（光学工程专业论文）图像无线光通信系统光接收机设计.pdf

捅要 本文概述了无线光通信系统的基本原理及发展状况，介绍了其特点和用途。在此 基础上设计了一种传输单路图像信号的无线光通信系统，围绕激光器件的选择，信号 调制方式，系统技术指标等进行了简要的介绍。着重设计了该系统的光接收机。 通过对系统指标的分析计算出接收天线的口径，设计了一种光学系统，并针对光 路损耗等因素做了详细介绍。论述了基于雪崩光电二极管( a p d ) 的光接收模块，包括光 电探测器的选择，信号放大电路的设计，并对接收部分的噪声、动态范围、灵敏度等 重要指标进行了分析。在实验室内实现了模拟图像信号的调制与接收，并对系统各部 分的损耗特性和保密性等重要指标做了定性的分析，给出了系统总体调试结果，提出 了改进方案。 关键词：无线光通信光接收机光学天线噪声 a b s t r a c t t h i sp a p e rs u m m a r i z e sw i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h es t a t u so f d e v e l o p m e n t , w h i c ha l s od e s c r i b e si t se h a l a c t e r i s t i e sa n du s e o nt h eb a s i so f t h i sas i n g l e i m a g es i g n a lt r a n s m i s s i o no fw i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d ab r i e f i n t r o d u c t i o ni sc e n t e r e do nt h ec h o i c eo fl a s e rd e v i c e s ，s i g n a lm o d u l a t i o na n dt h es y s t e m t e c h n i c a li n d i c a t o r s t h ed e t a i l so f t h es y s t e m so p t i c a lr e c e i v e ra l ep a r t i c u l a r l yd e s c r i b e d t h ed i a m e t e ro ft h er e c e i v i n ga n t e n n ai sc a l c u l a t e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so fi n d i c a t o r so f t h es y s t e ms ot h a tt h eo p t i c ss y s t e mi sd e s i g n e d f a c t o r ss u c ha so p t i c a lp a t hl o s sa l ed o n ei n g r e a td e t a i l s t h ea v a l a n c h ep h o t o d i o d e ( a e d ) o p t i c a lr e c e i v e rm o d u l e sa r ed i s c u s s e d , w h i c hi n c l u d e st h ec h o i c eo fp h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r s ，s i g n a la m p l i f i c a t i o nc i r c u i td e s i g n ，a n d t h er e c e i v ep a r to ft h en o i s e ，d y n a m i cr a n g e ，s e n s i t i v i t y ，a n do t h e ri m p o r t a n ti n d i c a t o r sa l e a l s oa n a l y z e d as i m u l a t i o no ft h ei m a g es i g n a lm o d u l a t i o na n dr e c e i v ei sa c h i e v e di nt h e l a b o r a t o r ya n dd i f f e r e n tp a r t so ft h es y s t e m sc h a r a c t e r so fw a s t ea n dc o n f i d e n t i a l i t ya l e g i v e nq u a l i t a t i v ea n a l y s i s a no v e r a l ls y s t e md e b u g g i n gr e s u l ti sa c h i e v e d ，t h es c h e