第四章航天器通信内容之深空光通信

1、Deep space optical Deep space optical communications(communications(深空光通信深空光通信) )uSending and receiving data from space crafts has been a challenging problem since 1950suCommunication over deep-space distances is extremely difficult, much more difficult than satellite communicationsuCommunications b

2、eams spread as the square of the distance between the transmitter and the receiver2 The distance from Earth to Neptune or Pluto can be on the order of 4,000,000,000 km. After propagating over such a distance, the communications beam from a spacecraft will spread to an area 10 billion times (100 dB)

3、larger in area than if the beam from the same system traveled from just the GEO distance (40,000 km). A system capable of transmitting 10 Gbps from GEO to the ground would only achieve 1 bps from Pluto/Neptune distances.Deep-Space Optical Communications3 Optical communications has lower divergence c

4、ompared to RF Comparison of RF and optical beam spreads from Saturn.Deep-Space Optical Communications4 An important factor for a high data-rate deep-space optical link is the laser transmitter Lasers are required to have High output power Low divergenceDeep-Space Optical Communications56METOL MARS-E

5、ARTH Terahertz Optical LinkCritical Event Monitor UHF: Critical Event Monitor UHF: 1 - 16 kbps1 - 16 kbpsSmall Lander UHF:Small Lander UHF:128 kbps (150 Mb in 20 minutes)128 kbps (150 Mb in 20 minutes)MER-Class UHF: MER-Class UHF: 128 kbps (1 Gb/sol)128 kbps (1 Gb/sol)Directional X-band: Directional

6、 X-band: 1 Mbps (10 Gb/sol)1 Mbps (10 Gb/sol)X-band: up to 4 MbpsX-band: up to 4 Mbps(28 Gb/2 hrs)(28 Gb/2 hrs)RF Back-upRF Back-up100 W 1.07 micron Laser100 W 1.07 micron Laser 1 - 10 Gbps 1 - 10 Gbps5 W 1.54 micron Laser5 W 1.54 micron Laser 1 - 10 Gbps 1 - 10 Gbps5W 26 GHz 100 Mbps (RF) Cloud opa

7、city is an atmospheric physical phenomenon that jeopardizes optical links from deep space to any single ground station Clearly, when clouds are in the line-of-sight, the link is blocked Ground receiving telescopes need to be located in sites where cloud coverage is low and statistically predictable

8、To guarantee continuity of data delivery from deep space to ground, while the Earth is rotating, a global network of telescopes is necessary The selection of the sites for telescopes belonging to an optical deep space network (ODSN) is driven by considerations based, among other factors, on cloud-co

9、ver statisticsChannel Model7自由空间光通信（Free Space Optics）也叫做无线光通信，简称为FSO。 FSO技术具有高带宽、部署迅速、费用合理等优势。FSO技术以激光为载体，用点对点或点对多点方式实现连接。FSO通信不需要光纤而是以空气为介质，但由于其设备以发光二极管或激光二极管为光源，因此又有“无线光纤”之称。FSO的提出：“最后一公里”的新方案9 随着通信网建设的发展，局域网以及千兆以太网开始快速增长，将这些高速的局域网和千兆以太网连接到运营商的通信网络，必须依靠容量巨大的接入网络。当前有很多接入技术可供选择，比如光纤、微波、XDSL等. 光纤：敷设

10、时间长及高额投入限制了普及；微波：技术日渐成熟，但这种接入方式需要高额的初始投资（频谱许证），对业务提供商而言，这种接入方式不很经济； XDSL：铜缆是一种易得的传输媒质，但XDSL带宽太低。 而自由空间光通信FSO（Free Space Optics），作为一种新兴的宽带无线接入方式浮出水面，是解决宽带网络“最后一公里”的传输瓶颈的有效途径，FSO的出现引起了业界广泛地关注。10什么是光通信？ 光通信是一种以光波作为传输媒质的通信方式。光波和无线电波同都属于电磁波，但光波的频率比无线电波的频率高，波长比无线电波的波长短。101111通信波段划分及相应传输媒介通信波段划分及相应传输媒介频率频率

