤光 缆的通道。因此，当遇到恶劣或复杂地形条件时，旋工会面临很大的困难。而且， 光缆用的公用通道建设周期长，费用高。由此，一种名为自由空间信息光传输技 术诞生了，它结合了两者的优点，能在一定程度上作为传统通信方式的一种补充。 1 1 1 自由空间信息光传输技术的特点与优势 自由空间信息光传输技术就是以激光为载体，空气为介质的信息传输技术。 简单的说，就是带有信息的激光不通过其它光传输介质，如光纤，直接在大气中传 播的一种通信方式。自由空间信息光传输技术与微波技术相比，它具有调制速率 高、频带宽、不需占用频谱资源等特点；与有线和光纤通信相比，它具有机动灵 活、对市政建设影响较小、运行成本低、易于推广等优点。自由空间信息光传输 技术可以在一定程度上弥补光纤和微波的不足。它的容量与光纤相近，但价格却 低得多。它适用于室外或室内通信，由空气传送，既不需申请频率执照，也没有 中山大学硕士论文一个自由空间信息光传输试验系统的研制与开发 铺设管道挖掘马路的问题。只需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，就可以进行信息传输。因为它具有容量大、高速率、保密性好、 机动性强的特点，现在，已经成为一种颇具竞争实力的通信方式。 表卜1 自由空间信息光传输技术与其他技术的比较 性能光纤微波铜线自由空间信息光传输 带宽 1 g b p s 以上小于3 4 m b p s2 3 m b p s l o g b d s 传输距离 1 2 0 k m 6 0 k m1 0 0 m 一3 5 k m4 k m 成本1 0 一2 0 万美 2 3 万美金套 低 2 3 万美金套 金k m 建设速度4 1 2 个月2 3 天2 3 天4 小时 市政许可 要 不要不要不要 频谱申请不要要不要不要 移动便利性 困难一般困难 好 维护复杂一般一般 简便 1 1 2 自由空间信息光传输技术存在的问题与解决方法 自由空间信息光传输技术存在一定的问题需要解决： ( 1 ) 自由空间信息光传输技术是一种视距技术，传输距离与信号质量成反 比关系，当传输超过一定距离时波束就会变宽，以致难以被接收节点正确接收。 所以自由空间信息光传输技术一般只限于城市内使用。目前，大部分测试表明， 在l k m 以下才能获得最佳的效率和质量。如图1 1 所示： 2 中山大学硕士论文 个自由空间信息光传输试验系统的研制与开发 解决方法有： a 增加功率：这样可以令平均无故障时间降低； b 增加光束数量；但导致成本高； c 会聚光束及自动跟踪；此方法有效并且成本低。 ( 2 ) 自由空间信息光传输技术的另一个主要问题是受大气状况影响。晴天 对传输质量的影响最小，而雨天、下雪和雾天对传输质量的影响较大。据测试， 自由空间信息光传输技术受天气影响的衰减经验值分别为：晴天，5 1 5 d b l ( m 、 雨，2 0 5 0 d b k m 、雪，5 0 1 6 0 d b k m 、雾，5 0 一3 0 0 d b l ( i n 。1 目前针对这一问题有 缩短传输距离、采用备份链路等解决办法。 ( 3 ) 自由空间信息光传输技术也受物理障碍的影响，比如飞行物的阻挡等。 解决方法是使用网状结构，多光路传输。如图卜2 所示： 拙节 图卜2 网络拓朴结构 ( 4 ) 激光的安全问题也会影响其使用。超过一定功率电平的激光有可能对 人眼产生影响，人体也可能被激光系统释放的能量伤害。目前有关激光的安全标 准都建议其功率电平应允许让裸视和助视( 如双筒望远镜) 时，眼睛看到不会受 到伤害。 1 1 3 自由空间信息光传输技术的应用领域 自由空间信息光传输技术在以下的范围发挥着重要作用：。1 1 作为光纤通信和微波通信冗余链路备份； 3 中山大学硕士论文一个自由空间信息光传输试验系统的研制与开发 2 3 4 5 6 7 应用于移动通信基站之间的互连，无线基站数据回送； 应用于城域网的建设以及最后一公里的接入； 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； 在军事设施或其他需要严格保密的通信场合； 在企业内部网互连和数据传输： 在工业中，远程性能监控量的传输。 1 2 国内外应用情况简介 在光通信技术中，从目前的主流应用s o n e t s d h ( 同步光网同步数字系列) 到将来的光孤子通信或全光通信，其研究发展历史已经相当长远，但自由空间信 息光传输技术作为一种光通信技术，却仅有三十多年的研究历史。初期，由于光 学器件制造成本较高，自由空间信息光传输的研究仅限于星际通信和国防通信领 域。【4 1 1 2 1 国外应用情况 自由空间信息光传输技术的诞生可以追溯到贝尔的光电话。