第 卷 第 期 年 月 应 用 光 学!"#$ %&' 文 章 编 号 + 自 由 空 间 无 衍 射 光 通 信 模 拟 系 统 及 其 传 输 性 能 王 旭 王 中 宇 毛 方 儒 李 萌 北 京 航 空 航 天 大 学 仪 器 科 学 与 光 电 工 程 学 院 精 密 光 机 电 一 体 化 技 术 教 育 部 重 点 实 验 室 北 京 中 国 空 间 技 术 研 究 院 五 一 四 研 究 所 北 京 + 中 国 空 间 技 术 研 究 院 通 信 卫 星 事 业 部 北 京 摘 要 无 衍 射 光 的 中 心 光 斑 直 径 相 对 于 高 斯 光 束 较 小 且 发 散 角 为 零 在 自 由 空 间 光 通 信 领 域 具 有 良 好 的 应 用 前 景 介 绍 了 一 种 自 由 空 间 无 衍 射 光 通 信 模 拟 实 验 系 统 它 通 过 串 口 连 接 上 位 机 应 用 微 处 理 器 进 行 信 号 的 调 制 与 解 调 采 用 双 头 脉 冲 间 隔 调 制 无 衍 射 光 的 发 生 使 用 圆 锥 透 镜 法 在 接 收 端 使 用 ' 光 电 二 极 管 将 光 信 号 转 换 为 电 信 号 再 经 过 放 大 电 路 整 形 电 路 和 微 处 理 器 的 解 调 最 后 通 过 串 口 将 数 据 传 输 给 上 位 机 上 位 机 通 过 对 发 送 数 据 与 接 收 数 据 的 对 比 计 算 出 误 码 率 进 而 给 出 整 个 系 统 的 传 输 性 能 评 价 在 无 衍 射 光 的 最 大 传 输 距 离 内 当 比 特 率 为 $ 时 该 系 统 的 误 码 率 优 于 - 关 键 词 自 由 空 间 光 通 信 无 衍 射 光 双 头 脉 冲 间 隔 调 制 误 码 率 中 图 分 类 号 *' 文 献 标 志 码,+!+! "! 2'3 4 2'356!7 8 98"#$!"/#6"#$*#6$". #" )#6$"/")##:!"#"#$.;6$";(6 $"""'(6#/)#*#6;+(6(//#"$ )"""/"(6#/)#*#6;(6 #!*6#"/6$$/#"$""63$$/ #"6"6$$#"$#"#"$#"##//# "$#"##//#"0/"$/"$$"/$ # "/$"# *6$$"/$##" ""6#/"$" /# #$$$$ $/" /"" 6$" /"0#$/ ""#"/"6#"/ '6"$$ ""$"6"#$"#"#*6#"#$ $/ $6 /" *6 "" /"""$ ""6#/"$"*6"$##" #/"6$ " # ""6#/"*6"$/$$/#"6$$$"/$$ " *6"$$$"6-1"6"6/0//"$/$$ $"#16 "6""$$ $%$#"##//#"#"/ 6$" /"" 收 稿 日 期 修 回 日 期 基 金 项 目 中 国 空 间 技 术 研 究 院 ()* 创 新 基 金 作 者 简 介 王 旭 +,- 男 河 南 洛 阳 人 硕 士 研 究 生 主 要 从 事 无 衍 射 光 通 信 研 究 工 作./01+#/
应 用 光 学 王 旭 等 自 由 空 间 无 衍 射 光 通 信 模 拟 系 统 及 其 传 输 性 能 引 言 世 纪 年 代 末 由 于 光 通 信 器 件 制 造 技 术 的 快 速 发 展 自 由 空 间 光 通 信 器 件 的 制 造 成 本 大 大 降 低 自 由 空 间 光 通 信 的 研 究 开 始 进 入 民 用 领 域 电 信 业 利 用 自 由 空 间 光 通 信 技 术 来 解 决 宽 带 接 入 的 最 后 一 公 里 问 题 光 无 线 通 信 所 处 的 频 率 段 非 常 高 无 需 像 其 他 无 线 电 通 信 那 样 申 请 频 率 许 可 自 由 空 间 光 通 信 的 发 射 接 收 机 体 积 较 小 可 以 灵 活 拆 装 或 移 装 至 其 他 位 置 尤 其 适 合 于 临 时 和 应 急 情 况 下 的 通 信 自 由 空 间 光 通 信 的 波 束 很 窄 定 向 性 非 常 好 由 于 通 信 系 统 中 采 用 不 可 见 光 无 法 被 肉 眼 发 现 因 此 链 路 的 位 置 较 难 探 测 一 般 不 存 在 被 窃 听 的 问 题 在 自 由 空 间 光 通 信 中 一 般 采 用 高 斯 光 束 作 为 信 息 载 体 其 发 