激光通信的基本原理和国内外发展状况.doc

摘 要本文概述了激光通信的基本原理和国内外发展状况，介绍了其特点和用途通过对大气信道通信特点的分析，激光波长选择分析，编码方式分析，结合实际设计出一个基于无线激光通信的语音传输装置大气信道分析主要围绕大气信道的衰减、散射、湍流影响展开；波长分析则与目前较为成熟的红外光通信相比较 ，展示出红色激光用于通信的可行性和优越性；编码方式分析则比较了几种常用的激光通信编码，本文选择了较简单且高效的PPM调制来实现通信编码另外，对PPM编码的实现方法讨论则有较新颖的地方关键词：激光通信 大气信道 PPM ABSTRACTThis article outlines the basic principles of laser communication and its development,describes its characteristics and uses. Through the atmosphere channel on the characteristics of communication analysis, the laser wavelength selection analysis, coding analysis, combined with the actual design of a laser based wireless communications equipment for voice transmission. The analysis of atmosphere channel mainly describes the decay, scattering, turbulence influence of, Wavelength analysis is to show the superiority and feasibility of red laser compared with the mature IR communication, coding analysis makes a comparison of several commonly used laser communication code and choose PPM modulation to achieve the communication code for its simplicity and efficiency.In addition,the discussion of the implementation of PPM encoding has new areas.Key words： laser communications atmospheric channel PPM目 录摘 要 1ABSTRACT 1第一章 绪论 11.1 激光通信的概述 11.2 激光通信技术的发展 11.3 激光通信的国内外发展现状 21.3.1 国外发展现状 21.3.2 国内发展现状 21.4 激光通信技术用于语音传输的目的和意义 3第二章 大气信道分析 33.1 大气吸收 33.2 大气散射 43.3 大气衰减 43.4 背景光 53.5 大气湍流效应 5第四章 波长选取分析 74.1 红光与红外 74.2 红光实验 9第五章 硬件系统设计 125.1 系统总体框图 125.2 发射端设计 125.2.1 激光器的选择 125.2.2 半导体激光器调制方式和发射天线选择 145.3 调制方式 155.3.1 调制方式介绍 155.3.2 PPM 165.3.3 我的DPPM实现方法 175.4 接受端设计 185.4.1 光接受端 185.4.2 接收端的噪声分析 185.4.3 光探测器的选择 20第六章 软件设计 226.1 ATMEGA16应用到的主要特性 236.2 ADC转换 246.3 连续转换的实现 25参 考 文 献 28致 谢 29第一章 绪论1.1 激光通信的概述1960年激光的出现极大地促进了许多学科的发展，其中也包括通信领域。

激光以其良好的方向性、相干性及高亮度性等特点成为光通信的理想光源将激光应用于通信，掀开了现代光通信史上崭新的一页，成为当今信息传递的主力军激光通信是以激光光束作为信息载体的一种通信方式，和传统的电通信一样，它可分为有线激光通信和无线激光通信两种形式其中，有线激光通信就是近年来发展迅猛的光纤通信无线激光通信也可称为自由空间激光通信，它直接利用激光在大气或太空中进行信号传递，可进行语音、数据、电视、多媒体图像等信号的高速双向传递根据使用情况，无线激光通信可分为:点对点、点对多点、环形或网络状通信在本文中，我们主要研究的是点对点的通信大气激光通信是自由空间激光通信的一个分支，它以近地面大气作为传输媒介，是激光出现后最先研制的一种通信方式大气激光通信系统主要由光源、调制器、光发射机、光接收机及附加的电信发送和接收设备等组成根据所用光源的不同，大气激光通信系统大致可分为半导体激光通信系统、气体激光通信系统和固体激光通信系统半导体激光器体积小，重量轻，灵活方便，但光束发散角稍大，适合于近地面的短距离通信气体激光通信系统的体积和重量都较大，但其通信容量也大，光束发散角较小，适合于卫星间通信和定点之间的大容量通信。

1.2 激光通信技术的发展人们不断寻找更高频率的信息传载体，以实现更大容量地传输信息的目的1960年第一台激光器的问世，由于激光所具备的良好的光束特性(单色性好、方向性强、功率密度大等)，引发了人们探索以激光光波为载体的通信，即激光通信激光通信包括激光大气通信(激光无线通信)和光纤通信(激光有线通信)两种形式激光大气通信，是激光在大气空间传输的一种通信方式激光大气通信的发送设备主要由激光器、光调制器、光学发射天线(透镜)等组成；接收设备主要由光学接收天线、光检测器等组成信息发送时，先转换成电信号，再由光调制器将其调制在激光器产生的激光束上，经光学天线发射出去信息接收时，光学接收天线将接收到的光信号聚焦后，送至光检测器恢复成电信号，在还原为信息大气激光通信的容量大，保密性好，不受电磁干扰但激光在大气中传输时受雨、雾、雪、霜等天气影响，衰耗要增大，故一般用于边防、海岛、跨越江河等近距离通信，以及大气层外的卫星间通信和深空通信早期的激光大气通信所用光源多数为二氧化碳激光器、氦氖激光器等二氧化碳激光器输出激光波长为10.6微米，此波长正好处在大气信道传输的低损耗窗口，是较为理想的通信光源从70年代末到80年代中期，由于在技术实现上难以解决好全天候、高机动性、高灵活性、稳定性等问题，激光大气通信的研究陷入低潮。

