空间激光通信
空间激光通信及其关键技术
空间激光通信及其关键技术简介空间激光通信是一种使用激光光束进行通信的技术，它可以实现高速、高带宽的数据传输，成为了现代通信领域的重要研究方向。
本文将详细探讨空间激光通信的相关概念、原理以及关键技术。
概念及原理空间激光通信的定义空间激光通信是利用激光光束进行数据传输的一种通信方式。
传统的无线通信主要通过无线电波进行信号传输，而空间激光通信则利用激光的高频、高方向性和大带宽特点，可以实现更高的数据传输速率和容量。
空间激光通信的基本原理空间激光通信系统由发射端和接收端组成。
发射端通过激光器产生激光光束，并通过光学设备将光束聚焦成窄束。
接收端通过光学设备接收光束，并通过光电转换器将光信号转换为电信号。
通信双方可以通过调整激光光束的方向来实现通信。
关键技术激光器技术激光器是空间激光通信系统中最核心的技术之一。
激光器的性能直接影响着通信系统的数据传输速率和传输距离。
目前，常用的激光器技术包括固态激光器、半导体激光器和光纤激光器等。
这些激光器的发光特性、功率稳定性以及适应不同环境的能力都需要不断改进和优化。
光学设备技术光学设备在空间激光通信系统中发挥着重要的作用。
发射端的光学设备能够将激光器发出的光束聚焦成窄束，提高光束的转发效率。
接收端的光学设备则能够接收光束，并将其转换为电信号。
这些光学设备需要具备高精度、高效率的特点，以提高通信系统的性能。
光电转换技术光电转换技术用于将接收到的光信号转换为电信号。
在空间激光通信系统中，常用的光电转换器包括光电二极管和光电倍增管等。
这些光电转换器需要具备高灵敏度、低噪声的特点，以确保接收端能够准确地捕捉到光信号。
传输调制技术传输调制技术用于在光信号中传输数据。
常用的传输调制技术包括振幅调制、相位调制和频率调制等。
这些技术可以将待传输的数据嵌入到光信号中，并在接收端进行解调和译码，实现数据的可靠传输。
应用前景空间激光通信技术已经在军事、航空航天以及无人机等领域得到了广泛应用。
空间激光通信系统的设计与研究
空间激光通信系统的设计与研究空间激光通信系统的设计与研究摘要通信行业的快速发展通信容量剧烈膨胀迫切地需要新的技术来增加传输链路的带宽随着光通讯器件制造技术的不断成熟和制造成本的大幅下降自由空间激光通信在近距离高速网中获得了越来越多的应用是解决最后一公里瓶颈问题的有效途径自由空间激光通信具有无线电通信的便利性也具有光纤通信的绝大部分优点本文首先介绍了自由空间激光通信的发展历史应用优缺点和发展趋势的基础知识接着主要介绍了激光通信系统的组成和原理影响光信道传输的因素及解决方案然后具体介绍激光通信系统中光端机的主要电路及其工作原理最后通过做激光光源I-P特性实验深入地了解了半导体激光器的I-P特性随距离和背景光的变化情况确定出合适驱动电流工作点同时本论文对实验数据和现象做了详细的分析关键词空间激光通信光端机FSOI空间激光通信系统的设计与研究AbstractWith the rapid development of communication the communication capacity issharply expanded and new technologies are badly required to enhance the bandwidthof the transmission link As the mature of the manufacture technology and the hugedecrease of the manufacture cost of optical communication apparatus free space lasercommunication is increasingly used in near distance and high speed network such ascut-over layer it is an effective way to solve the bottleneck one final kilometerFree space laser communication has the convenience