第8、9章空间激光通信资料.pptVIP

光通信原理与技术 空间光通信概念 空间光通信是一种利用光波在空间中的传播达成的通信方式 优点： 与传统的无线电通信（微波通信）相比 承载能力更强 与光纤通信相比 在灵活性、成本、建设周期方面具有明显优势 空间光通信分类 第8章 大气激光通信 本章内容 概述 激光在大气信道中的传播特性 用于大气激光通信的关键器件和技术 调制方式 大气激光通信系统 大气激光通信的应用 8.1 概述 大气激光通信的研究进展 又被称为自由空间光通信（FSO，Free Space Optics） 发展大致经过了高峰——低谷——复苏三个阶段 20世纪60～70年代，研究高峰期 特点：激光刚出现，使用激光实现大气光通信，独占光通信舞台 20世纪70～80年代，衰落期 光纤出现，光纤通信压倒性优势 20世纪90年代至今，复苏期 作为光纤通信的补充，与其它无线通信方式竞争 大气激光通信的应用优势 无线优势 容量优势 电磁兼容优势 必威体育官网网址优势 尺寸优势 价格优势 功耗优势 面临的主要问题 大气信道问题 大气信道衰减 大气湍流的影响 大气信道散射 背景光干扰 其它问题 飞行物遮挡 工作平台方位稳定性 8.2 激光在大气信道中的传播特性 大气效应 大气吸收 在紫外、可见光及红外区域，主要的吸收分子是H2O、CO2、O3、O2及少量的CO、CH4、N2O等。在吸收带之间少数几个区域中存在相对“透明”的“窗口”，在这些窗口中辐射透过率较高，吸收较弱，通常称大气窗口 大气散射 造成光能量衰减的主要原因是悬浮粒子的散射，一般说来，对于半径r≤0.3?m的粒子（如气体分子），波长在1?m附近，瑞利定律的误差≤1%，当粒子半径r0.3?m时（如悬浮尘埃等），须采用米氏定律。当粒子半径比辐射波长至少大40?m时（如雾滴、雨滴等）才出现非选择性散射 大气散射造成光衰减，是大气窗口上主要的损耗来源，但也可有意利用大气散射构成散射信道 大气湍流 湍流是指大气中局部温度、压力的随机变化而带来的折射率的随机变化 其它 背景光/热晕 大气透射谱 瑞利散射与米氏散射 瑞利散射 光子与空气粒子发生碰撞而产生 特点：散射的强度和波长的四次方成反比；散射光的散射强度与观察方向之间有着比较简单的关系；前向散射能量和后向散射能量相等；90度方向的散射光几乎是偏振的 米氏散射 散射颗粒的大小可以与辐射波长可比拟时产生米氏散射 特点：主要的散射能量集中在前向方向上 大气综合衰减系数表 大气散射损耗经验公式 当工作波长选择在低损耗窗口时，大气损耗主要由散射造成 大气散射损耗经验公式： 非视线紫外大气散射信道 背景光噪声 8.3 关键器件和技术 光源 工作波长 不仅要考虑低损耗窗口，还要注意避开背景光的高辐射谱段 可以认为810～860 nm、1550～1600 nm都是无线光通信中可以选择的通信波长 功率要求 大气吸收/散射问题 光束发散问题 通常选择在 数十mW以上 光检测器 半导体光检测器 PD和APD 真空器件 真空光电管 真空光电倍增管（PMT） 原理：光阴极产生的一次光电子被高电场加速，发射到打拿极并产生二次电子发射；二次电子多少重复以上过程，如此电子的数目也得到可观倍增；一般打拿极的级数可达10级以上，平均倍增系数可达105~107 优点：灵敏度高、暗电流小、光电转换能力强、动态响应速度快、信号检测能力强、稳定、较为可靠 缺点：需要高压，体积大，易碎，缺少长波长器件 光束发散等效损耗 光学天线 作用 在发送端，对激光束实现扩束，压缩光束发散角，减少光束发散损耗，降低对光源的光发射功率要求 在接收端，增大接收面积，大大提高了所接收到的信号光功率，压缩接收视野，减少背景光干扰 大气光通信常用折射式光学天线 8.4 调制方式 调制方式 脉冲位置调制（PPM） 目的：提高传输通道抗干扰能力 常用的PPM包括： 单脉冲脉位调制（L-PPM 差分脉冲位置调制（DPPM） 多脉冲PPM调制方式 与OOK调制的比较 平均发送光功率都有所降低 L-PPM调制和L-DPPM调制都有不同程度的带宽扩张 多脉冲PPM调制在选择合适的脉冲数时可以减小带宽扩张甚至没有带宽扩张 8.5 大气激光通信系统 系统框图 各部件功能 电端机实现对信息的编码和还原 线路编码实现前向纠错 光调制解调单元实现信号的电-光/光-电变换 自动功率控制补偿大气条件变化导致的激光束传播损耗变化 光学收发天线：接收光学天线的任务是将一定面积内的信号光会聚到光检测器上，目的是增大接收光信号功率；发送光学天线的任务是压缩光束发散角，降低激光束在大气中传播时的发散损耗 构成光学天线的主要方式 收发分离式 收发合一式 遮挡和晃动 阵列发射接收解决遮挡问题 散光法和自动跟踪解决建筑物晃动问题 大气光通信设备实例 大气光通信设