光通信原理與技術光通信原理與技術1空間光通信概念空間光通信是一種利用光波在空間中的傳播達成的通信方式優點：與傳統的無線電通信（微波通信）相比承載能力更強與光纖通信相比在靈活性、成本、建設周期方面具有明顯優勢空間光通信概念空間光通信是一種利用光波在空間中的傳播達成的通2空間光通信分類空間光通信分類3第8章大氣激光通信第8章大氣激光通信4本章內容概述激光在大氣信道中的傳播特性用于大氣激光通信的關鍵器件和技術調制方式大氣激光通信系統大氣激光通信的應用本章內容概述58.1概述8.1概述6大氣激光通信的研究進展又被稱為自由空間光通信（FSO，FreeSpaceOptics）發展大致經過了高峰——低谷——復蘇三個階段20世紀60～70年代，研究高峰期特點：激光剛出現，使用激光實現大氣光通信，獨占光通信舞臺20世紀70～80年代，衰落期光纖出現，光纖通信壓倒性優勢20世紀90年代至今，復蘇期作為光纖通信的補充，與其它無線通信方式競爭大氣激光通信的研究進展又被稱為自由空間光通信（FSO，Fr7大氣激光通信的應用優勢無線優勢容量優勢電磁兼容優勢保密優勢尺寸優勢價格優勢功耗優勢大氣激光通信的應用優勢無線優勢8面臨的主要問題大氣信道問題大氣信道衰減大氣湍流的影響大氣信道散射背景光干擾其它問題飛行物遮擋工作平臺方位穩定性面臨的主要問題大氣信道問題98.2激光在大氣信道中的傳播特性8.2激光在大氣信道中的傳播特性10大氣效應大氣吸收在紫外、可見光及紅外區域，主要的吸收分子是H2O、CO2、O3、O2及少量的CO、CH4、N2O等。在吸收帶之間少數幾個區域中存在相對“透明”的“窗口”，在這些窗口中輻射透過率較高，吸收較弱，通常稱大氣窗口大氣散射造成光能量衰減的主要原因是懸浮粒子的散射，一般說來，對于半徑r≤0.3m的粒子（如氣體分子），波長在1m附近，瑞利定律的誤差≤1%，當粒子半徑r>0.3m時（如懸浮塵埃等），須采用米氏定律。當粒子半徑比輻射波長至少大40m時（如霧滴、雨滴等）才出現非選擇性散射大氣散射造成光衰減，是大氣窗口上主要的損耗來源，但也可有意利用大氣散射構成散射信道大氣湍流湍流是指大氣中局部溫度、壓力的隨機變化而帶來的折射率的隨機變化其它背景光/熱暈大氣效應大氣吸收11大氣透射譜大氣透射譜12瑞利散射與米氏散射瑞利散射光子與空氣粒子發生碰撞而產生特點：散射的強度和波長的四次方成反比；散射光的散射強度與觀察方向之間有著比較簡單的關系；前向散射能量和后向散射能量相等；90度方向的散射光幾乎是偏振的米氏散射散射顆粒的大小可以與輻射波長可比擬時產生米氏散射特點：主要的散射能量集中在前向方向上瑞利散射與米氏散射瑞利散射13大氣綜合衰減系數表

不同天氣時的大氣綜合衰減系數和能見度表（工作波長850nm）

天氣情況

能見度

大氣衰減系數（dB/km）

非常晴朗

50～20km

0.20～0.52

晴朗

20～10km

0.52～1.0

輕霾

10～4km

1.0～2.9

陰

4～2km

2.9～5.8

薄霧

2～1km

5.8～14.0

輕霧

1000～500m

14.0～34.0

中霧

500～200m

34.0～84.9

濃霧

200～50m

84.9～339.6

大氣綜合衰減系數表不同天氣時的大氣綜合衰減系數和能見度表14大氣散射損耗經驗公式當工作波長選擇在低損耗窗口時，大氣損耗主要由散射造成大氣散射損耗經驗公式：能見度V定義為最初光功率衰減到2%的距離大氣散射損耗經驗公式當工作波長選擇在低損耗窗口時，大氣損耗主15非視線紫外大氣散射信道非視線紫外大氣散射信道16背景光噪聲太陽光譜背景光噪聲太陽光譜178.3關鍵器件和技術8.3關鍵器件和技術18光源工作波長不僅要考慮低損耗窗口，還要注意避開背景光的高輻射譜段可以認為810～860nm、1550～1600nm都是無線光通信中可以選擇的通信波長功率要求大氣吸收/散射問題光束發散問題通常選擇在數十mW以上