目前，它己成为 发达国家宽带通信的关键技术之一，美国在政府花巨资开展该领域应用基础研究 之后，衄t 、c i s c 0 和n e l 已投入数十亿美金研发该类技术和产品。 灯t 已成立庞大的光无线通信服务公司，在全球推广该类产品。 2 0 0 0 年，t e r a b e a m 公司曾在悉尼奥运会上成功地使用自由空间信息光传输 设备在水上中心与演播中心之间进行无间断图像传送，并在西雅图的四季饭店成 功实现了利用自由空间信息光传输设备向客户提供l o o m b p s 的数据连接。“1 2 0 0 2 年9 月，l i g h t p o i n t e 成为首家在6 0 0 米范围内传输稳定性达到五个9 ( 9 9 9 9 9 ) 的自由空间信息光传输技术公司。该公司在各个接收器间使用多光束，令网络中 断时间从原来的每年6 小时减少为每年只有3 0 分钟。9 1 1 美国世贸灾难发生后， 奎斯特通信是首家接受自由空间信息光传输技术的营运商，宣布将会把 l 远h t p o i n t e 的屋顶自由空间信息光传输技术接收装置用于其全球网络。日本也有 c a n n o n 、h a m 棚t u s 等公司推出了自由空间信息光传输技术商业产品。在北美 4 中山大学硕士论文 一个自由空间信息光传输试验系统的研制与开发 和欧洲，自由空间信息光传输技术被公认为未来最有前途的通信技术之一。 1 2 2 国内研究应用情况 在国内，自由空间信息光传输技术具有高带宽、低误码率、部署迅捷、费用 合理、体积小、安全性高等特点，在如大型集会通信、紧急业务开通、路由备份 等应急通信中具有迅速开通、拆迁方便等优势。而且，自由空间信息光传输技术 可以隔窗安装于户内，在某些情况下，这对于国内大中城市的运营者来说极为关 键。因此，自由空间信息光传输技术凭着其自身的一些优点，引起了业界的关注。 2 0 0 3 年9 月9 日，中国华为公司和美国的l i g h t p o i n t e 公司宣布达成战略合 作。根据协议，l i g h t p o i n t 将为华为提供华为品牌的无线光通信产品。数百套设 备已经被安装在中国各大运营商的网络中。华为公司表示同l i g h t p o i n t e 的合作 将为他们的用户提供了一种新的技术选择。 目前国内对此技术的研究不多。中山大学物理系早在1 9 6 0 年左右，开始研 究这项技术，并用非激光光源成功完成了相关实验，1 9 9 5 年左右，实现了对激 光进行幅度调制的自由空间光传输技术进行语音通信。成都光电所2 0 0 2 年在国 内率先推出了1 0 m 码率、通信距离3 0 0 米的点对点国产激光无线通信机商品。 桂林激光通信研究所从2 0 0 3 年开始正式推出自由空间信息光传输技术商品，最 远通信距离可达8 公里，速率为1 0 1 5 5 m 。武汉大学2 0 0 2 年在国内首先完成 4 2 m 多业务大气激光通信试验。另外武汉大学在光无线通信系统设计、以太网 光无线通信、u s b 接口光无线通信、大气激光传输、大气光通信收发模块和信 号复接分接技术等方面都取得了一定的研究成果，可大部分都处于实验状态。 由于自由空间光通信具有良好的市场前景，目前国内大约共有2 0 家研究机构和 大学正在开展有关研究工作，相信我国在这方面近几年内会有更大的发展。 1 3 论文主要的研究目的 自由空间信息光传输技术是将自由空间作为传输媒体，主要使用半导体激光 器做光源，以激光束的形式在空间传送信息。最近几年，由于自由空间信息光传 输所需要的各种设备的价格下降导致自由空间信息光传输装置本身的价格降低， 同时，自由空间信息光传输所持有的简便性、宽带性、无电磁干扰性、无需申请 中山大学硕士论文 一个自由空间信息光传输试验系统的研制与开发 政府批准等特性，使得这种通信方式重新受到广泛的关注。 本实验和论文的主要研究内容是：了解自由空间信息光传输技术的原理，掌 握脉冲调制和电路设计的基本知识，独立完成通信设备的设计和制作自由空间信 息光传输通信装置。编写简单易用的通信应用程序，实现两个终端之间的自由空 间信息光传输。继而拓展装置和程序的应用范围。 本实验和论文的目的是：在实验室现有的条件下，从基本原理，设计思想到 制造工艺，全方位地学习和研究自由空间信息光传输技术，并独立自主开发自由 空间信息光传输系统。也即，在掌握自由空间信息光传输技术的原理和电路设计 的基本知识的基础上，研制出具有实用价值的自由空间信息光传输装置及配套的 应用软件。力图提高通信装置的性能，实现从理论知识到生产实际的转化。 6 中山大学硕士论文一个自由空间信息光传输试验系统的研制与开发 第二章自由空间信息光传输装置的关键技术 自由空间信息光传输技术系统分为硬件部分一通信装置和软件部分一通信软 件。