m e sf o r i m p r o v i n ga l ep r o p o s e d k e y w o r d s ：w i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ；o p t i c a lr e c e i v e r ；o p t i c a la n t e n n a ； n o i s e 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，图像无线光通信系统光接收机设 计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：至盛：短地星年立月笪日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：至盛勉迎年立月丝日 指导导师签名：杰盟型趔2 星年土月丛日 1 1 无线光通信概述 第一章绪论 无线光通信是以激光为载体束传递信息的一种通信方式。目前，无线光通信技术 由于其单色性好、方向性强、光功率集中、难以窃听、成本低、安装快等特点，发展 趋势与潜力已引起各国高度重视。 当前有很多种通信技术可供选择，比如f s o 、光纤、d s l 以及l m d s 等。其中光纤 传输无疑是最可靠的通信方式，但光纤辐射的较长周期及高额投资限制了其普及，并 且一旦用户离开，业务提供商想要收回投资就变得十分困难；l 仰s 技术日益成熟，它 比无线光通信的传输距离远，但这种接入方式需要高额的初始投资( 频谱许可证) ，对 业务提供商而言，这种接入技术不如无线光通信经济；尽管铜缆是一种易得的传输媒 介，用铜缆相连的大楼也远多于光纤，但由于d s l 的带宽太低，使得这种基于铜缆的 接入方式并不是解决“最后一公基”瓶颈问题的最可行的解决方案：无线光通信相对 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。 激光通信和传统的电通信一样，它可以分为有线激光通信和无线激光通信两种形 式。其中，有线激光通信就是光纤通信。无线激光通信也可称为自由空日j 激光通信 ( f s o ) ，它直接利用激光在大气或太空中进行信号传递，可进行语音、数据、电视、 多媒体图像等信号的高速双向传递，这是目前国际上的一大研究热点，世界上各主要 技术强国j 下投入大量的人力物力来抢占这一领域的技术优势。根据使用情况，无线激 光通信可分为：点对点、点对多点、环形或网络状通信。在本文中，我们研究的是点 对点的通信。此外，根据传输的信道不同，无线激光通信又可分为：大气激光通信、 星际( 深空) 激光通信和水下激光通信1 ”。 大气激光通信是自由空间激光通信的一个分支，它以近地面大气作为传输媒介， 是激光出现后最先研制的一种通信方式。大气激光通信系统主要由光源、调制器、光 发射机、光接收机、信号放大电路等组成，只要相互进行瞄准即可进行通信。然而， 在实际的大气传输中，激光狭窄的光束对准确的接收有很高的要求，因此系统还应包 括主动对准装置。在空间传输中，通信系统必须有很强的排除杂光的能力，否则阳光 或其他照射光源就会淹没激光束。在实践中，需要添加带通滤光片或者光阑控制，可 以选择接收激光波长而阻挡其他的波长。根据所用光源的不同，大气激光通信系统大 致可分为半导体激光通信系统、气体激光通信系统和固体激光通信系统。半导体激光 器体积小，重量轻，灵活方便，但光束发散角稍大，适合于近地面的短距离通信。气 体激光通信系统的体积和重量都较大，但其通信容量也大，光束发散角较小，适合于 卫星问的通信和定点之日j 的大容量通信。因此，在实践中，根据通信系统在不同应用 场合中的要求，合理选取光源。 1 2 无线光通信系统的特点及应用 无线光通信是激光通信的一种，与传统的无线电通信手段相比，无线光通信具有 安装便捷、使用方便等特点，很适合于在特殊地形、地貌及有线通信难以实现和机动 性要求较高的场所工作。此外，无线激光通信系统跟其他无线电通信手段相比，还具 有不占用无线电频率资源、电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强、且不干扰其他传输设 备、保密性强等特点，并且在有效通信距离和宽带等方面还蕴藏着巨大的发展潜力。 此外，与有线通信系统相比，它还具有机动灵活、经济实用、架设快捷、使用方便、 不影响市政建设等诸多优点。随着大气通信技术的日益成熟，该系统的应用将会越来 越广泛。根据其特点，它可应用于下列场合： ( 1 ) 民用 有强电磁干扰的场所； 一些不宜布线的场所，比如在具有纪念意义的古建筑，危险性大的工厂、车间； 在走线成本高、施工难度大或经市政部门审批困难的场合，如马路两侧建筑物之间、 不易架桥的江河两岸之间、山头之间及边远山区等； 一些临时性的场所，如展览厅、短期租用的商务办公室或临时野外工作环境下，可 作为有线系统的应急备用系统； 一些具有移动性的场合，如使用便携电脑的交易大厅等； 在需严格保密的场合及要害部门，如军工、国防部门，核电站等。 此外，该系统还可用于移动基站问的互连，单位内部的数据传输及小范围内局部 网建设如校园网的组建，城市通信业务特别繁忙的地区以及灾区、事故地点的快速抢 通等场合。