2.3km距离1.25Gbs速率自由空间光通信实验

《2.3km距离1.25Gbs速率自由空间光通信实验》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2.3km距离1.25Gbs速率自由空间光通信实验（5页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、无线光通信无线光通信中文核心期刊无线光通信2. 3距离1. 2 5G速率自由空间光通信实验艾勇，陈晶，叶德茂，孙浩，杨晋陵，谭莹武汉大学 电子信息学院，武汉430079）摘要：介绍了采用新研制的便携式大气光通信系统实现了2 .3 k距离、1 .2 5册速率的自由空间光通信实验。给岀了系统的设计考虑、基本原理、系统组成等。通信系统的天线口径为4 0即光终端重量为3 .5 k,通信波长为 1 5 5 0该通信系统具有视频 、以太网等多种接口 。实验证明了光学接收系统的接收 口径尺寸一般要大于扰动产生的闪烁空间尺度的设计要求。关键词：空间光通信；激光大气传输；大气闪烁中图分类号：TN 9 2 9.文

2、献标识码：A2.3klm 2 5Gf);i/esepa(DepticcoamlmuniceaxtpieDinimentArfonHENi，EDe-njSUKHa,(YANCJin7rrIIANfgLng(Schooffi lect Irro fhoi ici，aut hi Onivq Wu h 43 0 0 7 H ina)Abst Waecd te:sc a i b ere fs rt er ei -a 21 p 3 k)Kptidcaatlla nlperaat 1 .ng 5GA Xeiportable free-opaieDanmuni sat tiodnesi gTnteadperd

3、Urmefterransnahideeeioa 1 4m mnd hve ei g h t 5 ITh-eommuni cva tv ie ol rninig5t5h0m VideEot，he andudin ter faarceecl u ahteh(fe pticcoamlmuni cs ay ts it oerim . .veidae l s 1 i bgan s pic inco iftphlesystem， an dpt iccoanlmuniceaxtpieor niamr bn:1scrlbedperiJneolVtshcathaperoUfraapace opt iccoanl

4、muni csyts itsehmeb lellartghea： ih e i rad iiFsresbnaenl d.Keyvordsspaopt iccoanlmuniclaatsiLet)m;osppiEapLaDgation;satm(tspheteon无线光通信无线光通信1引言上世纪8（年代以后，自由空间光通信技术研究引 起了人们的重视，它在解决光纤到户的最后一公里问题和短距离高速保密通信需求上有独到优势。特别是随着卫星通信业务的不断增加 ，许多卫星通信带宽 要求上千兆（如光学对地观测卫星），而传统的卫星微 波通信技术无法满足这一要求，专家们认为卫星光通信技术是解决卫星通信带宽瓶颈的

5、最好办法：1】因此，自由空间光通信技术目前形成了通信领域的一个研究 执占。八、八、欧洲、日本和美国都已经完成了卫星之间和卫星 与地面的光通信工程试验:2,3也推岀了多款大气光通信产品。国内近些年一些单位也开展了大量自由空间 光通信研究工作，取得了可喜成绩：5,O6最近，作者所在课题组研制了一套高速便携式大气激光通信系统，其收稿日期：2 0 0 7 3 基金项目：国家自然科学基金（1 0 4 7 7）资助4。作者简介：艾勇（1 9 5 8,男，教授 电子邮件：aiyopu（lic.V,h.h 研究方向为自由空间光通信技术。天线口径为 4 0 m,I光终端重量为 3.5,具有体积小、携带方便、架设

6、灵活的特点，适合野外机动高速通信要 求。2 0（年7 1月，我们采用该系统实现了2.3距离、1.25GI率的大气激光通信实验，下面对该实验进行详细介绍。2通信系统介绍课题组以适应野外机动高速通信为目的，在原有8 5 0 i波长激光通信系统5基础上设计研制了一套1550波长便携式大气激光通信系统。由于现有光纤通信中以1 5 5 0波段器件最为成熟和普及，且具有很多优点，通信系统采用 1 5 5 0激光作为工作波长 ， 它比十多年前普遍采用的短波激光如780一8 5堀nm红外波段）有着多方面的优势 。有关光终端结构的设计与原来的8 5 0 i系B基本相同，只是内部光学器件改镀 1 5 5 0膜系，

7、以适应 1550激光通信，具体结构说明在文献 中有介绍，b这里不再赘述。无线光通信无线光通信2 0 0年第 9期光通信技术# 1thirta Aodemic Journal Ekctronic Publishing I loug All rights reserved, httpnkbtiet无线光通信无线光通信艾勇，等：2.3距离1.25 （速率自由空间光通信实验新研制的便携式光终端实物如图 1所示。望远镜与二轴转向机构一起 构成了紧凑型光终端，方位角和俯仰 角旋转范围都是 3 6 0信号收发光路 与高倍望远镜（3倍）光路集成一体实现了远距离目标精确快速对准与通 信。收发信号采用光纤耦合技术

