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基于激光天線語音通信系統(tǒng)的研制
摘要：通過對電磁波無線、光纖及現(xiàn)有的激光無線通信的優(yōu)缺點分析，介紹了一種結(jié)構(gòu)簡單的激光無線語音通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及主要硬件的設(shè)計。經(jīng)實際應(yīng)用表明：該系統(tǒng)能夠靈活地適應(yīng)各種場合。
關(guān)鍵詞：激光 無線通信 語音
電磁波作為無線通信的信號載體由來已久，至今仍廣泛應(yīng)用于短波、微波、毫米波無線通信。但它們存在致命的缺陷：保密性差、通信容量低、波段資源受限制等。光纖通信以光作為載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)。由于光的頻帶資源十分豐富，故通信容量巨大，已成為現(xiàn)代通信的主體。但光纖通信網(wǎng)絡(luò)包括光端機、光纜等通信基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)是事先規(guī)劃的、固定的，將會出現(xiàn)光纜沒有到達或光纜不便到達的地址，無法進行光纖通信。早在二十世紀70年代，人們就開始了激光大氣通信技術(shù)的研究，但由于當時光纖通信較為成功，激光自由空間的通信未能得到充分重視。近幾年來，由于移動通信的需要和微波通信的帶寬限制，光自由空間的通信取得了很大的進展。美國朗訊公司采用1.55μm波段的半導體激光器加光纖放大器（EDFA）作為發(fā)射光源，并采用波分復用結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)10Gbps容量的空間光通信。日本、歐洲等國家也報道了幾種空間激光通信裝置。我國電子科技大學采用二氧化碳激光器（10.6μm波長，內(nèi)腔式），實現(xiàn)定點雙工四線制三路電話的大氣通信（技術(shù)成果編號88210414）；中山大學激光與光譜學研究所采用音頻或數(shù)字信號的調(diào)幅激光制式工作實現(xiàn)大氣通信傳輸（技術(shù)成果編號89209283）。但它們都因通信容量低，在通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上，沒有與其他通信設(shè)備（包括光纖通信、微波通信）的接口，故實用價值小。為解決上述問題，中國科學院上海光學精密機械研究所報導了一種無線激光通信端機實現(xiàn)了與其它通信設(shè)施的接口（技術(shù)成果編號00217069.8），但由于該端機設(shè)備昂貴，未能得到廣泛應(yīng)用。本文提出了基本激光無線語音通信系統(tǒng)的研制，目的在于提供一種價格便宜、攜帶方便、同機具有激光信號發(fā)射和接收裝置，且激光接收裝置具自動跟蹤激光發(fā)射裝置的雙工通信功能的設(shè)備。該設(shè)備發(fā)射裝置發(fā)出調(diào)制激光信號不僅可在自由空間傳輸，也能直接利用光纖作為載體傳輸，克服了在天氣惡劣情況下無法通信的缺陷；該設(shè)備信號傳輸容量大，可直接與光纖通信、微波通信網(wǎng)絡(luò)并網(wǎng)，并能靈活地適應(yīng)各種場合的使用。
圖1 空間激光無線通訊系統(tǒng)原理框圖
1 總體方案設(shè)計
激光天線通信系統(tǒng)主要由激光發(fā)射裝置、激光接收裝置和光學望遠鏡三部份組成（如圖1所示）。其工作原理是：發(fā)射端的軸電纜通過高頻電纜與發(fā)射機碼型變換器相接；光纖適配器通過光纖與發(fā)射機光電轉(zhuǎn)換器相連；碼型變換器與光電轉(zhuǎn)換器均與制式選擇開關(guān)相連，然后經(jīng)信號處理模塊進行整形、放大、時鐘提取等處理，輸入激光驅(qū)動器使激光器組件產(chǎn)生調(diào)制的激光光束，通過激光發(fā)射天線定向向空間發(fā)射。經(jīng)光接收天線收集的調(diào)制激光信號接進探測器，轉(zhuǎn)換成信號輸入信號處理模塊，再接進制式選擇開關(guān)后分兩路：一路連接激光驅(qū)動器，經(jīng)光纖適配器連接光纖通信線路；另一路則與碼型變換器相接，再接入同軸電纜至電傳輸線路上。對于本系統(tǒng)所設(shè)計的語音激光無線通信系統(tǒng)主要由圖2所示的各部分組成。
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2 主要硬件的設(shè)計
2.1 激光器件的選擇
空間激光通信波長選擇主要考慮：盡量避免太陽輻射的影響、減小光束發(fā)射角、減小收發(fā)天線的尺寸、光波在大氣中的透過率以及器件的現(xiàn)實性或預(yù)期的可行性，包括器件性能價格比的預(yù)計。從激光天線通信的角度分析，大氣的透射率是個重要影響因素。在小于300nm的紫外波段，大氣的透過率急劇下降。顯然，紫外線光不利于大氣通信。可見波段的激光，例如二次倍頻YAG激光器，也不利于避免太陽光引起的背景輻射噪聲。常用的激光波段有830～860nm、980～1060nm和1550～1600nm，都是良好的大氣窗口。
