空间激光通信（共7篇）
空间激光通信 篇1
空间激光通信具有通信容量大, 通信速率、抗干扰能力强, 抗截获能力强和重量轻等多种优点, 是以激光为载波, 在空间中实现多种信息进行无线传输的通信方式。从历年的空间激光通信技术的发展历程来看, ESA的作用不可小视, ESA代表空间激光通信技术的最高水平, 对于空间激光通信技术的发展有很大影响。但是, 对于我国而言, 我国空间激光通信技术还处在发展的初级阶段, 还在摸索空间激光通信技术的发展方向, 可结合本国的情况借鉴发达国家空间激光通信技术的发展经验。
1 空间激光通信技术最新进展
目前, 国内外空间激光通信发展迅速, 欧洲、美国、日本、德国等地区和国家对空间激光通信技术进行了大量的研究, 为空间激光通信技术做出了巨大的研究贡献。如表1所示, 展示了近几年美国等国在空间激光通信技术研究方面比较有代表性的成果。
2 空间激光通信技术发展趋势
2.1 直接探测体制发展
相比而言, 空间激光通信直接探测体制的结构比较简单, 操作起来比较方便, 因而被广泛应用于第一代激光通信系统内部。但是, 从实际空间激光通信环境来看, 光强度对通信系统的影响比较大, 而且会受到噪音的干扰, 空间激光通信直接探测体制无法满足空间激光通信系统的运行需求, 敏感度较低。经过空间激光通信专业人士的多年研究, ESA于2008年被安装在卫星上, 对空间激光通信系统进行端口检测, 同时也对相干通信展开了实验分析, 误码率非常小, 而且信息传输的速度非常快。目前, 空间激光通信技术还将不断完善。为了不断提高激光通信系统的实用性和通用性, 未来的发展趋势是探测体制的发展从单一体制向复合探测体制转变。
2.2 传统量子通信的变革
1980年量子通信被首次提出, 量子通信应用了加密技术, 可以保证传输信息的绝对安全, 量子通信一提出就受到了人们的广泛关注。2004年, 经过多位空间激光通信科学家的研究实验, 实现了量子通信的远距离传输, 量子通信可以透过地面大气依旧保持纠缠特性。2006年, 量子通信实现了超远距离的空间通信。截止到目前为止, 我国科学家对于量子通信的研究已经创造了新的历史。量子通信具有巨大的发展潜力, 空间激光通信研究人员也正是看重了量子通信的这一巨大发展潜力, 研究人员从2002—2007年展开了多项研究, 总结出影响量子通信的多种因素。经过几年的发展, 传统量子通信的变革研究的技术逐渐成熟, 正在快速向实用化、加密化迈进。将卫星光通信与量子光通信相结合, 进行卫星光通信中的量子密钥分发是卫星光通信保密技术一个新的发展方向。
2.3 光子集成化升级
空间激光通信光子技术包括:一是光纤光学, 二是集成光学, 三是微光子学。光子技术具有以下特点和优点:一是损耗较小, 二是协议透明, 三是抗干扰性强, 四是不诱导电磁干扰, 五是重量小, 六是体积小, 七是柔韧性好, 八是无互相耦合。空间激光通信光子技术特别适合应用于航天环境中;1990年, 美国经过实验证明光子技术确实可以应用于航天器中;2002年, 研发部门加大了研究光子技术的资金量, 研究的内容为:一是通信链路, 二是模数转换, 三是频率转换, 四是本振生成, 五是光束形成网络, 六是传感, 七是成像光纤;2009年, 西方国家发射出的卫星上就设置了光子器件。如今, 空间激光通信光子技术正朝着光子PCB的方向发展, 空间激光通信技术标准也在不断提高。
2.4 天基网络的一体化演变
空间激光通信技术发展的最终目标是实现全球数据覆盖, 与地面形成网络链路。在空间激光通信技术的研究初期, 研究人员把更多的精力放在空间激光通信链路的研究和实验上。2000年后, 研究人员开始加大天基网络一体化演变的研究力度。如今, 空间激光通信研究人员提出了天基混合网络结构, 并对天基网络的性能和所带来的经济效益做出了研究分析。但是, 我国的天基网络一体化演变还处在理论研究阶段, 还未真正实践, 还有很多空间激光通信技术问题亟需解决。
2.5 空间激光通信向深空迈进
人们一直想更加深入地了解星空, 国外发达国家自20世纪90年代初期便开始了以激光通信作为深空探测通信方式的相关研究。近几年人们对天空的探索热潮一直不退。如今, 研究人员把探索星空的希望寄托在空间激光通信技术上, 西方国家也在加大空间激光通信技术应用于卫星上的研究力度。空间激光通信研究人员经过多年的努力, 收到了不错的成果。在ESA和NASA (美国国家航空航天局) 未来的深空探测计划中, 激光通信将成为深空探测活动的主要通信方式。
3 结语
从实际空间激光通信环境来看, 光强度对通信系统的影响比较大, 而且会受到噪音的干扰, 直接探测体制无法满足空间激光通信系统的运行需求, 敏感度较低。2004年, 经过多位科学家的研究实验, 量子远距离的传输通信实现了, 透过地面大气量子通信可以依旧保持纠缠特性。如今, 光子技术正朝着光子PCB的方向发展, 空间激光通信技术标准也在不断提高。空间激光通信技术发展的最终目标是实现全球数据覆盖, 与地面形成网络链路。但是, 我国的天基网络一体化演变还处在理论研究阶段, 还未真正实践, 还有很多空间激光通信技术问题亟需解决。截止到目前为止, 我国科学家对于空间激光通信的研究已经创造了新的历史。
参考文献
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[4]姜会林, 安岩, 张雅琳, 等.空间激光通信现状、发展趋势及关键技术分析[J].行器测控学报, 2015, 34 (3) :207-217.
