（光学专业论文）红外激光视频通信系统研究.pdf

摘要 无线激光通信，是指一种通过在自由空间中传输激光信号来实现点对点、点对多点 或多点对多点间语音、数据、图象信息的双向通信的技术。无线激光通信具有传输速 率高、无需申请频段许可、成本低、抗干扰性强、传输保密性好、组网方便灵活等特 点，广泛应用于移动通信基站互连、多用户局域网延伸以及各种临时网络的信息无线 传输和星际激光通信领域。是解决接入网“最后一公里 问题的最简单快捷的方法。 2 0 世纪9 0 年代末，由于激光通信器件制造技术的飞速发展，通信器件变得便宜而且可 靠耐用，使无线激光通信设备的造价大大降低。目前无线激光通信设备的速率可达 2 5 g b p s ，传输距离可达8 k m ，但通常在1 - 一2 k m 有稳定的传输效果。 本文首先简单介绍无线激光通信的特点、应用范围和研究现状，讨论影响无线激光 通信的主要因素。提出了一种实用的系统设计方案，发射端机主要围绕激光器件的选 择、v c s e l 的调制驱动电路、发射天线等部分进行了详细研究；接收端机主要对a p d 光接收模块进行论述，包括光电探测器、高频放大器、中频放大器的选择，并分析噪 声对接收灵敏度的影响等。 最后在实验室内实现了视频模拟信号传输的实验测试，并对实验结果进行了分析， 提出系统的改进方案，指出今后工作中有待于完善的问题。 关键词： 无线激光通信v c s e l 调制驱动a p d 管接收二次调制 a b s t r a c t o p t i c a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，i sap r o m i s i n gt e c h n o l o g yt h r o u g ht r a n s m i t t i n gl a s e r s i g n a l si nt h ef r e es p a c et or e a l i l z et h eb i - d i r e c t i o nc o m m u n i c a t i o no fv o i c e ，i m a g ea n dd a t a b e t w e e np o i n t - t o - p o i n t ，p o i n t - t o - m u l i t i p o i n ta n dm u l t i p o i n t - t o - m u l t i p o i n t o p t i c a lw t r e l e s s c o m m u n i c a t i o nh a sh i g hb a n d w i d t h ，n of r e n q u e n c ya d m i s s i o n , l o wc o s t , s t r o n ga n t i ja m m i n g ，g o o dt r a n s m i s s i o ns e c r e c y , s i m p l ei n s t a l l a t i o n , t h e s em e r i t sm a k ei ta sap o p u l a r o p t i o nf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ni n t e r c o n n e c t i n g ，m u l t i u s e rl a ne x t e n d i n g ，t e m p o r a r y d a t at r a n s m i t t i n ga n do u t s p a c ec o m m u n i c a t i o n i so n eo ft h em e t h o d st h a ts o l v et h ep r o b l e m o f t h el a s to n ek i l o m e t e r ”i na c c e s sn e t w o r k b e c a u s eo ft h ef a s td e v e l o p m e n to fl a s e r c o m p o n e n t si nt h ee n do f9 0 s ，o p t i c a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m eau s e f u l t e c h n o l o g yf o rb r o a d b a n da c c e s sa p p l i c a t i o n , a n di t ss p e e dh a sa l r e a d yr e a c h e dt o2 5 g b p s o p t i c a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nh a sag o o dt r a n