11、 Hz10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空间波长（自由空间波长（m）电力、电话电力、电话无线电、电视无线电、电视微波微波红外线红外线可见光可见光双铰线双铰线同轴电缆同轴电缆光纤光纤卫星卫星/微波微波AM无线电无线电FM无线电无线电频段频段划分划分传传输输介介质质12光通信按传输介质不同可分为光纤通信和大气激光通信。光纤通信：是以光波作为信息载体，以光纤作为传输介质的一种通信。光纤通信已成为广域网、城域网的主要传输方式之一。大气激

12、光通信：是利用大气作为传输介质的激光通信。光通信的分类12光通信有线光通信：光纤通信无线光通信：大气、海水、外层空间13u由于激光具有直线性和窄波束的特点，主要用于点对点视距传输。u技术具有与光纤技术相同的带宽传输能力，能以千兆的速度进行全双工通信且具成本上的优势。u与光纤通信不同的是，以大气为媒质，光载波信号通过大气而不是通过光纤来传送。系统还需要保证收发两点之间，光信号良好的准直稳定。FSO系统组成14无线光通信系统是在自由空间传送数据的。只要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，就可以进行通信。 一个无线光通信系统包括三个基本部分：发射机、信道和接收机FSOFSO通信

13、系统的工作通信系统的工作原理原理调制发射激光发射激光接收激光接收激光调制数据解调解调数据数据数据FSO的物理模型16FEC（Forward Error Correction ）-前向纠错APC（Automatic Power Control ）-自动功率控制ATC（Automatic Temperature Control ）-自动温度控制LD（Laser Diode ）-半导体激光器AGC（Automatic Gain Control ）-自动增益控制 驱动电路17半导体激光器（LD）是高速调制的理想光源。但是，半导体激光器对温度的变化很敏感。因此稳定的激光器的输出信号是必须考虑的问题。控制

14、电路的作用，就是消除温度变化和器件老化的影响，输出稳定光信号。因此除了一些特殊的发光器外，一般的半导体激光器发送机中都含有自动温度控制（ATC）与自动功率控制（APC）电路。18p自由空间光通信系统（自由空间光通信系统（FSO）是以大气作为传输媒质）是以大气作为传输媒质来进行光信号的传送的。只要在收发两个端机之间存在来进行光信号的传送的。只要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，通信就可以进无遮挡的视距路径和足够的光发射功率，通信就可以进行。行。p系统所用的基本技术是光电转换。在点对点传输的情系统所用的基本技术是光电转换。在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机

15、，可以实现全况下，每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双工的通信。双工的通信。p光发射机的光源受到电信号的调制，并通过作为天线光发射机的光源受到电信号的调制，并通过作为天线的光学望远镜，将光信号经过大气信道传送到接收端的的光学望远镜，将光信号经过大气信道传送到接收端的望远镜。望远镜。p高灵敏度的光接收机，将望远镜收到的光信号再转换高灵敏度的光接收机，将望远镜收到的光信号再转换成电信号。成电信号。光源19进行通信时，由于受到大气性能的影响，应考虑激光的功率和传输频率等特性。目前主要是有半导体激光器、固体激光器等。半导体激光器可以工作在1.06um左右，这是大气低损耗窗口，可以减小衰减。半导

16、体激光器具有体积小、转换效率高、低成本可直接调制等特点。实际的FSO系统多采用半导体激光器为光源。 光发送机20光发送机的性能-输出光功率及稳定性。发送机的输出光功率，实际上是发射端的端点测得的光的功率，因此也称为出端光功率。工程上光功率用相对值表示。发送机的输出功率大小直接影响系统的中继距离。光接收机21在无线光通信系统中，光接收机的任务是以最小的附加噪声与失真，恢复出经信道传输后光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性反映了整个光通信系统的性能。接收机由光检测器、滤波器及其他处理电路组成。光接收机性能22数字接收机的误码率（BER）-指的是数字信号中码元在传输过程出现差错的概率。灵敏度-

