浅析光通信领域前沿技术的运用_图文

学术探讨 网络与通信

浅析光通信领域前沿技术的运用

王琛
(武汉烽火国际股份有限公司,湖北 武汉 430079)
[ 摘 要] 在明确光通信前沿技术重要性的基础上,概述了光波系统,并进一步研究了光通信技术的运用设计,涉及到: 光发射、光接收、光天线,ATP 以及控制等关键技术的运用设计。希望能对光通信领域前沿技术的应用与发展提供一定的借鉴 作用。
[ 关键词] 光通信;前沿技术;光波系统

1.引言
光通信系统包括两类:导行和非导行。在导行的光波系 统中,由发送机发射的光束是空间限定的,目前的导行光波 系统都使用光纤;在非导行的光波系统中,由发送机发射的 光束在空间传播,与微波传播相似,但与微波系统相比,其 光束主要是向前传播(由于波长短),主要应用于收发信机的 精确点对点通信中。虽然大多数光波通信系统主要是光纤 通信系统,但目前非导行的光波系统已经成为光通信领域 中的前沿技术,并得到了长足的发展和应用。
2.非导行光波系统的概述
非导行的光波系统中,无线激光通信(OWC)又称自由空 间激光通信(FSO),它不使用光纤等波导介质,是直接利用激 光光束作为信息载体在空间传递信息的一种通信方式。可以 利用无线激光通信技术进行语音、数据、电视、多媒体图像等 的高速双向传送[1]。无线激光通信技术不仅包括深空、同步轨 道、低轨道、中轨道卫星间的无线光通信,还包括地面站的无 线光通信,是目前国际上的一个研究热点。
根 据 使 用 情 况 ,无 线 激 光 通 信 可 分 为 :点 对 点 、点 对 多 点、环形或网格状通信,也可以把它们组合起来使用。光有 一定穿透能力,光在自由空间的传播介质有近地面大气层、 远离地面的深空和水三种,因此,根据其传输信道特征则又 可分为:大气激光通信、星际(深空)激光通信和水下激光通 信[2]。
3.光通信技术的运用设计
光通信以自由空间为光导,在无线光通信系统中,大气 信道随机变化,对通信产生较大影响,并且通信设备由于受 外力影响处于微动状态,必须根据这些新的特点来进行应 用设计。
3.1 光发射的运用设计 光发射包括:电信号的编码调制,激光器和激光器的驱 动电路。如图 1 所示。 其中,激光器的驱动电路要设计成支持恒定的偏置电流 和调制的电信号。经常利用伺服环保持平均光功率的恒定。 激光器的阈值对工作温度敏感,而且发送机的阈值电流也
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随发送机的老化而增加,必须对激光器的偏置进行控制,一 般通过一个光电二极管检测激光器的输出,产生一个控制信 号用于调节激光器的偏置。驱动电路要能动态调节偏置电流 并且保持调制电流不变。
图 1 光发射功能结构图
激光器的斜率效率通常随温度增加而减小,经常采用热 电制冷器来均衡激光器的温度,一种包含设计双环反馈电路 的驱动电路能同时自动调节偏置电流和调制电流。激光器中 有一个负温度系数热敏电阻,可通过这个热敏电阻来监测激 光器的工作温度,用于控制流入制冷器的电流方向来控制制 冷器制冷还是制热[3]。
电信号需要根据实际的需要进行编码。调制方式有多 种,比如开关键控调制、脉冲位置调制、差分脉冲位置调制、 数字脉冲间隔调制以及脉冲宽度调制等,实际使用中可根据 需要灵活采用。
3.2 光接收的运用设计 光接收子系统包括信标光检测器,信号光检测器,以及 它们的驱动电路;后级放大器;时钟提取电路和信号检测电 路。为抑制背景噪声的干扰,可以在光信道上采用光窄带滤 波器件,如干扰滤光片和原子滤光器等。对电信号采用微弱 信号检测和处理技术。光电二极管将光信号变成电信号,送 入后面具有限幅的放大器,得出形态较好的信号波形,然后 进行同步时钟信号的提取,利用提取的时钟和信号检测电路 对信号进行解调,恢复出原始信号。 其中,时钟提取部分对于接收机是至关重要的,同步性

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能的好坏直接关系到系统设备能否正常工作。由于大气信 道变化比较快,空中可能遇到漂浮物或者飞鸟的阻挡,当系 统失步时,必须要能快速进入同步状态,因此设计出好的同 步方法是提高系统性能的一个关键。信标光信号经过处理 后得到一个误差信号,用这个信号来作为 ATP 子系统的输 入,进而实现收发设备的精确对准。
3.3 光天线的运用设计 光天线运用设计的好坏直接影响光通信的系统性能指 标。光天线是一个用透镜或者反射镜组成,利用光折射和反 射的光学系统。光学天线有多种,如开普勒式、伽利略式、牛 顿式、格利高利式和卡塞格伦式等。考虑到应用于光通信系 统中,光天线应该结构紧凑小巧,重量较轻,加工方便,成本 较低,而且具有大的增益。 目前主要使用的光天线有:伽利略式系统和卡塞格伦系 统等。伽利略式系统结构简单,成本较低,容易实现[4]。卡塞 格伦系统尺寸短,体积小,质量轻,结构紧凑,不产生色差, 口径可以做得较大,能接收更多的光,可以做到收发合一, 不过随着现代加工工艺的提高其加工难度会逐渐降低。另 外,为了减轻环境噪声和提高接收信号的信噪比,可以应用 原子滤光(法拉弟反常色散滤光器)器件。 3.4 ATP 的运用设计 采用动态跟踪技术比偏光技术纠偏的效果更好。它是一 种闭环控制系统,通过反馈装置动态调整可移动镜片,可移 动镜片控制入射光的传播方向,从而使激光束始终锁住目 标。ATP 有粗瞄准部分,精瞄准部分和位置跟踪部分。系统 器件由信号光探测器,信标光探测器,位置探测器,放大滤 波器,A/D 转换器,粗精瞄准伺服系统,万向架,光学天线等 组成。如图 2 所示:

通信终端 B 的 CCD 的视场,B 端的信标光也会在对方的 CCD 上成像,两端通过调整粗跟踪系统使成像光斑逐渐从 边缘向中央逼近,这便是通信双方的视轴粗对准过程。
(4) 精跟踪阶段,当光斑进入精跟踪视场后,由精跟踪 CCD 来反馈信标光的对准误差信息。再配合快速扫描振镜, 可以大大增加控制系统的带宽,进而抑制各种低频扰动和高 频振动,这样可以获得非常小的振动残差。
(5) 通信阶段,一旦精确对准过程完成,就可以启动通信 过程,根据初步研究得到,通常情况下,通信激光的发散角 大于 8 倍的精跟踪控制误差时,就可以保证通信的顺利进 行。
(6)链路中断与恢复,如果信号光偏离出视场范围,产生 “脱靶”,则重新开始扫描和跟踪,重复上述过程。
总之,ATP 的过程是一个动态的闭环过程,需要不断地 根据对方光天线的运动位置和本光天线的运动位置,接收到 信标光和信号光的误差信号来不断调整万向架和光天线的 位置。信标光探测器一般使用 CCD 器件,信号光探测器一 般使用 APD 或 p-i-n 器件,位置探测器一般使用 APD 器件 或四象限 APD 器件。采用直流电机 ---- 磁性编码器回路驱 动复合轴的运动方向,形成反馈控制,实现位置和速度控 制,通过信标光信号对视场中心的误差反馈信号使信标光出 现在视场后完成通信两端的对准和跟踪。采用磁性编码器 检测电机转子的位置速度和转向。位置检测器检测的位置 信号送到控制器,通过 CPU 的计算,将实际转速与给定的进 行比较从而控制电机的运转。
3.5 控制的运用设计 控制的运用设计涵盖以下主要内容:收发子系统的测量 和控制,自动电压电流控制,自动功率控制,ATP 的测量与 控制,环境量的测量和控制,完成对光学天线的加温除湿除 霜,自动温控等。另外,可以通过控制系统来提供管理功能, 如告警管理,性能管理,安全管理等。控制子系统保证了设 备能够正常工作并且给日常的管理提供方便。

4.结束语

图 2 APT 功能结构示意图

光通信技术在科学研究和军事领域有着极为重要的应 用,在商业上的应用前景更为广泛,潜力巨大。目前,国内相 关研究比较国外有很大的落后,因此对光通信领域前沿技术 的运用研究有重要意义。

ATP 系统的具体工作流程分为如下几个阶段: (1) 初始瞄准阶段,在链路双方开始联络时,使通信双方 天线的对准偏差处于一定的范围内,以利于天线在该扫描 范围内自动扫描。然后就进入捕获过程。 (2) 捕获阶段,在进行正式通信之前,首先是信标光的捕 获阶段,此时接收端不停搜索对方发来的信标光。通过初始 瞄准,使接收视场角和信标光发射角都处于一定的扫描范 围内,在该扫描范围内进行自动扫描以捕获对方的信标光。 (3) 粗对准阶段,一旦通信终端 A 所发的信标光进入到

参考文献:
[1] 秦 玉 娟 . 无 线 光 通 信 的 技 术 研 究 [J]. 考 试 周 刊 ,2008,(17): 21- 23.
[2] 徐 安 士 . 新 型 光 通 信 技 术 研 究 与 发 展 [J]. 中 国 通 信 ,2009, (03):74- 76 .
[3] 许新华,林文学,宋振云.光通信技术的发展趋势展望[J].长 沙通信职业技术学院学报,2009,(03):171- 175.
[4] 闫瑞洪.浅析光通信技术[J].大众商务,2009,(12):33- 37. (下转第 46 页)

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学术探讨 应用技术与研究

4.结论
使用 M 进制的计数器构成任意 N 进制计数器 (N 可以 大于 M,也可以小于 M),在实际的应用中会出现与上述情 况类似的现象。读者可采用类似的方法来具体问题具体分 析。

参考文献:
[1] 路而红.虚拟电子实验室[M].北京:人民邮电出版社,2005. [2] 阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006. [3] 熊伟等.Multisim7 电路设计及仿真应用[M].北京:清华大学 出版社,2005.

The Design and Simulation of Electronic Circuit Based on Multisim7
Li Na Zhang Leiming
(School of Electronics and Information Engineering,HAUST,Luoyang 471003,Henan)
【 Abstract 】 This article introduces the main functions and features of Multisim7,which is a kind of EDA tools,used for design and simulation of electronic circuit.It takes counter as an example to design with Multisim7 and studies the simulation results. 【 Keywords 】 EDA;Multism;counter
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Analysis of the Application of Cutting Edge Techniques in Optical Communication Field
Wang Chen
(Fiberhome International Co.,Ltd.Wuhan 430079,Hubei)
【 Abstract 】 This paper makes a brief overview of light wave system based on a clear foundation of the importance of the cutting edge techniques in optical communication,and further researches on the application design of light wave communication techniques,which covers:optical emission,optical reception,light antenna,ATP as well as the application design of controlling core techniques.It hopes to shed some light on the application and development of cutting edge techniques in optical communication field. 【 Keywords 】 optical communication;cutting edge techniques;light wave system

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