这两部分协调工作，完成通信功能。本章介绍硬件部分的技术要点。 实验中，我们的设计思想是：需要传送的信息，通过相应的电平转换，调制 驱动半导体激光器，经光学天线的准直，发出光信号。光信号在空气中传输，经 汇聚透镜被光电二极管接收后，信号经过接收放大，电平转换，还原为终端可以 识别的信息。通过使用我们自行设计的软件，即可实现传送文件。基本实验装置 如下图2 1 所示。 图2 1基本实验装置 实验中需要的掌握的基础知识分为硬件部分和软件部分。硬件部分包括通 信基本原理，激光器原理，光学天线原理等自由空间信息光传输的关键技术。软 件部分包括计算机编码及信源编码原理，数据分组和通信协议原理和数据校验原 理。 2 1 通信基本原理 通信的本质是传递信息。信号是信息的载体。通信的过程是依赖信号往返传 7 中山大学硕士论文一个自由窄问信息光传输试验系统的研制与开发 递来实现的。形象来说，通信是指由一端向另一端进行消息的有效传递，两个人 之间的对话，利用声音来传递消息；如打电话，利用电信号来传递消息；古代的 “烽火台”和现代仍使用的“信号灯”等，则利用光的方式传递消息。 通信的目的，是为了使接收端收到一个与发送端尽可能相似的消息，称为信 息的“复现”。也就是说，希望信息在传送过程中尽量不失真。发送端和接收端 中间的过程称为信道，也就是信息传递的通道。【5 】 2 1 1 通信系统的一般模型 实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。以基本 的点对点通信为例，通信系统的组成( 通常也称为一般模型) 如图2 2 所示。 图2 2 通信系统的一般模型 图中，信源的作用是把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中电话 机可看成是信源。信源输出的信号称为基带信号。所谓基带信号是指没有经过调 制( 进行频谱搬移和变换) 的原始电信号，其特点是信号频谱从零频附近开始， 具有低通形式。根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基 带信号，相应地，信源也分为数字信源和模拟信源。发送设备的基本功能是将信 源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号( 基带信号) 变换成适合在信道 中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见 的变换方式：对传输数字信号来说，发送设备又常常包含信源编码和信道编码等。 图中的噪声源，是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集 合。 在接收端，接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码、解码等。 8 中山大学硕士论文一个自由空问信息光传输试验系统的研制与开发 它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来。信宿是将复原 的原始电信号转换成相应的消息，如电话机将对方传来的电信号还原成了声音。 通信系统的一般模型按照信道中所传信号的形式不同，可进一步具体化为模 拟通信系统和数字通信系统。 2 1 2 模拟通信系统 我们把信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统。模拟通信系统的组成 可由一般通信系统模型略加改变而成，如图2 3 所示。这里，一般通信系统模 型中的发送设备和接收设备分别为调制器、解调器所代替。 图2 3 模拟通信系统模型f 6 】 2 1 3 数字通信系统 信道中传输数字信号的系统，称为数字通信系统。数字通信系统可进一步细 分为数字频带传输通信系统，数字基带传输通信系统、模拟信号数字化传输通信 系统。 1 数字频带传输通信系统 数字通信的基本特征是，它的消息或信号具有“离散”或“数字”的特性，从而 使数字通信具有许多特殊的问题。 数字通信中还存在以下突出问题：第一，数字信号传输时，信道噪声或干扰 所造成的差错，原则上是可以控制的。这是通过所谓的差错控制编码来实现的。 于是，就需要在发送端增加一个编码器，而在接收端相应需要一个解码器。第二， 当需要实现保密通信时，可对数字基带信号进行加密，此时在接收端就必须进行 解密。第三，由于数字通信传输的是按一定节拍传送的数字信号，因而接收端必 须有一个与发端相同的节拍，否则，就会因收发步调不一致而造成混乱。