《光纤通信》课程设计报告自由空间光通信技术的应用研究.doc
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1、 光纤通信课程设计报告自由空间光通信技术的应用研究专 业: 通信技术 班 级: 0901班 目 录1了解欧美发达国家在自由空间光通信方面的研究现状页码2了解自由空间光通信的基本原理页码3. 分析自由空间光通信系统中关键技术4. 对自由空间光通信技术的应用前景进行分析一了解欧美发达国家在自由空间光通信方面的研究现状20世纪60年代,科技界曾掀起了研究自由空间光通信的热潮,但由于受到天气的严重影响,到了20世纪70年代,在光纤通信迅速发展的同时也陷入了低谷。有的国家甚至宣布自由空间光通信是一条“死胡同”。但随着激光器成本的不断下降以及高灵敏度接收器和先进通信电子设备的发展,自由空间光通信已经成为下
2、一代光通信研究发展的方向之一。与激波通信相比,自由空间光通信使用的激光频率高,方向性强,可用的频谱宽,无需申请频率使用许可;与光纤通信相比,自由空间光通信造价低,施工简便、迅速。它结合了光纤通信和激波通信的优势,已成为一种新兴的无线宽带接入方式,收到了人们的广泛关注。20世纪90年代后期,随着全光接入网的发展,人们对传输速率的要求越来越高;随着通信范围的延伸,人们对快捷通信链路建立的兴趣进一步提高。自由空间光通信技术因其具有独到的优势,在固定无线宽带技术中,能为宽带接入的快速部署提供一种灵活的解决方案,又得到了极大的关注。其应用范围已从军用和航天逐渐迈入民用领域,其技术本身也在不断的完善中。
3、美国是世界上开展空间光通信最早的国家,也是技术走在最前沿的国家之一,它最主要的研究部门有美国宇航局(NASA)和美国空军(AirForce)等。NASA早在上世纪70年代初就资助进行二氧化碳激光器和灯泵浦的Nd:YAG激光器空间通信系统的研究。此项研究主要用于高码率的低轨卫星间(LEOLEO)光链路和低码率的深空(Deep Space)光中继,此后,体积小、重量轻和成本低的低轨卫星(LEO)增多,以及相应的关键技术和元器件的发展,激光通信的应用逐扩展到LEOLEO,LEOGEO(地球同步轨道卫星),LEO地面站和LEO飞机的光通链路。欧洲空间局(ESA)在空间光通信方面不仅研究早,而且制定了一
4、系列的研究计划,从上世纪70年代起,就已经对空间激光通信的相关技术进行了有步骤、周密细致的研究,如进行基础技术研究的ARP计划,星间激光通信系统及技术研究的ASTP计划等。从1989年开始实施半导体激光通信链路实验SILEX(Semiconductor Lsater Intersatellite Link Experiment)计划中还包括与日本合作进行空间激光通信实验,日本用OICETS卫星上的激光通信终端LUCE与SILEX终端进行通信实验,该计划将使欧洲空间局在民用卫星激光通信方面处于领先地位。1994年通过了SILEX设备级的方案评审,1996年进行了子系统的性能测试,2000年发射的
5、地球同步卫星传输50Mbps的数据率,采用的波长为800-850nm通信光功率不超过60mW。SILEX计划的目的是发展星际激光通信系统的全部单元技术及元器件,建立和测试星际激光通信系统。自由空间光通信 空间激光通信系统是指以激光光波作为载波,大气作为传输介质的光通信系统。自由空间激光通信结合了光纤通信与微波通信的优点,既具有大通信容量、高速传输的优点,又不需要铺设光纤,因此各技术强国在空间激光通信领域投入大量人力物力,并取得了很大进展。 传输原理 大气传输激光通信系统是由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(声音或数据),接收并解调来自对方的激光脉冲信号,实现
6、双工通信。图1所示的是一台激光通信机的原理框图。图中系统可传递语音和进行计算机间数据通信。受调制的信号通过功率驱动电路使激光器发光,从而使载有语音信号的激光通过光学天线发射出去。另一端的激光通信机通过光学天线将收集到的光信号聚到光电探测器上,然后将这一光信号转换成电信号,再将信号放大,用阈值探测方法检出有用信号,再经过解调电路滤去基频分量和高频分量,还原出语音信号,最后通过功放经耳机接收,完成语音通信。当开关掷向下时,可传递数据,进行计算机间通信,这相当于一个数字通信系统。它由计算机、接口电路、调制解调器、大气传输信道等几部分组成。 接口电路将计算机与调制解调器连接起来,使两者能同步、协调工作