s m i t t i n ge f f e c ti nt h ed i s t a n c el e s st h a n 1k m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，i n t r o d u c es i m p l yt h es p e c i a l t i e so f o p t i c a lw k e l e s sc o m m u n i c a t i o n , a p p l i c a t i o na r e aa n dp r o d u c ta c t u a l i t y , a n dd i s c u s st h em a i nf a c t o rh a s ag r e a ti n f l u e n c ef o r o p t i c a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ap r a c t i c a lp r o j e c th a sb e e np u tf o r w a r d i nt h e e m i t t i n gp a r t ，w ed e s c r i b e dt h er e s e a r c ho nt h es e l e c t i o no fl a s e rd e v i c e ，t h ed r i v ec i r c u i to f v c s e la n d e m i t t i n ga n t e n n a ；w h i l ei nt h er e c e i v i n gp a r t ，w ed e s c r i b e dt h ea v a l a n c h ep h o t o d i o d e ( a p d ) l a s e rr e c e i v e rd e t a i l e d l y , i n c l u d i n gt h es e l e c t i o no fp h o t oe l e c t r i c i t yd e t e c t o r , p r e a m p l i f i e ra n dm a i na m p l i f i e r , a n da n a l y z e dt h en o i s ec h a r a t e rw i t h e f f e c t so nt h e s e n s i t i v i t yo ft h er e c e i v e r f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n tw i t hv i d e os i m u l a t e ds i g n a lw a st e s t e di nt h el a b o r a t o r y w e a n a l y z e da n ds u m m a r i z e dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t ，p u tf o r w a r da ni n n o v a t i v ed e s i g n ，a n d p o i n t e do u ts o m e w o r kt ob ei m p r o v e di nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：w i r e l e s sl a s e rc o m m u n i c a t i o nv c s e lm o d u l a t ea n dd r i v e a p dr e c e i v e q u a d r a t i cm o d u l a t i o n 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，红外激光视频通信系统研究是 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己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，均己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：诌望国2 砰三月血日 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中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它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： 指导导师签名：幺棚 年月鱼日 年三月鱼日 第一章绪论 1 1 无线光通信概述 1 9 6 0 年第一台激光器的出现极大地促进了许多学科的发展，其中对通信领域的影 响为最大。