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《光纤通信》课程设计报告

科技大学

《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

姓名：

吴松学号：

0907040108成绩：

姓名：

巨亚萍学号：

0907040121成绩：

姓名：

马柱学号：

0907040132成绩：

姓名：

王芳学号：

0907040143成绩：

姓名：

颜龙龙学号：

0907040150成绩：

设计时间：

2010.12.28—2011.01.03审阅教师：

科技大学通信通信学院

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。

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（LEO—LEO）光链路和低码率的深空（DeepSpace）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LEO—LEO，LEO—GEO（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（SemiconductorLsaterIntersatelliteLinkExperiment）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Ｋ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；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。

lightpointe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wavestaropticairsystem产品。

单波长，传输速率2.5gb/s,四波长10gb/s,距离5km，99年12月，globalcrossingltd.现场使用。

terabeam，lucent宣布组建terabeaminternetsystems，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1.25gb/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2.5gb/sflightspectrum，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1mbps到1.25gb/s；传输距离达2.5km

　　b.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.置望远镜和信号强度表

　　f.微调控制；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lightpointepatentpendingforce?

技术（free-spaceopticalradiocommunicationequipment）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lbs100/10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sandiego，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isrs

　　b.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.基础服务提供用户lan,pbx,布线，终端设备，，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：

canobeamdt-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。

canobeamiii：

数据率达到622mb/s，有不同的网络接口，如atm,fddi,fastethernet，并可选择snmp的tcp/ip。

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：

①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。

②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。

③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的系统进行升级即可，免去了复杂繁琐的对准过程。

④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。

⑤可以与光码分多址复用技术（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：

①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。

②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，前者能提供大区域低速通信，而后者能提供小区域高速灵活的连接。

各种系统的无缝连接能使用户得到更方便的服务。

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）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的场合6）在企业部网互连和数据传输。

以上第一部分容是巨亚萍（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。

它的容量与光纤相近，但价格却低得多。

它可以直接架设在屋顶，由空中传送。

既不需申请频率执照，也没有敷设管道挖掘马路的问题。

使用点对点的系统，在确定发收两点之间视线不受阻挡的通道之后，一般可在数小时之安装完毕，投入运行。

在考虑到当地气象的条件以后，光无线系统一般可得到99.9%的可用性。

如果采用其他系统构成主备用，甚至可达到99.999%电信级的可用性要求。

　　另外自由空间光通信系统与网络的连接，还有如下的优点：

1）对运行的协议透明。

现在通信网络常用的SDH、ATM、IP等都能通过。

2）可组成点对点、星形、和网格形结构的网络。

3）可灵活拆装、移装至其他位置。

4）易于扩容升级，只需稍作接口的变动就能改变容量。

　　自由空间光通信存在的主要问题有以下几点：

（1）FSO是一种视距宽带通信技术，传输距离与信号质量的矛盾非常突出，当传输超过一定距离时波束就会变宽导致难以被接收点正确接收。

目前，在1km以下才能获得最佳的效果和质量，最远只能达到4Km。

多种因素影响其达不?

?

99.999%（五个9）的稳定性。

（2）FSO系统性能对天气非常敏感是FSO的另一个主要问题。

晴天对FSO传输质量的影响最小，而雨、雪和雾对传输质量的影响则较大。

据测试，FSO受天气影响的衰减经验值分别为：

晴天，5-15db/km、雨，20-50db/km、雪，50-150db/km、雾，50-300db/km。

国外为解决这个难题，一般会采用更高功率的激光器二极管、更先进的光学器件和多光束来解决。

　　（3）城市，由于建筑物的阻隔、晃动将影响两个点之间的激光对准。

　　（4）激光的安全问题也会影响其使用，超过一定功率的激光可能对人眼产生影响，人体也可能被激光系统释放的能量伤害。

所以产品要符合眼睛安全标准。

ＦＳＯ的正式称谓叫自由空间光通信。

ＦＳＯ技术是一种基于光传输方式、采用红外激光承载高速信号的无线传输技术，它以激光为载体、以空气为介质，用点对点或点对多点的方式实现连接，由于其设备也以发光二极管或激光二极管为光源，因此又有“虚拟光纤”的美誉。

