網站首頁 | 請您留言 | 聯系我們
在線咨詢
QQ:2867170896

    返回           點擊次數:5035
大氣激光通信模塊

一、概述

目前主要的通信傳輸手段有微波、光纖等。微波通信與有線通信相比,可節省大量有色金屬,并易于跨越復雜地形;可以較靈活地組成點、線結合的通信網,使一些海島、山區、農村的用戶較方便地利用干線進行信息交換。但相對于光纖通信系統,其頻帶窄,信道容量小,碼率低,尚有許多不足。光纖通信系統的線路容量較大,不易受外界干擾,但必須有安裝光纜用的公用通道,當遇到惡劣地形條件時,工程施工難度大、建設周期長,費用高。光無線通信結合了光纖通信與微波通信的優點,既具有通信容量大的優點,又不需要鋪設光纖。它以激光作為信息載體,不需要任何有線傳輸媒介的通信方式,可用于空間及地面間通信,其傳輸特點是光束以直線傳播。作為對微波通信的革命,光無線通信系統得到各國的普遍重視。近年來,隨著相關元器件工藝的成熟,預計通信系統很快將會進入商業應用階段。目前,衛星間只能以微波進行通信。微波的物理特性決定了它不可能達到與光纖通信一樣的帶寬。這樣就造成地面與衛星聯通時出現了瓶頸。
全球信息社會的實現與各個頻段電磁波的利用有很大的關系。光波通信的顯著特點是,隨著天線尺寸的減小,增益大幅度提高,3dB波束寬度下降了5個量級。與光纖通信不同,無線激光通信在自由空間傳播,不需要波導;無線激光通信的設備尺寸比微波通信系統要小的多,因而便于攜帶,特別適合于應急通信。全光傳輸和全光通信是解決“電子瓶頸”的根本途徑,而無線激光通信正是光通信的其中之一。
表1微波、毫米波和光波的某些傳播特性

波段
頻率或波長
天線尺寸(m)
天線增益(dB)
3dB帶寬(度)
S波段
2GHz
2
30
5.25
Ka波段
26GHz
2
52
0.4
毫米波
60GHz
1
50
0.35
光波
0.83微米
0.07
108
幾十個微弧度

如表1所示,與無線電通信相比,光波通信具有天線尺寸小,增益高,帶寬窄的優點。目前用于無線激光通信的各種發射器、探測器等技術已經成熟,表2是無線激光通信的基本部件的配套和應用情況。
表2光通信的基本部件和應用情況

光波/波長(微米)
調制方式
信    道
光探測器
應用情況
LD,LED/~0.85
直接調制
大氣
Si-
局部應用
LD,LED/~0.68
直接調制
星際
Si-
試驗
LD,LED/1.3-1.6
直接調制
星際
Ce,InGaAsP
試驗
CO/10.6
外調制
大氣
TeCdHg-
試驗
LD+YAG/1.064
外調制
星際
Si-
試驗
培頻LD/0.4~0.5
外調制
星際、大氣
Si-
試驗
培頻(LD/YAG)/0.532
外調制
水下、星際
Si-光電培增管
試驗

如表2所示,無線激光通信所需要的光源、調制方法、光探測器和傳輸介質等問題已經基本解決,西方發達國家還進行了衛星-地面激光通信的試驗,已經取得了初步的成功。
無線光光通信(FSO)是以光束作為信息載體、在空間實現點到點或點到多點信息傳輸的一種技術。該技術由于具有成本低、組網靈活、安裝方便、無需頻譜許可等優點,已成為當今信息技術的一大熱點,其作用和地位已能和光纖通信、微波通信相提并論,是構筑未來世界范圍通信網必不可少的一種技術。

二、FSO的基本原理和特點

FSO系統以大氣作為傳輸媒質進行光信號的傳送,只要在兩端的無線收發器之間存在無遮擋的視距路徑和具有足夠的光發射功率,就可以進行正常通信。如圖1所示。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


 