激光通信在潜艇通信中的应用 篇2
1 激光通信的发展现状
众所周知, 激光是一种比较新型, 光源比较强, 亮度和方向性都相对较强的通信形式。而且, 其频率比较单纯, 能量的集中程度也相对较高, 波束的密集程度也逐渐增强。随着多年的发展, 激光通信大致经历了两个发展阶段, 分别是大气激光和光波导通信两种。在大气通信阶段, 世界性的研究热潮比较明显。在发展的过程中, 投入了大量的人力和物力。在一些发达国家, 激光通信技术的发展水平比较高, 通信系统以及趋于完善和成熟, 可以在社会发展和生产中得到广泛地应用。由于大气激光通信技术的不稳定性逐渐暴露, 在具体的应用中渐渐隐退。
由于人们对激光通信技术寄予了深厚期望, 所以, 在对这一技术进行研究的过程中, 分别融入了不同类型的技术, 逐渐提升了激光通信技术的高效性。在所有的激光通信技术中, 大气通信是一种唯一不需要采取光纤形式就可以进行的通信技术。在传输的过程中, 可以通过不同类型的信息表现形式来进行传输。其中包括文字, 图像以及速度等等。这种方式可以通过各种通信协议来进行, 保密程度以及资源的利用效率等方面都相对比较高。可以任意在陆地、海洋或者是天空中有效的应用。
为了对激光通信的技术进行研究, 国家的相关部门已经做出了具体的方案和计划, 在总结激光通讯技术研究经验的基础上, 积极借鉴国外的先进技术。找到现如今激光通信技术的不足, 并且对激光系统的应用状况进行研究和改进。
2 长波对潜通讯方式以及问题之所在
从未来潜艇作战中可以看出, 前提主要承担的任务和使用较重, 其中包括打击、核反击等等。所以说, 在实际的工作中, 保证潜艇指挥通信的准确性至关重要。为了对这些问题进行研究, 需要从各个学科领域入手。电磁波是一种比较常见的物理概念, 可以在水中进行高效传播。不同的水体对电磁波的吸收程度也存在着严重的差异。电磁波的长度和频率之间具有密切的关系, 波长不同在水中的衰减程度也不同。所以, 在潜艇通讯的过程中, 工作人员需要对电磁波的长度进行严格地控制。一般来说, 要想在海水中保证通讯的高效性和稳定性, 就需要选择长波通讯, 因为, 短波的衰减率较高。
2.1 VLF通信方式
所谓的VLF主要是指频段较低的通信方式, 具体的频率范围在3k Hz-30k Hz, 波长也不会超过100km。传播速率相对较高。这种频段的无线电信号可以在水下20m左右的深度内收到信号, 潜艇的单向发信过程中主要应用的是这种通信方式。国际上的多数国家都建立了长波电台, 通信设备也逐渐趋于完善。电台的规模相对比较大, 天线的高度也超过了200m。在战争中, 天线系统是地方打击的重要目标, 而且长波通信的频带相对较窄, 无法进行直接地通话, 但是可以进行电报的低速传播。
2.2 ELF通信方式
所谓的ELF的通信方式主要是指极低频段, 通常情况下, 频率被定义在3k H以下, 这类无线电信号是比较常见的信号问题之一。这种通信方式的主要优势就是潜艇可以在100m深度的范围内轻松地接收到信号, 采用更为先进的接收设备和天线可以将深度降到更低。用ELF频段的电磁波来对潜通信, 信号传播的稳定性比较高, 同时还有更高的抗干扰能力。及时在潜艇航行的过程中, 同样可以对复杂的命令进行接收, 然后采用科学的形式来发送报文。
由于海水是一种性能较强的导体, 在无线电通信的过程中, 相关的通信效应会对电磁波的传输形式产生深入地影响, 安全性逐渐降低。
3 用蓝绿激光来实现对潜通信
采用蓝绿激光的形式来有效的实现对潜通信, 这种形式所表现出的特点可以从以下几个方面来进行深入分析:
3.1 潜艇的安全深度提高
由于激光可以轻松地穿透较深的海水, 可以达到海洋的深处。蓝绿光本身的透光度比较强。所以, 可以利用蓝绿光来对潜入在海底深处的潜艇进行通讯, 在这一过程中, 潜艇无需上浮, 这样就有效的提升了潜艇的安全程度, 进而保证了潜艇航行的灵活性和相对隐蔽性。
3.2 频率相对较高, 耗能较少
蓝绿光的通信技术, 工作频率可以控制在标准的范围内, 通信方式较多, 耗能量相对较少。从某种程度上提升了潜艇的生存能力, 有助于潜艇的作战形式。
3.3 安全性好激光波束的方向性好
抗截获、抗干扰、抗摧毁能力强, 且不受电磁波及核辐射的影响, 因此.潜艇在深海处就能够与地面进行通信, 避免了敌方的测向、侦察和监视, 更便于隐蔽作战企图。
蓝绿激光对潜通信系统主要由发射和接收两部分组成。发射部分包括发射天线、激光器和电信号处理电路:接收部分包括光学接收天线、光探测器和电信号处理电路。信源将信息变成电信号。
结语
由于蓝绿激光对潜通信系统其既有较大入水深度, 又有极高的通信速度, 因而备受各国军方的重视, 在不远的将来, 我们在和潜艇通话时一定可以像陆地通信一样灵便畅通。我国在蓝绿激光对潜通信方面也已经取得了可喜的进展。鉴于战略核潜艇以及常规潜艇在现代以及未来战争中的重要作用, 各国还迫切希望为其提供更多优良的通信手段。
参考文献
[1]柯熙政, 席晓莉.无线激光通信概论[M].北京:北京邮电大学出版社, 2004.
[2]徐启阳.蓝绿激光雷达海洋探测[M].北京:国防工业出版社, 2002.
近距离无线激光通信系统的设计 篇3
无线激光通信是指在两个或多个终端之间,利用在空间传输的激光束作为信息载体实现通信。它包括深空、同步轨道、低轨道、中轨道的卫星之间,地面站与卫星之间以及地面站与地面站之间的激光通信,又称为自由空间激光通信( Free Space Optical Communication , 简称FSO)[1]。与光纤通信相比,FSO具有价格低廉、无需线路敷设、安装迅速、组网灵活以及建设周期短等优点;而与其它无线电通信相比,具有不占用宝贵的无线电频带资源、电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强、保密性好、设备体积小、重量轻、系统机动性强、易于扩容等优点。但FSO也存在着大气衰减严重、大气信道随机性强、精确对准和保持难度大等问题。目前,FSO已成为解决宽带网络“最后一公里”瓶颈和最终实现全球个人移动通信的重要技术选择[2]。FSO主要用于:a.作为预防光纤通信和微波通信服务中断时的备份;b.移动通信基站间的互连;c.近距离高速网的建设;d.不宜布线或布线成本高、施工难度大、难以获得市政部门审批的地方;e.在军事设施或其他要害部门需要严格保密的场合;f.用于企业内部网互连和数据传输。
FSO技术以其容量和价格的优势,受到越来越多运营公司的关注。目前,国外已有几家较大的FSO通信设备生产厂家,如LightPointe、AirFiber、Canon、Terabeam等。我国的FSO在发射功率、接收灵敏度、捕获和瞄准、机械稳定性等关键技术方面已取得明显进步,已有几家研究所与公司生产了比较成熟的样机[3]。