激光以其良好的单色性、方向性、高亮度性等特点成为光通信的理想光源。 尤其到1 9 7 0 年，贝尔实验室成功研制出能在室温下连续工作的半导体激光器，这种激 光器体积小，并且可以用电流控制激光的强度大小，为以激光光波为载体的激光通信 创造了重要条件。将激光技术应用于通信，掀开了现代光通信史崭新的一页。成为当 今信息传递的主力军。 激光通信是以激光光束作为信息载体的一种通信方式，可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近几年来发展迅猛的光纤通信；无线激 光通信也称为自由空间光通信( 简称f s o ) ，直接利用激光在真空或大气中进行信号传 递，可实现语音、数据、图像信号的高速双向传输，这是目前国际上电信的十大研究热 点之一。世界上各主要技术强国正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，我们主要研究点对点的激光通信。 当前有很多种接入技术可供用户选择，如光纤、本地多点分配业务( l m d s ) 、数字 用户线( d s l ) 以及无线激光通信等。其中光纤传输无疑是最可靠的通信方式，但光纤 敷设的较长周期及高额投资限制了其普及；l m d s 比f s o 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) ；铜缆尽管是一种易得的传输媒介，但d s l 的带 宽太低。无线光通信相对而言是一种比较好的方案，它结合了光纤通信和微波通信的 优点，既能提供与光纤相同的带宽、以千兆的速度进行全双工通信，又不需在频谱这 样的稀有资源方面有很大的初始投资，因此有着很强的竞争优势，必将成为宽带接入 的一种重要手段。在拥有上述优势的同时，由于是作为一种视距范围内的自由空间激 光传输技术，因而也存在其特有的一些问题。由于激光信号裸露在大气中进行传输， 势必会受到大气信道的影响，正是这一问题极大地限制了无线光通信应用的场合l l j 。 专家预测，本世纪初到2 0 1 5 年为无线激光通信技术的实际应用与全面发展阶段。 重点的发展包括研制大功率、高灵敏度、远距离的激光系统；研制目标成像定位 跟踪的移动光通信系统；建立多中继、多方向的地面传输通信网；建立大气一空间 一体化的远程通信网。2 0 1 5 年以后，将是空间光通信广泛应用阶段，空间光通信将在 卫星通信、宽带接入和全球个人等通信领域中占据举足轻重的地位1 2 j 。 1 2 无线光通信的特点及应用 1 2 1f s o 的特点 1 f s o 的优点 光纤连接非常昂贵。根据a i r f i b e r 公司的分析，如果在美国采用f s o 的格形结构 配置，每幢大楼的成本约为2 万美元，平均链路长度为5 5 米，最长为2 0 0 米，安装时 间也只需要2 3 天。相反，如果采用光纤连接，则每幢大楼需5 2 0 万美元，通常需 要4 1 2 个月才能连通。因此，成本低、安装方便、建设快是f s o 系统的主要优点。除 此以外，f s o 还有如下一些优点【3 】= 无需频谱许可证。无线光通信因设备间无信号的相互干扰，工作在不需要管制的 光谱，故无须像无线电通信( 如微波、l m d s ) 那样申请频率使用证和支付使用费。 带宽高。如果采取点到点的组网方式，f s o 能支持1 5 5 m b s l o g b s 的传输速率， 传输距离在2 4 公里之间。在点到多点的组网方式中，f s o 同样能支持1 5 5 m b s l o g b s 的传输速率，但传输距离为卜2 公里。如果采用格形的组网方式则可支持6 2 2 m b s 的 传输速率，传输距离为2 0 0 - 4 0 0 米。 安全保密性强。激光的定向、窄波、方向性好，具有先天的保密性和抗干扰性。 外来信号难以侵入。比g s m ，c d m a ，l m d s 等通信安全得多。 协议透明。f s o 是物理层的传输设备，任何传输协议的业务均可容易地叠加上去， 便于实现对多媒体语音图像的传输。 2 f s o 的缺点 f s o 是一种视距技术，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( 一般为几公里) 波束就会变宽以致难以被接收节点正确接收。所以f s o 一般只限 于城市内使用。目前，大部分测试表明，在几公里以下才能获得最佳的效率和质量。 传输质量对天气非常敏感是f s o 的另一主要问题。晴天对f s o 传输质量的影响最 小，而雨天、下雪和大雾天气对传输质量的影响较大。 建筑物晃动将影响两个点之间的激光对准。对f s o 来说，为了保证光传输链路的 性能，光链路两端的对准( 捕获) 和保持( 跟踪) 至关重要。但在对准以后，在风力 和其它因素的作用下，建筑物会有些晃动，这就要求链路两端设备都必须具备自动跟 踪的能力。 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。