有关专家指出，在未来的移动通信网建设中，大气激光通信系统将用于“最 后一公里”的接入例。 ( 2 ) 军用 无线光通信系统由于采用不可见的近红外光为载波，因而极难截获，保密性好， 可用于战斗无线电静默期间的短距离通信，或战斗打响后的保密通信。另外，由于该 系统的抗干扰性强，能在强电磁波干扰下迅速、准确、可靠地传输各种数据及其他信 息，能使指挥首脑机关同前沿阵地各部实现有效地通信及各种数据的交换，实现资源 共享。 2 1 3 无线光通信系统的国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 国际上无线光通信的研究是综合卫星、飞机、地面等方面进行的，从事这方面研 究的主要机构在美国、日本和欧洲。由于该系统主要是以国防军用为主要目的，因此 欧美日的主要研究机构一般都是国家或军事部门，如美国的航空宇宙航行局( n a s a ) 和美国空军；日本的邮政省通信研究室( c r l ) 和宇宙开发事业团( n a s d a ) ：欧洲 的欧洲航天署( e s a ) 等。这里我们主要介绍世界各公司推出的用于地面无线光通信 的已商用化的产品p 1 。 美国是世界上最早开展激光通信技术研究的国家，也是研究技术走在最前沿的国 家之一，由弹道导弹防御组织与空间和导弹防御令部共同资助的s t r v 2 星地激光通信 计划的两个地面实验终端已加工装配成功。计划在低轨道卫星与固定地面站间建立光 链路，斜距达2 0 0 0 k m ，数据率达lg b i t s 。具体研发公司及其产品介绍如表1 1 所示： 表1 1 美国各公司大气激光通信系统概况 其中最高水平是2 0 0 0 年夏季由国际通信业巨头美国朗讯推出的光通信商用系统。 他们采用四波长波分复用技术，每路波长速率为2 5 g b p s ，总容量达1 0 g b p s ，工作距 离达5 k m t 4 j 。 2 0 0 0 年悉尼奥运会期间，美国的t e r a b e a m 与l u c e n t t e c h n o l o g y 合作，在水上中 心与演播中心之间建立了8 波道的无线数据通信链路，运行期间始终保持畅通，效果 良好。2 0 0 1 年8 月，t e r ab e a m 又成功地为m i c r o s o f tc o r p o r a t i o n 年度员工大会提供了 无线数据传输服务。 日本从8 0 年代中期就开始星际间激光通信的研究工作，c r l 主要进行地面站与工 程实验卫星e t sv i 之间的激光通信实验，以实验星问链路要求的几种基本功能，如高 精度跟踪、双向链路光通信、高精度高度测量等，并于1 9 9 5 年7 月成功地进行了e t sv i 与地面站间的光通信实验，这是世界上首次成功进行的星地间激光通信实验，该实验 的成功证明了星地间激光链路的可行性。目前，日本的h a m a m a t s u 公司研制出了用于 i n t r a n e t 的传输速率为1 5 5 m b p s 的产品；s o n y 公司研制出了带跟踪瞄准性能的传输速 率为6 2 2 m b p s 的产品；c a n o n 公司也研制出了d t - 5 0 产品，其传输速率为2 5 6 2 2 m b p s 。 欧洲方面，欧洲空间局为连接低轨道星与同步轨道星实施轨道间激光通信实验， 已经制造好两个卫星上的终端设备，一个名为p a s t e l 终端，己经搭载在法国地球观 测卫星s p o t 4 ( 1 9 9 8 年3 月2 2 日发射成功) 上，是第一个在轨光学终端：另一个名 为0 p a l e 终端，计划搭载在欧洲先进数据中继技术卫星a r t e m i s 上，该星是预计在 2 0 0 0 年第一季度发射的地球同步轨道卫星。0 队l e 终端采用的波长为8 0 0 8 5 0 n m ，通 信光功率不超过6 0 m w ，信标捕获与链路建立过程信标光功率小于5 0 0 m w 。此外，英 国的p a v 公司、德国的c b l 公司等多家企业也都各自推出了不同技术水平的产品。 2 0 0 1 年2 月，国际上著名的无线大气激光通信设备制造商和电信运营商联合成立 了空间光通信联盟，已有成员二十余家。 1 3 2 国内研究现状 和国际相比，我国的研究相对单一，但对大气激光通信技术的研究起步并不比国 际晚，近年来，随着大气激光通信民用市场的需求，我国加紧了对这项技术的研发， 1 9 9 9 年和2 0 0 0 年，上海光机所分别推出了3 4 m b p s 和1 5 5 m b p s 的通信样机，通信距离 为1 2 k m t 2 】1 1 3 】。2 0 0 0 年信息产业部第3 4 研究所推出8 m b p s 实用型近地大气激光通信 机，通信距离4 k m 。2 0 0 1 年4 月激光大气通信机在广西桂林研制成功。该通信机以半 导体激光器为光源，用两套设备构成点对点无线通信系统，可传输多种速率的数据和 图像，直线视距全天候通信距离达4 千米。该激光大气通信机具有体积小、组网灵活、 无电磁干扰、可靠性强等特点。