1 系统结构和器件的选择
近距离无线激光通信系统的基本组成如图1所示,主要包括信息源、编码器、光发射机、发射光学系统、接收光学系统、光接收机、解码器以及显示终端。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,可以实现全双工通信[4]。
系统所用的基本技术是电—光和光—电转换。信息源采用模拟图像信息源;编码器将模拟图像信号转变为数字信号;光发射机由光源和驱动电路组成,编码后的电信号加到光发射机的驱动电路上调制激光器发出的光;光载波以光束的形式通过发射光学系统发射到大气信道中进行传输;接收光学系统汇集光束;光接收机中的光电检测器将接收到的光信号转换为电信号,进行放大整形后通过解码器将信号还原显示,本系统采用彩色电视机显示。
光源的功能是把电信号转换为光信号。作为光源的发光器件应满足以下基本要求:体积小,可直接调制且调制频率输出特性好,可靠性高,温度特性好。目前广泛使用的光源主要有半导体激光二极管(LD)和发光二极管(LED)。室外激光通信系统通常选择功率较大的LD激光源。
大气介质对不同光波长信号的透过率有较大的差别,FSO系统一般选用透过率较好的波段窗口,最常用的光学波长是近红外光谱中的850 nm;还有一些FSO系统使用1 500 nm波长,可以支持更大的系统功率[5]。本实验系统选择的光源为850 nm的LD激光器(自带一个61.6 Ω的串联电阻),在实验中测得的该LD的阈值特性如表1所示。在测量过程中,将电源电压逐渐调高,观测LD发光亮度的
变化,记录当LD发出的光由荧光突变为激光那一刻毫安表的电流读数,即为LD的阈值电流。由测量值可见,该LD的阈值电流为18.11 mA。
2 光发射机电路
本系统对发射机的主要技术要求是:a.稳定的光功率输出。当环境温度变化时或器件老化时,输出光功率应保持稳定。b.尽可能小的非线性失真。发射机输出光功率越大,光通信的距离越长。但光功率太大也会使系统工作在非线性状态。因此,要求发射机要有合适的光功率输出。 本文设计的是近距离无线激光通信系统,对LD激光器实施电流限制可使LD激光器工作在相对稳定的功率和温度条件下,因此发射电路采用过电流控制保护电路设计方案,发射机电路如图2所示。
电源部分是由变压器、桥式整流滤波电路和稳压电路组成。交流220 V经过变压器变为9 V左右的交流电,通过整流滤波电路得到+9 V左右的直流电。经过稳压器7805后可得到+5 V左右的直流稳定电压,在稳压器两边分别使用一个C4、 C5的大电容和C6和C7的瓷片小电容,滤掉电源中的低频和高频分量,以获得稳定的直流电压。
LD激光器工作在直流+5 V左右比较安全,信号源即VCD光盘读出的RF信号,其输出电压峰-峰值为1 V左右,频率为1.5 MHz。LD的阈值电流约为19 mA,根据LD的特性曲线,可将LD的静态工作电流设为27 mA,从而可计算出各个电路元件参数。三极管T1、T2、T3均选9013管,放大倍数β为150。电容C1用于抗低频干扰,C2用于抗高频干扰,C3是交流信号耦合电容,起隔直流通交流的作用。Re为限流电阻,R2为激光器电阻, Rb1、Rb2、Rb3为T1的偏置电阻,其中Rb1为可调电阻。R1为分流电阻。
3 光接收机电路
光接收机电路如图3所示,主要作用是把光电检测器接收到的微弱光信号转变成电信号后,再通过多级放大电路处理,恢复为原来的信号。光电二极管(PIN)对接收的光信号进行光电检测,T1的共射极和T2的共集电极(射随器)两级放大电路对光电流进行放大。C1、C2和C3为隔直流电容。可变电阻R1为PIN的负载电阻,实验中将不断调整,以确定最佳阻值(约为470 Ω)。R2为T1的偏置电阻,R5为T2的负载电阻。该电路的静态参数为:T1的集电极电压Vc1=2.5 V,T2的发射极输出Ve2=3.3 V,均处于电源电压+5 V的中间位置,这样能最大限度地保证信号不失真。根据接收要求,在接收机放大电路输入端输入的信号峰-峰值大约为30 mV,放大电路输出端的输出电压要达到峰-峰值1 V以上,通过计算可确定光接收机放大电路中的R3和R4电阻值。
4 系统的实现与调试
本系统采用的信号源是VCD输出的信号,已经经过了数字化和压缩编码。该信号通过光发射机加载在LD发出的光波上,经过大气传输信道,由光接收机的PIN光电二极管接收,并经过放大、整形及解压解码电路,在电视机里显示出原图像信号。
首先调试电源,并分别对光发射机和接收机进行单独调试,表2给出了接收机放大电路的测试数据,信号发生器输出的交流正弦电压峰-峰值为25~35 mV,频率为0.7~1.5 MHz。放大电路不失真输出的电压峰-峰值为1 V左右(信号过小则电压解码板不能正确解码出原信号)。
当发射机和接收机的单独调试均顺利通过之后则开始对整个系统进行收发联调。收发联调的步骤如下:a.把发射机与接收机分别安装在高度与方向可调的两个三脚支架上,调节三脚支架使两者基本处在同一平面。发射机不输入信号,打开电源,调节三脚架的高度与方向,使LD的发射光束对准接收机中PIN光电二极管的接收面。b.将VCD机的数字信号输入到发射机,用示波器同时观测输入信号与LD两端的输出信号,微调发射电路可变电阻Rb1,使眼图输出线条清晰,眼张开得大。c.将光束对准接收机的PIN光电检测器,用示波器同时观测PIN两端的输入信号波形和经过前置放大器和主放大器后的输出波形。如果PIN两端的输入信号失真,需调节接收电路可变电阻R1。d.打开电视机,选择AV频道,电视显示解码板的图像界面。当开启各部分电源,将光束对准PIN时,图像便可传输到电视屏幕上。
5 结束语
本文提出了一种用于传输宽带图像信号的近距离无线激光通信系统模型,对其发射机和接收机进行了电路设计,制作和搭建了实验系统,并对系统整体进行了联合调试。实验中选择VCD机的输出信号作为数字信号源,对LD进行直接强度调制。光信号在大气中传输几十至数百米,到达接收机的光电检测器光敏面,转换成电信号,经放大器处理后恢复为原信号,接收机输出电压峰-峰值达1 V左右。再把光接收机输出的信号送到解码板,进行解压处理,通过D/A变换输出的模拟视频和音频信号经电视机显示图像。实验效果良好,实验系统的光发射功率为5 mW时,在户外天气晴朗时,在200 m的传输距离内能实现12 h不间断的动态数字图像的清晰、稳定、连续传输。如果提高发射机的输出光功率,则传输距离可以长达500 m甚至几千米。
参考文献
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[4]GAGLIARDI R M,KARP S.光通信技术与应用[M].北京:电子工业出版社,1998.
