无线光通信系统(光通讯系统的特点)

   光通信
        光通信是一种利用激光传输信息的通信方式。激光是一种新型光源,具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特征。按光信号是否通过光纤传输,可分为有线光通信和无线光通信。按光传输媒质的不同,光通信又可分为光纤通信、自由空间光通信、蓝绿光通信和LED灯光通信等。自由空间光通信传输介质是大气,蓝绿光通信是海水,光纤通信是光纤。自由空间光通信又分近地大气光通信、卫星间光通信、星地间光通信。
       自由空间光通信与微波通信相比,具有调制速率高、频带宽、天线尺寸小、功耗低、保密性好、抗干扰和截获能力强、不占用频谱资源等特点;与光纤通信相比,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。自由空间光通信可以在一定程度弥补光纤通信和微波通信的不足。自由空间光通信设备或天线可以直接架设在屋顶,既不需要申请频率执照,也无须敷设管道挖掘马路。在点对点系统中,在确定发/收两点之间视线不受阻挡之后,一般可在数小时之内安装完毕,投入运行。
       我的人生哲学就是工作,我要揭示大自然的奥秘,并以此为人类造福。我们短暂的一生中,我不知道还有什么比这种服务更好的了。—爱迪生(T.A.Edison)
        无线光通信端机由光学天线(望远镜)、激光发射/接收机、信号处理单元、自动跟瞄系统等部分组成。光发射机光源采用激光器(LD)或发光二极管(LED),光接收机采用PIN光电二极管或雪崩光电二极管(APD),无线光通信的模型如图12.1.1所示。
无线光通信系统(图2)
图12.1.1无线光通信的模型

一、 光学天线

       卫星光通信系统是相隔极远距离的光发射机和光接收机之间的高速数据传输系统,其技术难点来自于超远的距离、链路的动态变化和复杂的空间环境。光学系统是卫星光通信系统的主体,它的主要作用是由光发射机光学系统将需要传输的光信号有效地发向光接收机。卫星光通信光学系统的基本结构如图12.1.2所示,主要分为发射光路和接收光
路。发射光学系统主要由激光器、整形透镜组、瞄准镜和发射光学天线组成。接收光学系统主要由接收光学天线、分色镜、分光镜、滤光器和光探测器组成。在收/发共用的卫星光通信终端中,光学天线既用于发射光信号,也用于接收光信号。发射天线的主要作用是压缩发射光束发散角和缩短发射光路筒长,而接收光学天线的主要作用是扩大接收口径,以便接收到更多的光发射机光场功率。
       通常,天线采用卡塞格伦(Cassegrain)望远镜,它包含两个镜子,一个是抛物面柱形凹面镜,称为主镜,另一个是双曲凸面镜,称为副镜。卡塞格伦望远镜具有低成本和有限发散角的优点。
无线光通信系统(图3)
图12.1.2卫星光通信光学系统示意图
       发射天线有单(或多)天线发射/单(或多)天线接收,多天线发射/多天线接收可以抑制大气湍流的影响。
       滤光器有光阑空间光滤光器、带外背景光滤光片等。光阑空间滤光器是一个中心孔状的金属薄片,其作用是限制成像光束大小,以降低接收光噪声,并避免光接收机出现饱和情况。这可通过反馈光接收机输出信号电平,控制光阑的孔径大小来实现。带外背景光是噪声的主要来源,吸收滤光片可以消除特定环境光和太阳光,可以设计成带通、高通或低通滤光片。高通滤光器可以滤除一些太阳光辐射,得到波长为1550nm的入射信号光。干涉滤光片,如多层电介质镜(图4.4.1)就具有带通滤光特性。
       为使光反射机和光接收机之间的光路链路稳定,发射光学系统又分为信标发射子系统和信号发射子系统,而接收光学系统则进一步分为跟踪接收子系统和通信接收子系统。
       为完成系统双向互逆跟踪,空间光通信系统均采用收、发一体天线。由于半导体二极管激光器(LD)光束质量一般较差,要求天线增益高,结构紧凑轻巧、稳定可靠。目前天线口径一般为几厘米至25厘米。比如日本宇宙开发事业团研制的低轨(轨道高度600km)测试卫星终端,卡塞格伦望远镜天线孔径26cm,发射波长847nm,发射功率40mW,调制方式为非归零(NRZ)脉冲,数据速率49Mbit/s。

