1、摘要信息产业已成为当今世界上最强劲的高科技增长点和经济社会的支柱，激光通信技术正以难以想象的速度将世界带入高速发展的信息时代。而无线光通信作为激光通信发展的一个重要分支，在星际间通信、近地无线互连、无线宽带接入、应急通信等方面都有着广阔的应用前景。随着对超稳激光器、高灵敏度和高数据率接收器以及适合空间应用的先进通信电子设备的研究基本成熟，无线光通信已成为下一代光通信的主要发展方向之一。本文首先介绍了无线光通信的特点、优势、应用领域及研究现状。深入分析了无线光通信的工作原理和结构。针对传统无线光通信中存在的问题，对系统进行了改进，提出了一种基于散射和多点接收的无线光通信系统设计方案。系统分为两部
2、分：发射子系统和接收子系统。其中发射子系统主要围绕着激光器件的选择、光调制方案及调制电路等部分进行了详细的研究。接收子系统主要针对基于远距离红外探测器的接收模块进行了论述，重点分析了系统接收原理，并采用MAXIM公司的集成芯片MAX3665、MAX3761及MAX3270设计了光电接收电路。根据所建系统模型，利用仿真软件MATLAB/Simulink对无线光通信系统进行了仿真，以仿真图的形式对系统性能进行了分析，检验新系统的可行性。最后我们对全文提出的理论和实际所做的工作进行总结，指出了今后工作中有待完善的问题。关键词：多点，可移动，无线光通信，方案研究，仿真研究IAbstractNowday
3、s information industry has become one of the most driving hightechnique grew-up points and the supports of economic society.The technology oflaser communication is bringing the world into the information times withincogitability speed.As an important embranchment of laser communication, wirelessopti
4、cal communication can be applied widely such as the communication betweensatellites, wireless interconnection, wireless broadband access,emergencycommunication.Along with maturity of the technologies including exceedingly stablelaser diode, high sensitivity and high speed receiver and advanced commu
5、nicationdevice, wireless optical communication has become one of the main developingdirections of laser communication of next generation.At first, this paper gives a brief introduction of wireless laser communication,including characteristic, advantage, limitation, fields of the application, develop
6、mentlevel in the world,successful application,and so on. We have thoroughly analysed onwireless laser communication operating principle and structures.With the existingproblems in the traditional wireless laser communication, we have carried out theimprovement and innovation on system and designed a
7、 new system based ondispersion and multiple spot . We have divided the system into two parts:emitting andreceiving devices. In the emitting part , we mainly describe the research on theselection of laser device, adaptive modulating method and the circuit of modulation.While in the receiving part ,we
8、 describe the principle of the laser receiver based onthe remote infrared detector detailedly . Adopting MAX3665,MAX3761 andMAX3270 chips of MAXIM company designs photoelectric receive circuit. Based onthe system model, we have simulated to wireless laser communication system usingMATLAB/Simulink. W