1   FSO通信示意圖
圖1中光電轉換是FSO系統的基本技術之一。在點對點傳輸的情況下,每一端都設有光收/發設備,從而實現全雙工的通信。光發射機的光源按照電信號進行激勵調制,通過光學天線(光學望遠鏡)發射光信號,光信號經過大氣信道傳送到接收端光學天線,由光接收機將收到的光信號再轉換成電信號。對于不同波長的光信號,大氣信道的透過率差別很大,可選用透過率較好的波段范圍。
自由空間激光通信FSO技術的優點主要包括:
1.   快速實施
FSO技術與大多數射頻電磁波(RF)不同,由于其通信設備間的信號不會產生相互干擾,因此在全球范圍內可免費使用300GHz以上的電磁波頻段,無需申請頻率許可證和事先進行頻率規劃。唯一的要求是設備發射功率不能超過國際電子技術委員會規定的功率上限(IEC60825-I標準)。另外FSO無線接收器大小適中,可以方便的安裝在屋頂、屋內以及室外。
2.   頻帶寬
FSO通信和光纖通信一樣,具有頻帶寬的優勢,在傳輸距離為2~4千米時,可實現155Mbps~10Gbps的傳輸速率。在點到多點的組網方式中,FSO同樣能實現155Mbps~10Gbps的傳輸速率,但傳輸距離縮短到1~2千米。當采用格形組網結構時,則可支持622Mbps的傳輸速率,傳輸距離為200~400米[3]
3.   協議透明
FSO技術以光為為信號載體,可方便的承載各類傳輸協議(ATM、FDDI、SONET、SDH、以太網等),對于傳輸數據、多媒體語音和影像等信息均是透明的。
4.   低成本
FSO技術以大氣作為傳輸介質,免去了昂貴的光纖敷設和維護工作。
5.   安全保密性強
FSO技術安全性顯著,由于其波束很窄,定向性非常好,非可視光難以探測到鏈路的位置。并且除非其通信鏈路被截斷,否則數據難以外泄,安全性強。
FSO激光波束很窄的原因是,其發散角約為2.5 mrad(毫弧度),可近似得到傳輸1千米達到的波束直徑:波束直徑=2.5mrad×1.0km=2.5m。而使用微波天線,發射角為 時,傳輸1千米的波束直徑達到535m。由此可見激光波束發散角小,更具有安全保密性。
7.   全天候工作
FSO全天候工作的可靠率達99.999%,遠遠高于國際規定的通信系統年可靠率95%。
8.   可靠性
硬件可靠,其通信鏈路僅基于安裝位置、設備組件和傳輸距離。

四 無線光通信的應用場合

FSO網絡可以有多種拓撲,包括點對點、點對多點(星型)、環形和網格型結構,也可以將這些結構組合使用,根據用戶需求和實際應用進行選擇[10]
其中,FSO網絡中最基本的網絡拓撲結構是點對點結構,多用于企業內部的各大樓間連接或用于寬帶接入的專線連接。這種結構的優點是鏈路獨立,結構簡單,適用于接入網絡;缺點是其鏈路無冗余保護措施,存在單點故障問題。如圖2所示。
圖2  點對點拓撲結構示意圖
點到多點(星型)結構的優點是可以把業務集中到一點(集線器或中心節點),再接入核心網,這種組網結構效率較高、較經濟。缺點是能提供的帶寬較少;每條鏈路仍無冗余保護,可靠性較差;并且為了在視距內連接盡可能多的大樓,集線器的位置非常關鍵,集線器的成本也較高。但有一種點到多點結構實際上是點到點傳輸,只不過在中心節點集中放置了多個針對不同方向的終端,因此其好處是有專用的帶寬,可進行拓展,能為單個用戶提供服務。如圖3所示。
圖3點對多點拓撲結構示意圖
環形結構是指所有節點間的光鏈路首尾相接自成封閉回路的網絡結構。這種結構的優點是故障發生后,在不需要人工干預的情況下,網絡可在較短的時間里從故障中自動恢復服務。如圖4所示。
圖4環形拓撲結構示意圖
網格型結構的主要優點是通過多個網絡節點可以提供實時性很好的迂回路由,使服務得到保護,即具有服務恢復、服務冗余的特點。在這種結構下,FSO通信既可作為有線光纖通信的補充備份,也可獨立用于提供部分接入,并可以實現把業務匯聚到選定的接入點,再集中接入光纖網絡,適合電信級使用需求。但這種結構存在傳輸距離短、成本相對其它結構高、網絡規劃較復雜的缺點。一種網格型的組網方式是:將網絡中心節點的集線器設置在中央區域的建筑上,并與光纖環相連,此類集線器與設在附近建筑物上的其它節點通過FSO設備進行視距傳輸(速率10Mbps~1Gbps)。采用此結構,每一中心節點既可作為用戶接入點,也可作為下一網絡中心節點的中繼節點。如圖5所示。
圖5 網格形拓撲結構示意圖
FSO系統在點到點連接的應用已經得到充分證實,例如用作LAN的回程鏈路、應急備用和災害恢復時的備份等,但用于“最后一公里”接入至今還沒有得到充分證實。

