自由空間光通信研究-畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　自由空間光通信(Free-Space Optical Communication，簡稱FSO)是一種通過在自由空間傳輸激光信號來實現(xiàn)點對點、點對多點或多點對多點間語音、數(shù)據(jù)、圖像信息的雙向通信技術(shù)。近幾年來FSO技術(shù)以其高帶寬、安裝便捷、成本低廉、安全性能好等優(yōu)點受到了人們的關(guān)注，在軍事和商業(yè)上均有廣泛的應(yīng)用。</p&g

2、t;<p>　　本文在現(xiàn)有的光源直接輸出、光電探測器直接耦合的FSO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了基于光纖輸入、光纖輸出的FSO系統(tǒng)，這種系統(tǒng)很好的結(jié)合了光纖通信系統(tǒng)和無線傳輸，其優(yōu)點在于大大降低了成本，簡化了鏈路終端，同時可以利用光纖通信系統(tǒng)中的各種技術(shù)擴大系統(tǒng)的帶寬。我們對這種新型的FSO系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分接收端的光學設(shè)計進行了深入的討論，提出兩種解決方案并做了大量的空間光到單模光纖及多模光纖耦合效率的仿真計算。接下來文章分析

3、了整個FSO光學鏈路的功率預(yù)算，主要包括光束擴展帶來的損耗、瞄準誤差的損耗、大氣湍流引起的損耗。同時，本文建立了自由空間光通信系統(tǒng)的仿真模型，分析了大氣衰減、通信距離、激光發(fā)射功率對系統(tǒng)誤碼率的影響。最后給出實驗方案設(shè)計及結(jié)果分析。</p><p>　　關(guān)鍵詞:自由空間；光通信接收天線；光纖耦合；鏈路損耗；誤碼率</p><p><b>　　ABSTRACT</b>&

4、lt;/p><p>　　Free-Optical Communication is a promising technology through transmitting laser signals in the atmosphere channel to realize the communication of voice image and between point-to-point, point-to-mul

5、tipoint and multipoint-to-multipoint. FSO has received a great deal of attenuation lately both in the military and civilian information society due its huge capacity, rapid deployment, low cost and high security.</p&g

6、t;<p>　　In this dissertation, we put forward an all-optical free-space link structure based on the previous diode coupled structure. This new structure can be well integrated with fiber-optical communication netwo

7、rks with lower cost. The most crucial part of the link design turn out to be the receiver optics and several design solutions were investigated. We do a number off single mode fiber coupling efficiency and multimode fibe

8、r coupling efficiency calculations to see which kind of antenna is best sui</p><p>　　Key Words: Link budget; Free-Space; Optical Communication; Receiver optics; Fiber coupling; BER performance</p><

9、;p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章引言1</b></p><p>　　1.1自由空間光通信的發(fā)展1</p><p>　　1.2FSO應(yīng)用的領(lǐng)域2</p><p>　　1.3FSO技術(shù)的優(yōu)缺點2</p><p>　　1.3.1FS

10、O的缺點2</p><p>　　1.3.2FSO系統(tǒng)的優(yōu)點2</p><p>　　1.4 FSO技術(shù)的研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.4.1基于光電探測器直接耦合的FSO系統(tǒng)3</p><p>　　1.4.2基于光纖耦合技術(shù)的FSO系統(tǒng)5</p><p>　　第2章自由空間光通信系統(tǒng)的原理7</

11、p><p>　　2.1 FSO發(fā)射系統(tǒng)8</p><p>　　2.2激光發(fā)射子系統(tǒng)原理8</p><p>　　2.2.1激光光學發(fā)射系統(tǒng)8</p><p>　　2.2.2引導光纖9</p><p><b>　　2.3光源9</b></p><p>　　2.3.1工作波

12、長9</p><p>　　2.3.2光源的選擇9</p><p>　　第3章FSO接收系統(tǒng)10</p><p>　　3.1光電探測器10</p><p>　　3.1.1光電探測器的選型11</p><p>　　3.2 FSO系統(tǒng)中的噪聲12</p><p>　　第4章光學天線1

13、3</p><p>　　4.1 FSO光學系統(tǒng)中的象差13</p><p>　　4.1.1球差13</p><p>　　4.1.2慧差13</p><p>　　4.2發(fā)射光學天線14</p><p>　　4.2.1高斯光束的基本性質(zhì)14</p><p>　　4.2.2激光光學發(fā)射天線

14、14</p><p>　　4.3接收光學天線15</p><p>　　4.3.1接收光學天線的基本原理15</p><p>　　4.4光學天線的分類19</p><p>　　4.4.1設(shè)計光學天線的基本要求19</p><p>　　4.4.2折射式天線20</p><p>　　4.4.

15、3反射式天線21</p><p>　　4.4.4折反射組合式天線24</p><p>　　第5章光學系統(tǒng)和鏈路性能的分析25</p><p>　　5.1大氣損耗25</p><p>　　5.1.1大氣衰減25</p><p>　　5.1.2大氣湍流引起的損耗26</p><p>　

16、　5.2光束擴展損耗27</p><p>　　第6章系統(tǒng)仿真及性能分析30</p><p>　　6.1光纖通信仿真軟件OptiSystem30</p><p>　　6.2基于OptiSystem下的系統(tǒng)模型30</p><p>　　6.3仿真及結(jié)果分析31</p><p>　　6.3.1天氣條件對傳輸性能的

17、影響31</p><p>　　6.3.2仿真結(jié)果分析31</p><p><b>　　第7章總結(jié)38</b></p><p><b>　　參考文獻39</b></p><p><b>　　致謝40</b></p><p><b>　

18、　附錄41</b></p><p>　　附錄一：不同距離下PIN和APD管的選擇41</p><p>　　附錄二：使用誤差分析儀時注意的誤差41</p><p><b>　　外文資料原文42</b></p><p><b>　　譯文45</b></p><p

19、><b>　　第1章 引言</b></p><p>　　1.1自由空間光通信的發(fā)展</p><p>　　激光通信是當今社會信息傳播的最重要、最常規(guī)的手段。按照傳輸介質(zhì)的不同，激光通信可分為光纖通信、自由空間光通信和水下通信。自由空間光通信(Free-Space Optical Communication，簡稱FSO)，也稱為無線激光通信，是一種通過激光在大氣信道

20、中實現(xiàn)點對點、點對多點或多點對多點間語音、數(shù)據(jù)、圖像信息的雙向通信技術(shù)。廣義的自由空間光通信系統(tǒng)包括星際間的通信和大氣間的通信，狹義的自由空間光通信系統(tǒng)就是指大氣間的無線傳輸。FSO系統(tǒng)又有“虛擬光纖”的說法，這是因為FSO系統(tǒng)所使用的設(shè)備是和光纖通信系統(tǒng)相類似的激光發(fā)射器和接收器。</p><p>　　現(xiàn)代的通信網(wǎng)主要由傳輸網(wǎng)、交換網(wǎng)和接入網(wǎng)三大部分組成。在上個世紀末的光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)熱潮中，業(yè)者把重點放在骨干網(wǎng)絡(luò)

