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        淺談無線光通信技術的發(fā)展

        2012-12-31 00:00:00張謙
        2012年21期

        摘要:現(xiàn)如今,人們的生活伴隨著信息化的發(fā)展而日新月異,在光通信方面,人們對傳輸?shù)乃俣鹊囊笥鷣碛?,高速率?shù)據(jù)的使用量更是在大幅度的增加。正是由于光纖通訊的這一特點,使之成為了廣域通信網(wǎng)中的中堅力量。在當今社會的廣域通信網(wǎng)絡中,約八成以上的信息是通過光纖通信來傳遞的。從這些信息來看,光纖通信百利而無一害。但是凡事有利必有弊,從光纖網(wǎng)絡到用戶之間的門戶地區(qū),假如架設光纜將產(chǎn)生巨大的浪費且費時費力。那該如何是好呢?筆者將通過無線光纖通信技術的實施來解決這個問題。

        關鍵詞:FSO技術;光纖;成本節(jié)約

        光通信分為有限光通信和無線光通信兩種,有線光通信即光纖通信,已經(jīng)成為廣域網(wǎng),城域網(wǎng)的主要傳輸方式之一。無線光通信又稱為自由空間光通信。(FSOfreespaceopticalcommunication)。FSO技術以激光為載體,用點對點或者點對多點的方式來實現(xiàn)連接。

        一、無線光通信的簡介。

        光通信的出現(xiàn)其實比無線電通信還要早一些。波波夫發(fā)送與接收第一封無線電報是在1896年。但是已發(fā)明電話而著名的,家喻戶曉的貝爾,在1876年發(fā)明電話之后,就想到了利用光來通電話的問題。1880年,他利用太陽光作為光源,用硒晶體(為一種鏈狀自然金屬單質礦物、三方晶系,空間群為93.21,晶體沿Z軸延長呈針狀、柱狀、灰色、條痕紅色,解理平行三組完全,晶體易彎曲,具撓性。莫氏硬度2.25~3。密度4.8克/立方厘米,為硒化物的風化產(chǎn)物,由硒鉛礦變來,常與褐鐵礦共生。)作為光的接收器件,成功的完成了光電話的試驗。而通話的最長距離已經(jīng)達到了213米。在筆者看來,在貝爾畢生的發(fā)明中,光電話應該當之無愧為最偉大的發(fā)明。

        無線光通信的系統(tǒng)組成可如圖所示

        如圖可以看出,一個無線光通信系統(tǒng)包括三個基本的組成部分,發(fā)射機,信道和接收機。FSO系統(tǒng)的傳播介質是大氣,它是憑借大氣進行光的信號傳播。所以,只要在發(fā)射機和接收機之間存在足夠的光發(fā)射功率,并且存在無遮擋的視距路徑,就可以完成FSO的通信了。

        對于一個無線光通信的系統(tǒng)來說,最經(jīng)常使用的光學波長為近紅外光譜—850nm,如若要支持更大的系統(tǒng)功率的話,也可以使用紅外光譜—1500nm的波長。在FSO點對點的傳輸過程中,發(fā)射機和接收機的設置都是雙向的,即每一端都可發(fā)射光信號和接受光信號。以便于實現(xiàn)雙邊通信。而FSO所采用基本技術則是光電的轉換(photovoltaicconversion),光電轉換過程的原理是光子將能量傳遞給電子使其運動從而形成電流。這一過程有兩種解決途徑,最常見的一種是使用以硅為主要材料的固體裝置,另一種則是使用光敏染料分子來捕獲光子的能量。染料分子吸收光子能量后將使半導體中的帶負電的電子和帶正電的空穴分離。

        二、FSO系統(tǒng)的一些關鍵技術。

        FSO的關鍵技術主要包括:高功率激光光源技術,光收發(fā)天線和精密可靠的光束控制技術,大氣信道的研究,高靈敏度的信號探測和處理技術,高精度的捕獲、跟蹤和瞄準(ATP)技術等。

        高功率激光器的選擇是FSO技術中十分重要的一環(huán),激光器是用來產(chǎn)生激光信號,并形成光束射向空間。激光器的好壞直對通信質量及通信距離有著十分重要的影響,對系統(tǒng)整體性能影響更大,因而對它的選擇是一個重點。空間光通信的傳輸距離長,空間損耗大,因此激光器輸出功率大,調制速率高是對光發(fā)射器的一個重要要求。

        一般用于空間通信的激光器有三類,其中的.二氧化碳激光器。,輸出功率最大(>10kw),輸出波長有10.6m、9.6m,但缺點是體積較大,壽命較短,因為它只適合于衛(wèi)星與地面間的通信而不適合FSO系統(tǒng)的運用。

        快速、精確的捕獲、跟蹤和瞄準(ATP)技術,是保證實現(xiàn)空間遠距離光通信的必要核心技術。該系統(tǒng)的組成包括兩個部分:捕獲(粗跟蹤)系統(tǒng)?!八容^適合在較為寬廣的范圍內捕獲目標,捕獲范圍約達±1°~±20°或更大。通常采用CCD陣列來實現(xiàn),并常與帶通光濾波器、信號實時處理的伺服執(zhí)行機構共同完成粗跟蹤,即目標的捕獲。捕獲的視場角為幾mrad,靈敏度約為10pW,跟蹤精度為幾十mrad;”跟蹤、瞄準(精跟蹤)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在最終完成目標捕獲后,對相應目標進行瞄準和實時跟蹤。通常采用四象限紅外探測器(QD)或Q-APD高靈敏度位置傳感器來實現(xiàn),并配以相應伺服控制系統(tǒng)。精跟蹤要求視場角為幾百祌ad,跟蹤精度為幾rad,跟蹤靈敏度大約為幾nW。

