无线光通信收发机系统设计与实现

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1、无线光通信收发机系统设计与实现何美生摘要：提出了一种适合大气随机信道传输的无线光通信系统，详细分析了无线光发射机和无线光接收机的工作原理与结构设计，并对该系统进行了模拟信道和数字信道的大气无线激光多媒体通信测试试验。该设计在降低系统成本的同时，能够有效的补偿大气随机信道对传输信号的衰减损耗，提高系统的通信质量。关键词：无线光通信；无线光发射机；无线光接收机；大气随机信道；衰减损耗引言20世纪90年代后期，随着全光接入网的发展，人们对传输速率的要求越来越高；随着无线通信范围的延伸，人们对建立快捷通信链路的兴趣进一步提高。目前主要的通信传输手段是光纤通信和微波通信。光纤通信系统的带宽容量大，

2、但无法快速建立自由便捷的通信链路；微波通信可以灵活快捷地组成点、线结合的无线通信网，但其信道容量小，无法满足现代高速率通信的带宽需求。无线光通信结合了光纤通信与微波通信的优点，既具有通信容量大的优点，又能进行自由快捷地高速通信[1-5]。无线光通信系统是指在自由空间中以激光为载体传送数据的双向无线宽带通信系统。该技术具有通信容量大，调制速率高，建网机动灵活，通信安全保密，不占用频谱资源，无电磁波辐射，建设周期短，运行成本低等特点。该系统可以广泛应用于“最后一公里”的宽带接入、企业内部互联、无线基站数据回传、城域网扩建、临时场所通信、通信系统备份等领域[6-7]。目前的无线激光通信系统的收

3、发机设计大多引用光纤通信的结构设计。光纤信道的传输特性是均匀分布[8]，而大气信道的介质是随机分布的，激光在大气信道中传输受到大气衰减、湍流和闪烁效应的影响[9]，导致激光强度及相位起伏、光束扩展、漂移和像点抖动，系统的通信质量受大气影响，系统成本较高，难以推广普及。本文提出一种新的无线光收发机设计方案。采用自治愈环路反馈电路设计和自适应信道编码技术，自行研制了适合于大气信道传输的光收发机系统。该系统不但成本低、体积小，便于集成推广，而且还能有效补偿大气信道对激光传输的影响，适用于地面大气激光通信。1系统总体功能原理无线光通信是以激光作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，而在空气

4、中直接传输光信号的通信方式，是利用激光束在大气空间信道中直接进行语音、数据、图像等信息双向传输的一种技术。图1无线光通信系统结构框图无线光通信系统包括发射和接收两部分，如图1所示。发射部分主要由激光器、调制器和光学发射天线组成，接收部分主要由光学接收天线、光电检测器和电信号处理电路组成。由信息源产生的某种形式的信息通过信道编码增加抗干扰码元，使信号更适合大气信道传输。传输信号通过信号匹配电路实现电平和阻抗的匹配，然后通过调制驱动模块调制到激光器的光载频上；于是载频作为光束或称为光场，通过光学天线发射到大气或自由空间中。受调制的光载波经过大气信道衰减、闪烁后，发送到接收一方；在接收端通过光

5、学天线将光波电磁场收集起来，用光聚焦镜改善接收光场的空间特性，用光滤波器改善接收光场的频域特性，然后通过光探测器实现光电转换，将调制的光载波信号转换成电信号，并经过前置放大、滤波整形处理后送入信道解码电路，还原成以前的输入信号。在无线光通信系统电路中，激光器和光电探测器是决定通信带宽和距离的核心器件，也是误差干扰信号的主要来源；调制驱动和整形滤波是保障通信稳定流畅的重要模块，也是抑制误差干扰补偿大气衰减的主要手段。因此无线光发射机和接收机必须围绕这些器件的工作特性来设计。2无线光发射机设计无线光发射机子系统主要实现光信号的发射、光信号的调制、光功率自动控制补偿、系统状态检测、大气信道编码

6、、接口电路转换等功能，主要由光发射单元和控制单元组成。光发射单元将电信号转换成光信号并以一定的光功率发射出去。控制单元主要实现产生检测信号、激光功率控制、大气信道补偿等功能。2.1光源6激光器设计中需要考虑的指标主要有波长的选择、功率的选择、激光器类型选择等。波长选择：应该选大气信道损耗最小的波长，大气的传播特性及背景辐射对激光波长的选择至关重要，810～860nm、980～1060nm和1550～1600nm波段均是良好的大气窗口。在阴霾天及更好天气情况下，1550nm的衰减系数比785nm小，在雾天两者的衰减系数一样。而且不同波长对人眼的危害程度不同，1400nm以上的激光对人眼的致

7、伤功率阈值要比1400nm以下的激光大50倍以上。故本设计将1550nm定为理想工作波长。功率选择：一要考虑到激光通信传输距离的要求；二要考虑到光电接收器的光接收灵敏度；三要考虑激光在大气传输中人眼安全的问题，在设计时需遵守国家安全标准。本设计的激光器功率为10mW。激光器选型：常用的无线激光通信光源有发光管(LED)和激光管(LD)两类。LED属于大角度发射器，能量分散，使用起来更为安全，但其传输距离短，带宽比LD窄。半导体激光二