为此激光发 射功率必须符合激光安全标准，在此标准中，将光源按其发射功率分为四大级( 见表 1 1 ) 。大气激光通信的功率必须满足i 级的人眼安全标准。 2 表1 1 激光功率安全等级表 1 2 2f s o 的应用 无线光通信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。与微波通信系统相比，无线激光通信系统具有不挤占频带，通信容量大，传输速 率高，抗电磁干扰能力强、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【4 】： 宽频接入和骨干网的扩展。目前主干网的频带容量急剧增加，从6 2 2 m b i t s 到1 0 6 b i t s ，再到更高的4 0 g b i t sd w d m 。同样，客户端网络的带宽也从l o m b i t s 增加到 1 0 0 0 m b i t s ，再到g b 的以太网络。但网络接入部分仍未有可突破频宽成本与容量瓶颈 的有效解决方法。通信服务厂商在骨干网建设上花费大量资金，“最后一公里”问题的 解决有利于提升网络整体性能和满足快速发展的市场需求。因此，在此方面f s o 有很 大的发展空间。目前用f s o 来解决宽带接入中“最后一公里 的问题是较好的选择。 光纤网络的备援。目前大多数电信运营商都采用两条光纤连接来保证所构建的商 业应用网的安全。现在，运营商无需部署两条光纤链路，可以选择f s o 系统作为备份 光纤的冗余链路，以节省投资。 企业局域网应用。由于f s o 是以小功率的红外激光束为载体，可将收发器装设在 楼顶或窗外传输数据。f s o 的灵活性使它可以应用于许多企业和学校，例如企业l a n 到l a n 的连接及校园网的连接。以f s o 来代替光纤接取各局端，不但能降低成本，而 且具有更高的传输速度。 其它需要高速接取的终端：有强电磁干扰的场所；在一些不宣布线的场所， 比如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楼与楼之间、横跨诸如公路与河流之类复杂地形的；一些 临时性的场所，如灾难恢复、网络快速部署方案等，以及展览厅、短租的商务办公室 或临时野外工作环境：一些具有移动性的场合，如使用便携式电脑的交易大厅等； 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。 1 3 无线光通信系统国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 由于空间激光通信在航空航天、科学技术、国防及国民经济等领域具有潜在的巨 大吸引力，因此世界上各主要技术强国都己投入了大量的人力、物力开展研究，抢占 这一领域的技术优势。目前世界上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，因此欧美同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，以及由其支持的麻省理工 学院林肯实验室和加州理工学院喷气推进实验室；日本的宇宙开发事业团( n a s d a ) 和 邮政省通信研究室( c t l ) ；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【5 1 。 1 美国 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，其研发公司及其产品介绍如表1 - 1 所示： 表1 - 2 美国各公司大气激光通信系统概况 2 0 0 0 年夏季国际通信业巨头美国郎讯推出一套水平极高的光通信商用系统。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l o g b p s ，工作距离达 5 公里【6 】o 2 0 0 0 年悉尼奥运会期间，美国的t e r a b e a m 与i a c e n t t e c h n 0 1o 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。 2 0 0 5 年的2 月，l i g h t p o i n t e 推出f 1i g h t l i t ei o o e 设备，它可以支持1 0 0 m 以太网 1 5 0 0 米距离的传输；2 0 0 5 年5 月l i g h t p o i n t e 又推出f 1i g h t s t r a t a l 0 0 x a ，是第一款集 成了快速以太网光无线链路和5 8 g h z r f 技术的无线激光通信产品。 4 2 日本及欧洲 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 t5 0 产品，其传输速率为2 5 - - 6 2 2 m b p s 。 