21、上，目前，我國許多城市已基本實現(xiàn)光纖到樓（FTTB），光纖到戶（FTTH），而接入網(wǎng)由于建設(shè)技術(shù)復雜、實施難度大及耗資龐大而成為通信網(wǎng)建設(shè)中的“瓶頸”（即“最后一公里”問題），發(fā)展較為緩慢。當前有很多接入技術(shù)可供用戶選擇，如光纖，本地多點分配業(yè)務(wù)（LMDS）、數(shù)字用戶線(DSL)、射頻技術(shù)以及空間光通信 (FSO) 等。其中光纖傳輸無疑是最可靠的通信方式，但光纖鋪設(shè)的周期長，費用高以及在某些地方易鋪設(shè)，這些都限制了光纖的普及;LMDS比

22、FSO的傳輸距離遠，但這種接</p><p>　　接入方式需要高額的初始投資銅纜的帶寬太低，難以滿足人們對帶寬日益增長的需求。相比較而言，F(xiàn)SO技術(shù)既能提供類似光纖傳輸?shù)乃俾剩譄o需在頻譜等稀有資源方面有很大的初始投資另外，激光技術(shù)的進步已經(jīng)使耐用可靠的器件變得很便宜，大大降低了FSO設(shè)備的造價。因此，在目前許多企業(yè)和機構(gòu)都不具備光纖線路，但又需要較高速率的情況下不失為一種解決“最后一公里”瓶頸問題的有效途徑之一

23、。</p><p>　　盡管60年代就有人對自由空間光通信進行過研究，但當時主要用于軍事及實驗?zāi)康?，其商業(yè)應(yīng)用最近幾年才興起。作為當今十大電信熱點技術(shù)之一，F(xiàn)SO技術(shù)受到越來越多的企業(yè)以及運營商的重視，將成為今后構(gòu)筑電信網(wǎng)的一項重要技術(shù)[1]。</p><p>　　1.2FSO應(yīng)用的領(lǐng)域</p><p>　　FSO有其獨特的性質(zhì)，所以在很多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，比如

24、，</p><p>　　1）軍事應(yīng)用FSO以其高保密性和安裝快捷的特性應(yīng)用于軍事場所。</p><p>　　2）企業(yè)、校園互連。這些局域網(wǎng)通常對傳輸距離要求不是太高，因此FSO系統(tǒng)就可以靈活的運用于這些局域網(wǎng)之間。</p><p>　　3）城域網(wǎng)的擴展[2]:FSO可用于擴展已有的城域網(wǎng)，將新的網(wǎng)絡(luò)與骨干網(wǎng)相連接。</p><p>　　4）F

25、SO在電力系統(tǒng)應(yīng)急通信中的應(yīng)用。</p><p>　　1.3FSO技術(shù)的優(yōu)缺點</p><p>　　1.3.1FSO的缺點</p><p>　　1）傳輸距離的限制。FSO是一種視距技術(shù)，當傳輸距離超過一定距離時（一般為幾公里）波束就會變寬以至于很難被接收天線接收。</p><p>　　2）對準困難。為了保證傳輸質(zhì)量，兩端的設(shè)備對準是非常重要的

26、，即使初步對準之后也要考慮風力和其他因素的影響。</p><p>　　3）傳輸質(zhì)量收天氣的影響非常大。FSO系統(tǒng)對天氣的影響非常敏感，一般晴天影響最小，雨雪天氣影響比較大，衰減系數(shù)在5db/km-13db/km。而霧對系統(tǒng)的影響是最大的，一般衰減系數(shù)可高達60db/km。</p><p>　　1.3.2FSO 系統(tǒng)的優(yōu)點</p><p>　　1）無需頻譜許可證背景

27、。無限光通信因設(shè)備間沒有信號的相互干擾。FSO與大多數(shù)低頻電磁波不同的是300GH以上電磁波頻段的應(yīng)用在全球都不受限制，可以免費使用。</p><p>　　2）帶寬高。自由空間光通信于光纖通信一樣具有頻帶高的優(yōu)勢。FSO支持155Mbit/s-10Gbit/s的傳輸速度，傳輸距離一般在2-4公里之間。在點到多點的組網(wǎng)方式中FSO同樣也支持155Mbit/s-10Gbit/s的傳輸速度，但傳輸距離一般就為1-2公里

28、，若果采用格形的組網(wǎng)方式，則可支持622Mbit/s的傳輸速率，傳輸距離一般為200-400米。</p><p>　　3）協(xié)議透明。FSO以光為傳輸介質(zhì)，任何傳輸協(xié)議都可容易的疊加上去，對語、數(shù)據(jù)、圖像等業(yè)務(wù)可以做到透明傳輸。</p><p>　　4）成本低廉。以大氣作為了傳輸介質(zhì)，免去了昂貴的鏈路鋪設(shè)和維護工作。</p><p>　　5）快速鏈路部署。由于鏈路比較

29、簡單，F(xiàn)SO可在幾天內(nèi)完成。</p><p>　　6）安全保密性高。FSO波束很窄，定向性非常好，夜間也無法發(fā)現(xiàn)，因此無法探測到鏈路的位置，更不存在竊聽的可能性。</p><p>　　1.4 FSO技術(shù)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.4.1基于光電探測器直接耦合的FSO系統(tǒng)</p><p>　　早在多30年前，自由空間光通信曾掀起了研究

30、的熱潮，但當時的器件技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)和大氣信道光傳輸特性本身的不穩(wěn)定性等諸多客觀因素卻阻礙了它的進一步發(fā)展。與此同時，隨著光纖制作技術(shù)、半導體器件技術(shù)、光通信系統(tǒng)技術(shù)的不斷完善和成熟，光纖通信在80年代掀起了熱潮，自由空間光通信一度陷入低谷。然而，隨著骨干網(wǎng)的基本建成以及最后一公里問題的出現(xiàn)，以及近年來大功率半導體激光器技術(shù)、自適應(yīng)變焦技術(shù)、光學天線的設(shè)計制作及安裝校準技術(shù)的發(fā)展和成熟，自由空間光通信的研究重新得到重視。</p>

31、;<p>　　在國外，F(xiàn)SO系統(tǒng)主要在美英等經(jīng)濟和技術(shù)發(fā)達的國家生產(chǎn)和使用。到目前為止，F(xiàn)SO己被多家電信運營商應(yīng)用于商業(yè)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，比較典型的有Terabeam和Airfiber公司。在悉尼奧運會上， Terabeam公司成功地使用FSO設(shè)備進行圖像傳送，并在西雅圖的四季飯店成功地實現(xiàn)了利用FSO設(shè)備向客戶提供100Mb/s的數(shù)據(jù)連接。該公司還計劃4年內(nèi)在全美建設(shè)個100個FSO城市網(wǎng)絡(luò)。而Airfiber公司則在美國波士

32、頓地區(qū)將FSO通信網(wǎng)與光纖網(wǎng)(SONET)通過光節(jié)點連接在一起，完成了該地區(qū)整個光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。表1-1是國外一些領(lǐng)先的公司生產(chǎn)的產(chǎn)品的FSO性能參數(shù)。</p><p>　　目前商用的FSO系統(tǒng)通常采用光源直接輸出、光電探測器直接耦合的方式，這種系統(tǒng)有以下幾點缺點：</p><p>　　1）半導體激光器出射光束在水平方向和垂直方向的發(fā)散角不同，且出射光斑較粗，因此我們需要先將出射光束整形為圓