of the radio communication andthe majority advantage of the optical communicationIn this paper the basic knowledge of the development history applicationadvantage and disadvantage and the development tendency of the free space lasercommunication is introduced And then the compositionand principle of the lasercommunication system and the factors that affect the laser channel transmission andthe solutions are talked Then the key circuit and principle of optical transmitter andreceiver in the space laser communication aremainly discussed Finally thecharacteristic of I-P of the semiconductor laser was understooddeeply as the varies ofdistance and background light source and the suitable work point of the drivingelectric current is fixed by doing the I-P characteristic experiment of laser sourceAndmeanwhile the data and phenomenon of the two experiments in the paper areanalyzed detailedlyKey words space laser communication optical transmitter and receiverFSOII空间激光通信系统的设计与研究目录第一章前言111 FSO 的发展历史与应用 112 FSO 的优缺点 313 FSO 的发展现状 514 FSO 的发展趋势和展望 6 第二章空间激光通信系统821 激光通信系统的分类 822 光发射机 823 光接收机 1024 激光器 1225 空间光信道 15第三章光收发设备 2031 光发送电路 2032 光接收电路定 26第四章实验系统概述3341 实验系统原理 3342 实验系统仪器 3343 激光光源 I-P 特性研究 3544 实验内容及结论 36第五章结论与展望 4251 结论 4252 展望 42参考文献43致谢 44声明 45III空间激光通信系统的设计与研究第一章前言自由空间光通信Free Space Optical Communication 简称为FSO 是指以光波为载体在真空或大气中传递信息的通信技术具体包括有大气光通信卫[1]星间光通信和星地光通信三大技术11 FSO 的发展历史与应用com 浅识FSOFSO 技术基于光纤传输方式具有高带宽部署迅速费用合理等优势FSO 技术以激光为载体用点对点或点对多点方式实现连接虽然 FSO 通信不需要光纤而是以空气为介质但由于其设备以发光二极管或激光二极管为光源因此又有无线光纤之称最初FSO 通信设备是无线设备生产商为宽带服务运营商开发的一种在不易进行光纤布线的地段代替光纤设备的网络连接方案以前只用于国防和实验目的至今已有30多年历史FSO 技术具有与光纤技术相同的带宽传输能力使用相似的光学发射器和接收器甚至还可以在自由空间实现波分复用WDM 技术目前 FSO 技术已开始走向民用它即可以提供短距离的网桥解决方案也可以在服务商的全光网络中扮演重要角色FSO 是一种新型无线宽带接入方式是继激光器件发明之后开始在工程上应用的它是光纤通信与无线通信相结合的产物FSO 