二、 光发射机

       卫星激光通信系统除光学系统外,还有光发射机和光接收机。光发射机的主要作用是将原始信息编码的电信号转换为适合空间传输的光信号,它主要包括激光器、调制器和控制电路。如图12.1.1所示,光发射机由信道编码、激光器驱动电路、光调制电路、光信号放大器以及发射天线组成。

1. 激光器

       激光器用于产生光束质量好的激光信号,它的好坏直接影响通信质量及通信距离,对系统整体性能影响很大,因而对它的选择十分重要。空间光通信具有传输距离长、空间损耗大的特点,因此要求光发射系统中的激光器输出功率大、调制速率高。一般用于空间通信的激光器有三类。
       1) 二氧化碳激光器、输出功率最大,可超过10kW,激光波长有10.6μm和9.6μm两种,缺点是体积较大、寿命较短,现在已不使用了。
       2) 倍频Nd:YAG激光器:波长范围为514~532nm,具有较强的抗干扰能力和穿透大气能力。
       3) 半导体激光器(LD)泵浦的固体(Nd:YAG)激光器:当用810~750nm波长的光泵浦时,可得到波长为1064nm的几瓦连续输出光,如图12.1.3所示。在图12.1.3a中,激光谐振腔的形状是环形,由Nd:YAG棒和两个反射镜组成,法拉第旋转器和半波片保证其单向工作。在图12.1.3b中,激光谐振腔超短,只有一个纵模工作,输入耦合镜对808nm波长激光具有高的透光率、对1064nm激光具有高的反射率;输出耦合镜使808nm波长激光反射回腔内、允许1064nm激光透射出去。在这两种激光器中,波长的调谐可通过改变晶体的温度,进而改变腔体的长度来实现,一种微片激光器的调谐率为3.44GHz/℃。Nd+3:YAG激光器晶体具有高的热传导率,易于散热,不仅可以单次脉冲工作,还可以用于高重复率或连续运转。Nd+3:YAG连续激光器的最大输出功率已超过
1000W,每秒几十次重复频率的调Q激光器,其峰值功率甚至可达数百兆瓦。这种激光器相干性好、体积小、适用于卫星间光通信。
       在深空光通信系统设计的初期,大多采用1064nm的Nd:YAG调Q激光器,其峰值功率在1000W。随着元器件的发展,目前光纤器件已经成熟且商品化,国外开始考虑大量采用光纤器件来设计深空光通信系统,以满足深空光通信终端小型化、轻量化和低功耗的要求。比如发射机采用掺镱光纤1064nmDFB激光器、LiNbO3M-Z外调制器和掺镱光纤功率放大器,可以支持64位的PPM调制。
无线光通信系统(图4)
图12.1.3Nd:YAG激光器a)棒形激光器b)微片单纵模激光器
       在外差检测系统中,半导体激光器和固体激光器都可以作为激光发射光源。零差系统要求更大的边模抑制比,更好的光谱特性,所以常采用固体激光器。
       激光二极管(LD)具有效率高、结构简单、体积小、重量轻、可直接调制等优点,所以,现在的许多空间光通信系统都采用LD作为光源。例如波长为800~860nm的AlGaAs LD和波长为970~1550nm的InGaAsLD,其中最常用的波长为1550nm。由于AlGaAsLD具有简单、高效的特点,该波长范围的APD量子效率最高(830nm波长0.8)、增益高(300),并且与捕获跟踪用CCD阵列器件波长兼容,在空间光通信中是一个较好的选择。
       大多数无线光通信链路采用天基发射器,要求激光源输出功率低于10W。无线光通信系统可采用多个通信波长,在所有的通信波长激光器中,1550nm波长商用半导体激光器最受关注,因为该波长大气衰减较小,可应用于直接调制和外调制,紧凑高效,其缺点是单纵模输出功率仅为1W量级,多纵模输出可达几瓦。典型的外调制器需要非常苛刻的输入光束质量,通常也不允许多模光纤输入,而且,大多数外调制器不接受几瓦量级的输入。此外,也可使用半导体激光器(LD)泵浦固体激光器,因为输出功率可达数瓦,其缺点是效率低、调制速率低、热耗大。