散 角 较 大 造 成 能 量 损 耗 和 互 联 能 力 下 降 无 衍 射 光 是 自 由 空 间 标 量 波 动 方 程 的 样 机 采 用 = 调 制 并 进 行 通 信 实 验 测 量 通 信 系 统 的 误 码 率 定 量 分 析 其 传 输 性 能 系 统 设 计 无 衍 射 光 通 信 系 统 采 用 强 度 调 制 直 接 检 测 其 结 构 包 括 上 位 机 发 送 系 统 和 接 收 系 统 如 图 所 示 工 作 时 上 位 机 经 过 串 口 发 送 信 号 经 接 口 电 路 的 电 平 转 换 传 输 给 微 处 理 器 微 处 理 器 进 行 信 号 调 制 把 经 过 调 制 的 信 号 传 输 给 激 光 驱 动 器 激 光 驱 动 器 驱 动 激 光 器 发 出 光 信 号 经 过 无 衍 射 光 发 生 装 置 以 无 衍 射 光 的 形 式 发 送 出 去 光 电 接 收 把 接 收 的 光 信 号 转 换 为 电 信 号 经 过 放 大 电 路 整 形 电 路 解 调 模 组 和 接 口 电 路 把 收 到 的 信 号 传 送 给 上 位 机 上 位 机 比 较 发 送 的 数 据 和 接 收 的 数 据 进 而 计 算 出 误 码 率 一 组 特 殊 解 其 光 场 分 布 具 有 第 一 类 零 阶 贝 塞 尔 函 数 的 形 式 也 被 称 为 贝 塞 尔 光 束 它 的 中 心 光 斑 的 尺 寸 不 随 传 播 距 离 改 变 目 前 产 生 无 衍 射 光 束 的 方 法 主 要 有 环 缝 法 谐 振 腔 法 全 息 法 球 面 像 差 法 和 圆 锥 透 镜 法 以 无 衍 射 光 为 基 础 的 自 由 空 间 光 通 信 则 是 把 无 衍 射 光 应 用 到 自 由 空 间 光 通 信 系 统 中 它 既 有 自 由 空 间 光 通 信 的 特 点 又 利 用 了 无 衍 射 光 束 在 传 播 过 程 中 其 中 心 光 斑 的 尺 寸 不 随 传 播 距 离 改 变 的 优 点 国 外 将 无 衍 射 光 用 于 通 信 方 面 的 研 究 比 较 早 年 # 将 全 息 无 衍 射 光 应 用 于 光 互 连 中 年 < (6 研 究 了 高 密 度 无 衍 射 光 的 光 互 连 问 题 在 #/ 范 围 内 中 心 光 斑 直 径 保 持 /, 年 ' 6 研 究 了 自 由 空 间 无 衍 射 光 通 信 的 信 道 密 度 + 和 噪 声 干 扰 + 年 '6 利 用 贝 塞 尔 高 斯 光 束 构 建 光 互 联 系 统 并 分 析 其 性 能 但 上 述 工 作 仅 局 限 于 实 验 室 研 究 与 探 索 阶 段 尚 没 有 将 无 衍 射 光 应 用 于 实 际 通 信 系 统 方 面 的 文 献 无 衍 射 光 的 产 生 图 系 统 原 理 图 "&' 本 系 统 采 用 结 构 简 单 能 量 利 用 率 高 的 圆 锥 透 镜 法 产 生 无 衍 射 光 如 图 所 示 激 光 器 发 出 的 激 光 通 过 准 直 透 镜 之 后 入 射 圆 锥 透 镜 圆 锥 透 镜 后 的 光 场 在 最 大 无 衍 射 距 离 内 满 足 贝 塞 尔 分 布 无 衍 射 距 离 /0 由 圆 锥 透 镜 的 孔 径 半 径 和 底 角 决 定 激 光 器 输 出 波 长 为 / 工 作 电 流 小 于,/ 出 瞳 功 率 为 /2 工 作 温 度 范 围 为 -> > 准 直 透 镜 放 大 倍 数 为 圆 锥 透 镜 的 规 格 为?@ 产 生 的 无 衍 射 光 最 大 传 输 距 离 超 过 // 报 道 国 内 在 对 无 衍 射 光 通 信 方 面 的 研 究 比 较 少 + 年 有 文 献 分 析 了 大 气 闪 烁 对 无 衍 射 光 通 信 系 统 的 影 响 年 对 无 衍 射 光 的 光 互 连 系 统 的 对 准 偏 差 进 行 了 研 究 同 年 报 道 了 一 种 自 由 空 间 无 衍 射 光 通 信 的 原 理 试 验 系 统 通 信 距 离 仅 为 // 对 通 信 性 能 的 评 价 仅 局 限 于 简 单 的 波 形 对 比 没 有 给 出 深 入 的 定 量 研 究 本 文 介 绍 一 种 基 于 无 衍 射 光 的 自 由 空 间 光 通 信 系 统 实 验 图 无 衍 射 光 产 生 原 理 "& "!