不是用光纤作为传输媒介而是以大气为媒质通过激光或光脉冲在太赫兹THE 光谱范围内传送分组数据的通信系统其传送终端在原理上与光纤传送终端十分相似但由于用在接入系统因而组成更为简单一个光的无线传输系统所用的基本技术也就是光电的转换在点对点传输的情况下每一端都设有光发射机和光接收机具有全双工双向的通信能力光发射机的光源受到电信号的控制并通过作为天线的光学望远镜将光信号经过空间送到接收端的望远镜高灵敏度的光接收机将望远镜收到的光信号再转换成电信号由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大差别可以选用透过率较好的波段窗口光的无线系统通com红外波段但是发送端和接收端之间互相必须是可视线的两终端之间不能有阻挡1空间激光通信系统的设计与研究FSO 网络主要有三种拓扑结构点到点点到多点星形和网状也可以把它们组合起来使用FSO 技术相对是简单的相连的二个 FSO 单位均由一个激光发射器和一个接收器组成以提供全双工能力FSO 产品可以传输数据语音和影像等内容目前市场上的产品最高支持25bits 的传输速率最大传输距离为4千米不过FSO 技术在理论上没有带宽[2]上限目前国外160Gbits 的设备正在研制当中com FSO 的发展历史早在120年前大气激光传输的概念就由电话发明人贝尔提出过进入20 世纪60年代随着红宝石激光器的出现大大改善了大气激光通信系统的传输性能自由空间光通信技术作为一种通讯技术仅有30多年的研究历史初期由于光电器件制造成本较高自由空间光通信的研究仅限于星际通讯和国防通讯领域随着掺饵光纤放大器EDFA 波分复用WDMA 自适应光学Adaptive Optics 等技术不断发展无线光通信在传输距离可靠性传输容量等方面有了较大改善适用面也越来越宽近年来由于光通讯器件制造技术的飞速发展使自由空间光通讯设备的制造成本大大下降人们才又逐渐开始了自由空间光通讯的民用研究FSO系统的厂商围绕着技术的经济性来开发他们的产品因为安装屋顶到屋顶的FSO链路比挖掘城市街道安装光纤线路快捷便宜得多到了世纪之交无线通信成为一种全球时尚满足了人们随时随地随心所欲获取信息的渴求但其射频频率很拥挤于是人们便将目光转向了无线光通信com FSO 的应用在目前竞争激烈的环境中 FSO无疑为电信运营商以较低的成本加速网络部署提高服务速度并降低网络操作费用提供了可能FSO产品目前最高速率可达25G最远可传送4km 其技术结合了光纤技术的高带宽和无线技术的灵活快速部署的特性可以在接入层等近距离高速网的建设中大有用武之地目前许多企业和机构都不具备光纤线路但又需要较高速率如STM- 1或更高的情况下 FSO不失为一种解决最后一公里瓶颈问题的有效途径FSO主要应用于一些不宜布线或是布线成本高施工难度大经市政部门审批困难的地方如市区高层建筑物之间公路铁路两侧的建筑物之间不易架桥的河流两岸之间古建筑高山岛屿以及沙漠地带等另外FSO设备也可用于移动基站的环路建设场所比较分散的企业局域网子网之间的连接和应急通信对于银行证券政府机关等需要稳定服务的商业应用来说FSO产品可以作为预防服务中断的光纤备份设备鉴于FSO产品安装快速简易因此也可在展览会短期租用的2空间激光通信系统的设计与研究建筑野外的临时工作场所或地震等突发事件的现场作为一种临时的通信连接还可以很方便地监控工业交通信号等FSO技术目前主要应用于最后一公里接入中建筑物之间的网络桥接上到目前为止已经有许多电信运营商将FSO运用到商业服务中其中在2000年悉尼奥运会期间美国的Terabeam与LacentTechnology合作在水上中心和演播中心之间建立了8波道的无线数据通信链路运行期间始终保持畅通2002年AirFibier 公司则在美国波士顿地区将无线通信网与光纤网通过光节点连接在一起完成了该地区整个网络的建设911恐怖袭击后FSO在重建企业的通信联系中发挥了十分重要的作用因此得到了用户们的进一步认可纽约世贸中心遭到恐怖袭击的第一时间纽约州联合法院系统选择了FSO 在不到一周的时间里三个FSO系统迅速恢复了通向曼哈顿法院的业务在国外 FSO 已被电信运营商及各行各业的专业网络用于商业服务在国内电信网通移动联通和铁通也都有不同规模的应用[2]12 