光源工作波長19光檢測器半導體光檢測器PD和APD真空器件真空光電管真空光電倍增管（PMT）原理：光陰極產生的一次光電子被高電場加速，發射到打拿極并產生二次電子發射；二次電子多少重復以上過程，如此電子的數目也得到可觀倍增；一般打拿極的級數可達10級以上，平均倍增系數可達105~107優點：靈敏度高、暗電流小、光電轉換能力強、動態響應速度快、信號檢測能力強、穩定、較為可靠缺點：需要高壓，體積大，易碎，缺少長波長器件某型PMT光譜響應曲線

光檢測器半導體光檢測器某型PMT光譜響應曲線20光束發散等效損耗接收天線光強光錐發散角光束發散等效損耗接收天線光強光錐發散角21光學天線作用在發送端，對激光束實現擴束，壓縮光束發散角，減少光束發散損耗，降低對光源的光發射功率要求在接收端，增大接收面積，大大提高了所接收到的信號光功率，壓縮接收視野，減少背景光干擾大氣光通信常用折射式光學天線目鏡物鏡準直輸出光學天線作用目鏡物鏡準直輸出228.4調制方式8.4調制方式23調制方式脈沖位置調制（PPM）目的：提高傳輸通道抗干擾能力常用的PPM包括：單脈沖脈位調制（L-PPM差分脈沖位置調制（DPPM）多脈沖PPM調制方式與OOK調制的比較平均發送光功率都有所降低L-PPM調制和L-DPPM調制都有不同程度的帶寬擴張多脈沖PPM調制在選擇合適的脈沖數時可以減小帶寬擴張甚至沒有帶寬擴張調制方式脈沖位置調制（PPM）248.5大氣激光通信系統8.5大氣激光通信系統25系統框圖系統框圖26各部件功能電端機實現對信息的編碼和還原線路編碼實現前向糾錯光調制解調單元實現信號的電-光/光-電變換自動功率控制補償大氣條件變化導致的激光束傳播損耗變化光學收發天線：接收光學天線的任務是將一定面積內的信號光會聚到光檢測器上，目的是增大接收光信號功率；發送光學天線的任務是壓縮光束發散角，降低激光束在大氣中傳播時的發散損耗各部件功能電端機實現對信息的編碼和還原27構成光學天線的主要方式收發分離式收發合一式光學帶通濾波片LDAPD光學帶通濾波片構成光學天線的主要方式收發分離式光學帶通LDAPD光學帶通28遮擋和晃動陣列發射接收解決遮擋問題散光法和自動跟蹤解決建筑物晃動問題接收天線光強光錐發散角遮擋和晃動陣列發射接收解決遮擋問題接收天線光強光錐發散角29大氣光通信設備實例~光學天線發收6芯光纜除霜電源線光端機2芯光纜光口用戶通信設備SDH-155PSH-1441-64E1100BaseTATM-1558E1+100BTPFM用戶信號110~220VAC或-48VDC大氣光通信設備實例~光學天線發收6芯光纜除霜電源線光端機2芯30大氣光通信設備實例用戶光纖接口用戶光纖接口發收發射組件接收組件發發發發收收管理和控制光纖內纜光驅動設備光學天線大氣光通信設備實例用戶光纖接口用戶光纖接口發收發射組件接收組318.6大氣激光通信的應用8.6大氣激光通信的應用32大氣激光通信的應用城域網擴展局域網互聯最后1km接入光纖鏈路的備份寬帶網接入無線基站數據回傳與DWDM設備集成快速業務開通其它特殊場合大氣激光通信的應用城域網擴展33第9章星間激光通信第9章星間激光通信34衛星激光通信——優勢的結合利用光載波極高的頻率可達成巨大的通信容量利用光器件體積小、重量輕的優點可顯著降低衛星質量利用光波波長短的優點可減小天線口徑，提高衛星有效載荷利用衛星通信的優點可方便地實現全球覆蓋和移動性衛星激光通信——優勢的結合利用光載波極高的頻率可達成巨大的通35衛星光通信鏈路分類星間鏈路ISLIOL星地鏈路衛星光通信鏈路分類星間鏈路369.3.1主要問題及對策9.3.1主要問題及對策37主要問題共性問題損耗通信光束的對準、捕捉和跟蹤背景噪聲多譜勒頻移星地光通信面臨的問題大氣信道衰減/湍流主要問題共性問題38損耗自由空間的傳輸損耗與距離的平方成正比，與波長的平方成反比星間距離通常在數千到數萬公里自由空間損耗在250dB以上損耗自由空間的傳輸損耗與距離的平方成正比，與波長的平方成反比39光學天線----解決損耗問題天線的增益與其口徑的平方成正比，與工作波長的平方成反比光波波長在m數量級，小口徑天線即可獲得巨大增益工作波長為1550nm時，20cm口徑的天線即可實現110dB以上的增益光學天線----解決損耗問題天線的增益與其口徑的平方成正比，40發散角問題圓形口面的天線其波束主瓣半功率角寬度與工作波長成正比，與天線口徑成反比

