无线激光通信技术应用研究

2022-09-11

无线激光通信技术WLC (Wireless Laser Communication) , 是利用激光作为信息的载体, 直接在大气或外太空进行信号传递的一种通信方式。它具有容量大、高速率、保密性好、机动性强的特点。这也正是我们研究此项技术的目的所在。

1 无线光通信基本原理及特点

1.1 无线激光通信基本原理

无线大气激光通信系统就是两台激光通信机构成的通信系统, 它们相互向对方发射被调制的激光脉冲信号, 接收并解调来自对方的激光脉冲信号, 实现双工通信。

无线激光通信是光通信的一种, 由信息源所产生的某种形式的信息将被传送到远端的目的地。这个源的输出被调制到一个光载波上, 光载波以光波或光束的形式通过光通道进行传输。在接收端, 光场被收集和检测, 并进行相关处理, 从而得到源所发出的信息。

光发送机与调制器是用来将信号源的信息调制到光载波上, 然后将要传输的光场聚集成光束, 以电磁场的形式发送到传输介质中进行传播。光发送机与调制器部分主要包含调制光源模块和光学发射模块。

光接收机是用于收集入射的光场, 并处理和恢复传输的信号。光接收机包括三个基本的模块:光学接收模块、光检测器和信息处理器。光学接收系统把接收的光场进行滤波和聚焦, 使其入射到光检测器上, 光检测器把光信号转变为电信号, 最后信息处理器完成必要的信号放大、信号过滤及处理, 最后从探测器的输出中恢复所需要的信息。

无线激光通信系统是由两台无线激光通信系统终端机组成的点对点的通信系统, 它们相互向对方发射经过信号调制的激光脉冲信号, 同时接收并解调对方的激光脉冲信号, 实现数据通信。

1.2 无线激光通信的特点

(1) 通信质量好, 抗电磁干扰和抗辐射能力强; (2) 方便组网; (3) 速率高, 频带宽, 容量大; (4) 传输安全保密性好; (5) 频谱资源丰富, 不需频率许可证。

2 无线激光通信存在问题

2.1 在恶劣的环境下适应能力差, 通信距离有限

这是因为激光在大气中衰减严重, 尤其遇到大雾天气, 甚至无法接通。由于激光具有光的直线传播的特性, 因此无线大气激光通信只能在视距范围内实现, 通信距离不如传统的微波无线通信。

2.2 瞄准困难

这是无线大气就光通信应用中最为明显的不足。激光在大气中传输人眼看不见, 这就使接收天线不易把我方位, 瞄准困难。一般的无线大气激光通信系统的发射天线都设在大楼上, 大风或者轻微的地震都会使天线产生晃动, 造成光路的偏移, 不易瞄准。

2.3 不能越过障碍物, 影响应用范围

由于激光不能穿过有形物体, 例如建筑物、树木等障碍物, 所以无线大气激光通信要求在发射端和接收端之间不能有阻碍光路的障碍物, 否则会造成通信质量下降或者无法通信。

3 无线激光通信的商业用途

随着无线大气激光通信技术的不断成熟和发展, 商用系统设备的传输速率要比一般的DSL (数字用户环路) 或者同轴缆要高得多, 传输速率从10Mbit/s到现在的10Gbit/s。无线激光通信系统的主要制造商有美国的Air fiber、日本的cannon、美国的Light point及美国的Terabeam等。目前, FSO的发展已经与WDM技术结合。朗讯公司早在1999年推出Wave Star Optic Air无纤DWDM系统, 采用1550nm波长和DWDM技术, 传输速率达到10Gbit/s (4X2.5Gbit/s) , 传输距离达5公里。

4 无线激光通信的关键技术

4.1 有关于大气中通信信道的研究

大气中的气体分子、水雾、雪、气溶胶等离子, 其儿何尺寸与半导体激光器波长相近甚至更小, 这就会引起光的吸收、散射, 特别是在强湍流的情况下, 光信号将受到严重干扰甚至脱靶自适应光学技术可以较好的解决这一问题, 并逐渐走向实用化。多孔径发射、多孔径接收技术也可以适当减弱大气散射的影响。

4.2 需要精密、可靠的收发合一的光学天线

为完成系统的双向互逆跟踪, 光通信系统均采用收、发合一光学天线, 由于半导体激光器光束质量一般较差, 要求天线增益要高。另外, 为适应空间系统, 天线 (包括主副镜, 合束、分束滤光片等光学元件) 总体结构要紧凑、轻巧、稳定可靠。

4.3 抗干扰高灵敏度的微弱光信号接收技术

为快速、精确地捕获目标和接收信号, 抗击空间光通信系统中, 光接收端机接收到的信号是十分微弱的, 又加之在高背景噪声光场的干扰情况下, 会导致接收端信噪比很小的缺点, 通常采取两方面地措施:第一是提高接收端机的灵敏度, 第二是对所接收信号进行处理, 在光信道上采用光窄带滤波器, 以抑制背景杂散光的千扰, 在电信道上则采用微弱信号检测与处理技术。

4.4 高调制速率、高能量转换效率。大功率的光放大发射技术

空间激光通信系统的远距离高码率特点, 对光发射模块提出了极高的要求。第一要求激D A F A光器有很好的性能, 保证激光器在高码率调制下啁啾系数小;第二对激光器的功率要求很高。同时, 由于系统与各子系统的共同约束条件限制, 信号光的波束宽度不能太小, 接收天线的增益有限。因此, 如何解决大功率与高调制速率的矛盾是一项必须解决的关键技术。

4.5 ATP系统技术

这是保证实现空间远距离光通信的必要核心技术。ATP系统通常由两部分组成, 一是.捕获 (粗跟踪) 系统。它是在较大视场范围内捕获目标, 通常采用阵列CCD来实现, 并与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构完成粗跟踪即目标的捕获。二是跟踪、瞄准 (精跟踪) 系统。该系统的功能是在完成了目标捕获后, 对目标进行瞄准和实时跟踪。通常采用四象限红外探测器QD高灵敏度位置传感器来实现, 并配以相应的电子学伺服控制系统。

总的来说, 空间光通信是包含多项工程的交叉科学研究课题。空间光通信的发展是与高质量大功率半导体激光器、精密光学元件、高质量光学滤波器件、高灵敏度光电探测器及快速、精密的光、机、电综合技术的研究和发展密不可分的。近几年来光电器件、激光技术、电子学技术的发展, 为空间光通信奠定了物质基础, 在人力、物力上也做了准备, 更由于信息社会发展的需要, 空间激光通信已经开始走向成熟了。

摘要：无线激光通信是实现光接入网的一种新兴技术, 随着高速大容量光通信系统的不断演进受到越来越多的重视。文章介绍了光电通信技术的原理, 特点及应用范围, 指出该技术存在的缺陷, 提出建议。

关键词：无线光通信技术,原理,应用