        大氣信道:對于大氣對激光通信信號的干擾的分析比比較有局限性,目前僅存在于大氣的吸收和散射等,很少涉及到大氣湍流所引起的一系列問題比如閃爍、光束漂移、擴展以及大氣色散等。其實這些因素都直接影響著接收端信號的信噪比,進而影響系統(tǒng)的誤碼率和通信距離、通信帶寬。因此,筆者認為有必要在這方面進行更加深入的探討,并合理提出以上問題的解決方案。例如,采用自適應光學技術就是一個非常不錯的研究方向。

        三、FSO系統(tǒng)的優(yōu)點與不足。

        FSO系統(tǒng)是不需要向無線管理委員會申請頻率執(zhí)照的,所有比其他的技術都要便捷很多,而且該系統(tǒng)所使用的機型小巧,容易架設。能夠很便捷的解決寬帶接入的問題,不失為一種省錢省時省力的好方法。

        1.FSO系統(tǒng)的頻帶很寬,速率很高。這是由于FSO系統(tǒng)的傳輸介質與其他的不同,它是以空氣為傳輸介質的,所以所產(chǎn)生的阻礙會相對于光纖傳輸會更小,在相同的帶寬之下,有著更大的優(yōu)勢。

        2.FSO系統(tǒng)適合多種通信協(xié)議,在之前的通信系統(tǒng)中,一個普遍的比較麻煩的問題就是依賴與某種協(xié)議,但是FSO系統(tǒng)完全突破了這一限制,在現(xiàn)今通用的通信網(wǎng)絡中,比如以太網(wǎng),ATM等,都支持FSO的傳輸速率。

        因此又節(jié)約了一大批的資源成本。

        3.FSO系統(tǒng)的搭建相當方便,不論是在江河海灘上,還是辦公大樓,屋頂上均能方便的架設,除了能實行地面架設以外,更不可思議的是可以直接進行空間架設。并且架設時間相當短,一般幾個小時之內便可以完成,大大節(jié)約了人力資源成本。

        4.FSO系統(tǒng)的安全性能高,由于該系統(tǒng)具有非常窄的波束以及良好的方向性,因此很難以被干擾或者竊聽。同時,相對于價格昂貴的光纖網(wǎng)絡來說,F(xiàn)SO系統(tǒng)的成本很低,大概只有光纖系統(tǒng)的百分之二十的成本。

        此外,F(xiàn)SO系統(tǒng)在很多方面都可以得到合理的運用,比如可以用于軍事設施或者國家保密部門的內部系統(tǒng),用于施工難度高,技術難度大的省市或者邊遠地區(qū),還可以作為防止光纖通信服務以外中斷的后備計劃,以及用于公司內部,家庭內部的局域網(wǎng)的連接。

        當然,任何的網(wǎng)絡通信系統(tǒng)都是有自身的缺點和不足的,F(xiàn)SO作為一種通信技術,自然界對其影響還是很大的。因為激光對位置的精準度要求很高,如果由于大自然的風,雨,雷等原因而造成了激光發(fā)射器或者接收器位置的稍微偏離,便會影響光信號的對準與接收。除了惡劣的天氣,空氣質量也是影響其工作的因素之一,空氣中的散射粒子同樣的會使發(fā)出的光信號產(chǎn)生偏差,所以FSO系統(tǒng)對于空氣質量也是有一定的要求的。

        由于FSO系統(tǒng)多半是用于短距離的傳輸,因此長距離傳輸也就成為了它的弱點。這使得該系統(tǒng)的運用范圍變得很窄。同時,由于是采用激光技術,對人體的安全也是不容忽視的因素之一。

        中國的FSO技術引進時間比較晚,所以無線光技術到目前為止仍然處于研究起步的階段,尚未投入到大規(guī)模的使用和生產(chǎn)。少數(shù)的幾家公司率先實驗制制作出了成品,但是也還沒有投入到生產(chǎn)。究其主要的原因,還是對該技術存在著技術拿捏上的不足以及對其可靠性有所懷疑,因而不敢進行大規(guī)模的使用。但是,在筆者看來,無線光通信在國外已經(jīng)有了良好的發(fā)展,說明其大規(guī)模的使用已經(jīng)成為了必然的趨勢。它的便捷性,快速性以及對成本的要求較低,使得其成為了不可代替的一種通信技術手段。筆者相信,經(jīng)過廣泛的研究和對突出問題的解決,F(xiàn)SO技術將在國內有著非常大的發(fā)展前景。(作者單位:華中科技大學文華學院)

        參考文獻:

        [1]辛化梅、李忠,論光纖通信技術的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].山東師范大學學報(自然科學版),2003,(04)。

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        [3]王磊、裴麗,光纖通信的發(fā)展現(xiàn)狀和未來[J].中國科技信息,2006,(4)。

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