7、;调制器把二进制脉冲变换成或调制成适宜在信道上传输的波形,其目的是在不改变传输结果的条件下,尽量减少激光器的发射总功率;解调是调制的逆过程,把接收到的已调制信号进行反变换,恢复出原数字信号将其送到接口电路;同步系统是数字通信系统中的重要组成部分之一,其作用是使通信系统的收、发端有统一的时间标准,步调一致。 下图是激光通信原理图 目前在自由空间光通信(fso)领域,国外已经开始了将近10年的研究,但是fso产品真正投入使用也就是最近几年的事情。在fso这个领域里,国外几个大的fso厂家,包括lightpointe公司,airfiber 公司,canon 公司,terabeam 公司。lightp
8、ointe收到corning和思科系统公司的投资款3千多万美元(现已增值至5千多万美元),而airfiber则获得大概来自北电网络的5千万美元(现已增值至9千多万美元),朗讯科技则投资了4亿5千万美元的巨款在terabeam身上(现已增值至5亿8千多万美元)。几个公司的研究现状分别介绍如下:(1)lucent98年3月开始开发,99年3月发布wavestar opticair system 产品。单波长,传输速率2.5 gb/s, 四波长10 gb/s, 距离5km,99 年12月,global crossing ltd. 现场使用。terabeam,lucent宣布组建 terabeam i
9、nternet systems,产品是基于ip 的无光纤点到多点网络,发送和接收机,固定在办公室窗户上小卫星碟。这些卫星碟型天线的波束与安装在楼内的基站相连。lucent投入资金、研究开发资源,知识产权,价值450百万美元的自由空间光产品。terabeam 的产品都用lucent 的商标,光元件,网络设备和服务优先选用lucent 的。terabeam拥有70%的股份,可以使用技术和销售客户。(2)lightpointe公司将自由空间光学技术用于创造、设计和制造电信公司等级的光传输设备,向电信服务商提供比传统光缆传输速度更快、成本更低的高速通讯解决方案。lightpointe的系统以超快的带宽
10、速度提供安全可靠的无线传输,速度最高可达2.5gb/s,产品适应性强,可解决城市地区的连接问题。公司拥有多项正在申请专利的专有技术,可提供电信公司等级的网络可用性。lightpointe的自由空间光传输(fso)产品在第一层(物理层)工作,可适应任何协议(sonet、sonet/sdh、atm、fddi、以太网、快速以太网)。产品包括各种飞行自由空间光传输解决方案,其中有flightlite、flightpath、flightspectrum。速度最高可达1.25 gb/s,提供兆位级以太网通讯能力,工作波长为850纳米(nm)。2003年秋季将开始向市场提供2.5 gb/s flight s
11、pectrum,其使用半径为1000米,采用1550nm波长。产品lightstation 的特点有以下一些:a. 数据率从1 mbps到1.25 gb/s ;传输距离达2.5kmb. 分布snmp监视采用光接口c. 信号高度安全d. 协议透明(ip, ethernet, atm, sonet, fddi);容易集成到现存的网络e. 内置望远镜和信号强度表f. 微调控制;内部装有加热器,具有镜头防霜功能g. 采用自动微波备份交换技术,可使用率达99.999%,采用lightpointe patent pending force? 技术(free-space optical radio comm
12、unication equipment)可补偿纯光通信带来的限制。使用无须许可证的扩展频谱ism频带的lbs 100/10微波备份交换产品,可克服有雾天气的限制。(3)airfiber公司位于美国加洲san diego,98年5月成立,主要服务于大城市大楼宽带接入。它的产品称为optimesh,网络结构为网眼状拓扑结构,冗余备份短距离622mb/s无线光传输系统。产品特点有:a. 运行中心由交换,路由,服务平台,nmcs,网关到载体isrsb. 主干传输由光纤环,adms, 光纤/铜线分布,微波链路等c. 从核心网到初级用户网包括airfiber 节点,楼房pop,初级ntu或服务平台d. 基