浅谈激光大气通信及其军事应用 篇4
通信是人类进行信息交流的重要手段, 随着科学技术的发展, 人类已进入信息社会, 信息量之大、信息增长速度之快前所未有, 军事通信作为现代战争的中枢神经系统, 尤其受到各国军方的高度重视, 因此改进通信技术手段、提高通信速度、增强通信保密性是通信研究的重要内容。激光大气通信由于其独特的优势而格外受到重视, 但其发展历程却不是一帆风顺的。
1 激光大气通信简要发展历程
激光是一种特殊的光, 因此提到激光通信, 人们很自然地联想到光通信。广义地讲, 光通信不仅起源早, 且在当今社会也被广泛运用, 如古时的烽火台、现代的旗语、交通红绿灯、信号弹等, 都是利用光进行信息传递的;但从狭义上理解, 这些都是用可见光进行的视觉通信, 是非常原始的方式, 称不上是完全意义上的光通信;真正意义上光通信指的是运用光作为载体而传送信息的通信方式。光在大气中的传送要受到气象条件的限制, 此外, 太阳光、灯光等光源, 并不适合作为通信光源, 因为从通信技术上看, 它们都带有“噪声”。
1960年7月, 梅曼发明了红宝石激光器, 从此人们便可获得频率稳定的光源。激光问世后, 人们就产生了将激光应用于通信的想法。美、英、日、前苏联等国家, 对激光大气通信进行了深入研究。虽然在80年代中后期, 激光大气通信技术研究遇到“瓶颈“, 但科学家们始终在坚持不懈地探求解决激光大气通信技术问题, 先后攻克激光大气通信多项关键技术难题, 使激光大气通信的距离不断提高, 如前文所述, 2014年6月5日, 美国航天局将激光大气通信的距离提高到400多千米, 使激光大气通信进入了一个新的发展阶段。
2 激光大气通信的主要优点
人们之所以如此重视对激光大气通信的研究, 是因为激光束的高亮度、高频率、良好的单色性和方向性, 使激光大气通信系统具有其他通信方式所不具备的独特优势。
首先, 激光大气通信具有良好的便捷性。利用激光大气通信时, 以大气为介质, 不需要铺设通信线路, 若更换通信地点, 也不需要重新铺设线路从而节约成本。激光大气通信的发射和接收天线一般由光学透镜组成, 设备简单, 占用的空间较小。若进行直视通信, 安装时间仅需数小时, 这一点十分适合野战部队间的通信联络。
其次, 激光大气通信具有良好的保密性。由于激光光束极细, 方向性又好, 所以虽然激光大气通信系统中发射端发出的激光束有一定的发散角, 但其发散角相对无线电通信要小的多, 通信中信息不会像无线电通信一样向整个空间发送, 对方若想接收到信号只能在激光束经过的很小区域内截获, 这对于一般采用不可见的红外激光作为载波的通信系统是很难实现的, 这对需要高度保密的军事通信而言尤为有利。
第三, 激光大气通信具有良好的频谱特性。激光频率极高, 激光大气通信不会占用目前已经严重拥挤的无线电通信频段, 各条通信线路之间也不会相互干扰。其通信带宽很高, 最高传输速率可达10Gbit/s, 足以满足现代战争对通信带宽的要求。
第四, 激光大气通信具有良好的抗干扰性。与光纤通信类似, 激光大气通信也具有良好的抗干扰性。目前还没有实用化的针对激光载波的干扰措施, 传统电子战方法不会对激光通信系统造成干扰, 非常适合军用通信对抗干扰性要求的需要。
3 激光大气通信系统的军事应用
军事通信一直是保证作战指挥顺利达成的重要手段之一, 特别是在现代信息化战争中, 战况瞬息万变, 错综复杂, 如果没有迅速、准确、保密和不间断的通信, 就不可能实现及时而有效的指挥和作战。目前世界各军事强国均投入大量的人力、财力和物力对激光大气通信技术进行研究, 使这一领域得到了较快发展, 并积极付诸于实践。在军事激光大气通信方面, 如下几个领域将大有作为。
第一, 各指挥所之间的通信。在战争中, 指挥所移动比较频繁, 铺设有线通信线路比较困难, 且目前所广泛采用的无线电通信由于其辐射范围广, 很容易被敌方截获。因此, 对于相距不是很远的指挥所, 采用激光大气通信将是一种既方便快捷又安全的通信方式。作战部队机动到达新的作战区域后可以很快与其他部队建立通信联络。另外, 采用激光大气通信系统时, 通信协议叠加性强, 能够比较容易地实现各种数据类型的大容量、高速率传送。
第二, 战场通信应急恢复。现代战争已经进入信息化作战时代, 加强信息化条件下新型战争形式训练是世界各国军队训练的重要内容。战场上充满着各种不确定因素, 战场态势瞬息万变, 指挥员要充分掌握战场全局信息和即时信息, 才能掌握作战的主动权, 夺取战争的胜利。各作战单元的信息必须及时传送到指挥中枢, 但现代战争中, 通信设施恰恰是敌方破坏的重点, 有线通信线路极易受到破坏, 如果在短时间内无法恢复通信联络, 其后果是非常严重的, 这时激光大气通信系统可以作为被毁坏的通信系统的临时替代系统, 迅速恢复通信。因此在未来作战中, 部队可用光纤等有线通信方式连接各战斗单元, 再装备激光大气通信系统, 以迅速恢复被中断的通信联络。
第三, 复杂地形等情况下的通信。野战条件下, 作战区域地形有时很复杂, 铺设有线通信线可能会非常困难, 这时采用激光大气通信可实现高效、快速通信。另外, 在某些地形十分险要的边境线上, 也可以利用激光大气通信实现各哨所间的大容量通信需要。
第四, 作战单元间的机动协同通信。当前, 坦克间、战舰间、战斗机间等作战单元间的协同通信主要依靠无线电来实现。这种通信方式很容易受到敌方的强电磁干扰, 也极易被侦听。为了战斗需要常常要求战斗单元进行无线电静默, 利用激光大气通信实现各战斗单元之间的通信, 是解决这一问题的一个很理想方案。
4 结束语
激光大气通信经过多年的研究和发展, 已取得长足的进步, 其不可替代的通信优势使人们对此充满憧憬, 并为此进行不懈的努力探索, 相信随着技术的进一步发展, 影响激光大气通信的技术障碍必将被逐步克服, 激光大气通信的发展前景将十分广阔, 其军事通信价值更加突出。
摘要：随着社会信息化建设的不断发展, 人类对通信的要求越来越高, 激光大气通信以其独特的优势而备受重视, 尤其在军事通信中更是如此。文章简要回顾了激光大气通信的发展历程, 论述了激光大气通信的优点, 并由此对其军事应用进行了阐述。
关键词：激光大气通信,优点,军事应用
参考文献
[1]李秀娟.无线激光通信技术的军事应用[J].光学技术, 2007 (11) 增刊:106-107.
