第8、9章 空间激光通信ppt课件.ppt
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6070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7080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保密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r0.3m的粒子（如气体分子），波长在1m附近，瑞利定律的误差1%，当粒子半径r0.3m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40m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：,能见度 V 定义为最初光功率衰减到2%的距离,非视线紫外大气散射信道,背景光噪声,太阳光谱,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810860 nm、15501600 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105107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,某型PMT光谱响应曲线,光束发散等效损耗,接收天线,光强,光锥,发散角,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,大气光通信设备实例,8.6 大气激光通信的应用,大气激光通信的应用,城域网扩展局域网互联最后1km接入光纤链路的备份宽带网接入无线基站数据回传与DWDM设备集成快速业务开通其它特殊场合,第9章 星间激光通信,卫星激光通信优势的结合,利用光载波极高的频率可达成巨大的通信容量利用光器件体积小、重量轻的优点可显著降低卫星质量利用光波波长短的优点可减小天线口径，提高卫星有效载荷利用卫星通信的优点可方便地实现全球覆盖和移动性,卫星光通信链路分类,星间链路ISLIOL星地链路,9.3.1 主要问题及对策,主要问题,共性问题损耗通信光束的对准、捕捉和跟踪背景噪声多谱勒频移星地光通信面临的问题大气信道衰减/湍流,损耗,自由空间的传输损耗与距离的平方成正比，与波长的平方成反比星间距离通常在数千到数万公里自由空间损耗 在250dB以上,光学天线-解决损耗问题,天线的增益与其口径的平方成正比，与工作波长的平方成反比 光波波长在m数量级，小口径天线即可获得巨大增益工作波长为1550 nm时，20cm口径的天线即可实现110dB以上的增益,发散角问题,圆形口面的天线其波束主瓣半功率角宽度与工作波长成正比，与天线口径成反比 20cm口径的天线工作在1550nm波长时，其3dB光束发散角仅为7.9 rad 开环方式基本上不可能实现通信双方光束的对准,PAT子系统-解决对准问题,瞄准、捕获和跟踪（PAT）子系统瞄准-天线指向捕获-实现通信光束的对准跟踪-吸收卫星机械振动引起的光束偏移,广谱宇宙噪声,几种常用光电检测器的波长响应特性,光学滤波器-解决背噪问题,光电检测前，在光域对信号进行窄带滤波，仅让特定波段的信号光通过，从而大大减少背景光产生的噪声光电流光学滤波技术成熟，大量应用于DWDM系统闪耀光栅多层介质薄膜阵列波导干涉型光纤光栅型,多普勒频移,光载波频移大小：IOL链路存在此问题影响GEO-LEO链路中，多普勒频移量接近9GHz，对应的波长变化范围约0.08nm,大气信道,大气效应大气吸收大气散射大气湍流对光束的影响衰减多径色散到达角起伏闪烁,选择工作波长,避开大气高损耗波长,AO-部分解决大气湍流问题,自适应光学（AO）技术，在天文观察领域提出，用于改善大气湍流条件下的天体成像质量AO主要改善光束聚焦质量，在通信中可抑制光电检测器上光斑的功率波动，提高接收性能,9.3.2 卫星光通信系统,总体功能框图,系统组成光学天线子系统PAT子系统光波调制解调子系统,光学天线子系统,星间激光通信中，光学天线的作用十分重要，主要表现在两方面：在发送端对激光束实现扩束，增大激光束的束腰半径，可以有效的压缩光束发散角，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，压缩接收视野，减少背景光干扰，可充分提高光接收机的信噪比，延伸系统的通信距离,光学天线类型,常见类型折射式天线伽利略式开普勒式反射式天线单反射面双（多）反射面折反射组合式天线,几种双反射面光学天线,牛顿式光学天线的副镜面为平面镜，成像于主镜的侧方卡塞格伦式光学天线的副镜面为旋转双曲面，内侧焦点与主镜焦点重合，成像于主镜后方的外侧焦点处格雷果里式光学天线的副镜面为旋转椭圆面，近侧焦点与主镜焦点重合，成像于主镜后方的远侧焦点处,牛顿式,卡塞格伦式,格雷果里式,卡塞格伦天线-常见选择,优点没有实焦点重量轻光路设计方便,PAT子系统,PAT工作流程,开环瞄准捕获扫描误差检测天线方向调整跟踪误差检测光束方向微调,扫描方式,单方扫描（StareScan）光束扫描FOV扫描双方扫描（ScanScan）,扫描过程,主动方按完善的扫描策略计算出若干扫描点，确保在某扫描点上发送光束一定可以覆盖被动方；主动方驱动天线逐一瞄准各个扫描点，并在每个扫描点作一定时间的驻留；在某扫描点上主动方发送光束出现在被动方的 FOV 中（因为被动方有足够大的FOV，因此在其未实现天线精确对准的情况下，也能在 FOV 中捕获到主动方投射来的发送光束）；在主动方于该扫描点上驻留的时间内，被动方卫星根据 FOV 中主动方出现的位置计算出对准误差，并进一步计算出纠正数据，驱动本方天线实现精确接收对准，同时也实现了本方发送光束到主动方的对准；被动方出现在主动方的接收 FOV 中，主动方计算出对准误差和纠正数据并驱动天线实现精确对准，停止扫描。扫描过程完成。,扫描策略,误差检测部件4QD光束方向调整部件快速倾斜镜（FSM）目前：快速调整,跟踪以吸收卫星振动,x,y,PAT典型光路,跟踪残差,AO子系统,波前探测器,H-S波前传感器,AO对接收性能的改善,0.0 1.0,时间（秒）,0,-10,-20,-30,-40,接收光功率（dBm）,无AO,调制/解调子系统,光强调制/直接检测（IM/DD）为提高传输通道抗干扰能力，可采用脉冲位置调制（PPM）单脉冲PPM差分PPM多脉冲PPM,9.3.3 典型系统简介,SILEX,SILEX：Semiconductor-laser Inter-satellite Link EXperiment，半导体激光星间链路实验ESA于80年代后期确立的星间激光通信计划1994年通过设备级方案评审1996年进行子系统的性能测试1998年3月22日LEO卫星发射2001年7月12日 GEO卫星发射2001年11月22日 实现星间激光通信,SILEX示意图,ARTEMIS（GEO）,GEO,LEO（SPOT4）,激光IOL上行50Mbps下行2Mbps,激光ISL,地球,微波对地链路,SILEX工作参数,设计传输距离45000km，上行速率50Mbps，下行速率2Mbps通信子系统采用IM/DD方案发送端光源使用GaAlAs半导体激光器，GEO发送波长819nm，LEO发送波长847nm，平均输出功率60mW接收端使用Si-APD作为光电检测器，探测能力近100光子每bit光学天线为卡塞格伦式，口径25cm，压缩后光束发散角为8rad，接收端接收视场约75rad信标光源总功率超过8W，光束发散角为700rad 开环瞄准精度8mrad，粗瞄时光学天线平台整体转动，精瞄依靠FSM倾斜，捕获时间小于240s，跟踪定位精度2rad粗瞄探测器采用384288像素的CCD，精瞄探测器1414像素的CCD功耗150W，质量157kg,SILEX光路设计,