2.2 光發(fā)射與接收天線
由于光學天線的功能是將需傳輸?shù)墓庑盘栍行У匕l(fā)向?qū)Ψ讲鱽淼男盘柟飧咝Ы邮�，因此，光天線的設(shè)計是在滿足總體設(shè)計的前提下，保證系統(tǒng)在設(shè)定的通信距離及大氣衰減時能正常工作，合理選取發(fā)射遠鏡的遠場發(fā)散角、接收望遠鏡的接收視場角及光學系統(tǒng)的其他參數(shù)。下面分別予以介紹。
（1）設(shè)計考慮
主要光學性能要求：高的光學質(zhì)量（λ/20RMS）；低的遮擋率；高的光透射率（T≥0.92）；低的散射光。此外，要求材料熱膨脹系數(shù)小、機械強度紡高、重量輕、使用壽命長。
圖3 （a）光發(fā)射天線系統(tǒng)原理圖(b)光發(fā)射天線系統(tǒng)原理圖
光學設(shè)計考慮：為了滿足空間通信對天線的要求，筆者選擇卡塞格倫天線。主要包括：拋物面初級反射鏡；雙曲線次級反射鏡；聚焦鏡，使成像在天線結(jié)構(gòu)的外部。
（2）性能分析
假設(shè)光源電場強度滿足高斯幅度分布，即
其中，ω為光腰大小，R表示曲率半徑。
利用非涅爾近似場區(qū)的輻射定律以及天線增益定義，得到觀測點(r，θ)處的天線增益值：
其中，
定義：
α=a/ω,γ=b/a,X=kasinθ,β=(ka2/2)[(1/r)+(1/R)]
次級反射鏡的遮擋率，天線的誤指向效應(yīng)以及光學天線的桁架對天線增益都有較大影響。此外，對接收無線的增益，檢測方式也有較大影響。
在光學設(shè)計時，為了滿足空間通信對天線的要求，光發(fā)射天線系統(tǒng)如圖3（a）所示，它由半導體激光器和設(shè)置于其光路上的發(fā)射鏡構(gòu)成。光接收天線系統(tǒng)如3（b）所示，主要由校正鏡、校正鏡2次鏡膠合鏡、主鏡、濾光片、聚光鏡膠合鏡和濾光片聚光鏡、探測器等組成。其中，探測器采用SI-PIN GT101型復合光電二極管完成光信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號。該器件在反向偏置條件下工作，當光照時，半導體吸收光，在耗盡層或離耗盡層一個擴散長度內(nèi)產(chǎn)生電子空穴時，最后被電場分開。當載流子漂移通過耗盡層時，在外部電路中形成電流，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。
圖4 激光無線通信（發(fā)送器）原理圖
2.3 主要電路設(shè)計
·電源電路選用了集成穩(wěn)壓器。
·前置處理電路主要包括前置放大器和功率放大器兩部分。經(jīng)內(nèi)調(diào)制轉(zhuǎn)換的電信號通常比較微弱，需經(jīng)前置放大電路將前級電路的輸出電壓放大。故前置處理器質(zhì)量的優(yōu)劣，在很大程序上標志著系統(tǒng)整體的音質(zhì)水平。即前置處理器與功率放大器的選擇對于本系統(tǒng)非常重要。本系統(tǒng)采用集成芯片NE5532作為前置放大器，LA4101作為功率放大器。同時，為獲得較好的效果，減小干擾，在信號輸入前置放大器之前，設(shè)計了高通濾波器。
·調(diào)制電路對光源進行調(diào)制的方法有若干擾，但從光源與調(diào)制器之間的關(guān)系可分：光源的內(nèi)調(diào)制、光源的外調(diào)制。本系統(tǒng)采用了光源的內(nèi)調(diào)制方式。
·功率放大電路因光電探測器的電信號較弱，需經(jīng)功率放大器放大電壓信號，產(chǎn)生足夠的不失真的輸出功率，以推動揚聲器發(fā)音。放大器的種類較多，本系統(tǒng)采用集成電路功率放大器LA4101。
上述設(shè)計的發(fā)射電路如圖4所示，接收電路如圖5所示。
圖5 激光無線通信（接受器）原理圖
3 試驗樣機及結(jié)論
在上述設(shè)計思想指導下，完成了一個5km的激光無線大氣通信機試制。通信光源采用波長為0.885μm的半導體單模量子阱激光器 ，用芯徑為200μm的光纖耦合，出纖光功率為200mW。光天線發(fā)射/接收望遠鏡的通光孔徑為φ110mm，激光遠場發(fā)射角為1.5mrad，接收視場角為3mrad。
本系統(tǒng)兼容128/256/512/1024/2048kbps速率，并具有AMI及HDB3，碼兩種接口功能。該系統(tǒng)已進行了戶外開通試驗。將其設(shè)備分別設(shè)在相距約5km的兩棟高樓之間（要求視距無遮擋），進行了長達360h的開通試驗，其中經(jīng)歷了大霧、大雨、小雨、晴天等天氣變化。試驗結(jié)果表明，除能見度極你的大霧天氣外，通信系統(tǒng)都能正常工作，通話質(zhì)量良好。該個有以下優(yōu)點：
（1）具有雙工位功能；
（2）可實現(xiàn)單對多的多通道通信；
（3）通過光學望遠鏡檢測發(fā)射部分與接收部分之間的對正情況；
（4）結(jié)構(gòu)簡單，攜帶方便；
（5）具有與光纖通信接口，適用范圍廣，特別適用于兩河對岸、高山之間、高層建筑之間的無線通信；
該系統(tǒng)性能好，傳輸速率為155Mbps，誤碼率低于10-8，平視通信距離不小于5km。
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