2. 编码、调制及解调

(1) 信道编码
       信道编码是在信号数据码流中,插入一些冗余码元,以便在接收端进行判错和纠错,提高系统可靠性(见9.1.2节),其代价是牺牲传输有用的信息数据。降低系统误码率是信道编码的基本任务。
(2) 开关键控(OOK)调制
       调制是让光信号的幅度、频率、相位或偏振携带电数据信号,即完成电/光转换过程。在无线光通信系统中,由于相位检测困难、带宽限制、接收机灵敏度不高,码间干扰容易,光发射机通常让光信号幅度或位置承载信息,所以通常采用开关键控调制(OOK)或脉冲位置调制(PPM)的光强度调制(IM),而在接收端采用直接检测(DD)。
        开关键控调制是最简单的幅度控制方式,二进制“1”发送脉冲,激光器发光,接收机光探测器有光生电流输出;二进制“0”不发送脉冲,激光器不发光,接收机光探测器光生电流为0。非归零(NRZ)二进制码如图12.1.4a。对于NRZ-OOK调制,一个脉冲的持续时间相当于1bit,如图12.1.4b所示;归零脉冲(RZ)OOK调制,一个脉冲的持续时间小于1bit,如图12.1.4c所示。
(3) 脉冲位置调制(PPM)
       OOK方式实现简单,如图12.1.4f所示,传输容量大,但功率利用率低,而且抗干扰能力差;PPM是利用脉冲位置来代表信息,相对OOK提高了能量利用率,但是很大程度上牺牲了带宽利用率。脉冲位置调制是将一组n位二进制数据映射成为2n个时隙组成的时间段上的某一个时隙处的单个脉冲信号,脉冲的位置就是二进制数据对应的十进制数。即调制信号使载波脉冲串中每一个脉冲产生的时间发生改变,而不改变其形状和幅度,如图12.1.4e所示。由此可见,脉冲位置调制是基于脉冲位置来传送信息的,大部分能量集中在很容易通过耦合电容的高频端,从接收到的脉冲位置信号,根据解码定时关系,就很容易恢复出发送端的双极信号,如图12.1.4h所示。PPM适合要求数据速率低、灵敏度高的深空通信中应用。
(4) 差分相移键控(DPSK)调制
      差分相移键控(DPSK)调制每发射1bit信息,光载波的相位变化π;每发射0bit信息,光载波的相位保持不变,如图12.1.4d所示。在接收机中,采用每比特与前一个比特(经1比特延迟线得到)相干检测,在具体应用中,可采用平衡相干接收解调,如图12.1.4g所示。
       以上介绍的开关键控调制、差分相移键控调制和脉冲位置调制是直接调制,它通过控制驱动LD的电流直接对光源光强进行调制,如图6.4.1a所示,这种调制方法可以实现1GHz速率调制亚瓦级的激光输出。此外,还有间接调制,它是对光源发出的光通过外调制器对其调制,也称为外调制,如图6.4.1c所示。外调制有M-Z电光调制(见4.1.2节)和电吸收调制两种,但外调制不接受几瓦量级的输入光功率。
无线光通信系统(图5)
图12.1.4  适合无线光通信的调制与解调
a)非归零二进制码(NRZ)b)NRZ码开关键控(NRZ-OOK)
c)归零码开关键控(RZ-OOK)d)RZ-DPSK调制e)脉冲位置调制(PPM)f)OOK直接探测g)平衡探测延迟解调DPSKh)PPM接收解调

3. 光放大

       如果通信距离很远,激光器输出的光功率不足以传输这样远的距离,则采用光放大器对光信号放大。光放大器有半导体光放大器(SOA)和光纤放大器(掺铒光纤放大器和光纤拉曼放大器)(见第8章)。
       为了实现大的输出功率,通常采用每一级放大增益不同的多级放大,如图12.1.5所示。光纤放大器的几种典型结构是,半导体激光器泵浦/掺铒(或掺钕或掺镱)光纤放大器、钕光纤(或镱光纤)泵浦共掺镱和铒光纤放大器。采用前向和后向双向泵浦方式对掺杂光纤进行泵浦。光隔离器(见5.2节)的作用是阻止后向散射光对本级光放大器的影响。掺稀土元素光纤激光器和光放大器是当今远程无线光通信系统中的关键技术。目前,双包层掺杂光纤激光器可以实现高功率和高效率输出(见原荣编著《光纤通信技术(第2版)》4.5.2节)。输出功率从1mW可提高到数千毫瓦。
无线光通信系统(图6)
图12.1.5三级光放大器级联输出高功率光信号
       基于光纤放大器的光发射机与传统的LD泵浦的固体激光器光发射机相比,具有以下主要优点。
(1) 电/光转换效率高
       现在,商用LD可实现电/光转换效率超过65%,掺铒(Er)光纤放大器转换效率为23%,而掺钕(Yb)光纤放大器转换效率甚至超过70%。
(2) 光束质量好、方向性稳定
      光纤放大器采用单模光纤,可以获得稳定性高、方向性好的空间激光光束。
(3) 航天适用性强
       航天光学机械要求光源紧凑、可靠和轻便,基于光纤的激光发射机可以同时满足所有这些要求。
(4) 无须制冷
        与LD泵浦的固体(Nd:YAG)激光器相比,由于光纤放大器发射机热载荷同时分布在整个光纤上,无须采用制冷措施,这对提高激光器的能量转换效率,降低设备体积和尺寸非常重要。
(5) 可靠性高
       光纤放大器发射机采用光纤、光连接器和泵浦激光二极管,耐热耐振动,冗余设计容易,不足之处是耐辐射性能有所降低。