2 0 0 1 年1 2 月，清华同方成立“f s o 技术跟踪研究小 组”，致力于“l a s tm i l e ”解决方案的探索。2 0 0 3 年1 月上海光机所信息光学实验室研 制成功的无线激光通信系统，该系统具有双向高速传输和自动跟踪功能，兼有体积小 重量轻的特点。 目前，我国在无线光通信方面的研究还是存在着巨大挑战，据调查，现在我国只 在一两年内推出了几种实用型大气通信机，其实用化进程远远落后于国际社会。因此， 研制激光通信端机，使其尽快推广使用是很有意义的。 1 4 论文的目的及主要工作内容 本课题设计的空间光通信系统的指标为：载波信号频率1 0 0 m h z ，通信距离大于 l k m ，能够进行图像信息的传输、接收的单路通信系统。本文设计的光接收机包括接收 光学天线、光电探测器、放大器组、自动增益控制。 4 本论文的主要工作内容为： ( 1 ) 对无线光通信系统基本原理与结构进行深入的调研，找出无线光通信系统各组件 参数匹配关系，构建合理的、性能优良的无线光通信系统； ( 2 ) 对信号传输特性进行分析，详细介绍信号二次调制过程，模拟信号的放大、混频、 输出，在此基础上合理选择光电探测器及光接收模块，计算接收光学天线口径， 分析光路损耗等因素，设计高频放大器及中频放大器； ( 3 ) 进行接收部分各组件性能的测试，完成整个系统的模拟图像信号二次调制与接收 实验： ( 4 ) 进行系统评价，深入分析影响系统性能的各种因素；提出改进方案。 第二章系统整体设计方案简述 在外部环境下，作为实用的无线光通信系统的通信机要充分考虑设备的可靠性、 适用性、方便性和安全性。可靠性要求在常规气候和环境条件下保证可靠地实现通信； 适用性是指系统设备对大气信道、环境的温度和湿度、冲击震动、背景光噪声等的适 应能力：方便性是指系统开通要快捷、瞄准调试要方便：安全性是指系统能安全有效 地工作。 2 1 无线光通信系统组成 本文中介绍的是一种传输单路图像的无线光通信系统，它的基本组成如图2 1 所 示。其结构与光纤通信系统相似，区别只在于信息传输媒体由光纤变成大气，并增加 了光学系统。 图2 1 大气激光通信系统简图 光发射模块主要实现光电转换，由输入、驱动级、光发射器件组成。光发射器件 一般要选用高功率、高效率的激光管，该元件可以使用l e d ，也可以是垂直腔面发射 半导体激光器( v c s e l ) 。为了保证系统通信带宽大、质量好，设计光发射功率要足够 大，以保证系统具有强的抗干扰能力和抵御大气衰减的能力。驱动器应该将电信号转 换为光信号来驱动发射器发光。另外，由于发光元件的发光效率会随时自j 和温度变化， 所以驱动器部分应该包括一个用于自动功率控制( a p c ) 的反馈控制回路，能够保持 稳定的平均功率。 在系统接收端，光学天线将空间传播的激光信号汇聚到接收模块中的光接收器件 表面，光接收器件将激光信号转换为电信号后经过放大器进行放大，最后还原出图像 信息。光接收器件与放大器为光接收模块的关键部分，光接收器件可选用p i n 或a p d ， a p d 具有内增益和较高灵敏度的特点，而p i n 则具有使用简单的特点。在设计中要选 6 择量子效率高、灵敏度高、响应速度快、噪声小的光电探测器，放大器的噪声性能对 于整个系统的信噪比等关键参数至关重要，所以必须精心设计放大电路，最大限度地 减小噪声。 2 2 系统信号调制方式 信号的调制按照信号的性质可分为模拟信号的调制( 称为模拟调制) 和数字信号 的调制( 称为数字调制) 两大类。模拟调制方式具有简单的调制电路且占有很窄的频 带( 可以设计多通道的受限频带) 。但其缺点是已调制波的包络线变成了调制波，容易 受到外来噪声的影响。数字调制受到外界噪声的影响相对小，传输的容量比较大，传 输速度快，但是需要压缩信息，设计复杂，开发比较慢。 按调制的方式可分为调幅、调频和调相。对于空间相干调制，由于多种因素的影 响，例如大气湍流，空气中的灰尘，还有背景光等原因，在目前的技术水平上想要实 现是很困难的。无线通信的频率范围很宽，所以对于频率调制方式来说，对调制器的 要求非常严格，设计较为复杂。根据本论文所要设计的要求，我们用幅度调制就可以 实现0 6 m h z 的视频传输。所以，我们这里所采用的信号调制是幅度调制。 信号的传输可分为基带传输和射频传输，基带传输是指用信号直接加到激光器上 进行驱动，这种方式容易实现，简单。但是传输质量容易受外界环境影响，而且传输 的距离短，射频传输则是将信号用高频副载波调制，传输质量好，距离长。本系统为 了能得到效果好的图像信息，采用射频调制。 裉据光发射与调制过程的关系，光源调制可以分为直接调制和间接调制两大类垆j 。 直接调制方式适用于电流注入型的半导体光源器件( l d 和l e d ) ，通过把要传递的信 息转变为驱动电流控制光源的发光过程，从而获得输出功率的变化以实现调制响应， 如图2 2 ( a ) 所示。由于调制后的光波电场振幅的平方比例于调制信号，因此这是一 种光强度调制( i m ) 的方法。直接调制方式原理简单、实现方便，在无线光通信系统 中得到广泛应用，本系统采用直接调制方式。间接调制是利用晶体的电光效应、磁光 效应和声光效应等性质来实现对激光辐射的调制。