五、FSO與其它接入技術的比較

FSO技術作為一種新型的無線寬帶接入方式,和其它幾類常用接入技術相比,具有獨特的優勢。各種接入技術在帶寬和傳輸距離方面的定位如圖6所示。
圖6 接入技術定位
FSO通信技術與微波技術相比,具有調制速率高、頻帶寬、不占用頻譜資源等特性;與有線和光纖通信技術相比,則具有機動靈活、受地形影響較小、運行成本低、易于推廣等優點。FSO通信可在一定程度彌補光纖和微波的不足。圖7和圖8給出微波技術和FSO通信技術的實現結構圖,以供比較。
圖7 微波通信結構圖
圖8 FSO通信結構圖
常用的接入技術性能比較如表3所示。
表3 常用寬帶接入方式比較[11]
Tab.1-1 Comparison of Common Broadband Access Methods
接入方式
LMDS(本地多點分配業務)
FTTB(光纖到大樓)
FSO
工作頻段
毫米波
1310~1550nm
850~1550nm
傳輸帶寬
10Mbps
622Mbps
2.5Gbps
傳輸距離
2~3km
<20km
<6km
頻率資源占用率
初期投資
安裝速度
極慢
天氣影響
 

六、系統結構與組成

圖9所示為大氣激光通信系統組成方框圖。在本系統中,信源的信息首先經過信道糾錯編碼以提高系統傳輸的可靠性,根據不同的信道特性我們采用性能的糾錯編碼方式。糾錯編碼后的數據送入PPM(脈沖位置調制)調制系統,PPM調制屬于光強度調制中具有較強抗干擾能力的一種調制方式。經過PPM調制后的信號加載到激光光源上驅動激光器發出光信號。在我們的系統中,激光光源分為兩種:一種是半導體激光器,這種激光器具有很高的調制帶寬,光的單色性較好;另外一種是紫外激光器,這種激光器利用大氣的散射進行傳輸,因而可以進行非視距傳輸。激光器發出的光信號從準直光學鏡頭發射平行光束。光信號經過大氣信道后到達接收端,接收端的光學接收天線將接收的光信號匯聚在光電探測器上,高速光電探測組件將接收到的光信號轉換為電信號,經過微弱信號處理之后送入PPM解調器。解調后的信息送入接收系統,然后經過信道解碼之后送入信息接收者。實現了數字信號的高速激光無線傳輸。
圖9大氣激光通信系統組成方框圖

1.信道編碼技術

大氣激光通信系統是功率受限系統,由于距離遠,激光發射功率有限,導致光接收機接收到的光功率很微弱,再加上各種干擾的影響,使誤碼率難以達到通信系統的要求。采用信道編碼技術是提高通信系統誤碼性能的有效方法。信道編碼的實現方式有很多中。我們根據大氣信道的傳輸特性和大氣信道的狀態采用了兩種糾錯編碼方式:RS糾錯編碼方式和Turbo編碼方式。在信道狀況一般的情況(不采用糾錯情況下的誤碼率高于10-5)下,則采用RS編碼。在信道狀況較差的情況(不采用糾錯情況下的誤碼率高于10-2)下,則采用Turbo編碼方式。圖10是采用信道編碼前后系統誤碼率的對比,可以看出,即就是在最壞的情況下,信道編碼后誤碼率優于10-6.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
圖10 不同糾錯碼在不同天氣條件下的誤碼率比較