此外，英国的p a v 公司、德国的c b l 公司、韩国的t a e h a n 公司等多家企业也都各 自推出了不同技术水平的产品。 1 3 2 国内研究现状 国内的研究起步较晚，目前主要研究机构有：桂林激光通信研究所、上海光学精 密机械研究所、中科院成都光电技术研究所、清华同方、电子科技大学、武汉大学等【7 】， 电子科技大学采用二氧化碳激光器，实现定点双工四线制三路电话的大气通信；中山 大学激光与光谱学研究所采用音频或数字调幅方式实现大气通信传输。但都因通信容 量低，在通信系统的结构上，没有与其他通信设备( 包括光纤通信、微波通信) 的接 口，故实用价值小。为解决上述问题，中国科学院上海光学精密机械研究所报导了一 种无线激光通信端机实现了与其它通信设施的接口，传输速率可达6 2 2 m b p s ，自动系统 的跟踪精度达0 1 m r a d ，响应时间为o 2 s ，通信距离可以达到2 k m ，兼有体积小重量轻 的特点。但由于该端机设备昂贵，未能得到广泛应用。中科院成都光电技术研究所引 进国外公司先进的激光器及其附属电路，利用自己在光学器件上的优势，开发出了工 作波长为8 5 0 n m ，可以传输1 公里、4 公里两种距离的两款产品。产品主要性能参数是， 速率：l o m b s ，工作波长：8 5 0 n m ，通信距离：1 一- - 4 k m ，光发射功率：3 - - 一3 0 m w 。清华 同方研究发展中心一直致力于“最后一公里解决方案的探索，并于2 0 0 1 年1 2 月成 立f s o 技术跟踪研究小组，推出了无线激光通信产品t f o w l 0 0 - 1 ，完成了1 0 0 0 米点对 点通讯样机的检测，t f o w l 0 0 - 1 能提供l o o m b i t s 的带宽。同国外同类产品相比，该产 品采用了小功率激光器，大幅降低了成本，价格只有国外同类产品的几分之一。目前 提供自主研发产品的主要是桂林激光通信研究所，从2 0 0 3 年开始正式推出f s o 产品系 列，最远通信距离可达8 公里，短距应用时速率可达1 2 5 g b p s 。2 0 0 2 年武汉大学在国 内首先完成4 2 m 多业务大气激光通信试验，2 0 0 4 年3 月又在国内率先完成全空域f s o 自动跟踪伺服系统试验，这为开发机载、星载激光通信系统和地面带自动目标捕获功 能的f s o 系统创造了条件。另外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 了许多研究成果。 7 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。由于 无线光通信具有良好的市场前景，现在国内有不下2 0 家研究机构和大学正在积极开展 有关研究工作，相信我国在这方面近几年内会有大的发展。 5 1 4 论文的目的及主要工作内容 本课题设计的激光视频通信系统，是用频率l o o m n z 的高频副载波信号对激光器进 行幅度调制，实现l k m 距离视频发射、接收的单路通信系统。 本论文的主要工作内容： ( 1 ) 对激光视频通信系统原理、结构、各组件参数匹配关系进行深入的研究，构建 合理的、性能优良的激光视频通信系统； ( 2 ) 对信号传输特性、模拟信号二次调制、外差检测接收进行分析，在此基础上合 理选择激光器、光电探测器、收发光学天线的类型及参数，分析光路损耗等因素，设 计调制驱动器、高频放大器及中频放大器等电路； ( 3 ) 进行系统性能测试，实现视频通信试验。 ( 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。 6 第二章系统整体设计方案 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双向 通信；适用性是指系统设备对大气信道、环境的温度湿度、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 无线激光通信系统是由两套激光通信机组成的系统，他们相互向对方发射受调制 的激光信号( 数据、图像、声音) ，分别接收并解调来自对方的激光信号，实现双工通 信，即双方都可以同时发射和接收信号。本文只介绍一路单工视频通信系统，其基本 结构如图2 1 所示。 图2 1 无线激光通信系统结构图 一个简单的无线通信系统可由发射和接收两个通信端、激光收发天线、电发送机、 电接收机、电源、大气信道等部分组成( 如图2 1 ) 。 激光发射部分主要包括激光光源及其驱动电路和发射光学系统。激光器将电信号 转换为光信号，是激光发射的关键部分，其性能直接影响到激光接收器件的选择、天 线直径和通信距离等参数。激光调制驱动器提供偏置电流和调制电流。直流偏置电流 和信号调制电流的大小取决于激光器的特性，而激光器的这些特性会随时间和温度漂 移。为了补偿激光器的时间和温度漂移，激光驱动单元最好设置自动功率控制( a p c ) 。 a p c 的原理是通过光敏二极管将激光强度转换为电流信号，并将其反馈到激光驱动器控 制直流偏置电流相应增加或减小，使激光器功率保持稳定。 