这种调制方式适应于各种类型的激 光光源。如图2 2 ( b ) 所示，间接调制与直接调制的本质区别在于光源的发光和调制 功能是分离进行的，即在激光形成以后才加载调制信号，二者只有光路的连接而没有 电路之间的相互影响，因此，不会因为调制而影响到激光器的工作。光源在外部泵浦 激励下稳态工作，产生连续的激光输出。调制器放置在激光器谐振腔外的光路上，当 施加调制电压时引起调制器的某些物理特性发生改变，继而对通过的激光信号进行调 制。我们通常也称直接调制为内调制，间接调制为外调制。 ( a ) 直接调制( b ) 间接调制 图2 2 光源的两种调制方式 由于我们设计的是一套模拟信号的图像光通信系统，为了提高图像通信可靠性采 用了( a m - - i m ) 二次调制方案，发射端先用视频信号对上百m h z 高频负载波进行幅 度调制，已调负载波高频信号再对半导体激光器进行直接电流调制。这样用基带信号 调制高频载波，在无线传输中可以减小天线尺寸，并便于远距离传输，同时系统的可 靠性提高了，还能提高信号的抗干扰能力。但是频谱利用率很低，同时对光电器件的 速度要求也高了许多。二次调制的信号变化过程如图2 3 。 儿_ ， i 一 ( a ) 研腑槲 么衅蟛 ( c ) 一 ( b ) ( d ) 图2 3 信号调制的变化过程 ( a ) 视频信号( b )高频载波( c )高频已调制载波( d ) 激光输出信号 图2 3 所示的是某一行图像信号的调制过程，( a ) 表示的是模拟图像信号，( b ) 表 示频率为1 0 0 m h z 的高频信号，该信号经过调制后得到( c ) 所示的载波，再利用该载 波对半导体激光器进行电流调制便得到( d ) 所示的输出信号。模拟图像信号带宽一般 8 限制在6 5 m h z 以内。因此，图像信号采用残留边带调幅方式发射。即保留调幅信号一 个完整的边带( 例如上边带) 和部分另一边带( 如下边带) ，残留了部分边带，以保证 信号在接收的通频带内，且失真小。 0 7 5 专j1 2 5j 一6 l f h 2 图2 4 残留边带的幅频特性 光接收是把从远处传来的已被调制的光信号通过接收光学天线汇聚，滤光片滤波 后光电探测器进行光电转换，对电信号进行整形放大的过程。接收方式有直接检测接 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信号直接转换成 电信号的过程，它是种简单实用的接收方式，目前大多使用半导体激光器的无线光 通信都是采用这种方式。它的缺点是灵敏度较低、信噪比小。 弘 幽2 5 信号接收原理 外差检测接收的原理与无线电波的外差检测接收相似，接收端从天线接收到激光 器调制输出后光信号，将能量会聚到探测器的光敏面上，由光电探测器进行光电转换， 转换成微弱的电信号，经高频放大器放大，送至混频器，与本机振荡器输出的频率较 高的等幅f 弦波进行混频，产生中频信号，中频信号经中频放大器放大，检波器检波 便实现了信号的接收。本系统采用外差检测接收，图2 5 是信号接收的实现过程，光 学系统接收到的光信号经过滤波放大得到频率为f 的高频载波。同时本振器所产生等 9 幅的频率为f o 的信号，经过混频后得到z 、z 、工+ z 、五一z 的四种频率信号。混 频器就是一个光电检测器，它对两束迭加的光波起检测和混频的作用，输出差频 厶= 无一正的中频信号，经中心频率为兀的带通检波后即实现了信号的输出。 2 3 激光器波长和功率的选择 光在大气中传播，会有包括空气吸收、散射、折射等引起的损耗，还会遇到大气 闪烁使光线发生折射，接收信号发生起伏。选择激光器的主要因素是中心波长、输出 功率、准直性能、谱线宽度和温度稳定性等。其中波长的选择主要考虑：光波在大气 中的透过率、器件的现实性( 包括器件性能价格比的预计) 以及保密性等。由于可见光缺 乏保密性，波长太长的红外光缺乏相应的高速探测器，而近红外波段有高效、高速和 价格相对低廉的探测器，因此选用近红外波段工作的半导体激光器。此外，对于常用 的激光波段，8 3 0 8 6 0 n m ，9 8 0 1 0 6 0 r t m ，1 5 5 0 1 6 0 0 n m 都是良好的大气窗口。其中，具 有相应光电器件并己应用于空问光通信的波段有：8 5 0 n t o ，1 0 6 0 n m ，1 5 5 0 n m 等。但光纤 通信常用的1 3 0 0 , 1 5 5 0 n m 激光器功率不能满足大气传输的要求，需要加光纤放大器。 因此，根据器件的功率要求和调制要求以及国际市场的产品规格，确定采用8 5 0 n m 波 段的半导体激光器j i “j 。 由于大气激光通信是以大气作为信号传输媒介，因此大气信道的不稳定是大气激 光通信面临的一个严重问题。不同的天气情况对光通信的衰减有很大差别，如发射光 功率保持在一个恒定功率，当天气变化引起光衰减增大时，接收系统接收到的光信号 太微弱，信噪比太小，则接收系统不能有效地识别信号；如接收到的光信号太强，则 会使接收探测器饱和、消光比下降。所以激光发射功率应该根据天气情况进行实时调 整，以提高通信可靠度。因此正确选择激光器的发光功率是很重要的。 