激光通信在大气湍流中的传输 篇5
(一) 大气湍流的形成
大气运动的形式有层流和湍流, 层流是流体质点做有规则的稳定流动, 各运动气层间不发生混合。湍流则是些大小不一的涡旋的无规则运动, 使得大气中局部参数产生随空间位置和时间的随机变化。当在气体或液体的某一容积内, 惯性力与此容积边界上所受的粘滞力之比超过某一临界值时, 液体或气体的有规则的层流运动就会失去其稳定性而过渡到不规则的湍流运动。这比值就是表示流体运动状态特征的Reynolds数
式中, l为流体的特征线度 (m) ;V0为流速 (m/s) ;η为流体的运动粘滞率 (m2s-1) 。当Re小于临界值Recr时, 流体处于稳定的层流运动, 而大于Recr时为湍流运动。由于气体的粘滞系数η较小, 所以气体的运动多半为湍流运动。
由于热和风的原因, 大气总是不停地流动, 从而形成温度、压强、密度、流速、大小等不同的气流旋涡。这些旋涡也总是处于不停的运动变化之中, 它们的运动相互关联、叠加, 形成随机的湍流运动, 这就是大气湍流。其涡旋尺度的下限l0为湍流的内尺度, 上限L0为湍流的外尺度。大气湍流运动的结束, 使得大气的速度、温度、折射率成为一种随机场。Kolmogorov建立了大气速度场、温度及折射率的2/3次方定律, 其中折射率的起伏直接影响激光的传输特性。以Dn (r) 表示空间相距为r的两点间的折射率结构函数, 两点的折射率分别为n10和n20, 则
式中<>运算为求系综平均值, Cn2为折射率结构常量, 是湍流强度的度量。Cn2的量级约在10-18-10-13m-2/3左右, 目前还没有统一的关于湍流强弱的划分办法。按达维斯 (Davis) 曾提出一种划分, 按照Cn2值的大小可把大气湍流分为:强湍流:Cn2>2.5×10-13;弱湍流:Cn2<6.4×10-17;中等湍流:2.5×10-13>Cn2>6.4×10-17。
(二) 大气湍流效应
所谓激光的大气湍流效应, 实际上是指激光信号在折射率起伏场中传输时的效应。大气的折射率随空间和时间作无规则的变化, 将使激光信号在传播过程中随机地改变其光波参量, 使光束质量受到严重影响, 出现所谓光束截面内的强度起伏闪烁、光束的弯曲和漂移 (亦称方向抖动) 、相位起伏、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象, 统称为大气湍流效应。它会使激光信号受到随机的寄生调制而呈现出额外的大气湍流噪声, 使接收信噪比减小, 使激光雷达的探测率降低、漏检率增加;使模拟调制的大气激光通信噪声增大;使数字激光通信的误码率增加。光束方向抖动则将使激光偏离接收孔径, 降低信号强度;而光束空间相干性退化则将使激光外差探测的效率降低等。
1. 大气湍流折射率谱模型
由于光波在空间传播过程中的闪烁主要依赖于空间折射率谱。早期通用的大气湍流折射率谱理论是Kolmogorov理论, 该湍流谱是在一系列假设条件下取得的, 如局部均匀、各向同性等。而实际的大气湍流谱的形式要更复杂, 经多次对湍流谱进行修正得到了Rytov方法中用到的湍流谱, 在Rytov近似下, 把包含湍流内外尺度的影响的湍流谱形式上记为
式中kl=3.3/l0, l0为湍流的内尺度。
但在惯性子区间内, 当波数k大于某临界波数时, 其均匀湍流谱表示为
而当仅考虑内尺度影响时用Tatarskii湍流谱给出
在仅考虑外尺度影响时选用常用的Vonkarman湍流谱修正式
2. 大气中的折射率结构常数Cn2模型
折射率结构常数在光传播问题中扮演十分重要的角色, 对激光闪烁和光束展宽都具有重要的影响。目前国内外常见的大气湍流模型主要有:HV 21模型和Modified HV模型, 这两个模型都是由HV模型发展而来并进行修正的结果。它们的模型表达式分别为
HV21模型:
式中h单位为m, 适用于强湍流;
Modified HV模型:
式中h单位为m, 适用于弱湍流。
其实还有一种称为中国合肥模型:
其中h单位为km。这种湍流模型是安徽光机所实地探测并经理论模拟计算得到的, 它所反映的大气湍流最弱。但不管哪种Cn2模型, 都是高度的函数, 随离地面高度的变化而变化, 具体变化由图1可知, 大气的折射率结构常数随高度有较复杂的变化但总体趋势随高度增加而减小。
(三) 大气湍流对激光通信传输的影响
1. 光束的漂移和弯曲
激光束是一种有限展宽的光束, 当光束直径远小于湍流尺寸时, 大气湍流对光束传播的主要影响是使光束整体偏折, 在远处接收机端, 光束中心的投射点 (即光斑位置) 以某个统计平均位置为中心, 发生快速的随机性跳动 (其频率可由数赫兹到数十赫兹) , 此现象称为光束漂移, 它与波长无关;此外, 若将光束视为一体, 经一段时间传输后会发现, 其平均方向明显变化, 这种慢漂移称为光束弯曲。对于光束漂移, 数值上可用漂移量或漂移角表示, 实验证明, 水平传输情况下, 在水平距离L处光斑位置偏离原始位置的漂移量为
式中, k为光束的曲率。
漂移角的均方值为
由上式可知, 理论分析表明其漂移角与光束在发射端的束宽W0关系密切, 当传输信号光束越细, 大气折射率结构常数Cn2越大, 漂移就越显著。激光通信由地面往空中发射的上行链路中地面站发射的较细光束一发射就需通过大气层, 它所受到的漂移影响就比下行链路光束传输所受到的漂移影响大, 因此在空-地激光通信系统总体设计时对地面站及空间站接收系统具有的抑制漂移性能的能力应予以分别考虑。另外, 强湍流 (Cn2≥10-12) 情况下的漂移具有饱和效应。若湍流强度变得很强时, 光束将可能分裂, 形成多束较细的光束, 接收机探测器接收到的信号功率 (如还能接收到的话) 非常微弱, 这种情况极易造成系统通信中断。
2. 到达角起伏
激光在湍流大气中传输时, 光通信信号经过大气传输后由于湍流的扰动而使其在接收望远镜焦平面上的位置光束截面的随机偏转作随机抖动, 会引起到达角的起伏这就是常说的光束到达角起伏。从而使激光传输产生动态波前误差, 会导致系统误码率增加。二十多年来人们对此作过大量的理论与实验研究, 利用微扰理论可以很好地解释弱湍流时的实验规律, 但在较强的湍流或较长的距离等条件下, 利用马尔柯夫近似和平均强度的平方近似, 导出了适用于整个起伏区域的到达角起伏方差的一般表达式。若采用高斯形式的光波, 在考虑湍流强度下的到达角起伏的方差σα2为:
从中可以看出到达角不仅与湍流的强度有关而且还与揣流的尺度有关。
3. 大气 (光强) 闪烁
激光通信在湍流大气中传输时由于折射率的起伏使其散射强度会发生起伏, 即出现所谓的闪烁现象。大气闪烁效应实际上就是一般情况下, 当光束直径比湍流尺度大很多时, 光束截面内包含多个湍流旋涡, 每个旋涡各自对照射其上的那部分光束独立散射和衍射, 使光束的强度和相位在空间和时间上出现随机分布, 相干性退化, 光束面积扩大, 引起接收端的光强起伏和衰减。大气湍流使信号变得不易把握, 对光通信系统的稳定通信造成很高误码率[13]通信质量下降 (如图2所示) 。