33、高斯光束在準直擴束后發(fā)射，這樣發(fā)射端的光學系統(tǒng)就較為復雜，體積也會相應(yīng)增大。</p><p>　　2）在接收端，光斑經(jīng)光學天線會聚之后直接送入PD轉(zhuǎn)化為電信號。通常，我們需要提供點到點的，雙向的通信系統(tǒng)，這樣，F(xiàn)SO系統(tǒng)的每個終端都包括了激光器，探測器，光學系統(tǒng)，電子元器件和其中有源器件所需要的電源。浙江大學碩士論文這種系統(tǒng)的體積通常比較大，重量大，成本也比較高。從FSO系統(tǒng)終端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中可以看出，完成一個簡

34、單的點到點的鏈路需要6個OE轉(zhuǎn)換單元。隨著人們對帶寬的需求越來越高，PD的成本也越來越高，6個OE轉(zhuǎn)換單元大大增加了成本閉[3]。</p><p>　　表1-1 FSO產(chǎn)品的性能參數(shù)</p><p>　　圖1-1 基于PD直接接收的FSO系統(tǒng)</p><p>　　3）終端設(shè)備一般安裝于樓頂，如果終端中含有大量的有源設(shè)備，會給我們的安裝帶來了很多不方便。</p&

35、gt;<p>　　系統(tǒng)的可擴展性很小。如果用戶所需要的帶寬增加，那么封裝在一起的整個FSO系統(tǒng)終端都需要被新的終端取代，安裝新設(shè)備的過程需要再次對準，整個升級過程所需要的時間很長，給人們帶來巨大的損失</p><p>　　圖1-2 FSO系統(tǒng)終端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　1.4.2 基于光纖耦合技術(shù)的FSO系統(tǒng)</p><p>　　基于光纖輸出

36、、光纖輸入的自由空間光通信系統(tǒng)如圖1.3所示，激光輸出的高斯光束耦合至光纖再經(jīng)準直出射，傳輸一定距離后，光束通過合適的聚焦光學系統(tǒng)聚焦在光纖纖芯上，沿著光纖傳輸后經(jīng)PD接收還原信號。</p><p>　　圖1-3 基于光纖的FSO系統(tǒng)示意圖</p><p>　　這樣我們通過在發(fā)射和接收端都采用光纖連接的方式，只需要在樓頂放置光學天線系統(tǒng)，而將其他的控制系統(tǒng)通過光纖放置于室內(nèi)就可以實現(xiàn)點到點

37、的連接，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝。</p><p>　　這種新型的系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：</p><p>　　1)減少了不必要的E-O轉(zhuǎn)換，一條鏈路現(xiàn)在只需要個EO接口即可，大大降</p><p><b>　　低了成本。</b></p><p>　　2)光學系統(tǒng)較為簡單，光纖出射的光束一般為圓高斯光，不需要整形，簡化了光學

38、系統(tǒng)，減小了體積，易于安裝。</p><p>　　3)易于升級及維護，當用戶的帶寬增加時，我們只需要對放置在室內(nèi)的系統(tǒng)進行升級即可，免去了復雜繁瑣的對準過程。</p><p>　　4)基于光纖耦合的空間光通信系統(tǒng)能夠很好的與現(xiàn)有的光纖通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，利</p><p>　　用現(xiàn)有的比較成熟的光纖通信系統(tǒng)中的器件如發(fā)射接收模塊，EDFA和WDM中所用到的復用器和解復用器

39、。</p><p>　　可以與光碼分多址復用技術(shù)(OCDMA)相結(jié)合，構(gòu)成自由空間OCDMA系統(tǒng)，進一步系統(tǒng)的帶寬。</p><p>　　對于一個基于光纖耦合技術(shù)的系統(tǒng)而言，以下幾個因素必不可少[4]：</p><p>　　1)體積小，重量輕的光學天線系統(tǒng)。一個最佳的光學天線的設(shè)計首先必須使盡可能多的光耦合進單模光纖，獲得最大的耦合效率其次要能通過粗跟蹤系統(tǒng)測出入射

40、光的角度另外，必須滿足盡可能高的通信速率和穩(wěn)定性。</p><p>　　2)性能良好的跟蹤系統(tǒng)。要使光學接收天線接收到的光能夠有效的耦合進纖芯和數(shù)值孔徑都極小的單模光纖，我們必須為系統(tǒng)加上雙向的跟蹤系統(tǒng)。</p><p>　　第2章 自由空間光通信系統(tǒng)的原理</p><p>　　FSO系統(tǒng)主要由光發(fā)射機，光接收機，光學天線（透鏡組和濾波片）和大氣信道以及捕獲、跟蹤及

41、瞄準（APT）子系統(tǒng)組成</p><p><b>　　source</b></p><p>　　Transmitter</p><p>　　destination</p><p><b>　　Receiver</b></p><p>　　自由空間光通信系統(tǒng)原理圖</p&

42、gt;<p>　　由其原理圖可知，電信號通過調(diào)制器調(diào)制到激光器產(chǎn)生的光載波上，再通過光學發(fā)射天線對光束整形并發(fā)射到大氣中。光信號通過大氣傳輸，到達接收端，光學天線接收到光信號聚焦至光電探測器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大濾波，再解調(diào)。自動跟蹤系統(tǒng)的主要功能是確保兩個同心終端的精確定向，完成同心鏈路的建立。</p><p>　　2.1 FSO發(fā)射系統(tǒng)</p><p>　　發(fā)射系統(tǒng)包括電

43、信號的碼制變換，復接器和調(diào)制電路，以及激光器，驅(qū)動器等，其中激光器的選擇很重要，它直接影響天線的增益、探測器件的選擇、天線直徑、通信距離等參數(shù)。FSO 系統(tǒng)的激光發(fā)射系統(tǒng)主要實現(xiàn)電光調(diào)制與轉(zhuǎn)換及將激光信號通過光學發(fā)射天線平行準直地發(fā)射到大氣中去，為了減少大氣湍流及振動給光信號帶來的影響，通常 FSO 系統(tǒng)采用多光束傳輸技術(shù)，這也是其與普通的光纖通信系統(tǒng)的不同這處，但其他部分與光纖通信系統(tǒng)基本相同，所以我們可以借助一些成熟的光纖通信技術(shù)來

44、實現(xiàn)無線光通信系統(tǒng)的設(shè)計。</p><p>　　2.2激光發(fā)射子系統(tǒng)原理</p><p>　　激光發(fā)射子系統(tǒng)是 FSO 發(fā)射系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，例如以下系統(tǒng)主要是通過兩個分路將一路電信號變成四路電信號然后分別通過電光調(diào)制與轉(zhuǎn)換變成激光信號并通過激光光學發(fā)射子系統(tǒng)將其平行準直地發(fā)送到接收端，其原理框圖如 2-2</p><p><b>　　電信號 </b