7 激光发射部分的光学透镜是由多组镜片组成，决定着光发散角的大小，也就决定 了在接收端的光斑面积的大小。一般来说，光斑面积越小，则激光能量就越大。 激光接收部分主要包括光电探测器、高频放大器、中频放大器和接收光学系统。 光电探测器和高频放大器是激光接收系统的关键部分，其性能是决定接收灵敏度的主 要因素。光电探测器将接收到的激光信号转换为电流信号，再送到高频放大器单元。 中频放大器构成激光接收的线性通道，对信号进行高增益放大，提高信噪比。 激光接收部分的光学透镜是由多组镜片组成，包括阳光滤波器，外层光学透镜的 大小决定着能够接收到的有效光能量的多少。一般来说，透镜面积越大，接收的光能 量也就越多。 无线光通信系统的工作原理是：架设在相距一定远( 距离大约在5 0 0 m 1 0 0 0 m 左 右) 两处位置的无线通信设备通过大气传输有用的激光信号，起到的实际作用相当于 一根光纤，区别在于传输介质不同。用户端的电信号经由光纤传输到媒体转换器后转 换成光信号。光信号输入光接收模块，经过处理送到激光驱动器，驱动激光器发光。 激光经过发射天线的处理变为平行光束，对准另一端的f s o 设备发射出去，光能的衰减 与距离的平方成反比。激光接收天线将在自由空间中传输的光信号汇聚到光电探测器 进行解调，转换为电流信号后经过高频放大器和中频放大器输出后形成电压信号，通 过光发射模块与用户端连接起来【引。 2 2 系统信号调制与检测 2 2 1 系统信号调制 在光通信系统中，把随信息变化的电信号加到光载波上，使光载波按信息的变化 而变化，这就是光波的调制。从本质上讲，光载波调制和无线电波载波调制一样，也 即有调幅、调强、调频、调相、调偏等多种调制方式。但为了便于解调，在光频段多 采用强度调制。 从调制方式与光源的关系上来分，可以分为直接调制和间接调制两大类。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 泛应用桫j 。间接调制是利用晶体的电光、磁光和声光效应，让光源输出的连续光载波通 过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波的调制。这种调制方式适应于各种类型 的激光光源，结构复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合高速率光通信系统，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 8 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。但为了便于解调，在光频段多采用强 度调制。 ( a ) 直接调制 ( b ) 间接调制 图2 2 光源的两种调制方式 从调制信号的形式来分，光调制又分为模拟调制和数字调制。模拟调制又可分为 两类，一类是利用模拟基带信号直接对光源进行调制；另一类采用连续或脉冲的射频 波作副载波，模拟基带信号先对它进行调制，再用该已调制的副载波去调制光载波。 由于模拟调制的调制速率较低，均使用直接调制方式。数字调制主要指p c m 脉码调制。 先将连续的模拟信号进行抽样、量化、编码，转化成一组二进制脉冲代码，对光信号 进行通断调制。数字调制也可使用直接调制和外调制。 由于我们设计的是一套模拟信号的视频光通信系统，为了提高图像通信可靠性采 用了二次调制方案，即发射端先用视频信号对上百m h z 高频副载波进行幅度调制，已 调副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。二次调制的信号变化过程如图2 3 。 a ) f a aaa一 vvvvvv j ( b ) 9 770 夕 一 衫 ， 1 _ t ( e )( d ) 图2 3 信号调制过程 ( 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 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 1 _ _ _ _ 一 岛 一l ，2 5 _ 一6 一 图2 4 残鳘逡蒂的幅频特性 2 2 2 系统信号检测 光接收是把从远处传来的己调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，它是一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。 1 0 图2 5 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 高的等幅正弦波进行混频，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。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z 的高频载波。