一般由接收平面上光强的对数强度方差σI2 (即闪烁指数) 来表征来表征强度闪烁的强弱程度, 定义式如下:
式中的尖括号表示系综平均, I、分别为接收端的瞬时光强、平均光强。在传播路径均匀情形下, 光强起伏方差的变化趋势与日出、日落有明显的关系, 即日出日落时分最小, 白天起伏大, 夜晚起伏小。还与天气变化有关, 总趋势是晴天的光强起伏比阴天、雨天的大, 其中雨天时最小。在弱起伏条件下, 大气闪烁的大小可以用Rytov近似结果很好地预测, 但目前经典的Rytov解无法解决中等强度以上湍流大气中光波强度起伏问题, 而强起伏理论中的Markov近似方法和路径积分法一般没考虑湍流内尺度的影响, 仅适用于零内尺度湍流, 对于非零内尺度的湍流强度起伏与实验结果相差较大。大气闪烁与湍流的内尺度、外尺度、结构常数及传输距离等因素有关。在湍流不强和传输路程不远的情况下, 闪烁的对数强度方差为
式中, r为激光传输距离, C0常数对平面波取为1.24, 对球面波取为0.496, Cn2是大气折射率结构参数, k0=ω0/c为波数。光通信接收端机天线接收口径与湍流的对数强度起伏的相关距离 (λr) 1/2有关。当接收孔径小于湍流的对数强度起伏相关距离时, (14) 式成立;当大于时, 就会产生孔径平均效应, 强度起伏减小。
在强起伏区, σI2>>1, 由渐进分析得到强湍流状态下平面波的闪烁强度:
在激光通信系统中, 大气闪烁可引起接收端光电探测器的探测电流随机涨落, 导致探测系统的噪声增加。其误码率和光强起伏的关系:
由上面式子中闪烁强度、误码率与波长的关系, 可以作这样的推断:在接收机得到的闪烁光斑的光强分布与选取的波长有一定的关联。
4. 光束展宽
光束展宽是指接收到的光斑半径面积的变化, 是由衍射和湍流旋涡的扩展引起的。当光束直径大于湍流旋涡直径时, 引起湍流旋涡的扩展, 造成中心轴的接收光强有一常量衰减, 光斑半径增大。所以, 激光束的湍流展宽是与激光通过湍流大气传输后光束强度降低相关联的一种湍流效应。大气湍流引起光束展宽, 降低了光束截面内的功率密度, 使接收机接收到的光功率降低, 恶化了系统性能。
假设激光器发出的是高斯光束, 其束腰半径为ω0, 考虑到大气湍流效应所导致的光束展宽效应, 最后得到总的光斑半径为
从上面的式子中可以看出, 扩展后的光斑半径由两部分所组成, 即由ωf和ωz所组成, 其中是由大气湍流造成的光束展宽部分, 是不考虑湍流效应时所得到的光斑半径, l0为湍流的内尺度。
(四) 降低湍流大气影响的改进措施
1. 高功率发射及高灵敏度接收。
由于光功率衰减较大, 为了保证光通信系统在一定误码率要求下工作, 对激光通信系统不仅要求发射功率应较大, 而且接收机灵敏度指标也应做到很高的水平。由于大气信道对激光传输产生的大气衰减效应, 使激光功率衰减非常严重, 需要采用大功率发射及高灵敏度接收机技术来满足空间光通信长距离、高码率、可靠的传输要求。
2. 多孔径发射。
通过理论和实验研究发现, 当从不同的出射孔出射的光经过不同的路径到达相同的接收机探测器表面和进行非相干叠加后, 光强波动的方差将和孔的数目成反比。因此, 采用多孔径发射可以使接收机接收到的功率起伏减小, 还能减小大气随机信道对激光传输产生的闪烁影响。文献《大气湍流对复杂路径下光强起伏及误码率的影响》研究表明:在弱起伏条件下, 对于系统误码率为10-9的要求, 光强起伏应小于0.67, 采用多个发射孔径来减小光强闪烁效应, 降低误码率;但随着湍流强度的增大, 误码率增加很快。
3. 多波长光通信系统。
为了使通信系统克服由大气造成的深度衰减以建立一个良好的通信链路, 在高空平台使用多波长光束传输可以有效的提高通信质量, 并且允许较低的发射机功率和实现高传输速率。这主要利用大气层折射率梯度影响产生不同波长光链路的分离, 由于引力的影响, 不同高度的的大气折射率不同。实际上随着大气温度的波动, 同一高度不同位置点的折射强度也有差异, 即使是同一介质, 对不同频率的光折射率也不同。另外, 根据 (14) ~ (16) 式可知, 当湍流是主要衰减因子, 使用多波长光束传输, 光束在接收机复合接收的时候, 可以探测到相对平稳的光强。
4. 自适应光学系统。
从控制系统的观点看, 自适应光学系统是多变量、高带宽、高精度、多路并行的以光学波前为控制对象的实时反馈自动控制系统, 其实质是控制像差光波面达到参考光波面。因此, 采用自适应光学技术可以抑制和缓解大气信道对激光传输产生的动态波前误差。
5. 增加发射机所在海拔高度。
对相同波长的激光来讲, 传输受到的大气衰减随海拔高度的增加而减小。因此, 在不考虑除高度以外因素对大气中激光通信系统产生影响的情况下, 通信端机所处的海拔高度越低, 衰减越大。在地面站站址的选择上, 应在海拔高度较高的位置。
6. 采用斜程传输
空-地光通信分别按平程、斜程或垂直的方式进行光传输时, 系统在传输相同距离情况下在传输信道上所产生的功率衰减不同, 对系统误码率的影响也不同。假设设置在同一地面站的发射端机在大气信道中传输相同的距离, 那么平程传输方式下系统在大气信道上所产生的功率衰减最大, 垂直传输方式为最小。而斜程传输时波束受大气湍流的影响比水平传输时要小, 在实际操作中应尽量不采用通信光束低仰角甚至平程传输方式。
7. 增大入射光波长。
在相同的海拔高度下, 通信光波长越大, 波束的扩展半径越小, 受到的大气衰减越小。采用长波长的光进行传输可以有效的降低系统误码率, 增加传输距离。因此, 仅从这个角度来讲, 空-地光通信采用长波长效果较好。
(五) 结语
激光束通过有湍流的大气传输时, 其强度、相位和传输方向会受到扰动而出现相应的随机变化, 变化情况与激光束宽和湍流尺度的相对大小相关。大气湍流效应造成了光束飘移、强度起伏, 光束扩展和像点抖动等现象, 从而破坏了激光的相干性, 导致相干性退化削弱激光通信的质量。
对激光在大气中传输特性的研究, 有助于我们了解激光通过大气信道传输时所产生变化的特征, 以便对激光通信系统在大气中传输的设计中寻找到合理的措施来降低或缓解其影响。
参考文献
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空间激光通信 篇6
自由空间光通信,一般选用大气透射率较好的红外激光[1],以电源内调制的方式对APT (准跟踪系统)[2]、中继系统[3],或融入WDM(波分复用)和MIMO(多入多出)等技术进行处理,实现远距离、高速率自由空间激光通信,在外太空星际自由空间传输方面有了较大的发展与应用[4],但短距离可见激光在自由空间通信方面还有很多工作可做。可见激光通信系统因其结构简单、对光源要求低和辐射小等特点,具有广阔的发展前景。
激光调制主要有内调制和外调制两种方式,相比于内调制,激光外调制有着独有的优势,其对光源稳定性要求低,调制速率高,且对光源的损害小,性价比高,故激光外调制是一种较好的光通信调制技术。外调制的方法和器件很多,相比于其他外调制方式,AOM(声光调制)有着较高的消光比(一般大于1000∶1),其驱动功率低,温度稳定性能高,调制频率稳定[5],光电质量优异。除此之外,其结构简单、成本相对较低,因此我们选用AOM方式来研究目前在国内研究较少的激光外调制通信。
