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基于激光天線語(yǔ)音通信系統(tǒng)的研制
摘要：通過對(duì)電磁波無(wú)線、光纖及現(xiàn)有的激光無(wú)線通信的優(yōu)缺點(diǎn)分析，介紹了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的激光無(wú)線語(yǔ)音通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及主要硬件的設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明：該系統(tǒng)能夠靈活地適應(yīng)各種場(chǎng)合。
關(guān)鍵詞：激光 無(wú)線通信 語(yǔ)音
電磁波作為無(wú)線通信的信號(hào)載體由來(lái)已久，至今仍廣泛應(yīng)用于短波、微波、毫米波無(wú)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(jī)、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(huì)出現(xiàn)光纜沒有到達(dá)或光纜不便到達(dá)的地址，無(wú)法進(jìn)行光纖通信。早在二十世紀(jì)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(dāng)時(shí)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(lái)，由于移動(dòng)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(jìn)展。美國(guó)朗訊公司采用1.55μm波段的半導(dǎo)體激光器加光纖放大器（EDFA）作為發(fā)射光源，并采用波分復(fù)用結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)10Gbps容量的空間光通信。日本、歐洲等國(guó)家也報(bào)道了幾種空間激光通信裝置。我國(guó)電子科技大學(xué)采用二氧化碳激光器（10.6μm波長(zhǎng)，內(nèi)腔式），實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)雙工四線制三路電話的大氣通信（技術(shù)成果編號(hào)88210414）；中山大學(xué)激光與光譜學(xué)研究所采用音頻或數(shù)字信號(hào)的調(diào)幅激光制式工作實(shí)現(xiàn)大氣通信傳輸（技術(shù)成果編號(hào)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(shí)用價(jià)值小。為解決上述問題，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所報(bào)導(dǎo)了一種無(wú)線激光通信端機(jī)實(shí)現(xiàn)了與其它通信設(shè)施的接口（技術(shù)成果編號(hào)00217069.8），但由于該端機(jī)設(shè)備昂貴，未能得到廣泛應(yīng)用。本文提出了基本激光無(wú)線語(yǔ)音通信系統(tǒng)的研制，目的在于提供一種價(jià)格便宜、攜帶方便、同機(jī)具有激光信號(hào)發(fā)射和接收裝置，且激光接收裝置具自動(dòng)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(hào)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(wú)法通信的缺陷；該設(shè)備信號(hào)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(chǎng)合的使用。
圖1 空間激光無(wú)線通訊系統(tǒng)原理框圖
1 總體方案設(shè)計(jì)
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(xué)望遠(yuǎn)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(jī)碼型變換器相接；光纖適配器通過光纖與發(fā)射機(jī)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(hào)處理模塊進(jìn)行整形、放大、時(shí)鐘提取等處理，輸入激光驅(qū)動(dòng)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(hào)接進(jìn)探測(cè)器，轉(zhuǎn)換成信號(hào)輸入信號(hào)處理模塊，再接進(jìn)制式選擇開關(guān)后分兩路：一路連接激光驅(qū)動(dòng)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(duì)于本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的語(yǔ)音激光無(wú)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(jì)
2.1 激光器件的選擇
空間激光通信波長(zhǎng)選擇主要考慮：盡量避免太陽(yáng)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(shí)性或預(yù)期的可行性，包括器件性能價(jià)格比的預(yù)計(jì)。從激光天線通信的角度分析，大氣的透射率是個(gè)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(yáng)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(xué)天線的功能是將需傳輸?shù)墓庑盘?hào)有效地發(fā)向?qū)Ψ讲?duì)傳來(lái)的信號(hào)光高效接收，因此，光天線的設(shè)計(jì)是在滿足總體設(shè)計(jì)的前提下，保證系統(tǒng)在設(shè)定的通信距離及大氣衰減時(shí)能正常工作，合理選取發(fā)射遠(yuǎn)鏡的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角、接收望遠(yuǎn)鏡的接收視場(chǎng)角及光學(xué)系統(tǒng)的其他參數(shù)。下面分別予以介紹。
（1）設(shè)計(jì)考慮
主要光學(xué)性能要求：高的光學(xué)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(jī)械強(qiáng)度紡高、重量輕、使用壽命長(zhǎng)。
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(xué)設(shè)計(jì)考慮：為了滿足空間通信對(duì)天線的要求，筆者選擇卡塞格倫天線。主要包括：拋物面初級(jí)反射鏡；雙曲線次級(jí)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)區(qū)的輻射定律以及天線增益定義，得到觀測(cè)點(diǎn)(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(jí)反射鏡的遮擋率，天線的誤指向效應(yīng)以及光學(xué)天線的桁架對(duì)天線增益都有較大影響。此外，對(duì)接收無(wú)線的增益，檢測(cè)方式也有較大影響。
在光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，為了滿足空間通信對(duì)天線的要求，光發(fā)射天線系統(tǒng)如圖3（a）所示，它由半導(dǎo)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(cè)器等組成。其中，探測(cè)器采用SI-PIN GT101型復(fù)合光電二極管完成光信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。該器件在反向偏置條件下工作，當(dāng)光照時(shí)，半導(dǎo)體吸收光，在耗盡層或離耗盡層一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)產(chǎn)生電子空穴時(shí)，最后被電場(chǎng)分開。當(dāng)載流子漂移通過耗盡層時(shí)，在外部電路中形成電流，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。
圖4 激光無(wú)線通信（發(fā)送器）原理圖
2.3 主要電路設(shè)計(jì)
·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(hào)通常比較微弱，需經(jīng)前置放大電路將前級(jí)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(biāo)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(duì)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(shí)，為獲得較好的效果，減小干擾，在信號(hào)輸入前置放大器之前，設(shè)計(jì)了高通濾波器。
·調(diào)制電路對(duì)光源進(jìn)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(cè)器的電信號(hào)較弱，需經(jīng)功率放大器放大電壓信號(hào)，產(chǎn)生足夠的不失真的輸出功率，以推動(dòng)揚(yáng)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(jì)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(wú)線通信（接受器）原理圖
3 試驗(yàn)樣機(jī)及結(jié)論
在上述設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下，完成了一個(gè)5km的激光無(wú)線大氣通信機(jī)試制。通信光源采用波長(zhǎng)為0.885μm的半導(dǎo)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(yuǎn)鏡的通光孔徑為φ110mm，激光遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射角為1.5mrad，接收視場(chǎng)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(jìn)行了戶外開通試驗(yàn)。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(wú)遮擋），進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)360h的開通試驗(yàn)，其中經(jīng)歷了大霧、大雨、小雨、晴天等天氣變化。試驗(yàn)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(gè)有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）具有雙工位功能；
（2）可實(shí)現(xiàn)單對(duì)多的多通道通信；
（3）通過光學(xué)望遠(yuǎn)鏡檢測(cè)發(fā)射部分與接收部分之間的對(duì)正情況；
（4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)岸、高山之間、高層建筑之間的無(wú)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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