　　ＦＳＯ技术具有与光纤技术相同的带宽传输能力，能以千兆的速度进行全双工通信且具成本上的优势。

它的工作原理与光纤通信系统类似，包括光发送、光传输和光接收三个部分，所用的基本技术也就是光电的转换。

在点对点传输的情况下，在发送端和接收端之间，必须是互相可视的，两终端之间不能有阻挡。

ＦＳＯ结合了光纤通信和无线通信各自的优势，具有频带宽的特点，目前市场上的产品最高支持２．５Ｇｂｐｓ的传输速率，最大传输距离为４公里。

但通常在１－２公里有稳定的传输效果。

　　由于激光具有直线性和窄波束的特点，ＦＳＯ主要用于点对点视距传输。

与光纤通信不同的是，ＦＳＯ以大气为媒质，光载波信号通过大气而不是通过光纤来传送。

系统还需要保证收发两点之间，光信号良好的准直稳定。

　　对大气传输的无线光系统，业界传统的观念，是认为其不够稳定，受外在条件影响难以保证可用性。

另外，对人身安全性也存在疑虑。

多年的研究已经比较清楚波长为０．８－１．５５微米的光信号，主要的衰减来自雾。

雾对红外光的作用，类似于雨引起微波的衰落。

此外，激光信号对人体安全的威胁，也一直受到关注。

国际电工委员会ＩＥＣ有相关的分类推荐建议，针对激光对肉眼的安全，规定了一种定为１Ｍ类的激光光源指标。

这类光源，即使肉眼直接观察，也可保证安全。

厂商的产品，只要符合标准的要求，是不会构成损伤的。

　　ＦＳＯ技术利用红外激光束为载体在位于楼顶或窗外的收发器间传输数据，具备低雨衰、无需申请频段、设备易升级等微波不可比拟的优势。

ＦＳＯ技术既能提供类似光纤的速率，又不需在频谱这样的稀有资源方面有很大的初始投资。

ＦＳＯ用激光或光脉冲在太赫兹（ＴＨｚ）光谱围，这一光谱目前没有开设业务，ＦＳＯ不会与其它传输发生干扰，可以免费使用。

唯一的要设备功率不能超过国际电子技术委员会规定的功率上限（ＩＥＣ６０８２５－１标准）。

　　ＦＳＯ是物理层传输设备，以光为传输媒介，任何传输协议均可容易地叠加上去，对语音、数据、图像等业务可以实现透明传送。

由于采用激光通信，能量集中，不向空中其它方向产生辐射，因此，ＦＳＯ系统不会同频干扰，即使链路交叉也不影响通信，因此，同一地点可以装多套ＦＳＯ设备。

　　ＦＳＯ作为一种宽带接入方式，具有高带宽、低误码率、部署迅捷、费用合理、体积小、安全性高等特点，在诸如大型集会通信、紧急业务开通、路由备份等应急通信中具有开通迅速、拆迁方便等优势。

而且，ＦＳＯ可以隔窗安装于户，这对于国大中城市的运营者来说有时极为关键。

因此，在有难以逾越的布线障碍物或对建网速度要求快的情况下，ＦＳＯ可在建筑物之间成为替代光纤的一种网络连接方案。

ＦＳＯ凭着其自身的一些优点，引起了业界的关注。

　　ＦＳＯ通信设备最初是无线设备生产商为宽带服务运营商开发的一种在不易进行光纤布线的地段代替光纤设备的网络连接方案，没想到被很多企业用户看好，纷纷用在了企业部网的互联建设上。

企业看好ＦＳＯ的理由有三点：

一是综合成本低，用它可以省去租用专线和铺设光纤的一大笔费用；二是通信质量好，无线光通信是一种本地环路技术；三是运营商级的通信质量足以满足企业网络应用的各种要求。

　　目前，很多企业把ＦＳＯ网络与光纤网、微波网和高频段无线网结合起来使用，发挥各自的优点，弥补彼此的不足。

ＦＳＯ通信系统随着通信距离的增加信号功率会不断衰减，但通信速率却不受影响。

距离对ＦＳＯ通信的影响主要表现在可靠性上。

衡量可靠性有个指标叫ＬＩＮＫＭＡＲＧＩＮ，单位为ｄＢ，其意义为ＦＳＯ设备正常工作所允许的最大功率损耗。

一个典型的ＦＳＯ系统的ＬＩＮＫＭＡＲＧＩＮ值为２０ｄＢ；有的系统采用精密的跟踪系统，消除接收器的微小偏移对精确聚焦的影响，还有的系统以一定的偏移角度发射光束，不但能消除接收器位移带来的聚焦不准问题，还能应付鸟或树叶对光束的短暂遮挡。

　　当然，在本质上ＦＳＯ是一种连接方式，而非覆盖方式。

所以，ＦＳＯ通信是以一种补充的角色出现的，但ＦＳＯ有自己的独特的市场定位；在其他接入方式鞭长莫及或力不从心的一些特殊场合下发挥其优势。

　　与微波通信中对待雨衰相似，要在系统传输的计算中，为光信号