1AOM原理
声波在介质中传播时,会使介质产生相应的弹性形变,从而激起介质中各质点沿声波传播方向振动,介质的密度呈疏密相间交替分布,形成光学“相位光栅”。该光栅间距等于入射声波波长λs,当光波通过该介质时,就会发生衍射现象,衍射光的强度、频率和方向等信息都会随着声场的变化而变化,基于上述声光效应即可实现AOM[6]。相比于拉曼-纳斯衍射,布拉格衍射具有调制效率高、调制带宽较宽等优点,因此本文采用布拉格角AOM方式进行调制,其原理如图1所示。
图中,入射角为布拉格角θB,且有
式中,λ为入射光波长;n为声光介质折射率。当激光以θB入射并通过声光晶体时发生布拉格衍射,其衍射光只有两级:0级和+1级(或-1级),1级光的衍射效率较高,该衍射效率可表示为
式中,Ps为超声波功率;L、H、M2分别为换能器的长度、宽度及声光介质物理参数组合,若AOM定型,则其参数不变。当改变Ps时,衍射效率会随之变化,即可达到改变衍射光强的目的,实现AOM。
2AOM的控制方法研究
2.1AOM控制理论
基于声光效应可以实现声光偏转、声光移频和AOM等三种应用,而在光通信研究中主要是利用AOM。本文采用中国电子科技集团第26研究所研制出的一款TSGMN—1型AOM,该调制器件由驱动电源、换能器和声光晶体组成,其驱动电源产生的射频信号用来控制超声波频率与强度。利用该驱动电源,本文提出三种控制超声波的方式并应用于AOM。
驱动电源有三个输入控件,分别对应三种不同的调制方法,其中调制输入端添加TTL(晶体管晶体管逻辑)电平信号,其高低电平则相当于一个射频“开关”,对驱动源的射频输出有无进行控制,而功率调节旋钮与直流输入端口可控制射频输出幅度的大小,从而能有效调节超声波的功率,达到控制衍射光强的目的。
2.2AOM控制方法的验证
本文对上述三种控制方法进行实验验证,将驱动源输出端口连接于示波器,观察其射频输出信号的幅度及频率大小,从而验证不同输入端口对射频输出的控制作用。
DC(直流电源)+24V端口是直流输入,也是驱动源的供电端口。当按标准在DC输入端接入+24V直流源时,用信号发生器为驱动源调制输入端提供不同频率的TTL矩形波,观察驱动源射频输出信号随TTL电平的变化情况。实验效果如图2所示。经实验验证,为调制输入端提供不同频率的TTL矩形波,当调制信号在5MHz以内时,调制信号能对射频输出起到“开关”作用,达到了预期效果。如图2(b)所示,高频的射频信号在低频的TTL矩形电平控制下对应输出,当矩形波为低电平时,将射频输出“关闭”,无射频输出;当矩形波为高电平时,将射频输出“开启”,输出端口正常输出100MHz射频信号。
固定DC+24V端口为+24V直流电压,调整电源功率,可得其射频输出幅值与电功率旋钮旋转圈数的关系,其结果如图3所示。初始功率设置为最小,将功率向最大方向逐渐调整,其射频输出的幅值会随之线性增大,而射频信号固有频率不变,此方法为传统的AOM方法,即通过改变电功率使超声波功率随之变化,又根据公式(2)可知,改变超声波功率Ps,也可达到调制激光衍射效率、改变接收光强大小的目的。
将其他端口闲置,电功率固定于某一值,改变DC输入电压,当DC输入在+10V以内时,其射频输出变化较小;DC输入超过+10V时,其对应的射频输出幅值也随之线性增大,电功率与射频输出幅值的关系如图4所示。
实验结果表明,DC输入在+10V以上时,其射频输出信号的幅值大小与只改变电功率时的输出范围一致,因此改变DC大小与传统的改变电功率大小二者实验效果一致。通过有效地控制DC输入(固定电功率),实现了对布拉格衍射效率的线性控制,达到了调控衍射光光强的目的。由以上实验可知,若使用一个+12V与+24V可快速切换的开关电压源,使DC输入不同,可以达到控制衍射光强进行通信的目的。
3通信系统发射端的研究与实现
3.1激光外调制信号通信系统的研究
本文选用了波长为632.8nm的He-Ne激光器,使用信号发生器对AOM输入端输入TTL电平信号,通过AOM晶体在激光光路上对激光进行有效控制,衍射后的1级激光搭载了该TTL电平信号,用PMT(光电倍增管)进行1级光信号的接收,通过转换电路连接到示波器中对接收信号进行观察,如图5所示。图5(a)为原始激 光波形图,图5(b)为加300kHz调制信号后的波形,图5(c)为加5MHz调制信号后的波形。
实验数据表明,接收信号与加载在AOM上的矩形波信号频率相同,即调制信号能被激光无偏差传输。所以本AOM可实现周期≤5MHz的信号传输,即通信速率最高可达10Mbit/s。当调制速率>5MHz,则输出波形无规则可循,不宜用于通信使用。基于上述实验结果,本文采用FPGA(现场可编程门阵列)编码进行数字调制,将调制信号载入AOM,搭载He-Ne激光进行传输。其传输与检测原理图如图6所示,发射端通过PC机串口发送数字信号,经FPGA进行编码处理,编码后的信号输入到AOM中,通过激光与声光晶体的相互作用,将调制信号加载到激光上;接收端通过PMT接收数据,激光信号经I-V(电流-电压)转换、放大和整形等电路模块进行处理,在示波器中进行显示对比。
3.2激光数字通信的实现
2FSK (二进制移频键控)是激光通信中常见的编码方式,该方式抗干扰能力强,易实现。本文选用2FSK调制方式,搭载速率为115.2kbit/s的数字信号,实现了激光外调制通信系统的发射与接收。
2FSK调制原理如下,
式中,g(t0)表示3个占空比 为50%、带宽为345.6kHz的矩形波信号;g(t1)表示6个占空比为50%、带宽为691.2kHz的矩形波信号。二者不同的载波分别用来表示数字信号0和1。
通过PC机串口助手发送不同速率的数字信号,用FPGA进行2FSK调制,调制后的信号通过AOM加载到632.8nm的He-Ne激光上进行自由空间传输。FPGA编码仿真结果如图7所示。图中,data_in为串口输入数字信号,rst为复位输入信号,dataout为经过2FSK编码后的输出信号。
若串口以16进制发送数字45,则串口输出信号为010100010,其中第一位为串口起始位,串口信号经2FSK调制后,通过AOM加载到激光上,PMT接收激光信号,经I-V转换、放大和整形后在示波器上显示,如图8所示。接收信号表明,原串口信号经调制后,能以高低载波的形式通过激光完整地传输到光信号接收端。
经实验验证,通过串口发送不同数据,AOM均能使激光稳定地传送不同波特率的FSK调制信号,经PMT接收,达到了使用外调制技术对可见光波段激光进行短距离、高质量通信的目的,为其他波段的激光外调制传输奠定了一定的理论基础和技术基础。若将该技术应用于紫外波段,理论上也可将紫外激光传输速率提高到兆比特级别。
4结束语