同时本振器所产生等幅的频率为z 的信号，经过 混频后得到z 、z 、以+ z 、z z 的四种频率信号。输出差频厶= - l 的中频信 号，经中心频率为厶的带通检波后即实现了信号的输出。本系统采用外差检测接收。 2 3 设计无线通信系统的考虑因素 1 接收天线、发射功率、接收灵敏度对通信距离的影响【1 0 1 考虑一般的情形，无线光通信的光源采用激光，由发射天线发出的为高斯光束， 发射天线的辐射功率为尸；最大通信距离，即在通信系统能够正常工作的条件下，发 射天线到接收天线的最大距离为z ；接收天线的大小用接收天线的横向半径口代表；接 收灵敏度s 可用接收系统正常工作时接收天线上所需最小接收功率e 曲代替，显然 e 曲越小，s 越高。设发射天线到接收天线的距离为z ，接收天线处高斯光束的光斑 半径为缈( z ) ，接收天线的孔径面积为4 ，显然有4 = 万口2 。假定在光束横截面内能量 分布是均匀的，光束外能量为零，则天线接收到的功率为 ， 、2 2 【南卜 q 1 ) 根据高斯光束在自由空间的传输规律，有 等 啦 汜2 ， 将灵敏度s 用。憾酬栌 1 + ( 意矿代入2 减整理后得 尘一旦z ：1 a a z 2 = c p d ( 2 3 ) ( 2 4 ) z 2 ：旦一d( 2 5 ) 只m j n 其中，彳= 争簖，肚p r o , of 三碱1 2 ，c = 去( 孚) ，。= ( 手) 2 ，e _ 孚卜 由( 2 3 ) ( 2 5 ) 式可以看出： 天线横向半径口与通信距离z 基本呈线性关系，但天线横向半径的增加受天线体 积和重量及制造工艺等的限制，不可过大。另外，接收天线视场角也不宜过大，较小 的接收天线视场角可以去除绝大部分情况下城市灯光产生的背景噪声。使用窄带光学 滤波器可以将直射灯光和早晚时段直射阳光产生的背景噪声抑制1 5 d b 以上。 通信距离z 随发射天线辐射功率p 增加呈非线性增长，当发射天线辐射功率增 到一定值后，通信距离的增长渐趋缓慢，即增加发射天线辐射功率对通信距离的影响 下降。因此，对于一确定的光通信系统，天线的辐射功率不必过大。 随着灵敏度的提高( 即e 嘶。的减少) ，通信距离z 呈增大趋势。当e 面。减少到一 定值后，通信距离z 随着p 幽的减小急剧增加。因此，提高接收灵敏度是加大通信距 离的一个主要途径。 2 光束发散角对通信距离的影响 激光束经发射光学系统准直以后，光束发散角一般可达到l m r a d 以下。尽管如此， 当光束传输几千米以后，在远场会形成一个大的光斑，如果接收光学系统的口径小于 此光斑的直径，信号光束就不能全部被探测器接收，即产生光束扩展损耗，从而限制 通信距离。显然，激光发散角越小，光束扩展损耗就越小。通信距离越大。但是发散 角的减小，给光传送过程中的定向捕获与跟踪带来困难。因此，虽然尽可能压缩光束 发散角可以获得较长的通信距离，但是要通过对光学系统进行优化设计来实现。典型 的发散角为3 - - 一6 m r a d ，经过2 k m 传输后，光束直径为6 - - 1 2 m 1 1 l 。设计收发天线时必须 使激光的发散角和接收视场角基本一致，否则会造成不必要的激光能量浪费。 3 空间损耗 在不同气象条件下，空气中的水分子、水滴、颗粒会对激光的传播形成不同的衰 1 2 耗。雨和雪会使信号失真，而雾对能见度的影响最大。这是由于f s o 系统的工作波长 接近雾粒直径产生米勒散射，同时雾粒呈现出棱镜的作用使激光产生衍射的结果。由 于极端恶劣天气现象在城市内发生的概率极低，持续时间极短，因此以窄带、低成本的 通信方式作为紧急备份手段，如扩频微波或者d s l 等。f s o 系统可自动切换至扩频微波， 以保证通信畅通。 抑制大气湍流的方法是增加接收天线的口径或数量，实现光束的分集接收，但这会 增加f s o 系统的复杂性【1 2 1 。可以通过在接收电路中增加高通滤波器的方法，消除大气 湍流产生的低频闪烁调制对激光信号接收的影响，而低频光束跳动角度对近距离f s o 系 统接收光功率的影响可以忽略。 4 背景噪声 当太阳光直射空间光通信接收机时，会对设备造成影响，在安装时应注意避免太 阳光的平行射入，这一点比较容易做到。另外，来自云层、建筑物和各种人工光源的 辐射，可能进入接收机，使光子流具有统计起伏的特性，可在接收机的前面增加窄带 滤光装置，并在结构设计上采取增加遮阳板等措施。 5 位置偏移 由于阳光、风力、季节的变化引起建筑物及固定基座的位置发生偏移，通常最大达 到4 m r a d 2 层楼，这会导致f s o 系统光学收发天线的对准误差。基座晃动角度与时间 周期和晃动原因有关，由阳光照射建筑物产生温差所引起的晃动角度在一个季节时段 内不大于l m r a d l o 层楼，而大风和地震等情况下f s o 基座的晃动更为严重。产生位置 偏移的另一个原因是“海市蜃楼”效应。这是由于大气层温度分布时，大气折射率随 温度变化，从而引起光束的偏转。这样的位置偏移会随着天气条件变化。 采用自动跟踪一如用c c d 利用激光强度或波形来自动定位，或者改变波束发散角 一如采用变焦的办法可以减小位置偏移的影响。