另外， 为了表述消息内容，基带信号都是按消息特征进行编组的，于是，在收发之间一 9 中山大学硕士论文 一个自由空问信息光传输试验系统的研制与开发 组组的编码的规律也必须一致，否则接收时消息的真正内容将无法恢复。在数字 通信中，称节拍一致为“位同步”或“码元同步”，而称编组一致为“群同步”或“帧同 步”，故数字通信中还必须有“同步”这个重要问题。综上所述，点对点的数字通 信系统模型一般可用图2 - 4 所示。 图2 4 数字通信系统模型 需要说明的是，图中调制器解调器、加密器解密器、编码器译码器等环节， 在具体通信系统中是否全部采用，这要取决于具体设计条件和要求。但在一个系 统中，如果发送端有调制力口密编码，则接收端必须有解调，解密译码。通常把 有调制器解调器的数字通信系统称为数字频带传输通信系统。 2 数字基带传输通信系统 与频带传输系统相对应，没有调制器解调器的数字通信系统称为数字基带 传输通信系统，如图2 5 所示。 c p 图2 ，5 数字基带传输系统模型 图中基带信号形成器可能包括编码器、加密器以及波形变换等，接收滤波器 亦可能包括译码器、解密器等。 3 模拟信号数字化传输通信系统 1 0 中山大学硕士论文个自由空间信息光传输试验系统的研制与开发 上述的数字通信系统中，信源输出的信号均为数字基带信号，实际上，大部 分信号( 如语音信号) 为连续变化的模拟信号。因此，如果要实现模拟信号在数 字系统中的传输，则必须在发端将模拟信号数字化，即进行a d 转换；在接收 端需要进行相反的转换，即d ，a 转换。实现模拟信号数字化传输的系统如图2 6 所示。 图2 6 模拟信号数字化传输系统模型 2 1 4 数字通信的主要优点 目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的 应用。与模拟通信相比，数字通信更能适应现代社会对通信技术越来越高的要求。 因此，实验中，我们采用数字通信方式。其主要优点包括： 1 ) 抗干扰能力强 由于在数字通信中，传输的信号幅度是离散的，以二进制为例，信号的取值 只有两个，这样接收端只需判别两种状态。信号在传输过程中受到噪声的干扰， 必然会使波形失真，接收端对其进行抽样判决，以辨别是两种状态中的哪一个。 只要噪声的大小不足以影响判决的正确性，就能正确接收( 再生) 。而在模拟通 信中，传输的信号幅度是连续变化的，一旦叠加上噪声，即使噪声很小，也很难 消除它。 数字通信抗噪声性能好，还表现在信号通信时，它可以消除噪声积累。这是 因为数字信号在每次再生后，只要不发生错码，它仍然像信源中发出的信号一样， 没有噪声叠加。因此即使中继站再多，数字通信仍具有良好的通信质量。而模拟 通信中继时，只能增加信号能量，对信号放大，而不能消除噪声。 2 ) 差错可控 数字信号在传输过程中出现的错误( 差错) ，可通过纠错编码技术来控制， 1 1 中山大学硕士论文一个自由空间信息光传输试验系统的研制与开发 以提高传输的可靠性。 3 ) 易加密 数字信号与模拟信号相比，它容易加密和解密。因此，数字通信保密性好。 4 ) 易于与现代技术相结合 由于计算机技术、数字存贮技术、数字交换技术以及数字处理技术等现代技 术飞速发展，许多设备、终端接口均是数字信号，因此极易与数字通信系统相连 接。 实验中，我们采用数字通信系统。 2 2 光发送端的技术要点 自由空间信息光传输技术以激光为载波，把信号调制到激光载波上，然后 通过光学天线发射出去。光发射机将电信号转变为光信号并进行传送，其关键器 件是光源，通信用的光源必须具备良好的特性：1 7 l ( 1 ) 光源的发射峰值波长，应在光通信的低损耗窗口内； ( 2 ) 有足够高的，稳定的输出光功率； ( 3 ) 单色性和方向性好； ( 4 ) 易于调制，响应速度快； ( 5 ) 光强对驱动电流的线性要好； 光通信中最常用的光源是半导体激光器( l d ) 和发光二极管( u m ) 。 2 2 1 发光二极管l e d 使用发光二极管l e d 具有若干优点，在局域网( l a n ) 和短距离网络系统( 如 电脑数据线路) ，往往使用l e d 而不用l d ，原因是： ( 1 ) 成本低： ( 2 ) 高的温度稳定性； ( 3 ) 高的可靠性； ( 4 ) 宽的工作温度范围； ( 5 ) 低的噪声； ( 6 ) 控制电路简单； 中山大学硕士论文一个自由空间信息光传输试验系统的研制与开发 但是，l e d 目前存在较大的缺陷，包括： ( 1 ) 带宽较小； ( 2 ) 进入接收端功率较小； ( 3 ) 调制速率不高； l e d 组件由l e d 芯片，l e d 驱动电路组成，甚至还包括温控系统。放此，这 类组件除给出l e d 性能指标外，还有驱动特性，热电致冷器特性等。 