45、></p><p><b>　　激光發(fā)射系統(tǒng)原理圖</b></p><p>　　2.2.1激光光學發(fā)射系統(tǒng)</p><p>　　激光光學發(fā)射系統(tǒng)是由多組光學透鏡及其與激光器連接的引導光纖和瞄準裝置組成，主要實現(xiàn)將激光器產(chǎn)生的激光通過引導光纖送至光學發(fā)射天線，并通過光學發(fā)射天線將激光平行準直地發(fā)送至大氣中。</p><p

46、><b>　　2.2.2引導光纖</b></p><p>　　引導光纖主要完成激光器與激光發(fā)射光學天線之間的連接，對引導光纖的要求與光纖通信中對光纖的要求相同，要求光纖的數(shù)值孔徑要大，盡可能使激光器發(fā)射的激光最大限度地耦合到光纖中去，減小插入損耗。至于光纖本身的損耗和色散則因引導光纖的長度較短可忽略不計[5]</p><p><b>　　2.3光源&l

47、t;/b></p><p><b>　　2.3.1工作波長</b></p><p>　　大氣透過率是選擇激光工作波長的最重要的一個因素，一般將透過率較高的波段成為“大氣窗口”，紅外波段的大氣窗口有 850nm、1310nm和1550nm。但在實際應(yīng)用中850nm和1550nm的光載波更適合FSO系統(tǒng)。</p><p>　　2.3.2光源的

48、選擇</p><p>　　從過去的市場要求來看，只有調(diào)制速率達到20Mbit/s到2.5Gbit/s的激光器才符合要求。光源的調(diào)制方式以及調(diào)制之后的光功率也是選擇光源的重要問題。另外FSO系統(tǒng)的光源也必須滿足以下幾個條件：</p><p>　　1)能夠提供足夠大的功率</p><p><b>　　2)調(diào)制速率高</b></p>&

49、lt;p><b>　　3)功耗低</b></p><p>　　4)工作的溫度范圍較大</p><p>　　基于此，對于短波長的FSO系統(tǒng)，通常采用垂直腔面的發(fā)射激光器（VCSEL）作為光源，對于長波長的FSO系統(tǒng)，通常選用分布反饋式（DFB）激光器作為光源。</p><p>　　第3章 FSO接收系統(tǒng)</p><p&g

50、t;　　FSO 系統(tǒng)的激光接收子系統(tǒng)主要完成對經(jīng)大氣傳輸?shù)募す庑盘柕慕邮?，并通過光電檢測器轉(zhuǎn)換將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。接收系統(tǒng)主要包括光探測器、低噪聲前方、解調(diào)器、定時提取電路、自動增益控制電路、分接器以及碼制變換等，光探測器是整機的最重要的組成部分，它主要有以下功能：</p><p>　　1）探測對方發(fā)來的信標光，確定信標光的位置，給出位置誤差信號驅(qū)動ATP單元，校正接收天線的方向，完成雙端的粗對準。</p

51、><p>　　2）在天線已經(jīng)達到粗對準的前提下，探測對方發(fā)來的信標光，并利用信標光在四象限探測器上的坐標，確定信標光的位置，給出誤差信號并提供給APT單元，完成雙端天線的精對準及跟蹤。</p><p>　　3）探測雙方發(fā)出的信號光，接收通信信號，完成通信功能。</p><p><b>　　3.1 光電探測器</b></p><p

52、>　　光電檢測器是光接收部分的核心，其主要實現(xiàn)將光信號還原成電信號。常用的光電檢測器主要是 PIN 光電二極管和雪崩光電二極管（APD）。</p><p>　　光電探測器包括捕獲傳感器、跟蹤傳感器和通信傳感器，在本系統(tǒng)中，捕獲傳感器采用CCD，它視場較大，幀頻較低，因此可用于捕獲和粗跟蹤階段。功率檢測接收機（又稱為直接檢測接收機或者非相干接收機）如下圖所示。當光場到達接收機時，透鏡組和光檢測器瞬時對光功率進

53、行檢測接收，這是接收機最簡單的形式，只要信息表現(xiàn)為光功率的變化就可進行接收。</p><p><b>　　直接檢測接收</b></p><p>　　相干檢測方式中，數(shù)字信號通過載波信號的移頻或者移相進行編碼，接收時，微弱的信號首先與一強本振光進行相干混頻，混頻器就是一個光點探測器，它對兩束疊加的光波起檢測和混頻作用，將兩光波的差頻信號輸出，經(jīng)過濾波器濾波，再通過鑒相或

54、者鑒頻實現(xiàn)解調(diào)，將光信號轉(zhuǎn)換為基帶信號或差頻信號。</p><p><b>　　相干檢測接收機</b></p><p>　　3.1.1光電探測器的選型</p><p>　　1、光電二極管（PIN）</p><p>　　PIN光電二極管的光電轉(zhuǎn)換線性度較好，無需高工作電壓，響應(yīng)速度快，其主要參數(shù)有：量子效率、響應(yīng)度、暗電流

55、、結(jié)電容、靈敏度等。量子效率、響應(yīng)度反映了PIN 的光電轉(zhuǎn)換效率。當沒有光信號照射光檢測器時，外界的雜散光或熱運動也會產(chǎn)生一些電子—空穴對，光電二極管也會產(chǎn)生一些電流，這個電流被稱為暗電流，這也會產(chǎn)生隨機噪聲，降低系統(tǒng)的信噪比。結(jié)電容直接影響到PIN的響應(yīng)速度，結(jié)電容越小，器件響應(yīng)速度越快，頻帶越寬。</p><p>　　2、雪崩光電二極管（APD）</p><p>　　由于普通光電二極

56、管產(chǎn)生的電流很微弱，進行放大和信號處理時很難避免增加放大器噪聲。為了克服這種缺點，有必要在放大之前加大光電管的輸出電流，即需要在光電管中提供雪崩增益。在很高的反向偏壓下，載流子通過耗盡區(qū)的高電場部分，能夠碰撞游離化而產(chǎn)生新的載流子。這些載流子又由于碰撞而產(chǎn)生更多的新生載流子，從而形成雪崩現(xiàn)象。這樣，原始的電子—空穴對可以產(chǎn)生十倍、百倍的新電子—空穴對。結(jié)果是光電管輸出電流獲得有效放大，這種光電管也就稱為雪崩光電二極管（APD）。顯然，雪

57、崩管的放大作用是有用的，但它與理想的</p><p>　　電子倍增機構(gòu)相比還有不足之處。</p><p>　　雪崩管的響應(yīng)速率是另一個重要參數(shù)。它和 PIN 管一樣，原始電子-空穴對應(yīng)該多數(shù)在高電場區(qū)產(chǎn)生，使載流子盡可能快地進入高電場倍增區(qū)。而從低電場區(qū)產(chǎn)生的載流子，引起擴散拖尾。APD 管的響應(yīng)速率直接關(guān)系到頻帶寬度?，F(xiàn)在的雪崩光電二極管，都適當兼顧增益和帶寬要求，因此 APD 管大量運

58、用于光通信中。</p><p>　　3.2 FSO系統(tǒng)中的噪聲</p><p>　　光電探測器檢測信號的能力受到噪聲的影響，F(xiàn)SO系統(tǒng)中的噪聲源來自光電探測器自身的散粒噪聲和熱噪聲，另外，背景輻射引起的噪聲也是空間光通信系統(tǒng)中特有的噪聲源，實驗證明，盡管我們可以利用光學濾波的方式減小背景噪聲，但是背景噪聲還是可以在很大程度上影響空間光通信系統(tǒng)的性能。上面所說的是對于探測器為PIN管的情況。