自动跟踪系统可以保持光束对准，而无 需经常校准，当光束方向有微小变化时，自动跟踪系统可随时调整接收器天线的方向， 但是成本高。采用光束发散技术来克服短期基座的小于1t ir a d 的晃动，通过定期人工 校准来解决季节变化和大风地震等特殊情况下的基座较大角度的晃动【1 3 1 。 6 空中障碍 飞行的小鸟和空中其它能阻断光束的障碍物会对f s o 系统造成干扰。因此在安装 f s o 设备时应该避免附近有非常大的飞行物飞过。在技术上采用偏激光法和阵列多点发 射都可减轻小的飞行物对通信造成的影响。另外，采用空间分集接收的方式或冗余备 份链路的办法也可以。若飞行物正好飞过非常靠近f s o 设备处，则对于数据通信而言， 由于包交换一般具有重发机制，对通信不会造成任何影响；对电信应用而言( 电路交换) ， 则会中断几个微秒。 第三章光发射系统设计 3 1 光发射系统基本原理与结构 1 光发射系统的设计考虑【1 4 】 在光通信系统中，由光发射系统来完成将电信号转变为光信号的功能。光发射系 统的关键器件就是光源，因此必须合理选取光源。在3 2 节中将详细介绍光源的选取。 在电路系统设计中，为保证设备能适应野外环境，所有电路器件的选择应从严要求， 尽量选用宽温器件：为保证设备工作的可靠性，尽量采用性能良好且成熟的电路功能模 块。 2 光发射系统的基本结构 光发射系统主要由光源、调制驱动电路、光学天线等功能部分组成。其原理框图 如图3 1 所示。 信调 激 发 号 制射 出射光束 输电 光 天 入路 器 线 图3 1 光发射系统结构 调制驱动电路的作用是把基带视频信号调制成适宜在信道上传输的频率波形。由 于垂直腔面发射半导体激光器的发射功率受温度变化影响，因此一般还要增加自动温 度控制电路。自动跟踪瞄准系统设计非常复杂，而本文的目标是研制作用距离l k m 定 点工作的通信系统，使用手动瞄准就可满足系统要求，所以暂不考虑自动跟踪瞄准系 统。 3 2 激光器的选择 3 2 1 激光器介绍 f s o 系统所采用的激光器主要要求：高输出功率、高调制速率、能量消耗低、光束 质量好、适应于大的温度范围、平均故障时间较长等。 目前，主要有三种类型的激光器可供f s o 系统选择【”1 ：( 1 ) c 0 ：气体激光器；( 2 ) 激 光泵浦的n d ：y a g 固体激光器，工作波长1 0 6 4 n m ，并可以倍频；( 3 ) 半导体激光器，工 作波长7 8 0 - 1 5 5 0 n m 。上世纪七十年代，c 0 2 气体激光器在通信网中最具吸引力，因为它 们的电光转换效率较高、寿命较长，缺点是可靠性较差。自从1 9 8 0 年以来，固体及半 导体激光器的发展非常快，目前使用最多的是半导体激光器和n d ：y a g 固体激光器。 n d ：y a g 激光器输出光束质量较高，有很好的时间和空间相干性。光谱线宽与光束发散 角均比半导体激光器小几个数量级，因此可采用相干探测方式，提高探测灵敏度。在 1 4 目前的研究中，这一波段在卫星间激光通信中较为常用。其缺点是输出连续波，通过 外调制才能负载信息，实现较为困难。半导体激光器可靠性好、效率高、体积小，且 便于采用内调制，是f s o 系统的首选激光器。但传统的l d 激光器光束质量较差，横模 特性不理想，且发散角较大，光斑为椭圆形，增加了光束准直以及与光纤耦合的难度。 同时，对于高速应用，1 g b p s 以上的l d 价格一直居高不下。 v c s e l 的出现解决了上述的诸多问题。在v c s e l 激光器中，分布布拉格反射器形成 了腔体反射镜装置，而腔体本身由解理层( 反射镜) 和量子阱有源区，以及将光引导到 表面发射的结构组成，如图3 2 所示。基于这种特殊结构，光可以从v c s e l 的底部或 顶部输出，由于腔体的长度非常短，输出的激光谱将会非常窄，此外，v c s e l 的平面性 允许设计对称的横截面，所以能产生圆形的输出光波。由于是底部或顶部输出，生产 过程中可先进行原位测试，然后切割封装，使v c s e l 的生产成本和测试费用也比l d 要 低。同时v c s e l 的阈值电流很小，效率较高，因而能量损失很小。目前v c s e l 的调制 速率已达到l o g b p s ，并已商用。在波长方面，8 5 0 n m 波段的v c s e l 技术已经成熟，是 最成功的v c s e l 产品。目前v c s e l 的输出功率还比较低，一般不大于l o m w ，但研究趋 势显示，提高输出功率是v c s e l 的一个重要研究方向，正不断取得进展。v c s e l 激光器 是光发送部分的重要器件，它的工作稳定性和可靠性决定了整个系统的稳定性和可靠 性【1 6 】。 光输出 图3 2v c s e l 激光器结构示意图 3 2 2 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。因此激光器的中心波长、输出功率的合理 选择最为关键。 1 激光波长的选择 波长的选择主要考虑：光波