17、对数字接收机来说，灵敏度是指保证一定的误码率条件下，光接收机所能接收的最小光功率，一般用dBm作单位。动态范围-在满足一定误码率的指标下,最大功率和最小功率的差值。因为接收到的光信号已经很微弱，因此如何提高光接收机的灵敏度是研究接收机的主要问题。几种光通信链路室内FSOOOK（on-off keying） 当信源 bit率为R时，光发送器在间隔T=1/R内发送光脉冲P(t)来表示1，而用不发光来表示0。它所需的带宽与脉冲宽度成反比，约为R=1/T。 00 00 01 01 10 10 11 11T=1/R激光调制方式的研究PPM（pulse position modulation）调制方式：0

18、0 100001 010010 001011 0001DPIM (digital pulse interval modulation)调制方式：00 1001 10010 100011 10000调制方式功率利用率 频带利用率 传输容量 抗码间干扰能力 OOK 低高低最强PPM高低低一般DPIM高较低高较差FSO的关键技术29高功率激光光源技术高功率激光光源技术光收发天线和精密可靠的光束控制技术光收发天线和精密可靠的光束控制技术大气信道的研究大气信道的研究高灵敏度的信号探测和处理技术高灵敏度的信号探测和处理技术高精度的捕获、跟踪和瞄准高精度的捕获、跟踪和瞄准( ATP) ( ATP) 技术技术

19、 高功率激光光源技术30p 在FSO 通信中,背景光的干扰很强,所以在通信过程中需要大功率、低损耗光源,调制速率又要尽可能高。p光源的调制需要采用纠错技术,尽可能减少误码和突发误码。p主要采用800860 nm波段和1 550 nm 波段的光源。800 nm 波段光源研究时间较早,器件比较成熟，被广泛采用。pCCD （电荷耦合器件）能将光学信号转化为数字信号，实现光电转换。CCD与800nm、1550nm波长光源均兼容，CCD相关参数如表所示。选取1550nm的光源31 采用1 550 nm 的优点是光源调制速率高,并且波长稳定。同时考虑到1550nm的光波对于雾有更强的穿透能力，而且人眼更安

20、全，所以1550nm波长的FSO系统具有更广阔的使用前景。光收发天线和精密可靠的光束控制技术32 (1) 发射端的光束要进行准直,先将发射光束压缩到m rad 级,再通过发射镜将光束进一步准直为rad 级光束。(2) 接收端的接收天线将空间传播的光场收集并汇聚到探测器表面,接收天线的效率和尺寸对系统接收光功率的能力有重要影响。目前,该系统的天线直径为几厘米到25 cm。p发射天线的作用是对光束进行压缩，增大激光束的光腰半径；p接收天线的功能是压缩接收视野，增大接收面积，减少背景光干扰。p实际上光学天线相当于一个能接收自由空间某波长目标光微弱辐射的物镜。p它主要包括有透射式光学天线、反射式光学天

21、线。 33透射式光学天线透射式光学天线伽利略望远镜伽利略望远镜 由正光焦度的物镜和负光焦度的目镜组成。因为它是共虚焦点，其轴向间距为正透镜与负透镜焦距绝对值之差，所以整个光学系统轴向尺寸较小。其突出优点是共有虚焦点，可避免采用正透镜汇聚而引起的强光效应和对目镜的破坏，从而提高了能量的利用率。开普勒望远镜开普勒望远镜 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。 透射式望远镜的优点是制作简单，缺点是口径不能太大。34反射式光学天线格里高利型光学天线 它由抛物面主镜、位于主镜焦点之外的旋转椭球面次镜和透镜构成，其抛物面主镜焦点和椭球面次镜的一个焦

22、点重合，成像于主镜前方的远侧焦点处。牛顿型光学天线 使用一个弯曲的镜面将光线反射到一个焦点之上，使其放大倍数大大增加，并且采用球面反射镜作为主镜。35卡塞格伦光学天线 它由抛物面主镜、抛物面或双曲面次镜和透镜构成，其内侧焦点与主镜焦点重合，成像于主镜后方的外侧焦点处。卡塞格伦系统的优点是：口径大；无色差；可用波段范围宽；采用非球面镜后，有较大的消像差能力，光学系统结构简单，像质优良。其不足之处是：不易得到较大的视场。3637大气信道的研究 l 在FSO 通信中,大气中的气体分子、水雾、雪、气溶胶等粒子,其几何尺寸与半导体激光的波长相近甚至更小,这会引起光的吸收、散射、折射。l在强急流的情况下,