59、對于APD接收管，還有附加噪聲。特別的，對于我們設(shè)計的光纖輸入、光纖輸出的FSO系統(tǒng)而言，在接收端，我們可以采用做前置放大器，還會引入自發(fā)輻射噪聲。</p><p>　　在系統(tǒng)中背景噪聲相對于其他噪聲較為特殊，所以只對背景噪聲進行討論。設(shè)背景光產(chǎn)生的光電流為，當探測器的帶寬為Δf時，背景光電流的噪聲均方值為</p><p>　　=2eΔfm (3-1)</p><p&

60、gt;　　忽略背景溫度噪聲的影響，則最小可探測功率為</p><p><b>　　= (3-2)</b></p><p>　　式中h為普朗克常數(shù)，為信號光譜，為信號光量子效率，為背景光子量子效率，為背景光子入射，則</p><p>　　==(γ)dy (3-3)</p><p>　　稱為背

61、景光子載流子產(chǎn)生率。可見正比于，即由于背景光的存在使最小可探測功率增加因而系統(tǒng)靈敏度下降。</p><p><b>　　第4章 光學天線</b></p><p>　　我們想要系統(tǒng)維持鏈路的高質(zhì)量通信，那么就需要較高的發(fā)射功率，但是從人眼的安全方面考慮，發(fā)射功率就不能太大。所以綜合了單發(fā)單收（簡單易實現(xiàn)），多發(fā)多收的（抗衰減干擾，不易實現(xiàn)）的優(yōu)缺點，最終解決辦法為多發(fā)單

62、收，即同一基帶信號調(diào)制到過個功率較低的光束上同時發(fā)射。由于激光器發(fā)出的光束為高斯光束，具有一定的發(fā)散角，光束在較遠的地方合在一起能滿足通信要求的功率，而在較近的地方相互分開就不會對人眼造成傷害。多發(fā)單收還可以減少障礙物的遮擋和大氣湍流效應(yīng)的影響。</p><p>　　4.1 FSO光學系統(tǒng)中的象差</p><p><b>　　4.1.1球差</b></p>

63、<p>　　對于球面鏡來說，不同高度的光線通常交光軸于不同的位置上，相對于理想像點的位置有不同的偏離，，稱為球差。絕大多數(shù)光學系統(tǒng)具有圓形入瞳，軸上點的成像光束是關(guān)于光軸對稱的，因此對應(yīng)于軸上點球差的光束結(jié)構(gòu)是非同心的軸對稱光束，它與參考像面截得一彌散圓。通常情況下，單正透鏡產(chǎn)生負球差，單負透鏡產(chǎn)生正球差，因此將正、負透鏡組合起來就能使球差得到校正。消色差透鏡是一種由低折射率冕牌玻璃的正透鏡和高折射率火石玻璃的負透鏡組成的

64、透鏡，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計之后，使球差、彗差和色差都得到了很好的校正[6]</p><p><b>　　4.1.2慧差</b></p><p>　　對于對準誤差的存在，經(jīng)發(fā)射天線準直的光束可能偏移光軸某個角度?達到接收光學天線，這時系統(tǒng)存在慧差。彗差是軸外物點發(fā)出寬光束通過光學系統(tǒng)后，不會聚在一點，而呈彗星狀圖形的一種相對主光線失去對稱的像差。具體地說，在軸外物點發(fā)出的光束中

65、，對稱于主光線的一對光線經(jīng)光學系統(tǒng)后，失去對主光線的對稱性，使交點不再位于主光線上，對整個光束而言，與理想像面相截形成一彗星狀光斑的一種非軸對稱性像差。彗差通常用子午面上和弧矢面上對稱于主光線的各對光線，經(jīng)系統(tǒng)后的交點相對于主光線的偏離來度量，，分別稱為子午彗差和弧矢彗差。子午面是由軸外物點和光軸所確定的平面，過主光線且與子午面垂直的平面稱為弧矢平面。一般來說，如果系統(tǒng)的球差較小，則系統(tǒng)的彗差也相應(yīng)的較小。</p><

66、;p><b>　　4.2發(fā)射光學天線</b></p><p>　　4.2.1 高斯光束的基本性質(zhì)</p><p>　　激光器發(fā)出的高斯光束經(jīng)過光纖整形后，可以用基模高斯光束來描述[7]。</p><p>　　假設(shè)光源位于z=0處，則z=q處的場分布可有以下公式描述</p><p>　　U(r,q)=U0 exp[-

67、j(kq-?)-()] (4-1)</p><p>　　其中r為徑向半徑，是z=0處的束腰半徑，?為相位，k=2π/λ為波束。光束的參量，分別為z=q處的束要半徑和波前半徑，其定義為：</p><p>　　= (4-2)</p><p>　　=q[1+] (4-3)</p><p>　　所以高斯光束的束腰和位置去確定了，高斯光束

68、就被唯一確定了，束腰的半徑是指光束沿徑向的強度下降到中心強度的處的位置，高斯光束的束腰內(nèi)集中了86%的能量。Z=0處的束腰最小，從上式中可以看出隨著q的增加而展寬，其軌跡形成一條雙曲線，該雙曲線的漸近線和光軸的夾角稱為光束的發(fā)散角，半發(fā)散角可以以下公式描述</p><p>　　= (4-4)</p><p>　　4.2.2激光光學發(fā)射天線</p><p>　

69、　激光光學發(fā)射天線主要是將引導光纖傳送來的激光光束聚焦并以較小的發(fā)射弧度平行、準直地發(fā)射出去，其原理圖見圖4.1</p><p><b>　　小弧度發(fā)散</b></p><p>　　激光光學發(fā)射天線原理圖</p><p>　　從引導光纖出來的激光束經(jīng)過透鏡組后，被聚焦便于接收端接收。光束的發(fā)散弧度一般依據(jù)接收端接收到的光功率為所在處的光斑的光功

70、率的 1/10 來計算，如圖4.2</p><p><b>　　發(fā)射光斑面積</b></p><p><b>　　接收光斑面積</b></p><p>　　發(fā)射光斑面積與接收光斑面積比例示意圖</p><p>　　4.3 接收光學天線</p><p>　　接收光學天線的設(shè)計是

71、FSO光學系統(tǒng)中最重要的部分，由于我們設(shè)計的系統(tǒng)是基于光纖輸入，光纖輸出的，因此我們的接收光學天線的設(shè)計必須足夠的精確來保證接收光束能夠有效的耦合至纖芯直徑和接收視場都十分小的光纖，這直接影響到系統(tǒng)的性能。</p><p>　　4.3.1接收光學天線的基本原理</p><p>　　接收光學天線是將平行光耦合至單模光纖，其設(shè)計必須滿足一定的條件。</p><p>　　

72、透鏡的F數(shù)和數(shù)值孔徑</p><p><b>　　f</b></p><p><b>　　θ</b></p><p><b>　　主面</b></p><p><b>　　數(shù)值孔徑和F數(shù)</b></p><p><b>　