三、光接收机

      学而不思则罔,思而不学则殆。(一味读书而不思考,会陷入迷茫;一味空想而不学习,则一无所得。)
                                       ——孔子
       接收机包括对发射机光信号收集的天线、把空间光耦合进光纤的耦合单元、对弱光信号进行预先放大的前置放大器、把光信号转变成电信号的光探测器、恢复发射数据的解调器、抽样判决电路等。
       光信号检测有直接检测和相干检测,每种检测又有直接耦合检测和光纤耦合检测,如图12.1.1所示。如果采用多天线接收,则还要进行分布式检测。
       图12.1.6表示数字光接收机的通用结构,在直接检测接收机中,没有本振激光器,只有相干检测接收机才需要它。如果空间距离近,接收天线输出光信号足够大,也可以不需要光放大器。为了避免光学天线接收到的背景辐射的影响,通常采用中心波长为信号光波长λ的带通滤波器。滤波器的输出数据光信号经光探测器检测,转变为信号光生电流,经前置放大、基带处理后,进行抽样判决,恢复出光发射机发送来的数据信号。这是直接检测光接收机的接收过程。
       光探测器可以采用SiAPD、AlGaAsAPD,830nm波长时量子效率可以大于80%,增益达到300;对于GeAPD,1064nm波长时量子效率也可以达到80%,增益200。一般来说,光/电转换器与一个或多个低噪声跨阻抗放大器(图12.4.7b)结合,对接收光信号进行检测、放大,并进行自动增益控制,并通过反馈回路控制光阑孔径大小以避免放大器出现饱和情况。
无线光通信数字光接收机的通用结构
图12.1.6   无线光通信数字光接收机的通用结构
       如果是相干接收机,则本振激光器的输出本振光首先要和带通滤波器的输出信号光混频,如图9.5.1所示,然后被光探测器转换为与入射光信号成比例的电信号。相干检测光接收机与直接检测光接收机相比,不但提高了探测灵敏度,而且还可以检测相位或频率或偏振调制的光信号,如差分相移键控、正交相移键控、正交幅度调制信号。为了抑制相应的强度噪声、相位噪声或偏振噪声,可以采用平衡混频接收、相位分集接收或偏振分集接收。
       图12.1.7表示用于抑制强度噪声的双平衡混频相干接收原理图,该图只适用于直接耦合情况。本振光和信号光在棱镜1混频,混频后的光信号分成两路,分别送入同向支路I和正交支路Q,经平衡探测后,产生的光生电流分别送入I/Q差分放大器,差分放大器的输出就与直流分量无关,与此有关的强度噪声也随之消除。
无线光通信系统(图8)
图12.1.7可抑制强度噪声的双平衡混频相干接收机(直接耦合使用)
       如果采用光纤耦合,即接收天线的输出信号耦合到光纤,经光纤传输后的光信号再耦合到光探测器,则平衡混频接收机的前端部分(棱镜分光部分)要使用图10.3.3的结构,这种结构就要简单容易得多,可靠性也高得多。

四、 捕获、瞄准和跟踪

       微波通信天线发射功率大,发散角也大,不需要天线很精确对准;而无线光通信要求光束汇聚性能好,接收视场角小,激光发射功率又有限,这样使捕获、瞄准和跟踪就成为一个关键问题。目前已研究了多种方法以满足所要求的初始指向、空间捕获、精确跟踪和可靠通信等功能。一旦链路建立起来,就需要收/发两个激光通信终端必须在比通信束散角和接收视场大数个量级的扰动条件下,实现狭窄通信光束和接收视场的精确对准与高精度跟踪。
       图12.1.8表示空间光通信系统的捕获、瞄准和跟踪子系统基本结构,它由收发天线子系统、通信发射激光子系统、通信接收子系统、信标光发射子系统、捕获跟踪子系统组成。通信激光器发射功率低、信号光束窄;而信标激光器发射功率高、信标光束宽。
无线光通信系统(图9)
图12.1.8空间光通信系统捕获、瞄准和跟踪子系统基本结构
 