23、还可能发生波前畸变、强度抖动、多径衰减、云层遮断,光信号将受到严重干扰,甚至脱靶。37研究大气信道的意义大气信道可以看作是一个函数：y=f(x)，x为发送的数据，y为接收的数据。研究大气信道，就是要利用接收到的y对x做出最准确的估计。 信道f(x)发送的数据接收的数据用y估计x大气中的粒子引起的散射39天气对通信的影响40解决方法41u 在有雾的天气一般采用增大发射功率的办法,因此多选用1 550 nm 波长设备,运营商需要根据当地的气候特点确定合适的通信距离。u针对设备可靠性的解决方案,采用不需许可证的微波作为备份节点,特别是在网状结构的重要地点,因为微波对雾的抗扰能力强,不过实际中只有很少

24、的时间需要倒换到微波上。高灵敏度的信号探测和处理技术42 FSO 系统中,激光束的强度是与距离的平方成反比,所以光接收机接收到的信号十分微弱。在高背景噪声场(如太阳光、月光、星光等) 的干扰下,会导致接收端信噪比小于1 ,即信号淹没在噪声中。为快速、精确地捕获目标和接收信号, 采取了表3 所示的提高接收灵敏度和 信噪比的措施。解决方法43高精度的捕获、跟踪和瞄准( ATP) 技术44p ATP 主要解决收发双方光束彼此对准的问题,并且在整个通信过程中保持稳定。p在数据传输前发射器发送的光束对准接收机所在的方向,先探测对方发出的信标,依据接收的信标进行捕获和跟踪,然后回传信标给对方,系统便逐渐实

25、现瞄准,最终双方建立光传输信道,实现双向通信。p要求：ATP 的跟踪精度优于2 rad , 瞄准精度优于1rad。45 但经过空间信道的传输,光束会受到外界环境的影响而发生折射、反射和散射等现象,从而造成光信号衰减和失真,接收机必须准确捕获发射过来的光束,在整个通信过程中维持信号跟踪。解决方法46 发送信号时由于外部不可避免的抖动会引起误差,因此引入自适应反馈控制系统对抖动引起的误差进行补偿,用该补偿信号来控制发射振镜系统。空间分集技术47传统的FSO端对端通信，采用单发射器和唯一的接受天线，为了使激光发射器保持瞄准接收机激光探测器，必须保证激光发射器的光束发散角在几十个微弧度之内。但是经过几

26、公里，会在接受机平面产生一个半径较大的光斑，但接收机的口径有限，只能接收到光斑的一部分能量，所以就产生了光能量的几何空间损耗，损耗的大小与发射光束的发散角，接受探测器孔径尺寸，通信距离以及瞄准偏差有关。为了增大接受端的光能量，可以采用多发射端的空间分集技术来改善信噪比，降低误码率。不分集48光斑面积单位面积的光功率密度（OPD）分集采用光分路将一束光将两个不同发射角的发射光束A、B进行光传输（如图）。49A采用小发射角，B采用大发射角，L为最远传输距离，发射机移动的距离为x。当L变大时，由于两束光功率叠加避免远距离传输时接受光功率过小而难以探测；当L变小时，窄光束A光斑面积随着变小，宽光束B尽

27、可能取得最大避免光斑过小受不到不可预知震动而失去链路。50FSO六大特点51频带宽，速率高频谱资源丰富适用任何通信协议架设灵活便捷安全可靠成本低52FSO的特点和优势 一 频带宽，速率高 FSO的传输带宽与光纤通信的传输带宽相同，只是光纤通信中的光信号在光纤介质中传输，而FSO的光信号在空气介质中传输。FSO产品目前最高速率可达2.5 Gbit/s，最远可传送4 km。p点到点：155Mb/s10Gb/s 2-4公里 p点到多点：155Mb/s10Gb/s 12公里p网状网：622Mb/s 200400米 p深空：速率更高，距离更远 52FSO的特点和优势 二53频谱资源丰富 （无需频谱许可证