应 用 光 学 王 旭 等 自 由 空 间 无 衍 射 光 通 信 模 拟 系 统 及 其 传 输 性 能 调 制 解 调 设 计 本 系 统 采 用 微 处 理 器 进 行 双 头 脉 冲 间 隔 调 制 = 及 其 解 调 = 的 每 个 符 号 所 包 含 的 时 隙 数 是 变 化 的 并 且 采 用 两 种 起 始 脉 冲 调 制 符 号 为 符 号 所 表 示 的 十 进 制 数 由 头 部 时 隙 和 后 续 的 个 空 时 隙 组 成 其 中 头 部 时 隙 由 A 个 时 隙 组 成 为 整 数 两 种 头 部 形 式 为 和 起 始 脉 冲 宽 度 为 个 时 隙 其 后 为 A 个 保 护 时 隙 脉 冲 宽 度 为 个 时 隙 其 后 为 个 保 护 时 隙 当 - 时 符 号 的 头 部 时 隙 为 反 之 为 = 调 制 不 需 要 时 钟 的 同 步 具 有 较 好 的 功 率 利 用 率 较 高 的 传 输 容 量 较 小 的 误 时 隙 率 等 优 点 激 光 驱 动 设 计 激 光 驱 动 器 选 择 4 公 司 4, 它 为 $8'2' 激 光 驱 动 器 包 括 激 光 调 制 器 自 动 功 率 控 制 安 全 关 闭 等 组 件 激 光 驱 动 模 块 如 图 所 示 调 整 ;)4 端 口 电 阻 阻 值 设 置 激 光 器 静 态 工 作 电 流 即 偏 置 电 流 偏 置 电 流 要 略 小 于 激 光 器 阈 值 电 流 调 整! 端 口 电 阻 阻 值 设 置 调 制 电 流 / 放 大 电 路 由 两 级 集 成 运 放 组 成 第 一 级 为 电 压 并 联 负 反 馈 放 大 电 路 其 可 以 看 作 是 电 流 电 压 转 换 电 路 把 光 电 二 极 管 的 电 流 信 号 转 换 为 电 压 信 号 第 二 级 同 为 电 压 并 联 负 反 馈 放 大 电 路 把 第 一 级 放 大 电 路 的 输 出 反 相 并 放 大 由 于 光 信 号 在 大 气 中 传 播 造 成 的 信 号 衰 减 及 噪 声 导 致 信 号 畸 变 所 以 需 要 对 经 过 放 大 电 路 的 信 号 进 行 整 形 经 过 整 形 的 信 号 要 满 足 **8 电 平 整 形 电 路 由, 电 压 比 较 器 实 现, 的 响 应 时 间 为 $ 基 准 电 压 选 择 % 当 输 入 电 压 大 于 % 输 出, % 当 电 压 小 于 % 输 出 % 经 过 整 形 的 信 号 传 输 给 信 号 解 调 模 块 解 调 之 后 通 过 串 口 传 输 给 上 位 机 实 验 验 证 本 系 统 示 意 图 如 图 所 示 计 算 机 通 过 串 口 发 送 数 据 经 过 微 处 理 器 调 制 激 光 驱 动 模 块 驱 动 半 导 体 激 光 器 经 过 无 衍 射 光 发 生 光 路 后 由 ' 光 电 二 极 管 接 收 光 信 号 并 转 换 为 电 信 号 再 经 放 大 整 形 及 微 处 理 器 解 调 最 后 又 串 口 发 送 给 计 算 机 接 收 计 算 机 对 发 送 的 数 据 和 接 收 的 数 据 进 行 对 比 计 算 出 无 衍 射 光 通 信 系 统 的 误 码 率 图 激 光 器 驱 动 示 意 图 "&" 接 收 系 统 设 计 接 收 系 统 的 作 用 是 检 测 光 信 号 将 受 调 制 的 光 信 号 转 换 为 电 信 号 再 经 放 大 整 形 解 调 等 过 程 后 发 送 给 计 算 机 接 收 系 统 由 光 电 探 测 器 放 大 电 路 整 形 电 路 解 调 模 块 等 组 成 光 电 探 测 器 采 用 ' 光 电 二 极 管 其 使 用 简 单 灵 敏 度 较 高 本 系 统 中 采 用 9!.')