20cm口徑的天線工作在1550nm波長時，其3dB光束發散角僅為7.9rad開環方式基本上不可能實現通信雙方光束的對準發散角問題圓形口面的天線其波束主瓣半功率角寬度與工作波長成正41PAT子系統----解決對準問題瞄準、捕獲和跟蹤（PAT）子系統瞄準----天線指向捕獲----實現通信光束的對準跟蹤----吸收衛星機械振動引起的光束偏移PAT子系統----解決對準問題瞄準、捕獲和跟蹤（PAT）子42廣譜宇宙噪聲幾種常用光電檢測器的波長響應特性廣譜宇宙噪聲幾種常用光電檢測器的波長響應特性43光學濾波器----解決背噪問題光電檢測前，在光域對信號進行窄帶濾波，僅讓特定波段的信號光通過，從而大大減少背景光產生的噪聲光電流光學濾波技術成熟，大量應用于DWDM系統閃耀光柵多層介質薄膜陣列波導干涉型光纖光柵型光學濾波器----解決背噪問題光電檢測前，在光域對信號進行窄44多普勒頻移光載波頻移大小：IOL鏈路存在此問題影響GEO-LEO鏈路中，多普勒頻移量接近9GHz，對應的波長變化范圍約0.08nmvq光源觀察者光源運動方向光傳播方向多普勒頻移光載波頻移大小：vq光源觀察者光源運動方向光傳播方45大氣信道大氣效應大氣吸收大氣散射大氣湍流對光束的影響衰減多徑色散到達角起伏閃爍大氣信道大氣效應46選擇工作波長避開大氣高損耗波長選擇工作波長避開大氣47AO----部分解決大氣湍流問題自適應光學（AO）技術，在天文觀察領域提出，用于改善大氣湍流條件下的天體成像質量AO主要改善光束聚焦質量，在通信中可抑制光電檢測器上光斑的功率波動，提高接收性能AO----部分解決大氣湍流問題自適應光學（AO）技術，在天489.3.2衛星光通信系統9.3.2衛星光通信系統49總體功能框圖調制器信號光源光電檢測誤差檢測誤差信號處理伺服機械合束器分束器精瞄跟蹤裝置光學收發天線粗瞄裝置信標信號信標光源接收機光學天線平臺發射光束接收光束信息數據輸入輸出控制計算機系統組成光學天線子系統PAT子系統光波調制解調子系統總體功能框圖調制器信號光源光電檢測誤差檢測誤差信號伺服機械合50光學天線子系統星間激光通信中，光學天線的作用十分重要，主要表現在兩方面：在發送端對激光束實現擴束，增大激光束的束腰半徑，可以有效的壓縮光束發散角，減少光束發散損耗，降低對光源的光發射功率要求在接收端增大接收面積，壓縮接收視野，減少背景光干擾，可充分提高光接收機的信噪比，延伸系統的通信距離光學天線子系統星間激光通信中，光學天線的作用十分重要，主要51光學天線類型常見類型折射式天線伽利略式開普勒式反射式天線單反射面雙（多）反射面折反射組合式天線光學天線類型常見類型52幾種雙反射面光學天線牛頓式光學天線的副鏡面為平面鏡，成像于主鏡的側方卡塞格倫式光學天線的副鏡面為旋轉雙曲面，內側焦點與主鏡焦點重合，成像于主鏡后方的外側焦點處格雷果里式光學天線的副鏡面為旋轉橢圓面，近側焦點與主鏡焦點重合，成像于主鏡后方的遠