28、） 无线光通讯因设备间没有信号的相互干扰。FSO与大多数低频段电磁波不同的是，300GHz以上的电磁波频段的应用在全球都不受限制，可以免费使用，故无需像无线电通讯（如微波、LMDS）那样申请频率许可证。唯一的要求设备功率不能超过国际电子技术委员会规定的功率上限（IEC60825-I标准）FSO的特点和优势 三54适用任何通信协议 适用于任何环境，不依赖某种协议。现在通信网络常用的SDH、ATM、以太网、快速以太网等都能通过，并可支持2.5 Gbit/s的传输速率，用于传输数据、声音和影像等各种信息。55架设灵活便捷 FSO可以直接架设在屋顶，以及在江河湖海上进行通信，可以完成地对空、空对空等多

29、种光纤通信无法完成的通信任务，而且无需埋设光纤，可以在几小时内建立起通信链路，方便快捷，大大缩短了施工周期。 FSO的特点和优势 四FSO的特点和优势 五56安全可靠 无线光通信的安全性是非常显著的，光无线通信的波束很窄，定向性非常好。光源可使用非可视光，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。用户到集线器之间的链路通常是加密的，安全保密性较强。FSO的特点和优势 六57成本低 光纤网络的成本通常很高，铺设过程耗时，而且投资不可撤回，而无线光通信技术可以在城域光网之外提供高带宽连接，而成本只有在地下埋设光缆的五分之一。58接入方式各种性能接入方式各种性能光纤接入光纤接入

30、微波接入微波接入 大气大气F S OF S O带带 宽宽Gbps以上较 低100Mbps-2.5Gbps保保 密密 性性好较 差好传传 输输 距距 离离120公里以上60公里4公里成成 本本10-20万美元/公里2-3万美元/套2-3万美元/套建建 设设 速速 度度4-12月2-3天2-3天市市 政政 许许 可可有无无频频 率率 许许 可可无有无便便 携携 性性困 难 一 般方 便维维 护护复 杂一 般简 便59大气光通信的应用大气光通信可在以下一些范围发挥重要作用： 1、可以作为预防服务中断的光纤通信和微波通信的备份 2、可以应用于移动通信基站间的互连，无线基站数据回传3、用于近距离高速网的

31、建设以及最后一英里接入4、用于不宜布线或是布线成本高、施工难度大、经市政部门审批困难的地方5、在军事设施或其他要害部门需要严格保密的场合6、用于企业内部网互连和数据传输5960军事应用：蓝绿光通信611981年5月，美国在圣地亚哥海域上空，采用530nm的激光束从一架飞行在1.3万米高度的飞机与巡航在300米深度的核潜艇成功的实现无线光通信 。通过星载激光系统、机载激光系统、陆基反射镜系统还可以实现潜艇与卫星、潜艇与飞机、潜艇与地面指挥所的实时保密通信。 美国当前正在研制的深潜航母就计划采用先进的蓝绿光通信与中微子通信相结合的通信方式。蓝绿光通信62它是一种使用波长介于蓝光与绿光之间的激光，在

32、海水中传输信息的通信方式，是目前较好的一种水下通信手段。 利用450570nm的激光束在深海里进行通信波长459 nm的蓝绿光在大气中的透过率是65%，在2000米深度的海水中，其透光程度平均可达9095。蓝绿激光水下通信63基于无线光通信的高清晰数字传输系统6465无线光通信系统存在的问题视距问题 FSO是一种视距宽带通信技术，发射机与接收机之间需要严格的视线传播，当通信设备安装在高楼的顶部时，在风力的作用下建筑物会发生摆动，这样便会影响激光器的对准。由于大楼结构中某些部分的热胀或轻微的地震等原因，有时也会导致发射机和接收机无法对准。 65无线光通信系统存在的问题66天气影响 恶劣的天气情况，会对传播信号产生衰耗。空气中的散射粒子，会使光线在空间、时间和角度上产生偏差。大气中粒子还会吸收激光的能量，衰减信号的发射功率。无线光通信系统存在的问题67因此晴天对传输质量的影响最小，而雨、雪和雾对传输质量的影响则较大。据测试FSO受天气影响的衰减经验值分别为：晴天5-15dB/Km，雨天20-50dB/Km，雪天为50-150dB/Km，雾天为50-300 dB/Km。国外为解决这个问题，一般