73、　透鏡的F數(shù)定義為：</b></p><p>　　F/#= (4-5)</p><p>　　它反應(yīng)了透鏡的聚光能力。</p><p>　　另外一種定義這個夾角就是透鏡的數(shù)值孔徑（NA）</p><p>　　NA=sinθ= (4-6)</p><p><b>　　2)散斑大小<

74、/b></p><p>　　由于衍射現(xiàn)象的限制，平行光會聚在焦點處不可能得到點像而得到一個光斑，當入瞳為高斯光束照射，而光學系統(tǒng)不受到任何象差的限制的時候，即在衍射受限的條件下，得到的光斑大小最小為</p><p>　　d=KλF/# (4-7)</p><p>　　對于圓形通光孔K=2.44。因此 要將平行光有效的耦合至光纖，則必須滿足以下條件：&l

75、t;/p><p>　　1）透鏡的F數(shù)或者數(shù)值孔徑應(yīng)該小于光纖的數(shù)值孔徑。</p><p>　　2）光束經(jīng)透鏡聚焦之后在焦平面上形成的彌散斑大小不超過光纖的模場直徑。</p><p>　　在將光束耦合至光纖時，可以選擇將光束耦合至單模光纖或者多模光纖，以下我們將兩者進行對比。</p><p>　　1）利用單透鏡將光束耦合至多模光纖</p>

76、;<p>　　先利用一個透鏡耦合至多模光纖，上文提到要將光束耦合至多模光纖，透鏡的F數(shù)應(yīng)該小于光纖的數(shù)值孔徑。對于多模光纖的耦合，可以采用幾何光學近似的方法在像面設(shè)置一個與多模光纖纖芯直徑相等的孔徑來計算光纖的耦合效率。通過zemax軟件的仿真我們可以看到在焦面上所得到的彌散斑的大小明顯大于艾里斑的大小，系統(tǒng)存在明顯的球差，另外，在較大的視場，也可明顯的觀察到慧差</p><p>　　單透鏡多模光纖

77、的耦合效率</p><p>　　上文提到消色差透鏡可以減小球差和慧差，那么在相同條件小用zemax進行仿真可以明顯的觀察到球差和慧差得到了較好的校正，利用這種透鏡將光束耦合至多模光纖的損耗為0dB。</p><p>　　消色差透鏡耦合至多模光纖的效率</p><p>　　2)利用單透鏡將光束耦合至單模光纖</p><p>　　對于單模光纖我們

78、直接用消色差透鏡，通過zemax仿真可以觀察到光學系統(tǒng)近似于衍射受限的系統(tǒng)，不受像差的影響，耦合至單模光纖的損耗由彌散斑的大小大于光纖的模場直徑所造成的。</p><p><b>　　單模光纖的耦合效率</b></p><p>　　通過上面的對比，對于多模光纖耦合的情況，當透鏡的F數(shù)大于2.5時，多模光纖的耦合損耗一直為0dB，而對于單模光纖耦合的情況，耦合效率并不

79、隨著F數(shù)的增大一直增大，因此在實際情況中要根據(jù)當時情況選擇透鏡。</p><p>　　4.4光學天線的分類</p><p>　　4.4.1設(shè)計光學天線的基本要求</p><p>　　在FSO系統(tǒng)中，可以把光學天線看成是一個能接受，某一波長范圍的目標光微弱輻射的物鏡。那么對光學天線的基本要求如下：</p><p>　　1）通光孔經(jīng)要足夠大。望遠

80、鏡的物鏡孔徑一般是指有效孔徑，也就是通光直徑。光學天線的孔徑最大限度地接收來自目標的光輻射。</p><p>　　2）高的光學質(zhì)量，光學透鏡的高透射率及主、次反射鏡的高反射率，還要求天線的散射光效應(yīng)要低。</p><p>　　3）天線的遮擋率要低，在系統(tǒng)中，一般要求次級反射鏡及其他附件對天線的遮擋率小于5%。</p><p>　　4）對光學天線的材料也有特殊要求，材

81、料的熱膨脹系數(shù)小，機械強度要高，重量要輕，使用壽命要長。</p><p>　　在FSO系統(tǒng)中光學天線的作用十分重要，光學天線實際就相當于一個物鏡系統(tǒng)，通常情況下有三種結(jié)構(gòu)形式，即折射式天線，反射式天線和折返射組合天線。</p><p>　　4.4.2折射式天線</p><p>　　這類天線是由一組透鏡構(gòu)成的，如下圖。它的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分為開普勒型和伽利略型。</p&

82、gt;<p><b>　　透射式天線</b></p><p><b>　　1)開普勒型</b></p><p>　　用作發(fā)射天線的開普勒望遠鏡如圖4-8所示</p><p>　　小孔光闌 物鏡</p><p><b>　　目鏡<

83、/b></p><p><b>　　開普勒型光學天線</b></p><p>　　它由具有正光焦度的物鏡和目鏡組成，中間有聚焦點，加小孔光闌，使光束的高斯型光強分布的峰值部分通過，可得到受高斯型光強分布影響很小的擴展光束，這種光學天線的缺點是光能被遮掉很多。</p><p><b>　　2)伽利略型</b></

84、p><p>　　用作發(fā)射光學天線的伽利略望遠鏡如圖4-9所示。它由正光焦度的物鏡和負光焦度的目鏡組成，其優(yōu)點是物鏡和目鏡的尺寸較短，因為它是共虛焦點，其軸向間距為正透鏡與負透鏡焦距絕對值之差，整個光學系統(tǒng)軸向尺寸較小，負目鏡又有利于對正物鏡進行像差補償，使系統(tǒng)形式簡單，減少了反射面的光能損失。其突出優(yōu)點是共有虛焦點，可避免采用正透鏡會聚而引起的強光效應(yīng)和對目鏡的破壞，從而提高了能量的利于率。</p>&

85、lt;p><b>　　物鏡</b></p><p><b>　　目鏡</b></p><p><b>　　伽利略型光學天線</b></p><p>　　折射式天線系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：對光無遮擋，加工球面透鏡較容易，通過光學設(shè)計易消除各種像差，且物鏡組牢固穩(wěn)定，長期使用不易變形。但這種光學天線要求的

86、大塊透光性優(yōu)良的光學玻璃制造起來十分困難以及在紫外線和紅外波段透光量比反射望遠鏡少而且存在殘余色差，從而光能量損失較大，并且這種望遠鏡不便于支撐，無法向更大孔徑發(fā)展，裝配調(diào)整比較困難。所以在實際FSO系統(tǒng)中很少采用這種光學天線。</p><p>　　4.4.3反射式天線</p><p>　　反射式天線系統(tǒng)如圖4-10所示。其主要有牛頓系統(tǒng)，格里高利系統(tǒng)和卡塞格倫系統(tǒng)。</p>

87、<p>　　反射式光學系統(tǒng)示意圖</p><p><b>　　1）牛頓系統(tǒng)</b></p><p>　　由拋物面主鏡、次鏡（與光軸成45°夾角的平面反射鏡）和使發(fā)散光變成平行光的透鏡構(gòu)成，如圖4-11所示。由于像平面被引處入射光路之外，所以便于在其上安置光闌、濾光片和光電探測器的部件，牛頓系統(tǒng)的球差很好，但慧差較為嚴重。</p>&