13、础服务提供用户lan, pbx,布线,终端设备,电话,计算机(4)canon是世界著名生产光学仪器的公司,利用在光学系统方面的优势,也踏足自由空间光通信系统的领域。主要产品有:canobeam dt-50,速率从25mb/s到622mb/s. 可连接 fastethernnet,fddi, atm。特点是具有自动跟踪系统,调整探测器件的位置以检测激光束的光轴,所以不因建筑物的摆动和震动而使传输中断。同时,镜头自动跟踪特性增加传输距离达2km。canobeam iii:数据率达到622mb/s,有不同的网络接口,如atm, fddi, fast ethernet,并可选择snmp 的tcp/ip
14、。在国外,FSO系统主要在美英等经济和技术发达的国家生产和使用。到目前为止,FSO己被多家电信运营商应用于商业服务网络,比较典型的有Terabeam和Airfiber公司。在悉尼奥运会上,Terabeam公司成功地使用FSO设备进行图像传送,并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用FSO设备向客户提供10OMb/s的数据连接。该公司还计划4年内在全美建设100个FSO城市网络。而Airfiber公司则在美国波士顿地区将FSO通信网与光纤网(SONET)通过光节点连接在一起,完成了该地区整个光网络的建设。 目前商用的FSO系统(见图1)通常采用光源直接输出、光电探测器直接耦合的方式,这种系统有以下几
15、点缺点: (l)半导体激光器出射光束在水平方向和垂直方向的发散角不同,且出射光斑较粗,因此我们需要先将出射光束整形为圆高斯光束再准直扩束后发射,这样发射端的光学系统就较为复杂,体积也会相应增大。 (2)在接收端,光斑经光学天线会聚之后直接送入PD转化为电信号。通常,我们需要提供点到点的,双向的通信系统,这样,FSO系统的每个终端都包括了激光器,探测器,光学系统,电子元器件和其中有源器件所需要的电源。这种系统的体积通常比较大,重量大,成本也比较高。从FSO系统终端的内部结构图中可以看出,完成一个简单的点到点的链路需要6个OE转换单元。随着人们对带宽的需求越来越高,PD的成本也越来越高,6个OE转
16、换单元大大增加了成本闭。 (3)FSO终端设备一般安装于楼顶,如果终端中含有大量的有源设备,会给我们的安装带来了很多不方便。 (4)系统的可扩展性很小。如果用户所需要的带宽增加,那么封装在一起的整个FSO系统终端都需要被新的终端取代,安装新设备的过程需要再次对准,整个升级过程所需要的时间很长,给人们带来巨大的损失。 1.2 基于光纤耦合技术的FSO系统 光纤输出、光纤输入的自由空间光通信系统(见图2),激光器输出的高斯光束耦合至光纤再经准直出射,传输一定距离后,光束通过合适的聚焦光学系统聚焦在光纤纤芯上,沿着光纤传输后经PD接收还原信号。这样我们通过在发射和接收端都采用光纤连接的方式,只需要在
17、楼顶放置光学天线系统,而将其他的控制系统通过光纤放置于室内就可以实现点到点的连接,整个系统结构简单,易于安装。 这种新型的FSO系统具有以下优点:减少了不必要的E一O转换,一条链路现在只需要2个OE接口即可,大大降低了成本。光学系统较为简单,光纤出射的光束一般为圆高斯光,不需要整形,简化了光学系统,减小了体积,易于安装。易于升级及维护,当用户的带宽增加时,我们只需要对放置在室内的系统进行升级即可,免去了复杂繁琐的对准过程。基于光纤耦合的空间光通信系统能够很好的与现有的光纤通信网络结合,利用现有的比较成熟的光纤通信系统中的器件如发射接收模块,EDFA和WDM中所用到的复用器和解复用器。可以与光码