FSO 的优缺点com FSO 的优点自由空间激光通信具有无线电通信的便利性同时也继承了光纤通信的绝大部分优点尤其是大通信容量的特点除了无线和大容量宽带这两个优点FSO还具有以下几个优点1无需频谱许可证无线光通讯因设备间没有信号的相互干扰FSO 与大多数低频段电磁波不同的是300GHz以上的电磁波频段的应用在全球都不受限制可以免费使用故无需像无线电通讯如微波LMDS 那样申请频率许可证唯一的要求设备功率不能超过国际电子技术委员会规定的功率上限IEC60825-I 标准2带宽高自由空间光通信和光纤通信一样具有频带高的优势FSO 支持155Mbits-10Gbits 的传输速率传输距离在2-4公里之间在点到多点的组网方式中FSO 同样能支持 155Mbits-10Gbits 的传输速率但传输距离为1-2公里如果采用格形的组网方式则可支持622 Mbits 的传输速率传输距离为200-400米3协议完全透明3空间激光通信系统的设计与研究 FSO 以光为传输媒介任何传输协议均可容易地叠加上去对语音数据图像等业务可以做到透明传送而且完全支持通信上现行的 SDHATM TCP IP等各种协议4成本低廉由于以大气为传输媒质免去了昂贵的光纤敷设和维护工作有资料表明FSO 系统的造价仅为光纤系统造价的五分之一左右5快速链路部署因为不需要埋设光纤和等待各种手续上的问题FSO 可以在几天内完成连接FSO 的无线接收器大小如同一部保安摄像机可以轻而易举地安装在屋顶屋内甚至窗外6安全保密性能强FSO 的波束很窄定向性非常好非可视光夜间也无法发现因此无法探测到链路的位置更不存在窃听的可能性并且用户到集线器之间的链路通常是加密的安全保密性较强7全天候工作FSO 全天候工作的可靠率达99999％远远高于国际规定的通信系统年可靠率95％8便携性由于发射机和接收端设备小巧轻便便于携带当公司或临时驻军时无需重新安装光纤从而节约成本空间激光通信与无线电通信和光纤通信做一个对比如表11所示从表11可以看出空间激光通信较无线电通信和光纤通信具有巨大的优势一系列优点正受到电信运营商越来越多的关注与青睐表11 三种通信的比较通信方法带宽频率许可成本机动性天线尺寸保密性无线电通信小需要高一般大差光纤通信小不需要很高差好空间激光通信大不需要低好小好com FSO 的缺点自由空间光通信系统FSO 是一种新型的无线宽带接入方式它是在空气中用激光或光脉冲在THz光谱范围内传送分组数据的通信系统激光的定向性虽然很好但波束还是随传输距离的增加而慢慢变宽超过一定距离后就难以被正4空间激光通信系统的设计与研究确接收目前测试表明FSO 系统在1公里以下才能获得最佳的效率和质量另外由于波束的传输不能受到阻挡飞鸟也会对 FSO 产生影响另一个主要问题是 FSO 的传输质量对天气非常敏感因为激光光波的波长与雨雪或雾气的水微粒的直径差不多光波易被水气吸收因此晴天对传输质量的影响最小而雨雪和雾对传输质量的影响则较大据测试 FSO 受天气影响的衰减经验值分别为晴天5-15dBKm雨天20-50dBKm 雪天为 50-150dBKm雾天为50-300dBKm 国外为解决这个问题一般会采用高功率的激光器二极管更先进的光学器件和多光束来解决影响 FSO 性能指标的另外两个因素是大风和地震风力和大气温度的梯度变化会产生气穴气穴密度的变化将带来光折射率的变化这会造成光束强度的瞬时突变即所谓的闪光严重影响 FSO 的通信传输质量同时由于FSO 系统的收发设备一般都安装在高楼之上因此大风引起的建筑物的晃动或地震也会造成光路的偏移目前已有偏光法和动态跟踪法两种手段可以解决这一问题激光的安全问题也会影响其使用超过一定功率电平的激光有可能对人眼产生影响人体也可能被激光系统释放的能量伤害[23]13 FSO 的发展现状在地面无线光通信方面1998 年 2 月朗讯公司制造了一套 10Gbs 的无线光通信实验系统由于在大气中传输通信性能受通信距离气候条件等因素限制由于大气的吸收与散射通信距离达到5km 已经算相当长了如果大于5km要提高探测器的灵敏度保持光束的准直性同时要考虑建筑物的热胀冷缩影响光束的准直性AstroTerra 公司在该系统中加入自动跟踪系统以修正建筑物的影响采用内置相机获得方向的变化量反馈给电子执行单元以保持光束的准直性1998 