8、，终端装配有光栅编码器和转角显示系统：能精确显示方位角与俯仰角的绝对值和变化值，显示精度为2角秒（10u ）roa利用该显示系统配合电子罗 盘或指南针，结合GP系统可以实现夜间通信双方目 标对准问题，该功能打破了激光通信系统只能在白天 架设的限制，这对部队野外机动保密光通信应用具有 重要意义。实验中光信号通过光纤耦合到光天线并发射，然后经过光天线接收，并将信号光直接耦合至光纤中，之后采用光纤通信中成熟技术进行光电转换、信号放大、时钟提取、解码输出。这种设计方法使光学设计得到了 简化，而且增加了系统的稳定性和可靠性。实验通信系统如图2所示，系统采用 OOB调制、直接强度探测方式 。多路视频信号

9、DVD机）经过时分 复用成为 1.25G的数字信号，该信号经过编码调制 后由光发射模块转化为光信号，再经EDF 放大后由发射望远镜发射 。光信号经过 2.3距离传输后由接 收望远镜接收，接收的光信号耦合至光纤中，然后进入光接收模块，经过光电转换，时钟信号提取、解码和解 复用获得各路视频信号并经显示器显示画面，从而完成通信任务。由于采用的是 EDF光放大技术，可以利 用DWDM支术对现有的系统进行升级，通信速率可以成倍增加。大气吸收和散射作用对激光传输造成的衰减可用衰减系数（T妙来表示：b Q =+ k+cTa+ k（2）bn为分子散射系数 ；点为分子吸收系数 ；b为气溶胶散射系数；J为气溶胶吸

10、收系数 。为了较精确地获得大气衰减和散射对光通信的影响，针对城市能见度为5 k的通信条件，采用 MOD TRA软件对大气光透过率进行了仿真。MODTRAN与LOWTRAN同，它包括一系列分子的谱带模型，但精度可达 2 c1。图3为1 5 5 0波段附近 2.3 水m 平链路透过率计算结果。图中1 5 5 0的透过率为 0 .，用折合衰减值为 1.93通过仿真可以看岀 15 40 1560波段为大气传输窗口，大气衰减较小，衰减系数较为平均，而且此波段为光纤通信的EDF工作波段。为了扩大通信容量 ，此波段可以采用波分复用技 术。自由空间光通信系统采用此波段可以较好的接入 光纤网和提高卫星光通信带宽

11、。实验中光发射机的平均岀射光功率为18d B发m射系统和接收系统的系统损耗共为6doB数据速率1.25 G光束发散角约 为100ra,经过2.3传I输 后光斑直径约为 22c激光光束远场光斑近似为高斯 分布，假设接收光学系统处于接收端光斑中心，接收光学系统接收到的光功率占接收端光斑功率的比率为：#-#-#$0.02ex1-0.020.112%& &,经过计算,r = 0.，折合几2何损耗为 14.4实验及其结果(3)7dB3链路分析激光在大气中传输时，大气成分对光波的吸收和散射造成激光能量的衰减称为大气衰减效应。光功率衰减由朗伯 比尔定律描述为：2 0（年7 1月8日120 L1 80（时段进

12、行了首次激光通信实验，由于设备条件的限制 ，仅进行了单向高 速图像通信实验。实验在武汉大学校园内相距2.3km艸口 jikRi |图2实验原理框图-7q&,7.cili机旬 t35U M5rj 帕知林WeV的两栋高楼间进 行。发射端放在北 楼的1层，接收端 放在南楼的1层。实验当天的能见度 为5kpl青天，气温 1,风速为 5m/ s通信前，双方图3 2.30水平链路透过率仿真直首先通过终端内置望远镜进行目视对) 光通信技术 2 0 0年第 9期 1994-2007 China Academic Journal Ekctronic Publish nil加孩巴 All riresetved.

13、btrn/Aki n亡Sr无线光通信艾勇，等：2.3距离1.25速率自由空间光通信实验无线光通信准，由于望远镜视轴与发射或接收光路光轴进行了严 格校准，望远镜对准后只需很小人工微调和通过检测 接收光功率计的功率变化即可快速完成精密对准。经精密对准后，发射系统和接收系统分别开机，发射方发射 DVI碟机播放的图像信号,当接收方的功率监测显示值大于 一25dE时n,接收端显示器将会高保 真地显示传输过来的DVD播放画面。实验分中午时段和下午时段进行。中午时段实验可以看到画面大部分 时间都很稳定，但有时岀现数秒钟或更长时间画面不 稳定甚至中断稍后画面又岀现）的情况。在下午时段的实验中，通信画面基本保持

