張 永，徐亞光，任 重，王赫男

（海軍大連艦艇學(xué)院，大連 116018）

0 引 言

目前，艦船編隊(duì)之間的信息傳輸為無(wú)線電方式，然而無(wú)線電通信的缺點(diǎn)是保密性差，即容易被敵方竊聽(tīng)、干擾和破壞，甚至己方無(wú)線電設(shè)備之間也會(huì)產(chǎn)生相互干擾。由于無(wú)線激光通信可免受電磁干擾的影響，能確保艦與艦通信的安全可靠和有效性，因此，自由空間光通信（FSO）得到了極大的重視與研究。文章將對(duì)FSO在艦艇上的應(yīng)用做一定程度的研究，并利用OptiSystem光通信軟件進(jìn)行艦船間FSO系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能仿真分析，研究不同天氣條件下的最大通信距離。

1 FSO系統(tǒng)原理

1.1 基本原理

自由空間光通信即激光通信，又稱無(wú)線光通信，這是一種以激光為載波，以自由空間為傳輸介質(zhì)的通信技術(shù)。FSO系統(tǒng)的一般模型包括3個(gè)基本部分：發(fā)射機(jī)、信道和接收機(jī)［1］，如圖1所示。

圖1 FSO系統(tǒng)原理框圖

發(fā)射機(jī)主要由激光器、調(diào)制器和光學(xué)天線組成；接收機(jī)主要由光學(xué)天線、光電探測(cè)器和解調(diào)器組成。在發(fā)射部分，將待發(fā)送的信號(hào)調(diào)制到激光束上，并控制激光載波的某個(gè)參數(shù)，使它按電信號(hào)的規(guī)律變化。該調(diào)制的激光信號(hào)經(jīng)過(guò)信息處理后由光學(xué)天線發(fā)射出去。接收是發(fā)射的逆過(guò)程，接收天線將接收到的已調(diào)制的激光信號(hào)送到光電探測(cè)器，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后由解調(diào)設(shè)備恢復(fù)出原始信息。系統(tǒng)中的光學(xué)天線是由透鏡構(gòu)成的，發(fā)射透鏡能把截面很小的激光束變成截面較大的激光束，方便接收透鏡調(diào)整方位并接收信號(hào)。接收透鏡接收大面積的激光束，并聚成較小的光斑，起到恢復(fù)激光束截面的作用。

1.2 FSO關(guān)鍵技術(shù)

（1）捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)（ATP）技術(shù)

艦船在航行過(guò)程中的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化，海上顛簸也會(huì)帶來(lái)相對(duì)位置的變化。為保持FSO系統(tǒng)的通信穩(wěn)定性，高精度的ATP技術(shù)必不可少［2］。即在通信的同時(shí)，接收端檢測(cè)接收信號(hào)的優(yōu)劣情況，并且把結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸給發(fā)射端，發(fā)射端自動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)準(zhǔn)方向，使發(fā)射、接收方向處于最佳對(duì)準(zhǔn)方向。

（2）高功率光源技術(shù)

在FSO通信中，通信光源至關(guān)重要。它直接影響天線的增益、探測(cè)器件的選擇、天線直徑、通信距離等參量。在通信過(guò)程中需要大功率、低損耗光源，調(diào)制速率又要盡可能高。同時(shí)，光源的調(diào)制需要采用糾錯(cuò)技術(shù)，盡可能減少誤碼和突發(fā)誤碼。目前，主要采用800～860 nm波段和1 550 nm波段的光源［2］。

（3）精密收發(fā)天線技術(shù)

光學(xué)天線實(shí)際上就是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，天線的型式根據(jù)具體情況可采用卡塞格倫型反射式天線或透射式天線。對(duì)于孔徑較大的天線，可采用反射式天線，這有助于降低制造難度，提高其可靠性、減輕重量；而當(dāng)天線孔徑較小時(shí)，則選用透射式天線。一般FSO系統(tǒng)的天線孔徑在幾cm到30 cm之間［3］。

1.3 天氣對(duì)FSO性能的影響

由于大氣中存在著各種氣體分子和微粒，如塵埃、煙霧等，以及刮風(fēng)下雨等氣象變化，使部分光輻射能量被吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰浚糠帜芰勘簧⑸涠x原來(lái)的傳播方向。激光在大氣中傳播時(shí)，其能量衰減主要來(lái)自于大氣分子的吸收與散射及大氣氣溶膠的散射。在不同氣象條件下，空氣中的微粒會(huì)對(duì)激光的傳播形成不同的衰減。表1為各種典型天氣下的大氣衰減值。

2 FSO系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)與性能仿真分析

2.1 系統(tǒng)模型的建立

圖2為利用OptiSystem軟件搭建的FSO系統(tǒng)仿真模型。圖中系統(tǒng)采用了強(qiáng)度調(diào)制／直接檢測(cè)（IM／DD）技術(shù)，并由摻鉺光纖放大器（EDFA）放大后經(jīng)FSO信道發(fā)送出去；接收端用雪崩二極管（APD）接收，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后放大并經(jīng)低通濾波器濾除噪聲，得到接收信號(hào)。