9、e analyse on system function by simulated picture and checknew systematic feasibility.Finally we have summarized the theories mentioned in thispaper and pointed out some work to be improved in the future.Key words: multiple site, mobile, wireless laser communication, scheme studies,simulation studie
10、sII烟台大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在 导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权说明本人完全了解烟台大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在
11、不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者签名： 导师签名：日期： 年 月 日版权声明任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人，未经本论文作者同意，不得将本论文转借他人，亦不得随意复制、抄录、拍照或以任何方式传播。否则，引起有碍作者著作权之问题，将可能承担法律责任。烟台大学硕士学位论文1 绪论1.1 引言20世纪90年代后期，随着通信技术的不断发展，人们对传输速率的要求越来越高；而随着通信范围的延伸，人们对快速建立通信链路的兴趣也进一步提高。自由空间光通信(FSO: Free Space Optics)也称无线光通信，因其具有独到的优势，在
12、许多应用领域都有很好的应用前景，得到了极大关注，近几年来应用范围已从军用和航天逐渐扩展到民用领域，其技术本身也在不断的完善中1 。1.2 无线光通信技术简介上世纪九十年代中期，全球通信网络开始大规模扩容。先是长途网络和广域网的不断扩展，接着是城域网的大量建设。与此同时，用户内部的局域网以及千兆以太网快速增长。将这些高速的局域网和千兆以太网连接到通信网络，必须依靠容量巨大的接入网络。但既使在发达的欧洲，大多数的商业用户的连接也还只限于电缆的T1专线(1.5Mbps)。更高速度的宽带接入方式，当前主要限于光纤、宽带无线接入LMDS（区域多点传输服务）、及DSL（数字用户线路）等。如何提供快速、低价
13、的宽带接入，成为迫切需要解决的问题。当前，网络用户对高速数据服务日益高涨的需求与网络基础设施建设资金相对短缺的矛盾，是困扰宽带服务的一个现实问题。据估计，在大中城市有95%的建筑物位于光纤通信中心设备1.5千米的半径内范围内，但至今也未能与这些设备相连。如果用光纤把它们连接起来，费时费力而且成本比较高。无线光通信在本地网和边缘网等近距离高速网的建设中将会起到重要作用。光的无线宽带传输是新近发展的接入方式，它利用光信号通过大气空间，而不是通过光纤传送信号。其传送终端在原理上与光纤传送终端十分相似，但由于主要用在接入系统，因而组成更为简单，且特点和优势非常明显。已商用的这类系统，容量从100Mbp
14、s到2.5Gbps。也有一些试验采用波分复用，达到160Gbps的速率。尽管受到天气条件的限制，只能在较短的距离内使用，一般限于4千米以下。1烟台大学硕士学位论文但在许多场合之下，作为一种独特的方式，光无线接入可以起到很好的作用，成为当前己有几种宽带接入方式很好的补充手段。1.3 无线光通信的特点与优势随着空间通信需求的逐年增长，无线光通信以其独特的优点受到人们的高度重视。无线光通信具有以下特点和优势:(1) 频带宽，速率高从理论上讲，FSO 的传输带宽与光纤通信的传输带宽相同，只是光纤通信中的光信号在光纤介质中传输，而 FSO 的光信号在空气介质中传输。(2) 频谱资源丰富与微波技术相比，F
15、SO 设备多采用红外光传输，有相当丰富的频谱资源，不需要申请频率执照，也不需要交纳频率占用费，这是一般微波通信和无线通信无法比拟的。(3) 适用任何通信协议适用于任何环境，不依赖某种协议。现在通信网络常用的 SDH、ATM、以太网、快速以太网等都能通过，并可支持 2.5Gbit/s 的传输速率，用于传输数据、声音和影像等各种信息。(4) 架设灵活便捷FSO 可以直接架设在屋顶，以及在江河湖海上进行通信，可以完成地对空、空对空等多种光纤通信无法完成的通信任务，而且无需埋设光纤，可以在几小时内建立起通信链路，方便快捷，大大缩短了施工周期。(5) 经济 2光纤网络的成本通常很高，铺设过程耗时，而且投
16、资不可撤回，而无线光通信技术可以在城域光网之外提供高带宽连接，而成本只有在地下埋设光缆的五分之一。(6) 安全可靠 3-4无线光通信的安全性是非常显著的，由于光通信具有非常好的方向性和非常窄的波束，因此窃听和人为干扰几乎是不可能的。2性能 FSO DSL LMDS 光纤屋顶进入权 不需要 不需要 需要 不需要频谱许可证 不需要 不需要 需要 不需要STM-1的费用（万美元） 1.83 - 1520 1525建设周期 数天 数月 数月 数月容量受限 不受限 受限 受限 不受限天气因素影响 有 无 有 无协议的独立性 好 差 差 好初始投资 低 中 中 高可靠性 中 高 中 高拓扑结构 点对点、点