2 2 2 半导体激光器l d 用于空间通信的激光器一般有3 种：c 0 2 激光器、nd 3 + ：y a g 激光器和半 导体激光器。1 。由于半导体激光器具有超小型、高效率、结构简单、体积小、重 量轻等优点。通常，光发射机设计遵循能耗低、功率大和高可靠原则。因而，在选 择激光器时，要求半导体激光器阈值电流小、量子效率高、光功率大。嘲 半导体激光器随着注入电流的增加，其输出光功率增加，但并不是呈线形关 系。当注入电流大于阈值电流后，输出光功率与注入电流呈正比，且输出光功率 随注入电流的增加而急剧增加。”如图2 7 所示。 慧出瓣p o i t k 卧屯蔫i 图2 7 半导体激光器的典型p i 特性曲线 半导体激光器是一个对温度很敏感的器件，它的输出功率随温度变化很大。 随着温度的升高，阈值电流也会升高。此外，器件温度的上升，会使激光器材料 的折射率和带隙发生变化，导致光谐振腔尺寸增大，带隙变窄，使得激光器输出 光的峰值波长随温度升高向波长方向漂移。因此，实用的半导体激光器组件会封 装有散热系统，并对激光器的温度进行控制，稳定光的光功率和峰值波长。 中山大学硕士论文一个自由空间信息光传输试验系统的研制与开发 2 2 3 功率的选择 我们来计算一下在自由空间信息光传输中计算载波光束的电场强度“1 ： 激光束的能流密度w 与电场强度e 的关系：电磁波的传播伴随着电磁场能量 的迁移，电动力学证明过：电场和磁场在空间的密度为： ee 2 2 和uh 2 2 ( 2 1 ) 面功率密度s 与e 的关系： 面功率密度= 单位时间内流过单位面积的能量= “通量密度”= 能流密度 波印亭矢量( 2 2 ) 在m k s 制中，通量密度 j 。雪再( 2 3 ) s = e h 矗e 一再h c 居，；居2 因此 = 强 一层譬 而 即2 1 2 叫詈 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 真空时厍蹦7 硝 计算一个例子：一个广播电台，平均辐射功率p = l o o k w ，假定辐射能流均 匀分布在半个球面上，距离电台r = 1 0 0 0 l ( i 处，平均面功率密度值为“1 ： 踮；去一去一南乩s 枷“同脒，j = j 穹荪墨丽置五五t 研= l 6 l u v u 厘术1 1 4 中山大学硕士论文 一个自由空间信息光传输试验系统的研制与开发 强蛆= 孺a s 舢1 v 侧矗s ， 而对于一支激光器，功翠p = l o m w = 1 0 1 w ，发散角0 = o 5 1 0 1 弧度，激 光束射到距离d = 1 0 0 0 k m 处，产生的光斑，其截面直径 r = 0 d = o 5 1 0 卅1 0 0 0 1 0 3 1 0 2 c m = = 5 1 0 4 c m 光斑面积：a = r 2 = 7 8 1 0 9 c m 2 面功率密度：s _ 三一i 曼黑= 1 3 1 0 _ 1 ：【瓦厘米：】 爿7 8 1 0 锄2 1 1 e 峰= 2 x 1 _ 3 1 0 一1 2 3 7 6 7 一9 7 9 4 1 0 一”= i o _ 9 ；3 l o - 4 【伏厘米】 ：必。3 0 m v m 1 o 0 1 f m l 1 由此可见，功率为1 0 m w 的激光器，其在1 0 0 0 k m 产生的面功率密度与平均辐 射功率p = 1 0 0 k w 的广播电台微波相当。因此，实验中，我们选择1 0 一5 0 m w 作为 激光器的功率。 2 2 4 波长的选择 激光器的波长也是一个重要的参量。与光纤通信一样，自由空间光通信所 采用的激光波长也应该选择受信道损耗最小的波长。由于激光在大气中传输，大 气的传输特性及背景辐射对激光波长的选择至关重要。此外，器件的现实性，或 预期的可行性，包括器件性能价格比的预计也是需要考虑的因素。 大气和地面对太阳光的散射形成的背景辐射，这对激光大气通信的接收器来 说是一个强的噪声源，如果阳光直射到探测器上，将会使误码率达到很高。热辐 射现象极为普遍，凡是具有温度的物体都能产生热辐射。“o 太阳辐照度的光谱可 以用一个色温为5 7 6 2 k 的黑体来表示，如图2 8 所示。其辐照度光谱主要集中在 4 0 0 一7 5 0 n m 的可见光范围内，峰值在5 0 0 n m 左右。对于常用的激光波段，8 0 0 n m 波 段的辐射强度约为峰值的1 2 ，1 0 6 0 r u n 波段的辐射强度约为峰值的1 3 ， 1 5 0 0 一1 6 0 0 m n 波段的辐射强度约为峰值的l 1 0 ，在紫外波段，3 0 0 m 波段附近辐射 降到峰值的1 1 0 以下，波长进一步缩短时，太阳的辐照度迅速下降。由此可见， 为减小背景辐射的影响，不宣采用可见波段的激光，紫外和红外光是可选择对象。 