無線光通信的技術(shù)研究

摘要： 無線光通信是一種利用光波作為載波在自由空間中直接進行通信的一種方式，該技術(shù)具有廣闊的應用前景。本文介紹了無線光通信的工作原理及組成，并介紹了幾種常見問題的解決方案。

關(guān)鍵詞： FSO 無線光通信 ATP

1.前言

最初，在出現(xiàn)了激光器這一理想光源后，人們就是沿用無線通信的原理，利用大氣作為傳輸通道，直接進行光通信的。但由于當時技術(shù)的限制，比如傳輸距離較短，受天氣影響嚴重等問題的制約，其發(fā)展一直停滯不前。無線光通信憑借其特有的優(yōu)越性，最近幾年來，又受到國內(nèi)外眾多企業(yè)及運營商的普遍重視。

無線光通信，又稱“自由空間光通信”FSO（FreeSpace Optical Communication）或“虛擬光纖”（VirtualFiber），是光在自由空間（大氣，外太空或水）中直接進行通信的一種方式。

近年來，人們對通信的速率及容量的要求越來越高，現(xiàn)有的通信系統(tǒng)80%以上都采用的是光纖通信系統(tǒng)。但用戶接入網(wǎng)的光纖化由于其費時費力，且成本高而發(fā)展受阻，而無線光通信由于其安裝簡單，費用低，而成為用戶接入網(wǎng)“最后一公里”的最好的解決方案。另外，對于一些突發(fā)事件造成的通信中斷，無線光通信也是一個非常好的應急方案。例如，美國“9.11”事件發(fā)生后部分地區(qū)的應急通信就采用了很多的無線光通信技術(shù)。最近幾年國內(nèi)外的許多企業(yè)都在無線光通信的技術(shù)上都有新突破，有的已經(jīng)投入商用，比如美國朗訊公司的2.5×4Gb/s的波分復用系統(tǒng)，日本佳能公司的無線光通信系統(tǒng)等。筆者總結(jié)了這方面的技術(shù)，以便有更多的人才關(guān)注這一方面的技術(shù)。

2.工作原理

無線光通信是光纖通信和無線通信的結(jié)合，利用激光在自由空間內(nèi)進行通信，可傳輸話音、視頻等多種業(yè)務(wù)，其速率最高可達2.5Gb/s。一個完整的無線光通信系統(tǒng)主要由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩部分組成。其原理框圖如圖1所示。

發(fā)射系統(tǒng)主要由編碼器、調(diào)制器、光源和發(fā)射天線組成。由于大氣信道的不穩(wěn)定，大氣激光通信中的誤碼問題較為嚴重，所以利用編碼器進行前項糾錯處理，然后將信號送至光調(diào)制器，調(diào)制到一個由激光器產(chǎn)生的激光束上，利用發(fā)射天線發(fā)送，經(jīng)過大氣信道的傳輸，到達接收端。接收系統(tǒng)主要由接收天線、光檢測器、解調(diào)器及譯碼器組成，其工作過程與發(fā)送過程相反。接收天線接收到信號后，經(jīng)光檢測器和調(diào)制器將其轉(zhuǎn)換為相應電信號，最后經(jīng)譯碼器輸出。

接收光學天線的任務(wù)是將一定面積內(nèi)的信號光會聚到光檢測器上，目的是增大接收光信號的功率；發(fā)送光學天線的任務(wù)是壓縮光束發(fā)散角，降低激光束在大氣中傳播時的發(fā)散損耗。一般來說，由于成本和維護的考慮，大氣激光通信大都采用折射式光學天線。

3.無線光通信中常見問題及解決方案

（1）大氣湍流的影響

大氣湍流就是大氣各點的密度不均勻的微小起伏，是由于地球表面的空氣的不斷對流引起的。密度的變動造成折射率的變化，激光束通過時，就會偏離原來的方向，發(fā)生不穩(wěn)定的折射偏折，這種現(xiàn)象也叫做“大氣抖動”。由于接收點固定不動，收到的光信號強度就會有起伏變化，帶來強烈的干擾。