2.PPM調制技術

由于實現簡單現有激光通信系統大多采用OOK(On-Off-Keying)調制方式。但是OOK調制的光功率利用率低,抗噪聲干擾能力差,極大的限制了激光通信的傳輸距離。我們擬采用PPM調制技術,對L-PPM調制中不同的進制數L進行仿真研究,選擇合適的進制數,既照顧到通信的碼速率,又顧及通信的實時性,通過計算機仿真對此做出合理的抉擇,我們擬采用256-PPM編碼。PPM調制技術提高了系統的光功率利用率和抗干擾能力,增加了激光通信的傳輸距離。
PPM幀格式如圖11所示,前16個時隙為保護時隙,防止激光器因發射功率太大而過載,后16個時隙是通信時隙,在通信時隙內,只有一個發射脈沖。若干個信息幀組成一個超幀,每個信息幀中都有一個保護段和信息段。超幀的前面是同步頭,以保證通信系統的同步。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


 

圖11   PPM超幀結構
 
 
 
 
 
 
 
 


 

圖12 不同的編碼方式比較

3.激光光源

對于半導體激光器,選擇輸出功率為幾百mW ~幾W 的激光器, 并要求輸出光束質量好, 工作頻率高(可達到幾十MHz~幾十GHz) 。
對于紫外激光器。

4.光學收發天線

為完成系統的雙向互逆跟蹤,大氣激光通信系統均采用收、發合一的光學天線, 隔離度近100%的精密光機組件(又稱萬向支架) 。由于半導體激光器光束質量一般較差, 要求天線增益要高。另外, 為適應空間系統, 天線(包括主副鏡, 合束、分束濾光片等光學元件) 總體結構要緊湊、輕巧、穩定可靠。

5.高靈敏度、強抗干擾性的微弱光信號接收技術

在大氣激光通信系統中, 由于大氣隨機信道對激光傳輸的干擾, 光接收端機接收到的信號十分微弱, 往往導致接收端信噪比S/N < 1。為快速、精確地捕獲目標和接收信號,我們采取兩方面的措施: 一是提高接收端機的靈敏度, 達到pW 量級;二是對所接收信號進行處理, 在光信道上采用光窄帶濾波器(干涉濾光片或原子濾光器等) , 以抑制背景雜散光的干擾, 在電信道上則采用微弱信號檢測與處理技術。

四、系統指標參數

本系統設計的系統性能指標如表1所示。
表4 系統性能指標參數
通信距離
5km,³5km需要定制
傳輸速率
(100M~1.2G)bps
誤碼率
10-6(最壞條件下)
通信光發散角
1. 5mrad
通信光接收視場角
3mrad
糾錯方式
RS碼、Turob碼、LDPC碼可選
對準方式
自動對準或人工瞄準可選
電源電壓
220伏±10%
功耗
£10瓦
信號電平
TTL電平或訂制
模塊重量
£1kg
激光器波長
 
pk10走势图杀码技巧 有百搭的麻将叫什么 今天河北十一选五手机版 星力正版捕鱼平台 网上麻将作弊器免费安装 新浪棋牌竞技风暴 北京pk10定位胆技巧 辽宁35选7走势图风采 宁夏十一选五的平台 13255排列5 最新好运南京麻将app 青鹏棋牌手机版下载安装 一起宁德麻将app 体彩中彩开奖结果查询 福彩30选5综合走势图 上海11选五任二遗漏 北京麻将技巧手法教学
滑梯
版權所有 @ 西安凌越機電科技有限公司

地址:西安市電子城電子東街2號 郵編: 710065 聯系電話: 029-88225187 傳真: 029-88219538

網站:www.pzzcyw.buzz 郵箱:wyaling521@hotmail.com 手機: 13679281785
陜ICP備 06011785