表1 典型天氣下的大氣衰減［4］

圖2 FSO系統(tǒng)仿真模型框圖

2.2 仿真環(huán)境設(shè)定

在系統(tǒng)仿真中，基本的參數(shù)設(shè)置為：激光器發(fā)射功率30 dBm，發(fā)射激光波長(zhǎng)1 550 nm，發(fā)射機(jī)的發(fā)光孔徑5 cm，接收機(jī)的接收孔徑20 cm，系統(tǒng)的信息傳輸速率2.5 Gbps。由于艦船編隊(duì)在海上執(zhí)行任務(wù)時(shí)，環(huán)境復(fù)雜多變，F(xiàn)SO系統(tǒng)的通信距離也隨之變化，因此，本文通過(guò)FSO信道衰減參數(shù)的設(shè)置來(lái)模擬不同的天氣條件，并通過(guò)分析誤碼率的變化來(lái)找到最大的通信距離。

2.3 仿真結(jié)果與分析

對(duì)通信的可靠性用信號(hào)的誤碼率來(lái)衡量。誤碼率越小，表明系統(tǒng)可靠性越好。圖2的仿真系統(tǒng)接入了誤碼率（BER）分析儀，并且誤碼率分析儀具有眼圖分析功能。這里主要利用系統(tǒng)的Q值與誤碼率來(lái)分析系統(tǒng)的傳輸性能。Q值為通信系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)，與信噪比相比，它更全面地表示了光通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸質(zhì)量的度量，誤碼率也可由Q值來(lái)表征。仿真結(jié)果如下：

（1）天氣條件為小雨（FSO信道衰減值設(shè)為3 dB／km）的情況下，F(xiàn)SO系統(tǒng)的Q值與誤碼率及通信距離的關(guān)系如表2所示。

表2 小雨條件下的系統(tǒng)性能

（2）天氣條件為小到中雨（衰減值為5 dB／km）的情況下，F(xiàn)SO系統(tǒng)的Q值與誤碼率及通信距離的關(guān)系如表3所示。

表3 中雨條件下的系統(tǒng)性能

（3）天氣條件為暴雨／輕霧（衰減值為17 dB／km）的情況下，F(xiàn)SO系統(tǒng)的Q值與誤碼率及通信距離的關(guān)系如表4所示。

表4 暴雨條件下的系統(tǒng)性能

（4）天氣條件為大暴雨／濃霧（衰減值為30 dB／km）的情況下，F(xiàn)SO系統(tǒng)的Q值與誤碼率及通信距離的關(guān)系如表5所示。

表5 大暴雨條件下的系統(tǒng)性能

由于光通信的速率很高，所以允許的誤碼率很低，一般為10－9，甚至在10－10以下，對(duì)應(yīng)的Q值應(yīng)大于6［1］。當(dāng)Q值大于6，F(xiàn)SO信道衰減值為5 dB／km的情況下，系統(tǒng)發(fā)送端信號(hào)與接收端信號(hào)波形圖以及性能眼圖如圖3～圖5所示。

圖3 FSO系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)波形圖

圖4 FSO系統(tǒng)接收信號(hào)波形圖

根據(jù)表2～表5的仿真結(jié)果，可確定在不同天氣條件下艦船間FSO系統(tǒng)的最大通信距離，如表6所示。

表6 不同天氣條件下FSO系統(tǒng)的最大傳輸距離

根據(jù)表6的結(jié)論，可知FSO系統(tǒng)在艦船間所能達(dá)到的最大傳輸距離：在小雨的天氣下，艦船間最大通信距離可達(dá)到6.6 km，基本滿足艦船編隊(duì)間的正常通信距離；如果天氣條件惡劣（大暴雨／濃霧），編隊(duì)間距要求較遠(yuǎn)的話，應(yīng)采用其他有效通信手段；而天氣晴好的情況下（FSO信道衰減值小于3 d B／km），艦船編隊(duì)采用FSO系統(tǒng)，通信距離一般可達(dá)到50 km以上。編隊(duì)指揮員可根據(jù)編隊(duì)的不同隊(duì)形、編隊(duì)間電磁兼容性、通信保密性等要求，確定是否采用FSO系統(tǒng)作為艦船編隊(duì)間指令傳遞、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)的通信方式。

圖5 FSO系統(tǒng)性能眼圖

3 結(jié)束語(yǔ)

分析研究了FSO系統(tǒng)的組成與關(guān)鍵技術(shù)，利用OptiSystem軟件搭建了系統(tǒng)仿真模型，模擬不同天氣條件下艦船編隊(duì)間進(jìn)行FSO通信的可行性，并通過(guò)大量的仿真數(shù)據(jù)，得到了在不同天氣條件下艦船F(xiàn)SO系統(tǒng)的最大通信距離，為通信指揮員在海上通信時(shí)選擇何種通信方式提供了一定的理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。如果艦船編隊(duì)采用合適的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且艦船上安裝高精度穩(wěn)定平臺(tái)的話，F(xiàn)SO系統(tǒng)應(yīng)用于艦船編隊(duì)的實(shí)用性將得到極大的提高［5］。由于FSO系統(tǒng)還具有組網(wǎng)靈活、保密性好、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此對(duì)海上艦船編隊(duì)通信效能、電磁兼容性等能力的提高具有重要意義。

［1］張煦.無(wú)線光通信的應(yīng)用前途［J］.光通信技術(shù)，2003（5）：1－2.

［2］吳重慶.光通信導(dǎo)論［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［3］馬東堂，魏急波，莊釗文.空間激光通信及應(yīng)用［J］.半導(dǎo)體光電，2003，24（2）：139－144.

［4］程剛，王紅星.大氣無(wú)線光通信調(diào)制性能分析［J］.中國(guó)電子研究科學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，2（5）：485－489.

［5］張海勇，朱麗娟.海上編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)效能分析［J］.火力與指揮控制，2004（2）：74－81.