側焦點處牛頓式卡塞格倫式格雷果里式幾種雙反射面光學天線牛頓式光學天線的副鏡面為平面鏡，成像于主53卡塞格倫天線----常見選擇優點沒有實焦點重量輕光路設計方便MNF1F2饋源2b2a卡塞格倫天線----常見選擇優點MNF1F2饋源2b2a54PAT子系統光學天線發送光束接收光束光發送機光束方向驅動功能單元光接收機開環瞄準功能單元跟蹤功能單元捕獲功能單元信標光源PAT子系統光學發送光束接收光束光發送機光束光接收機開環瞄準55PAT工作流程開環瞄準捕獲掃描誤差檢測天線方向調整跟蹤誤差檢測光束方向微調PAT工作流程開環瞄準56掃描方式單方掃描（Stare—Scan）光束掃描FOV掃描雙方掃描（Scan—Scan）掃描方式單方掃描（Stare—Scan）57掃描過程主動方按完善的掃描策略計算出若干掃描點，確保在某掃描點上發送光束一定可以覆蓋被動方；主動方驅動天線逐一瞄準各個掃描點，并在每個掃描點作一定時間的駐留；在某掃描點上主動方發送光束出現在被動方的FOV中（因為被動方有足夠大的FOV，因此在其未實現天線精確對準的情況下，也能在FOV中捕獲到主動方投射來的發送光束）；在主動方于該掃描點上駐留的時間內，被動方衛星根據FOV中主動方出現的位置計算出對準誤差，并進一步計算出糾正數據，驅動本方天線實現精確接收對準，同時也實現了本方發送光束到主動方的對準；被動方出現在主動方的接收FOV中，主動方計算出對準誤差和糾正數據并驅動天線實現精確對準，停止掃描。掃描過程完成。掃描過程主動方按完善的掃描策略計算出若干掃描點，確保在某掃描58掃描策略掃描策略59誤差檢測部件4QD光束方向調整部件快速傾斜鏡（FSM）目前：快速調整跟蹤以吸收衛星振動IAIDIBICxy誤差檢測部件跟蹤以吸收衛星振動IAIDIBICxy60PAT典型光路二軸反射鏡天線方向驅動系統CCD信標光源半反鏡卡塞格倫光學天線誤差計算開環瞄準衛星狀態信息掃描控制跟蹤反射鏡跟蹤驅動誤差計算QD光學濾波片捕獲跟蹤控制APD光束準直LDPAT典型光路二軸天線方向CCD信標半反鏡卡塞格倫誤差計算開61跟蹤殘差0-2002000-30300-6080跟蹤殘差0-2002000-30300-608062AO子系統AO子系統63波前探測器透鏡陣列CCD陣列單個透鏡成像H-S波前傳感器波前探測器透鏡陣列CCD陣列單個透鏡成像H-S波前傳感器64AO對接收性能的改善0.01.0時間（秒）0-10-20-30-40接收光功率（dBm）無AO0-10有AOAO對接收性能的改善0.065調制/解調子系統光強調制/直接檢測（IM/DD）為提高傳輸通道抗干擾能力，可采用脈沖位置調制（PPM）單脈沖PPM差分PPM多脈沖PPM調制/解調子系統光強調制/直接檢測（IM/DD）669.3.3典型系統簡介9.3.3典型系統簡介67SILEXSILEX：Semiconductor-laserInter-satelliteLi