1 5 中山大学硕士论文 一个自由空闻信息光传输试验系统的研制与开发 碾a 讹l e n g l h ( 珈眦) 图2 8 太阳辐照度的光谱分布( 图中黑体温度为5 7 6 2 k ) “2 3 选择激光波长时需考虑的另一个重要因素是大气透过率。地球表面的大气层 中存在着多种气体以及各种微粒，如尘埃、烟、雾、小水滴等。还可能要发生各 种复杂的气象现象，如雨、雾、雪、风等。这些因素，对光波有衰减作用，会使 激光能量大大减小，或者使激光偏离原来的传输方向，破坏了激光原有的特性。 不同波长的光在大气中受到不同的吸收和散射，晴好天气下不同波长的光通过大 气的透过率大致存在八个透过率较高的窗口，如图2 9 所示。工程上常据此来选 择光通信系统的波长。对于常用的红外激光波段，8 1 0 一8 6 0 舰，9 8 0 一1 0 6 0 n m 和 1 5 5 0 1 6 0 0 n m 波段都是良好的大气窗口。“3 1 2 3 光学天线原理 图2 9 大气光谱透射率“” 1 6 名j誓b巴嚣薯暑s 蜘伯鞠确_韩擅蠹 墨*-_“雕 中山大学硕士论文个自由空问信息光传输试验系统的研制与开发 光学天线系统是自由空间光通信系统的重要组成部分。在自由空间信息光 传输系统里，发射光学系统的主要功能是压缩光束发散角，对光束进行准直和扩 束。接收光学系统的作用是尽可能多的接收包含目标信号光在内的自由空间的微 弱光辐射，然后通过耦合系统把接收到的光耦合到滤波器的接收端，滤掉噪音， 保留有用的目标信号光，然后被探测器探测到并转换成电信号。显然，只要光学 天线从自由空间接收到的光能辐射足够的多，光耦合系统插入损耗少，滤波效果 又比较理想，则探测器就能接收到所需的信息。可见光学天线是整个接收系统的 关键部件。光学天线系统性能优劣直接影响到通信的距离和可靠性，再加上半导 体激光器的光束发散角大，如一般的双异质结半导体激光器，其发散角达到5 0 - 1 0 。 3 0 。一5 0 “，因此对光学天线的研究非常重要。 系统中的光学天线系统用于激光准直和会聚，它主要有透射式望远镜和反射 式望远镜两类。 ( 1 ) 透射式望远镜 透射式望远镜既可做发射望远镜，又可做接收望远镜。它的基础结构分为开 普勒型和伽利略型两种。 a 开普勒望远镜 用做发射光学天线的开普勒望远镜如图2 一1 0 所示它由具有正光焦度的物镜 和目镜组成，中间有聚焦点，加小孔光阑，使光束的高斯型光强分布的峰值部分 通过，可得到受高斯型光强分布影响很小的扩展光束。这种光学天线的缺点是光 能被遮拦掉很多。 图2 一l o 开普勒望远镜“” b 伽利略望远镜 用做发射光学天线的伽利略望远镜如图2 1 l 所示。它由正光焦度的物镜和负 1 7 图2 一l l 伽利略望远镜 袅篓觥撇獭瑚榔赫、鹕删触和 卡塞格伦系统三种形式。 中山大学硕士论文一个自由空间信息光传输试验系统的研制与开发 ( 1 ) s i 光电二极管的典型峰值响应为0 9 4 um ，因为s i 平面工艺成熟，灵 活性大，制作品种繁多，其中p i n 型和雪崩型光电二极管( a p d ) 的响应速 度最快。g e 光电二极管的带隙小，在长波区使用，但暗电流大，噪声高。i n g a a s 光电二极管与g e 的灵敏波长相近，在1 o 1 7i im 范围，但暗电流比g e 管低1 2 个数量级。 ( 2 ) p i n 光电二极管器件由p 区、n 区和把此两区分隔的n 掺杂很轻的本征 i 区组成，形成p i n 构造。p i np d 的响应速度可达5 0 g h z 以上，几种结构 组合可望达到1 0 0 g h z 以上。高速超带宽的p i n 光电二极管是长距离、高比特率 光通信系统的核心器件。 ( 3 ) a p d ( 雪崩光电二极管) 利用光生载流子雪崩效应工作，使原信号光电 流产生倍增，大大提高了探测灵敏度，但同时也会噪声放大了，响应速度可达 1 0 0 g h z 。 光接收组件的功能是把接收到的光信号，由组件内的光电二极管还原成电信 号，故此，光接收组件的核心是光电二极管及前置放大器。 前置放大器采用场效应晶体管。最常用的光接收组件有两种类型：a 、 p i n f e t ：b 、a p d f e t 。p d 与前放有单片集成或分立混合式。接收组件还有分： 高速数字输出与模拟输出两种。光电探测器与前置放大器的连接有三种方式：【6 】 低阻抗连接：具有宽带及动态范围大的优点，但因放大器输入阻抗低， 灵敏度受到影响。如图2 一1 2 示： 图2 1 2 低阻抗连接 高阻抗连接：具有灵敏度高的优点，但带宽和动态范围将受影响，需附 加均衡电路来改善频率响应。