17、对多点、网状 点对点 点对点、点对 多点 点对点、点对多点、网状烟台大学硕士学位论文另外无线光通信系统与网络的连接，还有如下的优点:(1) 对运行的协议透明。无线光通信产品作为一种物理层的传输设备，现在通信网络常用的SDH,ATM,IP 等都能通过。(2) 可组成点对点、星形、和网状结构的网络。(3) 可灵活拆装、移装至其它位置。(4) 易于扩容升级。当增加其他网络节点时，无线光通信网状结构不需要改变,而是通过改变节点数量和配置就能很容易地增加用户的传输容量。通过表1.1也可以看出无线光通信是一种很有竞争力的接入方式。表 1.1 各种接入方式的比较1.4 无线光通信技术的发展概况从激光出现至今
18、，无线光通信技术的发展大致经过了高峰-低谷-复苏三个阶段。上世纪6070年代是研究高峰期，人们对激光在通讯方面的巨大潜在应用充满了兴趣，成为无线光通信发展史上最辉煌的时期，国际上掀起了研究无线光通信机的高潮。1961年美国休斯公司和贝尔试验室分别用氦-氖激光器和红宝石激光器做了大气通信实验，20世纪60年代中期，随着 CO2 激光器和Nd: YAG激光器的发明使用，使得无线光通信又向前迈进一步。尤其是 CO2 激光器，它的发射波长为10.6 m，正好处于大气信道传输的低损耗窗口，逐渐成为无线光通信的主要候选3烟台大学硕士学位论文光源。20世纪60年代中后期，涌现了许多无线光通信实验系统，与此同
19、时，光调制技术和光探测技术也得到一定的发展。由于当时技术条件的限制，无线光通信系统受气候条件的影响很大，只能在晴朗或小雨天气下进行短距离的通信，若遇到大雾或大雨等恶劣天气则无法通信，此外由于受大气湍流等因素影响，通信质量也不稳定，其应用场合受到了很大的限制，无法推广使用。20世纪7080年代，随着低损耗光纤的问世，人们对无线光通信逐渐失去了兴趣，它在轰轰烈烈的光纤通信研究热潮中逐渐消退，进入衰落期。20世纪80年代中后期，国际国内大部分从事无线光通信技术研究的单位相继停止对它的进一步研究，随后一段时间，该项技术没有取得多大进展，无线光通信的发展进入低谷。但由于其良好的保密性及在军方的巨大潜在应
20、用，少数几个财力雄厚的国家特别是军方没有放弃它。进入20世纪90年代后，随着大功率半导体激光器的研制成功，激光技术和光电探测等关键技术的日益完善与成熟，以及空间通信需求的日益增加，无线光通信重新唤起人们的热情，在探索大容量、高速率通信的研究中，无线光通信悄然复苏并逐渐走向实用化。近年来日本、英国、美国等国相继推出无线光通信系统产品。目前传输距离4km左右的无线光通信系统己进入实用阶段，无线光通信技术即将渡过其发展中的低潮期，迎来它光明的未来9 。1.5 无线光通信的研究现状(1) 国外研究现状在无线光通信(FSO)领域，自上世纪90年代以来，国外己经开始了将近 10年的研究，但是FSO产品真正
21、投入使用也就是最近几年的事情。在国际市场上，PAV,LightPointe,AirFiber,Canon, AstroTerra等公司是推广无线光通信技术的先 行 者 。 我 们 以 Lightpointe 公 司 的 产 品 为 例 ， 其 产 品 的 传 输 数 据 速 率 为155Mbps-2.5Gbps之间，传输距离为1km左右，非常适合应用于最后一公里接入、网络互连以及千兆以太网等方面。中国联通公司使用的30套无线激光通信设备就是美国LightPointe公司的产品。这些产品已经在国际和国内市场上得到了推广和实际应用。4公司 典型速率(Mb/s) 典型距离(Km) 特点PAV 1.5
22、270 6短波长光源：780890nm；接收孔径：150mm150mm系列产品LightPointe 20,155,622 0.21无线光通信和微波备份，使用率99.999%AirFiber 622 短距离 定位于接入网Canon USA 622,10G 2 采用自动跟踪技术AstroTerra 10622 0.73有空间光通信研究的背景，无线光通信达10GbpsCablefree 55 0.5,1 短波长光源：780nm,980nm烟台大学硕士学位论文表1.2 几家FSO厂家及其产品特点10(2) 国内研究现状我国对无线激光通信技术的研究起步并不是很晚，早在20世纪60年代就开始了无线激光通
23、信的研究。电子工业部34所在1974年成功研制了Nd:YAG激光大气通信系统试验样机，通信距离达13km。与此同时一些高等院校和单位也相继展开了对无线激光通信的研究，如电子科技大学对无线激光通信系统及相关技术进行了专题探讨，取得了一定的成果。1.6 论文的研究内容和结构通过对国内外研究现状的分析可知，目前国内外市场上的大多数大气激光通信机的通信方式都是点对点式。这种通信方式带来的问题，如对准困难、不能跨越障碍物、易受大气影响及不适用于移动目标间的通信，使得其应用范围受到很大限制。为解决上述问题，我们对传统无线激光通信系统的收发端提出了改进意见，将接收端由被动接收改为主动接收，给出了一种多点通信
24、方式系统的设计方案，并进行了仿真研究。与普通的点对点通信不同，信源发出的信息不仅能同时5烟台大学硕士学位论文被多个终端接收，也解决了无线光通信系统存在的对准、平台振动等难题，可适用于移动目标间的通信，如船艇等。这是本论文的创新之处。本论文分六大部分:第一部分是概述，简略介绍光通信的基本概念、特点、应用领域及国内外发展研究状况等；第二部分介绍了研究目的、系统设计方案；第三部分是光发射端机的设计方案，通过对该结构进行理论研究分析，找出发射机各组件参数匹配关系，包括激光器的选择、调制方案和调制电路设计等；第四部分是光接收端机的设计方案，分析了接收系统的原理，采用MAXIM公司的集成芯片MAX3665、MAX3761及MAX3270等设计了光电接收电路。第五部分是系统仿真，通过在MATLAB下搭建无线系统仿真的系统的通用平台，分析了系统的体系结构和性能表现；最后一部分通过对整个系统的总结和分析，提出了一些改进性意见。6