大气对不同波长的光的衰减是不同的，可用下式表示1 1 4 1 1 2 0 l ： 式中厉表示在该波长光的衰减系数，r 表示传播距离，能见度如下： 如1 9 ， ( 2 2 ) 该式的意义为波长为5 5 0 n m 的光功率下降到2 时的传播距离。 衰减系数由大气的吸收和散射决定，对于8 5 0 n m 的光波，气体的吸收可忽略不计， 散射起决定作用，一般情况下米氏散射是主要的，这样衰减系数可用米氏散射近似表 示为： 1 0 岛= 罢c 南“” 他s ， 式中如是在5 5 0 h m 时的能见度，可由能见度测量仪测得。 由上述三个公式可计算出大气的衰减。同时，我们考虑光发射天线的发射效率珊、 接收天线的接收效率、光学窄带滤光片对通信波长的损耗7 ，将光探测器置于接收 天线焦面，则此时探测器上所获得的光功率最应由下式给出： 最嘞m r ，r 。( 去) 2 汜t ， 式中r 为激光器的输出功率，d ，为接收天线孔径，0 为发射激光束发散角，乃为由式 ( 2 1 ) 表示的大气对光的衰减，r 为传播距离。 由上式可看出，在发射激光器和接收探测器具体参数一定的情况下，影响探测器 上所接收的光功率主要有三个因素：光发射接收天线的效率珊、玑：信道衰减 “= 扩舭) ；几何衰减( 豪 2 。对于近地面大气传输通信系统，信道衰减直接受天气的 影响，表2 1 给出了不同天气对8 5 0 n m 波长的衰减系数。 表2 1 不同大气时的大气综合衰减系数和能见度表( 8 5 0 n m ) 在轻雾天气( 能见度为8 0 0 m ) 、通信距离为1k m 时，大气的衰减为 1 7 d b 拥l k m = 1 7 d b 左右，假设几何衰减的损耗为2 1 d b ，光学系统的损耗为6 d b ，滤 光片损耗为4 d b ，则总损耗为4 8 d b 。在接收灵敏度为一3 1 d b 时，可算出所需的发射光功 率为：4 8 d b 一3 1 d b = 1 7 d b 。由光功率p 与d b m 间的转换公式： d b m = 1 0 l g l l _ l ( 2 5 ) 一l l m 可得所需激光器的发射功率为5 0 m w 。而在天气非常晴朗时，大气衰减很小，只有系 统本身的损耗，若激光器发射功率保持5 0 m w 不变，探测器会饱和甚至损坏，必须减 小发射功率。通过计算，在天气晴朗时通信功率大约为l m w ，因此我们选发射功率在 1 - 5 0 m w 间变化的激光器。由于现有的光探测器的灵敏度还可更好，因此在通信距离l k m 的情况下，功率方面还有较高的冗余度。 2 4 系统的技术指标 在无线光通信系统中，光学接收机设计的好坏很大程度上决定了通信系统的性能。 因此，接收机的设计非常重要，光学接收组件应尽可能地将光束会聚成理想的光斑， 以便光电检测器接收。在设计中要选择量子效率高、灵敏度高、响应速度快、噪声小 的光电探测器。 光学天线我们采用收发分离的结构，其中发射端光学天线主要将半导体激光器光 束的发散角压缩后再通过发射望远镜进一步准直成毫弧度级光束；接收端光学天线的 作用是将接收到的空间激光信号收集并汇聚到光接收器件的有效接收表面。 假设我们选取的发射器件输出光功率为5 0 m w ，在轻雾条件下大气的衰减系数为 1 7 d b k r n ，光学系统损耗6 d b ，干涉滤光片损耗为4 5 d b 接收灵敏度为3 5 d b m ，天线 口径为7 0 m m ，光束发散角为l m r a d ，则根据视距方程： r d 、2 b 。只珊t h i l a l 盖j 娩6 可粗略估算出系统的传输距离为1 2 k m ：若接收灵敏度为4 0 d b m ，则系统传输距 离可达2 k m 。由于存在其他一些干扰、损耗等因素，系统需要一定的冗余度，因此我 们取传输距离为l k m 进行相关设计。 系统主要技术指标见表2 2 ： 表2 - 2 系统主要设计指标 系统参数设计要求指标 传输波长 发射器件 接收器件 载波频率 通信距离 光束发散角 工作温度 发射光功率 电源电压 8 5 0 n m 单模半导体激光器 s i a p d 1 0 0 m h z 大于l k m l m r a d 2 5 6 0 1 7 d b m 9 0 2 4 0 、，a c 在给定的传输速率及传输距离的条件下，合理设计所用激光器、光探测器和光学 天线的主要技术参数，是保证自由空问通信系统在各种天气条件下正常通信的前提。 系统设计指标如图2 6 所示： 滤光片损耗：4 5 d b 最大接收功率2 1 7 d b 2 l d b 6 d b 4 5 d b = - 1 4 5 d b 功率冗余越一3 0 d b 收面积= 3 8 5 方厘米 厂_ p 机l 接收灵敏度 - 4 4 8 d b i 璺i2 6 系统设计指标示意幽 由上图可见，合理地增大输出光功率，减小光发射器件的光学发散角，在系统体 积允许的情况下增大光学接收天线的有效接收面积，选择灵敏度高的光接收器件以及 减少光学通道中的损耗都有助于增大系统的传输距离。 第三章光接收机的设计 3 。1 光接收机的基本原理与结构 3 3 1 光接收机的设计考虑 光接收机的作用是将接收天线接收到的微弱光信号转换成电信号，并进行放大输 出。