如图2 1 3 ： 中山大学硕士论文 一个自由空间信息光传输试验系统的研制与开发 图2 一1 3 高阻抗连接 互阻抗连接：具有灵敏度高和带宽较大的优点，但放大器设计较复杂且 负反馈限制了放大增益。如图2 1 4 ： 图2 1 4 互阻抗连接 2 5 电路p e c l 设计原理 e c l ，e m i t t e r c o u p l e dl o g i c ，即发射级耦合逻辑，p e c l 被称为正e c l ，采 用标准+ 5 0 v 电源，v e e 接地、v c c 接+ 5 0 v 。差分信号是通过一对单端信号线进 行传输，两条线上的信号相同，但相位相差为1 8 0 。“”。 从信号传输原理看，差分信号的电平幅度比单端差分信号更低；此外，如 图2 一1 5 ，差分信号接收端v d i f f = v o h v o l ，这样可以抵消实际传输过程中叠加在 两个单端信号上的共模噪声，更好地保持了信号的完整性，降低了信号整体噪声， 从而实现更高的带宽。 2 0 中山大学硕士论文 一个自由空间信息光传输试验系统的研制与开发 2 0 几 差分信号v 图2 1 5 差分信号 差分信号和普通的单端信号走线相比，最明显的优势体现在以下三个方面： 1 抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干 扰时，几乎是同时被耦合到蹶条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以 外界的共模噪声可以被完全抵消。 2 能有效抑制e m i ( 电磁干扰) ，同样的道理，由于两根信号的极性相反， 他们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合的越紧密，向外界发射的电磁能量越 少。 3 时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不 像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降 低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。目前流行的l v d s ( 1 0 w v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g 响1 i n g ) 就是指这种小振幅差分信号技术。 常见的差分逻辑信号标准有l v d s 、s s t l 、e c l 、p e c l 等。 掌握了以上的硬件基础知识后，设计和制造自由空间信息光传输技术装置 就可以事半功倍了。 中山大学硕士论文一个自由空间信息光传输试验系统的研制与开发 第三章自由空间信息光传输软件的关键技术 实验中，自由空间信息光传输技术系统分为硬件部分一通信装置和软件部分一 通信软件。这两部分协调工作，完成通信功能。本章介绍软件部分的技术要点。 3 1 计算机编码及信源编码原理 3 1 1 计算机编码原理 任何信息都是编码的形式储存在计算机内部，计算机的常用编码主要有： ( 1 ) 二进制编码 考虑到人们的习惯，通常在送入机器之前，仍采用十进制编码，运算结果也 以十进制输出，但在计算机内只有”0 ”和”1 ”两种状态。 最常用的二进制编码是8 4 2 1 编码，其表示方法完全和通常的二进制一样， 每一位对应一个固定的常数，自左到右分别是8 ，4 ，2 ，1 权码。所不同的是， 四位二进制数有0 0 0 0 1 1 1 1 十六种状态，这里只取0 0 0 0 1 0 0 1 十种状态。 ( 2 ) 字符编码 目前，国际上使用的字母、数字和符号的信息编码系统种类很多。普遍采 用的字符编码系统通常包括数码、2 6 个英文字母和一定数量的专用符号f 如$ 、+ 、 一、= ) 等，总共约6 4 至1 2 8 个元素。当今使用最为广泛的是美国国家信息交换 标准字符码，简称a s a i 码。 a s a i 码共有1 2 8 个元素，其中包括3 2 个通用控制字符、1 0 个十进制数码、 5 2 个英文大写小写字母和3 4 个专用符号。 ( 3 ) 汉字编码 汉字的数量大，常用汉字有3 0 0 0 5 0 0 0 个，无法用一个字节区分，所以汉 字编码通常用两个字节编码。双字节可有2 5 6 2 5 6 = 6 5 5 3 6 种状态。每个字节的 最高位来区别是汉字编码还是a s c i i 编码，则每个字节还有七位可供汉字编码 使用，这就是所谓的双七位汉字编码。 中山大学硕士论文 一个自由空问信息光传输试验系统的研制与开发 我国国家标准局于1 9 8 1 年公布了国家标准g b 2 3 1 2 8 0 ，即信息交换用汉 字编码字符集基本集。