對于這個問題可以采用差錯編碼技術(shù)來控制其影響，目前采用Tubro碼可以很好地改善大氣湍流對接收光強的影響。如下圖所示：Tubro碼編碼系統(tǒng)與未編碼系統(tǒng)的性能比較。

（2）大氣衰減的影響

激光器作為一種理想的光源，具有體積小、壽命長、調(diào)制方便，而且發(fā)射光束單色性好、方向好等特點。民用無線光通信系統(tǒng)主要選用的是半導體激光器。對于其工作波長，由于存在大氣衰減，即因大氣對光束的吸收和散射作用引起的信號能量減弱，又因為大氣的散射作用與大氣中微粒的數(shù)目和大小有關(guān)，而且對于不同波長的電磁波，大氣的衰減作用也不同（如圖3所示）。在圖中，我們可以看到720nm—15000nm的光波在大氣中的透射特性。顯然，為了盡可能消除大氣帶來的損耗，通信波長應選擇在大氣“窗口”位置。大氣激光通信一般采用的850nm、1550nm波長均位于大氣透射的“窗口”中，因此透射率很高，大氣損耗小。又因為目前光纖通信一般都選擇1550nm波長，可用器件選擇余地大，而且1550nm波長的光源在通信性能和人眼安全性上都有更好的表現(xiàn)，所以無線光通信一般選擇工作波長為1550nm。

（3）建筑物晃動的影響

建筑物晃動將影響兩個點之間的激光對準，其最大值可達4mard/2層樓。對于大氣激光通信來說，為了保證光傳輸鏈路的性能，光鏈路兩端的對準（捕獲）和保持（跟蹤）至關(guān)重要。但在對準之后，在風力和其他因素的作用下，建筑物會有一些晃動，就必須要求鏈路兩端設(shè)備必須具備自動跟蹤的能力。

對于這種問題可以采用散光法和自動跟描技術(shù)又稱（ATP技術(shù)）來解決。

所謂散光法就是讓激光束以較大的角發(fā)送，這樣到達接收端時光束就會形成一個很大的光錐。但是，若發(fā)射角太大，則通信距離和接收端信號的強度都會受到相應的影響。

高精確的捕獲（Acquisition）、跟蹤（Track-ing）和瞄準（Pointing）技術(shù)可以避免這個問題，所以已經(jīng)成為無線激光通信中的關(guān)鍵技術(shù)。ATP系統(tǒng)主要包括兩個子系統(tǒng)：

1）預對準系統(tǒng)：根據(jù)預先設(shè)定的通信方向，控制光束方向，使其能較為準確地對準光接收器。

2）跟蹤系統(tǒng)：可分為粗跟蹤系統(tǒng)和精跟蹤系統(tǒng)，在不同視角/視場范圍內(nèi)捕獲目標，并對目標跟蹤，然后將目標控制在跟蹤能夠?qū)崿F(xiàn)的范圍內(nèi)，始終使系統(tǒng)處于最佳接收位置。位置探測如下圖4所示，較為常用的探測器有PSD、CCD和QD。粗跟蹤系統(tǒng)常采用CCD來實現(xiàn)，并與帶通光濾波器、信號實時處理的伺服執(zhí)行機構(gòu)完成粗跟蹤目標的捕獲，其捕獲范圍可達±1°—±20°或更大。精跟蹤系統(tǒng)通常采用四象限紅外探測器QD或Q-APD高靈敏度位置傳感器來實現(xiàn)，并配以相應的電子學伺服控制系統(tǒng)，其要求現(xiàn)場角為幾百微弧度，跟蹤精度為微弧度，跟蹤靈敏度為微幾mW。

4.結(jié)束語

無線光通信由于具有與多優(yōu)點，比如無需申請頻帶許可證，組網(wǎng)方便，安全性好，抗干擾性好，故在一些應急場合、特殊場合，如高電磁干擾場合、不易布線的場合，還有一些軍事部門的應用前情都非常好，在未來的通信市場有非常廣闊的前景。

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