90年代初，俄罗斯研制成功了大功率半导体激光器，并开始了激光大气通信系统技术的实用化研究不久便推出了10千米以内的半导体激光大气通信系统，并在莫斯科、瓦洛涅什、图拉等城市应用在瓦涅什河两岸相距4千米的两个电站之间，架设起了半导体激光大气通信系统，该系统可同时传输8路数字在距离瓦洛涅什城200千米以及在距莫斯科不远的地方，也开通了半导体激光大气通信系统线路随着半导体激光器的不断成熟、光学天线制作技术的不断完善、信号压缩编码等技术的合理使用，激光大气通信正重新焕发出生机1.3 激光通信的国内外发展现状1.3.1 国外发展现状随着骨干网的基本建成和最后一公里问题的出现，以及近年来大功率半导体激光器技术、自适应变焦技术、光学天线的设计制作及安装校准技术的发展和成熟，自由空间光通信的研究重新得到重视在国外，FSO(Free-Space Optical Columniation )系统主要在美英等经济和技术发达的国家生产和使用到目前为止，FSO己被多家电信运营商应用于商业服务网络，比较典型的有Terabeam和Airfiber公司在悉尼奥运会上,Terabeam公司成功地使用FSO设备进行图像传送，并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用FSO设备向客户提供10OMb/s的数据连接。

该公司还计划4年内在全美建设100个FSO城市网络而Airfiber公司则在美国波士顿地区将FSO通信网与光纤网(SONET)通过光节点连接在一起，完成了该地区整个光网络的建设1.3.2 国内发展现状2002年哈尔滨工业大学成功地研制了国内首套综合功能完善的激光星间链路模拟实验系统，该系统可模拟卫星间激光链路瞄准、捕获、跟踪、通信及其性能指标的测试所研制的激光星间链路模拟实验系统的综合功能、卫星平台振动对光通信系统性能的影响及对光通信关键单元技术的攻关研究有创新性，其技术水平为国内领先，达到国际先进水平，目前该项研究已进入工程化研究阶段上海光机所研制出了点对点155M大气激光通信机样机，该所承担的“无线激光通信系统”项目也在2003年1月份通过了验收，该系统具有双向高速传输和自动跟踪功能，其传输速率可达622Mb/s，通信距离可以达到2km，自动跟踪系统的跟踪精度为0.1mrad，响应时间为0.2s中科院成都光电所于2004年在国内率先推出了10M码率、通信距离300m的点对点国产激光无线通信机商品桂林激光通信研究所也在2003年正式推出FSO商品，最远通信距离可达8km，速率为10~155M。

武汉大学于2006年在国内首先完成42M多业务大气激光通信试验，2007年3月又在国内率先完成全空域FSO自动跟踪伺服系统试验,这为开发机载、星载激光通信系统和地面带自动目标捕获功能的FSO系统创造了条件另外在光无线通信系统设计、以太网光无线通信、USB接口光无线通信、大气激光传输、大气光通信收发模块和信号复接/分接技术等方面都取得了多项成果1.4 激光通信技术用于语音传输的目的和意义 信息传输是当今信息社会的一大特征，例如：打、发短信、上网等都是信息交流的方式，它们都离不开信息的传输，而作为信息传输的媒介，例如：报纸、书籍、、网络等都是以信息交流为目的，作为信息传输的媒介而存在的从当初的烽火传信到现代的激光通信，通信技术在不断发展人与人异地交流的方式也在不断发展，我们需要更快速、更准确、更大量的交流方式，据估计，纽约时报一周的内容比18世纪的人一生所接受到的资讯量还多激光通信技术因其速度快、容量大、更节能环保等优点而应用到语音传输，日本NTT公司已成功测试了一种光纤，每条每秒可传输14兆位，即每秒传输2660张CD或者2亿1千万部，激光通信在解决“最后一公里问题”上有巨大优势，在未来必将发挥更巨大的作用。

第二章 大气信道分析3.1 大气吸收光通过大气时,大气分子在光波电场作用下产生极化,并以入射光的频率作受迫振动光波为了克服大气分子内部阻尼力要消耗能量,这个能量的一部分转化为其他形式的能量(如热能),表现为大气分子的吸收当入射光的频率等于大气分子的固有频率时,发生共振吸收,吸收出现极大值因此分子的吸收特性强烈地依赖于光波的频率对可见光和红外光来说,分子的散射作用很小,但是分子的吸收效应对任意光波段都是不可忽略的3.2 大气散射 大气微粒的直径很宽,从10-4微米至数十微米对于直径从0.1~10um的粒子可采用单粒子散射理论,即瑞利(Rayleigh)散射和米耶(Mie)散射来近似分析大气的散射大气中除了大气分子外,还有大量直径在0.03~2000um之间的固态和液态微粒,它们是尘埃、烟粒、微水滴、盐粒以及有机微生物等其中大多数固态微粒不但直接使大气浑浊(称为霾。