这个基本集收集的汉字共6 7 6 3 个，分两级。第一级汉字 为3 7 5 5 个，属常用字，按汉语拼音顺序排列；第二级汉字为3 0 0 8 个，属非常用 字，按部首排列。汉字编码表有9 4 行、9 4 列，其行号称为区号，列号称为位号， 用第一个字节表示区号，第二个字节表示位号。基本集一共表示了汉字6 7 6 3 个， 加上一般符号、数学和各种字母，共计7 4 4 5 个字符。【1 8 】 3 1 2 信源编码原理 编码是将模拟数据或数字数据变换成数字信号，以便通过数字通信介质传输 出去，在接收端，数字信号通过译码变换成原来形式。根据任务的不同，编码可 以分为几种形式：一是为数字传输将模拟信号通过a d 转换转化为数字信号或 为提高数字信号有效性的编码，这类的编码方法称为信源编码；二是为提高可靠 性而采取的差错控制编码或抗干扰编码，这类的编码措旋叫信道编码；三是为了 通信保密，在信源编码后对信号加密，而在相应的接收端解密称为保密编码。 图3 1 单极性归零码【1 9 l 单极性不归零码( n r z ) 的波形如图3 1 所表示。该码在每一码元时间间隔 内，用高电平和低电平( 常为零电平) 分别表示二进制数据的1 和0 。容易看出， 这种信号在一个码元周期t s 内电平保持不变，电脉冲之间无间隔，极性单一， 有直流分量。解调时，通常将每一个码元的中心时间作为抽样时间，判决门限设 为半幅度电平，即0 5 e 。若接收信号的值在0 5 e 与e 之间，则判为1 ；若在o 与o 5e 之间，则判为0 。【1 9 】单极性不归零码适用于近距离信号传输。 中山大学硕士论文 一个自由空间信息光传输试验系统的研制与开发 u l i ，l 3 o一一：一一1 一一一 - 。 t c s l 图3 2 多零出错 但当传输信号中有众多连续的“o ”或者“1 ”，若用单极性不归零码方法， 容易造成接收信号变形导致出错，如图3 2 所示。此时，最好选用曼彻斯特码， 如图3 3 所示。曼彻斯特码( m a n c h e s t e r ) 又称双相码，如图2 9 所示。曼彻斯 特码的编码方式中，当发0 时，在码元的中间时刻电平从低向高跃变；当发l 时， 在码元的中间时刻电平从高向低跃变。曼彻斯特码的特点是不管信码的统计特性 如何，在每一位的中间都有一个跃变，位中间的跃变既作为时钟，又作为数据， 因此也称为自同步编码。此外，在任一码元周期内，信号正负电平各占一半，因 而无直流分量。 ” 曼彻斯特码的编码过程简单，且可以避免长期低电平或者高 电平，减少传输出错的几率。 图3 3 曼彻斯特码【1 9 】 ( 3 ) 差分曼彻斯特编码 在差分曼彻斯特编码的编码规则中，如果码元为1 ，则其前半个码元的电平 与上一个码元的后半个码元的电平一样；如果码元为o ，则其前半个码元的电平 与上一个码元的后半个码元的电平相反，即在一个比特的持续期间的开始处有电 中山大学硕士论文 一个自由空间信息光传输试验系统的研制与开发 平跳变。不论码元是1 还是0 ，在每个码元的正中间都一定有一次电平的跳变。 如图3 4 所示。差分差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术，但可以获得较好的抗 干扰性能。作为例子，i e e e8 0 2 5 令牌环l a n 就采用了差分差分曼彻斯特编码。 图3 4 差分曼彻斯特码 3 2 数据分组和通信协议原理 3 2 1 数据分组 在现代通信技术中，信息从源端传送到目的端并非连续不断的，而是分割为 小组，依次发送，此操作称为数据分组。一个数据分组是在计算机系统间传递的 信息的逻辑组合，它包括目的端和源端的信息，以及为了能够通信和可靠传输的 一些组成部分。以较小的分组来传送数据有以下几个优点。“： 1 通信网络中的节点可以轮流发送分组，而且有较多数据要传输的节点 不会造成网络瘫痪； 2 如果网络通信被中断并且丢失了一个分组，只是小部分数据会被重传， 而不会整个文件需要重传； 3 根据通信网络的结构和链路类型，每个分组可以采取不同路径到达目 的地。因此，当一条路径变得拥挤或者速度变慢的话，后续的分组可以选用另一 条效率更高的路径。 不同的数据分组有不同的分组结构，如高级数据链路控制协议h d l c ，它的 分组称为“帧”，通常分为三种类型： 1 信息帧：在链路上传送数据，并封装上层信息； 2 管理帧：用于实现流量控制和差错恢复功能； 中山大学硕士论文一个自由空间信息光传输试验系统的研制与开发 3 编号帧：提供链路的初始化和终止操作。 l d l c 帧结构如下表3 1 所示： 表3 1h d l c 帧结构 起始标志地址数据控制数据信息数据帧校验序列结束标志 0 l