14、稳定。为评估大气扰动对光通信的影响，我们记录了信号光接收功率的变化情况，并进行了激光大气闪烁测量实验。通过测试不同时间段的数据，可以分析通信链路的性能。通信系统的链路参数以及实验数据见表1。在中午1 2 0（时段，接收的光功率为 -2 03 1d B I根据对 光接收模块的外场测试，当接收光功率大于25dBm时，通信误码率优于1 0。实验持续 1小时，接收光功率大于2 5dB功率的时间比率为90%通信受大气影响较大。下午1 53（以后开始第二次实验，此时接收的光功率为 一1咅一2 6d B接收光功率大于 一25dBl 率的时间比率为9 8 %通信受大气影响相对较小。为评估大气闪烁对通信的影响，

15、实验中将未调制的1550连m光进行耦合接收，对接收的光信号进行光电转换和放大后通过数据采集系统进行数据采集 和处理。有关大气闪烁测量系统及数据的详细分析和 结果将另文报道 。伏偏大和信号耦合损耗偏大的现象，如能采用大面积探测器会有效改善信号耦合损耗偏大的问题。通过实验可以直接感受到大气扰动对光无线通信 的影响。当大气扰动较强时 ，通信易岀现不稳定现象。在大气扰动情况下 ，光学接收系统的接收口径尺寸一 般要大于扰动产生的闪烁空间尺度第一费涅尔带半径），即D/2无7反D是天线口径，L是通信距离，K = 2n%，是通信波长）。根据2 3 0 01信距离和 1 5 5 0 nm 通信波长条件可以计算岀

16、最小接收口径要求是 4 6.6,而本通信系统天线口径是40m所，以当大气扰动明显时会岀现因光斑闪烁和飘移所引起的损 耗造成通信稳定性下降的现象。根据计算，40m天线口径系统适合于1.6以下的光通信情况 。2 0 0年71_4间我们又进行了类似实验多次，在能见度好于5 km通信距离小于 1.6时基本上可以取得较满意 的通信效果。在大气扰动较弱时 ，2一2.实验也基本 取得了成功，实验情况与预期理论基本相符合。从激光通信和激光大气传输实验结果来看，中午1 2 0（时段，接收光功率变化范围是2 03 1d Bln午1 5 3（时寸段接收光功率变化范围是1齐一2 6d B殆以看到大气状态在下午比中午要

17、稳定些，也即下午的大气闪烁损耗比中午的要小。也可看到实验过程中接收功率起伏最大值达到11d这与当时大气扰动强弱关系很大，同时接收口径偏小易受光斑闪烁和飘移影 响也是其重要原因 。后来采用 100mm攵光天线接 收光信号，发现光功率起伏显著减小。采用40m天线口径的光通信系统实现上述通信 参数的实验在国内外尚不多见，这为今后研制小型光通信系统提供了很好的借鉴。无线光通信5结论从表1参数来 看，链路损耗主要发 生在自由空间传播 损耗几何损耗）和 光纤信号耦合损耗 上。几何损耗是不可 避免的，只是信号耦 合损耗略微偏大了 一点，实验采用多模 光纤来接收信号，由 于光纤芯径偏小，光 斑闪烁和飘移都易

18、造成接收光功率起项目dBf直发射机功率18dBm发射机损耗3dB自由空间损耗15dB大气损耗2dB空间瞄准误差3dB接收机损耗3dB光纤信号耦合损耗7dB探测器灵敏度2 7dBm探测器接收功率2 13 1dB光斑闪烁和漂移引起损耗516dB链路冗余74dB表1 2.3k光通信链路参数中午1 2 0 0时段）参考文献1JAMESE Freidel cl o iSAHiey r b r kdbsaantdelalbi stoelsutely mushtavleas ienrter si ai tnek ls l (ij t?efc o)c . 1S9P，I3E2 6 9 9 1 1 0.2rJO1

19、KERNIE1TSoEnH ppenhaotthIanDdI)tietstS(uflt anOperat (DpnaCnt ers Lteldti 亚 ARTEMIaSn SPOT， SIL E(. proc . SP0E63 1 15.BREYESAarcOsUECAAergAiLoONSOAnge et,Analy siofthprelimOptriy ianlb es tweAeRTTEMIaSn dhO ptical Grou!ntdatijoinoc.TS2R)I0EB823343.4TOYOSHI MATAKIZAKAKURT,ETAL.Ground toOICET lasceommuniceaxtpi o m i mjPt os S PIE 0 0 6 3 0 41B8.5 A IYon LUXinggu Y ANGJinge iTA PortaFbr leSepace Opticysl(diproPIE0058 9：2:4 2 148.6蔡燕民，陈冈董作人，等.15M5b/s气传输光通信系统及其测试中国激光J200A27(11) :1004.0 2 0 0年第 9期光通信技术% 1China Academic Journal Kkctronic Publishing Mg竝 All righ