88、lt;p><b>　　牛頓型光學天線</b></p><p><b>　　2)格里高利系統(tǒng)</b></p><p>　　他主要由拋物面主鏡、位于主鏡焦點之外的橢球面次鏡和透鏡構(gòu)成，如圖4.12所示。拋物面主鏡的焦點和橢球面次鏡的一個焦點重合。次鏡的物和像分別位于橢球面的兩個焦點上，因此整個系統(tǒng)沒有球差，該系統(tǒng)的主要缺點是軸向尺寸較大。<

89、;/p><p><b>　　格里高利型光學天線</b></p><p><b>　　3)卡塞格倫系統(tǒng)</b></p><p>　　主要由拋物面主鏡、雙曲面次鏡和透鏡構(gòu)成，如圖4.13所示。拋物面主鏡的焦點和雙曲面次鏡的虛焦點重合，從而使整個系統(tǒng)沒有球差，該系統(tǒng)的優(yōu)點是：口徑可以做的較大；不產(chǎn)生色差且可用波段范圍較寬；采用非球面

90、鏡后，有較大的消像差能力，光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，像質(zhì)優(yōu)良。它的不足之處在于不易的到較大的視場，若片面強調(diào)擴大視場，又想保持良好的像質(zhì)，則只能增加筒長為代價，而且，一般入射到次鏡上得光斑為圓形（基模高斯光束），其強度成高斯分布，中心光強最大，而實際由于遮擋比的存在，使得光束的中心部分能量無法利用。</p><p><b>　　卡塞格倫型光學天線</b></p><p>　　

91、由圖4.13可知，對于輸入口徑為的高斯光束，其中心口徑為的部分無法得到利用。兩者的關(guān)系為：</p><p>　　=||=|a| (4-8)</p><p>　　式中為次鏡的口徑，為主鏡的口徑，為次鏡的焦距，為主鏡的焦距，a為遮擋比，即實際利用的光斑面積為整個光斑的1-，而無法利用的部分正好是高斯光束中能量最集中的部分。</p><p>　　反射式天線的發(fā)射光束

92、的形成依靠對光波幾乎全反射的旋轉(zhuǎn)拋物面。這種天線對光能量的吸收損耗很小，因而空間光通信系統(tǒng)中的大都采用反射式光學天線。反射式光學天線具有對材料要求不太高、重量輕、成本低、光能損失小、不存在色差等優(yōu)點。但反射式光學天線的制作復雜，且對光有中心遮擋，難于滿足大視場大孔徑成像的要求。實用的反射式天線為了避免像差，視場一般比較小?？梢酝ㄟ^像場改正透鏡擴大視場。</p><p>　　4.4.4折反射組合式天線</p&

93、gt;<p>　　這類天線是由反射鏡和折射鏡組合的天線。這種天線系統(tǒng)可以結(jié)合反射式和折射式系統(tǒng)的優(yōu)點，采用球面鏡取代非球面鏡，同時用補償透鏡來校正球面反射鏡的像差，從而具有像差小集光力強的優(yōu)點。但這種天線系統(tǒng)體積較大，加工困難，成本也比較高。其示意圖如圖4.14所以。</p><p>　　折反射組合式光學系統(tǒng)示意圖</p><p>　　第5章 光學系統(tǒng)和鏈路性能的分析<

94、/p><p>　　整個FSO系統(tǒng)的損耗由光學損耗、光束擴展損耗、對準誤差損耗、大氣損耗、耦合損耗組成、其中最主要的影響因素是大氣損耗和光束擴展損耗。</p><p><b>　　5.1大氣損耗</b></p><p>　　大氣損耗是整個系統(tǒng)的一個重要的指標，大氣損耗可分為大氣衰減和大氣湍流一起的損耗。</p><p><

95、;b>　　5.1.1大氣衰減</b></p><p>　　激光在大氣中傳輸時，大氣成分對光波的吸收和散射造成能量的衰減稱為大氣衰減效應(yīng)。光功率衰減由朗伯-比爾定律描述為[8]:</p><p>　　Γ(λ，z)== (5-1)</p><p>　　式中Γ(λ，z)為傳輸距離z處的相對光功率;P(z)為傳輸距離z處的光功率；P(0)為光源處

96、光功率;為大氣總的衰減系數(shù)，它由四部分組成，可表示為：</p><p>　　σ(λ)= + ++ (5-2)</p><p>　　式中的分別為大氣分子的吸收和散射系數(shù)；和分別為大氣氣溶膠的吸收和散射系數(shù)。</p><p>　　由于通信波長通常選在大氣窗口，因此我們忽略大氣吸收導致的功率衰減。這時可由</p><

97、;p>　　σ(λ)= (5-3)</p><p>　?。ㄆ渲蠽是能見度（km）；q是散射粒子尺度分布，與能見度有關(guān)）得到波長為1550nm光在不同天氣情況下的衰減系數(shù)和能見度。</p><p>　　不同天氣下大氣的衰減系數(shù)和能見度[9]</p><p>　　5.1.2大氣湍流引起的損耗</p><p>　　大氣的折

98、射率總是隨空間和時間作無規(guī)則的變化，這種湍流狀態(tài)將使激光輻射在傳播過程中隨機地改變其光波參量，致使所見到的光波強度、相位和頻率在時間上和空間上都呈現(xiàn)隨機起伏，使光束質(zhì)量受到嚴重影響。</p><p>　　由于傳輸方向的隨機起伏造成光束偏離預(yù)期位置，這種效應(yīng)稱為光束漂移，通常采用漂移角或漂移幅度來度量。在漂移的同時，光束在接收平面上的到達角也因湍流影響產(chǎn)生隨機起伏，如果用望遠鏡觀測，像點就不能聚焦在焦平面的同一個位

99、置上，這個現(xiàn)象稱為像點抖動，抖動的大小用到達角起伏方差來度量。當激光通過湍流大氣時，由于傳輸路徑上折射率的隨機起伏，使得光束截面內(nèi)各點的強度也產(chǎn)生隨機起伏，即閃爍現(xiàn)象。</p><p>　　大氣湍流對光束傳播的影響[10]</p><p>　　大氣閃爍使探測器上的光強忽大忽小，實際上相當于在接收機引入了一個大的噪聲源，從而影響系統(tǒng)的信噪比，進一步影響系統(tǒng)的誤碼率。估計這個噪聲對FSO系統(tǒng)的

100、影響程度，對于系統(tǒng)指標的分配非常重要。</p><p>　　大氣閃爍引起的衰減還和傳輸距離有關(guān)。在湍流系數(shù)一定的情況時，大氣閃爍引起的衰減隨著傳輸距離的增大而快速增大。因此，大氣閃爍帶來的衰減是限制系統(tǒng)傳輸距離的另一個重要原因。</p><p><b>　　5.2光束擴展損耗</b></p><p>　　激光束經(jīng)發(fā)射光學系統(tǒng)準直以后，光束發(fā)散角