它主要由光电探测器、信号放大电路、自动增益控制电路、信号还原与输出等部 分构成。设计时，元器件的选择和单元电路的设计尽量采用成熟的单元电路功能模块； 此外，设计时除了认真研究分析电子线路中的量子噪声、热噪声、散弹噪声外，还要 考虑恶劣气候( 雨、雾、雪、湍流等) 出现的附加噪声：为保证系统具有强的抗干扰能力 和抵御大气衰减的能力，设计光发射功率要足够大，这就要求光接收机具有很宽的光 动态范围；放大器将信号和噪声幅值提高到某一水平，使后续阶段的并发噪声对全局 信噪比的影响可以忽略不计，因此，设计光电二极管之后的放大器的屏蔽非常重要， 它对噪声的要求比较高；最后，如何减少背景光的干扰也是光接收端机设计时需要考 虑的一个问题。 3 1 2 光接收机的基本结构与原理 光发射枧发射的光信号经传输后，幅度衰减了，光接收机的作用是把接收到的微 弱的光信号会聚后转化成电信号，用作其他设备或者通讯系统的输入，接收机的基本 功能组成如下：( 1 ) 光学天线把光的能量进行会聚；( 2 ) 探测器将接收到的 光信号转变成电信号；( 3 ) 放大器组放大信号；( 4 ) 信号输出。 筮3 1 光接收机系统结构 1 4 3 2 接收机的光学系统和探测器 3 2 1 接收光学系统 ( 1 ) 光束准直设计f 2 9 j 在通信过程中，由于端机位置变动，能否快速将发、收天线对准，使其很快进入 通信状态，这是衡量系统机动灵活性的主要指标，也是决定系统能否投入运行十分关 键的指标。如果系统其它性能都很好，只是因为很难对准而不能进行正常通信，这就 失去了使用价值。因此，为增加机动性，减少调、校准时间，需要有一个对准系统， 收、发光束对准是一个系统的关键技术。对于近地可视距离激光大气通信系统，借鉴 国外的经验，可以采用一些较简单的方式解决快速对准问题。一个极为简单、经济可 行的对准方法就是利用望远镜进行对准。采用人眼瞄准器具和自行研制的具有高度灵 活性及稳定性的手工调整方法进行快速对准。调整支架可采用能升降的三角支架，支 架上装有调整装置，发射接收天线和瞄准器具就装在调整装置上。 ( 2 ) 接收光学系统 在大气激光通信系统中，接收光学系统的任务是将大气中传输的信号光收集并汇 聚到探测器表面。其设计关键在于接收物镜口径的选取。在前面“激光器波长和功率 厂，、2 的选择”一节中，通过公式e = 尸。珊f ，o l 慕 我们已经分析了接收天线的孔径4 及 接收效率对接收光功率繇的影响。接收功率要求接收天线的口径越大越好，这样系统 的工作距离也就越大。但由于接收天线口径增大，不仅会导致背景光和杂散光进入系 统，使系统信噪比降低，还会大大增加系统的体积和重量，因此必须合理选择接收天 线的口径。根据大气中的各种典型值和我们所设计的系统值，我们可以计算出接收天 线的口径。 由于通信端机光学系统的透过率也是造成损耗的因素之一，设发射光天线的透过 率为f 。射，接收光天线的透过率为7 接收。一般总的光学系统透过率损耗在3 d b 左右， 假设收发天线的透过率相等，则它们的透过率都为7 0 。为了尽量减小这种损耗，在 光学天线设计时应尽量减少内部光路的长度和镜片的数量以及对镜片镀增透膜等。由 于我们设计的发射光学系统的准直耦合效率为5 0 ( 即损耗3 d b ) ，则总的发射天线效 率r ，= 7 0 x5 0 = 3 5 ，= 7 0 。 为了减弱太阳光和其他杂散光对信号光的干扰，提高系统信噪比和抗干扰能力， 我们选择上海光机所镀膜中心镀制的窄带干涉滤光片，其峰值透过率约为7 5 ，线宽 约为2 0 n m ，由激光波长与滤光片峰值不一致引起的损耗约为4 7 ，则光学窄带滤光片 的效率f ，= 7 5 x 4 7 = 3 5 。 由于统= 1 7 d b k m ，r = l k m ，则大气信道衰减为1 7 d b ，由公式 一1 7 = 1 0 1 9 r 2 = l o l g e 一 8 ，可得：f j = e ( - b a 8 = o 0 1 9 9 5 0 0 2 = 2 。 我们分析了系统接收灵敏度为一4 4 8 d b m ( 3 3 n w ) 为使系统留有1 0 d b 左右的冗余 度，我们取系统的接收功率只= 0 3 3 9 w 。己知当激光器驱动电流偏置在9 0 m a 时，其 发射功率e o = 4 0 m w ，激光发散角0 = l m r a d ，传输距离r = l k m ，将上述分析得到的 数据代入公式中得：d ，= 6 9 5 r a m ，则接收天线的孔径取为7 0 m m 。 本课题中选用的光学系统采用的是三片式望远物镜，口径? o n n ，焦距1 4 0 m m ，它由 一个单透镜和一块双胶合透镜组成。由于它由两个元件分担总光焦度，故能降低高级 像差，从而提高物镜的相对孔径。又因为它的接收视场角等于激光发射角，故视场较 小，接收的又是红外激光，所以只需校正球差和正弦差。光学系统如图3 2 ，主要由接 收物镜、光阑、聚光镜胶合透镜和窄带干涉滤光片等组成，其中干涉滤光片在两胶合 透镜之间。 