= 公 司 生 产 的 =98 作 为 光 电 探 测 器 它 属 于 硅 ' 光 电 二 极 管 感 光 波 长 范 围 为 / 图 无 衍 射 光 通 信 系 统 示 意 图 "&" "! 无 衍 射 光 产 生 实 验 本 系 统 产 生 的 近 似 无 衍 射 光 的 光 斑 如 图 所 示 在 // 和 // 处 的 无 衍 射 光 斑 基 本 相 同 表 明 无 衍 射 光 在 传 输 过 程 中 光 场 分 布 基 本 不 变 光 斑 的 略 微 变 形 是 由 于 圆 锥 透 镜 加 工 误 差 准 直 透 镜 的 焦 距 误 差 激 光 器 输 出 不 稳 定 等 因 素 造 成 的
应 用 光 学 王 旭 等 自 由 空 间 无 衍 射 光 通 信 模 拟 系 统 及 其 传 输 性 能, 图 近 似 无 衍 射 光 光 斑 "&# "! 传 输 性 能 测 试 本 实 验 使 用 误 码 率 对 基 于 无 衍 射 光 的 自 由 空 间 光 通 信 系 统 进 行 传 输 性 能 评 价 误 码 率 是 指 在 测 量 时 间 内 数 字 码 元 误 差 的 数 量 与 数 字 码 元 总 数 之 比 即 误 码 数 误 码 率? 总 码 数 在 本 实 验 中 计 算 机 通 过 串 口 发 送 随 机 数 据 经 过 此 通 信 系 统 后 返 回 计 算 机 之 后 对 比 发 送 的 数 据 和 接 收 的 数 据 计 算 出 误 码 率 调 整 激 光 器 驱 动 电 流 使 半 导 体 激 光 器 输 出 功 率 分 别 为 /2 和 + /2 通 信 比 特 率 设 为 $ 在 不 同 的 通 信 距 离 下 的 误 码 率 如 图 所 示 通 信 的 误 码 等 因 素 引 起 当 激 光 器 输 出 功 率 为 +/2 传 输 距 离 大 于 // 时 误 码 率 明 显 增 大 这 主 要 是 由 于 激 光 器 的 输 出 功 率 较 小 在 传 输 至 较 远 距 离 时 光 强 较 弱 导 致 ' 光 电 二 极 管 接 收 到 的 高 低 电 平 不 易 分 辨 使 传 输 系 统 的 误 码 率 上 升 因 此 在 合 理 的 范 围 内 提 高 激 光 器 的 输 出 功 率 或 者 使 用 更 高 灵 敏 度 的 光 电 接 收 器 件 和 更 精 密 的 检 测 电 路 都 可 以 有 效 地 改 善 通 信 系 统 的 质 量 结 论 本 文 将 无 衍 射 光 和 自 由 空 间 光 通 信 有 机 地 结 合 起 来 构 建 了 基 于 无 衍 射 光 的 自 由 空 间 光 通 信 系 统 该 系 统 利 用 无 衍 射 光 作 为 自 由 空 间 光 通 信 的 信 息 载 体 发 挥 其 中 心 光 斑 直 径 小 零 发 散 的 特 点 增 加 了 自 由 空 间 光 通 信 的 能 量 利 用 率 和 互 联 密 度 采 用 双 头 脉 冲 间 隔 调 制 的 调 制 方 式 避 免 了 调 制 解 调 过 程 中 的 时 钟 同 步 问 题 使 用 专 用 的 激 光 驱 动 芯 片 大 大 简 化 了 电 路 设 计 的 复 杂 程 度 有 利 于 系 统 的 小 型 化 和 集 成 化 通 过 对 误 码 率 的 测 试 分 析 了 通 信 的 性 能 实 验 结 果 表 明 可 以 有 效 地 满 足 串 口 通 信 的 基 本 要 求 参 考 文 献 )(=* )9='' 2<'B "/C $"""#1$$#//# "C"6"1C$!"