101、一般可達到1mrad以下。盡管如此，當光束傳輸幾千米以后，在遠場會形成一個大的光斑，如果接收光學系統(tǒng)的口徑小于此光斑的直徑，信號光束就不能全部被探測器接收，即產(chǎn)生光束擴展損耗，從而限制通信距離。顯然，激光發(fā)散角越小，光束擴展損耗就越小。高斯光束截平面的光強分布如下：</p><p>　　I(r，L)=exp(-) (5-4)</p><p>　　式中，r為截面上一點到z軸的距離，為在z=

102、L高斯光束的截面半徑。當高</p><p>　　斯光束離開束腰較遠時，其遠場發(fā)散角為</p><p>　　θ= (5-5)</p><p>　　因此，當L ?時，L處光斑半徑可以表示為</p><p>　　=z*θ (5-6)</p><p>　　假設(shè)接收望遠鏡正處于接收光斑中心，那么接收光功率占接收端光斑

103、功率的比率為</p><p>　　==1- (5-7)</p><p>　　式中，R=D/2，為透鏡半徑。則光束擴展損耗為</p><p>　　η=10log=10log（1-） (5-8)</p><p>　　方程表明，光束的擴展損耗取決于第一塊接收透鏡的大小和接收端的光斑大小。下圖中描述了光束擴展損耗隨著接收光

104、斑直徑的變化的情況，同時比較了接收天線口徑為50mm和100mm的光束擴展差異。</p><p>　　光束擴展損耗與接收端光斑直徑的關(guān)系</p><p>　　光束擴展損耗與傳輸距離之間的關(guān)系</p><p>　　從圖中可以看出，當接收光斑直徑為100mm時，口徑為100mm的接收天線的光束擴展損耗要比口徑為50mm的接收天線的光束擴展損耗小，并且隨著接收光斑直徑的增

105、大，兩者之間的區(qū)別有逐漸增大的趨勢。</p><p>　　另外，我們設(shè)定接收透鏡的口徑為100mm，光束發(fā)散角θ為0.5mrad，得到光束擴展損耗與傳輸距離的關(guān)系如下圖所示。可見，光束擴展損耗隨著距離的增加呈非線性增長，隨著距離的增大，擴展損耗的趨勢逐漸變緩。</p><p>　　第6章 系統(tǒng)仿真及性能分析</p><p>　　6.1光纖通信仿真軟件OptiSyst

106、em</p><p>　　OptiSystem是一款創(chuàng)新的光通訊系統(tǒng)模擬軟件包，它集設(shè)計、測試和優(yōu)化各種類型寬帶光網(wǎng)絡(luò)物理層的虛擬光連接等功能于一身，從長距離通訊系統(tǒng)到LAN和MAN都適用。OptiSystem具有強大的模擬環(huán)境和真實的器件和系統(tǒng)的分級定義。它的性能可以通過附加的用戶器件庫和完整的界面進行擴展,而成為一系列廣泛使用的工具。全面的圖形用戶界面控制光子器件設(shè)計、器件模型和演示。巨大的有源和無源器件的庫

107、，參數(shù)的掃描和優(yōu)化允許用戶研究特定的器件技術(shù)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。</p><p>　　6.2基于OptiSystem下的系統(tǒng)模型</p><p>　　利用OptiSystem構(gòu)建了簡單通用的FSO通信系統(tǒng)仿真模型，如圖6-1所示。</p><p>　　圖6-1 FSO通信系統(tǒng)模型圖</p><p>　　圖6-1為多發(fā)多收的FSO系統(tǒng)模型圖，

108、隨機信號發(fā)生器產(chǎn)生的隨機沖信號，轉(zhuǎn)換成NRZ信號后調(diào)制連續(xù)激光器（CW laser），經(jīng)Mach-Zehnder外調(diào)制器調(diào)制后的信號經(jīng)WDM Mux復用器后經(jīng)過光學發(fā)射天線送入信道。接收端通過WDM </p><p>　　Demux分解器分解信號后通過光電探測器（PIN）將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)低通濾波器濾除噪聲后得到接受信號。 &l

109、t;/p><p>　　6.3仿真及結(jié)果分析</p><p>　　6.3.1天氣條件對傳輸性能的影響</p><p>　　自由空間光通信的傳輸介質(zhì)是以大氣為傳輸介質(zhì)，前文提到大氣對信號的傳輸影響很大，特別是在不同的天氣狀況下的影響也截然不同。由于大氣信道的不確定性，即天氣條件和無線光通信的傳輸質(zhì)量和傳輸距離有著非常密切的關(guān)系，特別是煙霧彌漫的天氣對傳輸質(zhì)量和距離影響最為嚴

110、重，相關(guān)數(shù)據(jù)如表6-1[11]。</p><p>　　表6-1 典型天氣下傳輸損耗</p><p>　　6.3.2仿真結(jié)果分析</p><p>　　通過一些數(shù)據(jù)分析晴、小雨、小雪的天氣小對系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量影響較接近也比較小。因此以下就以較強濃霧為例，傳輸距離為1km進行分析。由表6-1可知在比較惡劣的天氣下信號衰減量為30dB/km。為了分析基帶傳輸系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，通

111、常用眼圖來分析馬建串擾和噪聲對系統(tǒng)性能的影響，或者通過誤碼率分析儀進行性能分析，同時結(jié)合收發(fā)兩端的信號波形的異同來分析。</p><p>　　6.3.2.1收發(fā)信號比較</p><p>　　通過接受和發(fā)送的信號比較，可以大體估計該系統(tǒng)接受的性能，基于FSO系統(tǒng)發(fā)送信號如圖6-2所示，接收信號如圖6-3，6-4所示。</p><p>　　圖6-2FSO 發(fā)送端信號波形

112、</p><p>　　圖6-3FSO 接收端信號波形</p><p>　　圖6-4 FSO 接收端信號波形</p><p>　　通過收發(fā)信號的對比，可以發(fā)現(xiàn)信號基本得到恢復，在幅度上有較大的衰減，同時波形出現(xiàn)了一定的削頂。</p><p>　　6.3.2.2系統(tǒng)眼圖分析</p><p>　　為了更好的分析系統(tǒng)的整體性能

113、，仿真系統(tǒng)的終端接入了誤碼分析儀，將通過眼圖分析來定性系統(tǒng)的性能。比如信號的上升和下降時間、交叉點位置、信號張開寬度、消光比和抖動等。如圖6-5所示，為基本調(diào)制下FSO系統(tǒng)的接收端要圖。</p><p>　　圖6-5 FSO 系統(tǒng)接收端眼圖</p><p>　　由系統(tǒng)眼圖可以分析出：</p><p>　　1）由于要求信號上升、下降越快越好，而一般要求其上升、下降時間

114、均不能大于信號周期的40%，從圖6-5可以看出上升或者下降時間為周期的20%，所以滿足系統(tǒng)要求。</p><p>　　2）交叉點比例反應(yīng)信號的占空比大小，由于傳輸過程中光信號的脈沖寬度將會被展寬導致接收側(cè)的交叉點相對于發(fā)送側(cè)上移，為了有利于長距離傳輸保證接收側(cè)的交叉點比例一般在50%左右使得系統(tǒng)接受測的靈敏度最高。由圖6-5可以看出交叉點在53%左右，接收端靈敏度較高。</p><p>