根据以上实验,对AOM的三种不同的控制方式进行了有效验证,并制作了基于AOM的通信实验样机,该样机理论最高速率为10Mbit/s,借助串口实现了通信速率为115.2kbit/s的数字通信,其高频载波为0.7MHz。使用外调制方式进行激光传输,实验装置体积小,价格便宜,寿命长,且易操作,能随时满足不同需求下的自由空间光通信。同时,该研究为其他波段的短距离、高速率通信奠定了一定的理论和技术基础,选用不同的声光晶体,可以实现外调制方式下的其他波段的激光通信。
摘要：通过对激光外调制不同方式的对比分析,重点研究了AOM(声光调制)器件的原理及控制方法,提出了三种可控调制方法,且在控制方面分别进行了对比验证。采用其中的TTL电平(典型值高电平3.5V,低电平0.2V)调控方法,将数字信号经FPGA(现场可编程门阵列)以2FSK(二进制移频键控)方式进行调制编码,调制信号通过AOM加载于激光上,激光通过自由空间传输,借助串口实现了通信速率为115.2kbit/s的数字通信,且该激光外调制通信系统高频载波达到了0.7MHz左右。
空间激光通信 篇7
关键词：大气激光通信,光信噪比,前向纠错技术
一、引言
大气激光通信是一种以激光为信息载体,以大气为通信信道,进行语音、数据、图像等信息传输的通信方式。由于大气激光通信系统受雾、雨、太阳照射等天气因素影响较大,保证系统通信余量、提高光信噪比和提高探测器件灵敏度是现有FSO系统设计中考虑的主要因素。
现有FSO系统为满足系统对通信余量的需求常引入大功率输出掺铒光纤放大器(EDFA),在引入EDFA的同时会引入较大的噪声,降低信号的信噪比。EDFA输出功率永远低于FSO系统传输距离的需求,同时面临高噪声消失、非线性等等难题。所以有必要在电域上引入FEC技术以解决光功率预算的难题。
二、FSO系统的误码性能和纠错需求
大气信道对FSO系统激光束的传播主要的影响有:大气分子及悬浮微粒对光束的吸收与散射和大气湍流运动对光束的扰动。前者主要导致光束能量的损失,后者引起光束的强度闪烁、光束漂移、扩展与抖动等现象。FSO系统中存在的干扰主要来自激光传输过程中的大气干扰和接收时的背景光干扰,存在的噪声主要来源于接收机中的各器件和电路、EDFA、光滤波器等,这些噪声和干扰会影响传输质量。
工程应用上,FSO系统为满足长距离或大容量DWDM传输性能要求,首先考虑的是满足功率的需求,以克服大气信道引起的功率损耗和湍流引起的功率跳变。通常采用增大发送光功率的方式,但同时引入较大的噪声,降低了系统的OSNR,影响系统通信性能。
大气激光通信中误码原因包括:光束被遮挡和通信光功率余量不足。在一段时间内激光束的传播受到物体短时遮挡时表现为突发误码,而由于湍流或大气衰减等影响造成通信余量不足时,表现为零星的随机和少量的突发误码。前者因为信号载体的缺失通信会中断,后者误码多属于随机误码,误码之间没有相关性,可以通过电信号纠错工具来改善。
理论上讲,误码率的改善是基于噪声为高斯噪声,误码是非相关性的。FEC技术通过在传输码型中加入冗余纠错码以降低接收端的OSNR容限,采用FEC所获得的编码增益大大降低了误码率,有效地提高了通信可靠性,从而改善系统性能。在误码率处于中等的环境中,FEC可以检测误码和纠正误码。可以使中等误码率改善成较低误码率。改善的成效取决于噪声的特性和所采用的FEC技术。
三、适用于FSO系统的FEC技术
FEC技术是通过在发送端被传输的信息序列中加入一些冗余的监督码进行纠错。在发送端由发送设备按一定算法生成冗余码插入到要传输的数据流中,接收端按同样算法对接收到的数据流进行译码,根据接收到的码流确定误码的位置并进行纠错。
FEC纠错能力指的是在一个码块中,能够纠正比特错误(Bit Error)或符号错误(Symbol Error)的多少。解码器复杂程度几乎完全取决于需要纠正的比特数或符号数。需要纠正的比特(符号)数越多,解码器的实现就越复杂。目前,商用化的STM-64系统都只使用单比特(符号)纠错码,这也主要是出于对实用的解码器复杂程度的考虑。
现常用的FEC技术包含带内FEC和带外FEC。带内FEC系统将FEC纠错码写入未定义的SDH开销字段中,由于能使用的未定义的开销字节不多,FEC的性能,如BER改进程度,延时等都改善得有限。带外FEC系统将生成的FEC纠错码加到原待发数据中而不使用SDH的开销字节,因而相应的线路速率将提高。但它能较大幅度的提高编码增益,获得更广泛的应用,也适合FSO系统的应用需求。考虑到不过多增加器件成本,使光信号传送更长的距离,选取的FEC码型要有很好的净编码增益,从而使传输长距离时的可靠性得到满足。在大量传输容量的情形下,如果选用的FEC码型冗余度很大,就会占用过多的码数容量来传输非信息数据,严重降低传输的有效性。因此,选取的FEC码型要尽可能有低的冗余度。此外,考虑到将来的实现问题,选取的FEC码型还必须有利于硬件实现,不会带来过多的编译码延时。
图1是带外FEC编码示意图,图2是带外FEC解码示意图(以RS(255,239)编码方式为例)。
F EC纠错码按其信息元处理方法分为分组码和卷积码,考虑到FSO通信中的差错大部分均为无记忆的独立随机差错,一般选用分组码。按校验元与信息元之间的关系又分为线性码和非线性码,由于非线性码缺乏理论分析和应用实现,故采用线性码。因此在FSO通信系统里主要采用的是线性分组码。循环码是一类最重要的线性分组码,它适合于在FSO通信中应用,Reed-Solomon(RS)码是一种常用的循环纠错码。Reed-Solomon码将一个字节或相连的两个字节看作一个“符号(symbol)”,它可纠正在一套码组内单个符号或多个符号错误,既可纠正随机误码,又能纠正一定程度上的突发误码。
四、FEC对FSO系统传输性能的改善
根据ITU-T G.975建议的RS码型:RS(255,239)一块的长度是255bit,每个符号(Symbol)规定为8bit,包含239个信息字节和16个校验字节,该码型有6.69%的冗余,最多可以纠正8个字节的错误。当BER=1×10-12时,编码增益(OSNR的改善)近似等于2.3dB(RS-1编码)到7.3dB(RS-8编码)不等。误码率改善情况见表l,可以看出,经纠错后线路误码率大大降低。
采用RS(255,239)编码,带宽增加约1/14,以传输STM-16信号为例,编码后传输总带宽为:2.488×(15/14)Gb/s=2.66 Gb/s。目前的光器件均可满足此传输带宽需求。
五、结束语
前向纠错编码技术是实现长距离高速大气激光通信的有效方法,采用FEC所获得的编码增益可有效降低误码率,增大传输距离、系统的通信余量,或降低所需的发射功率,因而可有效提高系统通信性能、降低系统成本。基于级联码、分组Turbo码和低密度奇偶校验码等角度考虑来构造适用于光传输系统的超强FEC码型,并对其进行相关的研究与分析的工作也在进行。
将先进的FEC编码技术与大功率EDFA及高质量光探测器件相结合,可以建立稳定可靠的长距离、大容量FSO系统。
参考文献
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