接收糖t 3 2 2 光电探测器的选择 上 - 1 - 光簟 聚光t 胶合遗4 1 1 j u , a $ 1 1 一鲁 窄带干涉蠢光 圈3 2 接收光学系统图 b i 乍 l 一 探测器是光接收机的一个基本组成部分，并且是一个决定整个系统性能的至关重 要的器件，由于接收到的光信号很弱，所以光探测器必须满足高性能的要求 1 8 1 。其中 最重要的是在感兴趣的波长范围内具有高灵敏度、最小系统附加噪声及快速响应速度 或者足够的响应带宽。另外光探测器应对温度变化不敏感，并且有适合的物理尺寸、 合理的价格和比较长的使用寿命。 按器件结构分，光电探测器可分为：p n 结光电二极管、p i n 光电二极管、会属 半导体金属( m s m ) 光电探测器以及雪崩光电二极管( a p d ) 。其中，p n 结光电二极 管结构最简单，制造最容易；m s m 无需制造p n 结，适合难于掺杂的半导体材料， 1 6 同电子器件制造工艺完全相容，能同场效应管( f e t ) 一起制成光电集成电路( o e i c ) ， 但它暗电流较大、量子效率不高，限制广泛应用。 目前，在激光通信中最常用的光电探测器是p i n 光电二极管和雪崩光电二极管。 两者各有自己的优缺点，p i n 光电二极管结构稍复杂，但性能优异，外加2 0 v 的反向 电压能稳定工作，且具有相当好的光电响应、低噪声、宽频带等特性，p i n 二极管的 噪声和相对价格较低，并与电子器件工作于同一电压，但对于给定的光功率它所产生 的电子数要比a p d 少；雪崩光电二极管( a p d ) 结构复杂，兼有探测放大的功能，能 将探测到的光电流进行放大，增加接收机灵敏度，允许更远的传送距离，但a p d 存在 偏压补偿的问题，需要高电压供电( 1 0 0 v 3 0 0 v ) 并且温度对其倍增因子影响很大，所 以要根据自己的需要合理选取光电探测器( 1 8 】。 评价光电探测器的性能主要有：响应度、量子效率、暗电流噪声、信噪比和频率 带宽等。 ( 1 ) 响应时间 由入射光转变为光电流所需的时间。影响探测器响应时问的因素有：耗尽层中 光生载流子的渡越时间；耗尽层外面载流子的扩散时间；r c 时问常数，即负载电 流和分布电容引起的信号延迟时间。 ( 2 ) 频率带宽 它是表征探测系统能够工作的频率范围，必须足以容纳应用系统传输信号的带宽。 ( 3 ) 暗电流和信噪比 一般通信机中用的s i p i n 光电二极管中的暗电流通常为l o o p a ，而s i a p d 中的暗 电流通常为l o p a 。信嗓比的公式表达为； s 光电流产生的信号功率 ，、 光探测器的信号功率+ 放大器的噪声功率 显然，为提高信噪比，应尽量提高探测器灵敏度和降低探测器噪声。 ( 4 ) 量子效率 刁：等焉筹：彩 2 ， 。 入射光子数量 只， 一 式中h v 为入射光子能量，。为光电流，只，为入射光在半导体内表面处的光功率。 实际用响应度r 束表征单位入射光功率所产生的光电流： r ：生：盟( 3 3 ) 晶 向v 量子效率和响应度是光电探测器的两个重要特性。需要注意的是，响应度是波长 与光电二极管材料的函数( 如图3 3 所示) ，对于不同的探测波段，应选合适的材料束制 1 7 造探测器。 响戍度 图3 3 不同材料制作的探测器的响应度和量子效率与波欧的关系 由图3 3 可以看出，硅的响应波长正好处于大气通信的吸收窗e l ( 8 0 0 r i m 附近) 内， 因此，在本课题中，我们选择以硅为制作材料的光电探测器。 由于我们所选取的半导体激光器的发射功率较低，激光信号在大气中又衰减得较 为严重，尤其在有雾、有灰尘等天气条件下，到达接收端的信号是十分微弱的。现在 己经有了对o 5 3 0 a n 光谱区域的弱相干信号和非相干信号进行探测的敏感元件。因 此，只受光子噪声限制的理论探测极限己成为现实。目前限制信号探测下限的不再是 敏感元件，而是其工作周围的介质和使用条件。 从提高无线光通信系统的性能方面看，提高对接收信号的灵敏度比提高射向接收 端的激光功率更有效。因为我们的半导体激光器的发射功率仅为5 0 m w ，只有提高接 收灵敏度，才不会增加系统的体积、质量和复杂性。大气激光通信机的小型化固然与 激光技术的发展有关，但起决定作用的还是接收技术的迅速发展，它使系统接收灵敏 度提高了两个数量缴。 基于以上分析，我们选择s i a p d 作为本接收系统的探测器。其器件特性除了上述 的量子效率、响应度、响应时间之外，还有雪崩倍增特性、噪声特性、温度特性等。 3 2 3s i a p d 器件特。 生分析 ( 1 ) s i a p d 的雪崩倍增特性 a p d 内部结构中有一高电场区，入射光产生的电子空穴对经过高场区时不断 被加速而获得很高的能量，从而实现多次碰撞电离产生二次电子空穴对，如此重 复，产生了雪崩倍增效应。雪崩过程使得光电流在管内就得到放大( 可用倍增因子m 表 示) ，大大提高了光接收灵敏度。m 值太小热噪声将起主导作用，信噪比难以达到系统 要求；m 值太大，将会提高信号平均功率，但同时增大了散粒噪声，也会降低信噪比。 在给定入射光功率时，达到最大信噪比所要求的a p d 倍增因子称为最佳倍增因子 饩。，它的值由下式给出： j 一 肘一2 i 4 k t 2 ” c 。4 ， 式中，f 为过剩噪声因子，其值取决于a p d 的制作材料及工艺。由上式