#., 韩 立 强 王 祁 信 太 克 归 等 基 于 自 适 应 光 学 补 偿 的 自 由 空 间 光 通 信 系 统 性 能 研 究 应 用 光 学 =' 8D2'3 B)= 9"$" 7$#"##//#"$ 图 系 统 误 码 率 "&' 从 实 验 结 果 可 以 看 出 当 激 光 器 输 出 功 率 设 为 /2 和 + /2 时 在 无 衍 射 光 最 大 传 输 距 离 内 误 码 率 都 能 满 足 要 求 当 激 光 器 输 出 功 率 为 /2 时 误 码 率 的 波 动 不 大 误 码 率 随 传 输 距 离 的 变 化 较 小 误 码 率 主 要 由 光 电 接 收 器 件 的 分 辨 力 激 光 驱 动 装 置 和 信 号 检 测 电 路 的 误 差 串 口 ""#$#/$"! "#$ (6$ 1"6.$6$"#" ''.0#"$"$#"/$ "6$#"6!"#)#" /# +, 周 莉 萍 赵 斌 李 柱 无 衍 射 光 束 理 论 与 实 现 光 学 精 密 工 程, 5=! 85=! ;856*6
+ 应 用 光 学 王 旭 等 自 由 空 间 无 衍 射 光 通 信 模 拟 系 统 及 其 传 输 性 能 "#";$$/$!"#$ #$., (6$1"6.$6$"#" <' 3 =2.);<' 4('#" "$$ /!"#$ 8"$,,+ (!'8;!!*=!<)!9! *! *"" "# " $"" ;$$/$61!"#$(//#"$,,,< (62'3 %.8 " =6$"#"/" #"##"!"#$ (//#"$,,, +8;;'.= '*.)*!7 $$ $#"#"##"$$ #" /$!"#$ (//#"$ 8;;'.= ')E.$$3$$ ;$$/$$# "#"##" $$"/$!"#.+, 李 萌 王 中 宇 高 晓 颖 大 气 闪 烁 对 近 似 无 衍 射 激 光 通 信 系 统 的 影 响 北 京 航 空 航 天 大 学 学 报 +, 8 2'3 56 3! 4.#""/$6#$#""$#// #"$$"/ $#"/ ;$""#$ $ ""#$+,(6$ 1"6.$6$"#" 王 中 宇 李 萌 基 于 无 衍 射 光 的 光 互 连 系 统 的 对 准 偏 差 研 究 光 学 学 报 +++ 2'3568$/"$$ "# "##"$ $ #" /$#"!"#)#+ ++(6$1"6.$6$"#" 李 萌 王 中 宇 无 衍 射 激 光 通 信 模 拟 实 验 系 统 的 设 计 与 实 现 激 光 杂 志 82'356$ " $#//#"$/"0/"$$ "/ #" /$8$ (6$1"6.$6 $"#" 程 刚 王 红 星 孙 晓 明 等 无 线 光 通 信 双 脉 冲 间 隔 调 制 方 法 中 国 激 光,,,, (=.'3 3 2'3 =0)' 4 /"$$" /" "# 1$$#//#"$(6$ 8$$,,,, (6$1"6.$6$"#" 马 万 治 唐 友 喜 赵 贤 等 瑞 利 信 道 中 无 线 通 信 设 备 误 码 率 测 试 仪 实 现 电 子 测 量 与 仪 器 学 报 26*'3 <05=! 4" ;."$" 1$$#//#"$$"/ 6#6.#"# $ /" $"/" (6$1"6.$6$"#"