(1) 捕获

        在不确定区域内,对目标进行判断和识别,通过扫描直至在捕获视场内(±1°~±20°或更大)接收到信标光信号,为后续的瞄准和跟踪奠定基础。对于收/发一体光学望远镜天线,有着较高的共轴性,所以基本都采用天线整体扫描的方法。扫描时,检测光探测器的输出,直到确认光束已经被接收到。天线扫描分焦平面阵列扫描、螺旋扫描、光栅扫描和螺旋光栅复合扫描等。通常采用电荷耦合器件(CCD)阵列构成的焦平面阵列扫描,并与带通光滤波器、信号实时处理伺服执行机构共同完成捕获。

(2) 瞄准

        在远距离无线光通信系统中,当收发双方(如星际间)在切向发生高速相对移动时,就需要在发射端进行超前瞄准。瞄准的目的是,使卫星A通信发射端视轴与卫星B接收端天线视轴,在通信过程中保持非常精密的同轴性。

(3) 跟踪

        一旦捕获视场检测到对方发过来的信标光,收/发双方形成光的跟踪闭环,就进入粗跟踪阶段,其执行机构为两轴伺服转台带动天线望远镜单元整体运动。粗跟踪精度不高,只要能保证可靠进入精跟踪视场即可。
       振镜的工作原理是使驱动器产生角位移或线位移,驱动附加在驱动器上的反射镜,实现角度二维偏转。常见的驱动器有电磁振镜和压电振镜。电磁振镜的工作原理是通电线圈放在磁场内会产生机械力,力的大小与通电电流成比例,该机械力可产生角位移或线位移,其控制精度可达几十纳米。压电陶瓷振镜的工作原理是,压电效应可产生电致伸缩效应,直接将电能转换为机械能,产生微位移,目前,大多数空间激光系统中的精跟踪和提前量伺服单元都采用压电振镜。
       由于发射机和接收机之间的相对运动,大气湍流造成的光斑闪烁、漂移,以及平台振动对瞄准精度的影响,在瞄准完成后,通过跟踪将瞄准误差控制在允许的范围内。
       通常采用四象限红外探测器或高灵敏度位置传感器来实现跟踪,并配以相应伺服控制系统。
       图12.1.9表示一款自由空间光通信端机的结构图,该系统接收子系统采用直接耦合检测方式,而发射子系统采用光纤耦合方式,瞄准子系统位于收/发子系统的上方。
无线光通信系统(图10)
图12.1.9自由空间光通信端机结构图

五、空间分集系统

       为了抑制大气湍流引起的光强变化,可采用分集技术对两个或多个不相关信号进行处理。空间分集系统的一般模型如图12.1.10所示,M个发射机和N个接收机构成M×N个子信道。在接收端,多路信号通过一定的合并法则进行合并,判决器对合并后的信号进行判决。
空间分集系统的一般模型
图12.1.10空间分集系统的一般模型

六、 信道

       在地-地、地-空激光通信系统信号传输中,大气信道是随机的。大气中气体分子、水雾、雪、气溶胶等粒子的几何尺寸与二极管激光波长相近甚至更小,这就会引起光的吸收和散射,特别在强湍流情况下,光信号将受到严重干扰。因此如何保证随机信道条件下系统的正常工作,对大气信道工程研究是十分重要的。自适应光学技术可以较好地解决这一问题,并已逐步走向实用化。
       空间光通信是包含多项工程交叉科学研究课题,它的发展与高质量大功率半导体激光器、精密光学元件、高质量光滤波器件、高灵敏度光学探测器及快速、精密光、机、电综合技术的研究和发展密切不可分。光电器件、激光技术和电子学技术的发展,为空间光通信奠定了物质基础。
       对于大气对光通信信号的干扰分析,目前仅局限于大气的吸收和散射等,很少涉及大气湍流引起的闪烁、光束漂移、扩展以及大气色散等问题,而这些因素都会影响接收端信号的信噪比,从而影响系统的误码率、通信距离和带宽。因此,有必要在这方面做更深入详尽的分析,并提出解决以上问题的技术方案,如采用自适应光学技术是一个值得重视的研究方向。

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