18、分多址复用技术(OCDMA)相结合,构成自由空间OCDMA系统,进一步扩大系统的带宽。 对于一个基于光纤耦合技术的FSO系统而言,以下2个因素必不可少:体积小,重量轻的光学天线系统一个最佳的光学天线的设计首先必须使尽可能多的光耦合进单模光纤,获得最大的耦合效率;其次要能通过粗跟踪系统测出入射光的角度;另外,必须满足尽可能高的通信速率和稳定性。性能良好的跟踪系统要使光学接收天线接收到的光能够有效的耦合进纤芯和数值孔径都极小的单模光纤,我们必须为系统加上双向的跟踪系统。总之,空间光通信是包含多项工程的交叉科学研究课题,它的发展与高质量大功率半导体激光器、精密光学元件、高质量光滤波器件、高灵敏度光学
19、探测器及快速、精密光、机、电综合技术的研究和发展密切不可分,光电器件、激光技术和电子学技术的发展,为空间光通信奠定了物质基础。 发展趋势 星际自由空间光通信技术的可行性问题已经解决,虽然至今尚未真正实现星际通信,但是发射功率、接收灵敏度、捕获和瞄准要求、热稳定性和机械稳定性等关键技术近几年已取得明显进步,相信不远的将来将取代微波通信成为星际通信的主要手段。 地面空间光通信将作为一种主要手段进入本地宽带接入市场,特别是那些通常没有光纤连接的中小企业。 微波系统和自由空间光通信系统在许多方面可互为补充,前者能提供大区域内低速通信,而后者能提供小区域内高速灵活的连接。各种系统的无缝连接能使用户得到更
20、方便的服务。此外,微波系统还可与自由空间光通信系统互为备份,在天气恶劣甚至无法进行光通信时,启动微波通信系统,可以大大提高通信系统的适用性和可靠性。 在战场上,当受到敌方强电磁辐射干扰时,会导致微波通信系统失效,而光纤通信系统既无法在短时间内建立起来,也不能满足机动性要求。此时自由空间光通信系统的优势立刻显现:它能在极短的时间内建立,还对电磁干扰免疫,所以自由空间光通信在军事领域有着广泛的应用前景。 研究重点 光源 光源的波长应选择在透过率良好的“大气窗口”。发射功率要考虑到人眼的安全。对于光源,除了要求输出光束质量好、工作频率高、出射光束窄以外,还要考虑激光器的输出功率稳定性、频率稳定性、光
21、束方向稳定性和工作寿命等。因此有必要对新激光光源技术进行进一步研究。多模二极管激光器光谱较宽,大气色散等因素会引起一定的脉冲扩展,从而限制通信速率,因此需要做进一步的分析。自由空间光通信系统原来多采用800nm波段光源,这是由于此波段的激光器体积小、重量轻、效率高,比较成熟,有成品;同时该波段也有比较成熟的铯原子滤波器。近年来,随着光纤通信技术的成熟,自由空间光通信的工作波段有向1550nm波段发展的趋势。 自由空间光通信可在以下一些范围发挥重要作用。1)可以作为光纤通信和微波通信冗余链路的备份;2)可以应用于移动通信基站间的互连,无线基站数据回传;3)应用于城域网的建设以及最后一公里接入;4
22、)在技术上或经济上不宜敷设光缆的地区,在不宜采用或限制使用无线电通信的地方;5)在军事设施或其他要害部门需要严格保密的场合6)在企业内部网互连和数据传输。以上第一部分内容是巨亚萍(0907040121)同学查找的关于欧美发达国家在自由空间光通信方面的研究现状部分的资料共五页内容二了解自由空间光通信的基本原理 自由空间光通信系统(FSO)是以大气作为传输媒质来进行光信号的传送的。只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率,通信就可以进行。系统所用的基本技术是光电转换。在点对点传输的情况下,每一端都设有光发射机和光接收机,可以实现全双工的通信。光发射机的光源受到电信号的调制,并通
23、过作为天线的光学望远镜,将光信号经过大气信道传送到接收端的望远镜。高灵敏度的光接收机,将望远镜收到的光信号再转换成电信号。由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大的差别,可以选用透过率较好的波段窗口。光的无线系统通常使用850nm或1550nm的工作波长。同时考虑到1500nm的光波对于雾有更强的穿透能力,而且人眼更安全,所以1550nm波长的FSO系统具有更广阔的使用前景。自由空间光通信与微波技术相比,它具有调制速率高、频带宽、不占用频谱资源等特点;与有线和光纤通信相比,它具有机动灵活、对市政建设影响较小、运行成本低、易于推广等优点。自由空间光通信可以在一定程度弥补光纤和微波的不足。它的容
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