年 8 月两公司对无线光通信系统的原型机进行了测试链路距离25km 数据率 25Gbs是无线光通信系统新的最高记录并于2000年夏季推出4波长波分复用10Gbs 传输距离达5km 的商用系统在星际光通信系统方面美国是最早进行星际光通信研究的国家从 80 年代中期到 1994 年间美国空军支持麻省理工学院林肯实验室建起了高速星间激光通信实验装置 LITE Laser InterSatellite Transmission Experiment 该实验采用了30mW 半导体激光器8英寸口径的望远系统数据率为220Mbs 模拟星际间通信距离达4万公里另外由弹道导弹防御组织与空间和导弹防御司令部共同资助的 STRV2 星地激光通信计划的两个地面实验终端已加工装配成功计划在5空间激光通信系统的设计与研究低轨道卫星与固定地面站间建立光链路斜距达2000km 数据率达1Gbs欧洲方面欧洲空间局为连接低轨道星与同步轨道星进行了轨道间激光通信实验已经制造好两个卫星终端设备一个名为PASTEL 终端已经搭载在法国地球观测卫星 SPOT4 1998年3月22 日发射成功上是第一个在轨光学终端另一个名为 OPALE 终端搭载在欧洲先进数据中继技术卫星 ARTEMIS 上2000年第一季度发射 OPALE 终端采用的波长为800-850nm 通信光功率不超过60mW 信标捕获与链路建立过程中信标光功率小于500mW日本从 80 年代中期就开始星间激光通信的研究工作主要有邮政省的通信研究实验室 CRL 高级长途通信研究所 ATR 的光学及无线电研究室进行此方面的研究工作ATR 主要对光束控制调制等关键技术进行研究和论证并建立了一套自由空间模拟装置进行地面模拟实验CRL 主要进行地面站与工程实验卫星 ETSⅥ之间的激光通信实验以试验星间链路要求的几种基本功能如高精度跟踪双向链路光通信高精度高度测量等并于 1995 年 7 月成功地进行了ETSⅥ与地面站间的光通信实验这是世界上首次成功进行的星地间激光通信实验该实验的成功证明了星地间激光链路的可行性[4]14 FSO 的发展趋势与展望随着通信需求和设备技术的进步在卫星链路中空间光通信系统已开始进入实用化研究阶段从文献报道可以看到近年来几个发展趋势和特点空间激光通信技术的可行性问题已经解决虽然至今尚未真正实现星际间正式通信但是原先顾虑的发射功率小接收灵敏度低捕获瞄准要求高热和机械稳定性要求高等关键技术近几年已取得明显进展相信不久的将来激光通信将取代微波通信成为星际间通信的主要手段空间激光通信已开始向民用方向发展它的商业应用价值已被看好有人甚至提出激光通信在性能价格比上可以同海底光缆通信开展竞争空间激光通信系统原来多采用800nm波段光源这是由于此波段的激光器接收器体积小重量轻效率高比较成熟有成品同时该波段的窄线宽滤波器也有比较成熟的铯原子滤波器近年来各国纷纷把光纤通信的成熟技术和器件引入卫星激光通信相应地工作波段也向1550nm波段发展波分复用技术也已经应用于空间激光通信90年代以来国外的空间激光通信研究已从概念和部件技术研究转入系统研究阶段目前将进入应用性能测试阶段在地面空间光通信的应用中它将作为一个主要的手段进入本地宽带接入市场特别是通常没有光纤连接的中小企业保守地估算这一市场到2005年将增6空间激光通信系统的设计与研究长到几亿或十几亿美元也有人预测能达到20亿现在普遍认为一二年内这一技术就会形成有规模的市场无线电系统和光无线系统在许多方面可互为补充光无线系统能提供小区域的高速连接而无线电系统能提供大区域内低速通信各种系统的无缝连接将能使用户得到更方便的服务比如在办公楼的办公桌附近用户用便携式电脑通过10Mbs的光无绳系统或IrDA系统接入网络当他在办公楼里漫游时他的电脑通过40kbs的楼内微波链路继续与网络连接而当离开办公楼时则转用GSM网提供的96kbs的链路进行通信另外微波系统还可作为光无线系统的备用设备以克服空间光通信受天气因素影响大的缺点当天气情况过于恶劣以至无法进行光通信时自动启动微波通信系统大大提高了空间光通信系统的可靠性[25]7空间激光通信系统的设计与研究第二章空间激光通信系统本章将讨论空间激光通信系统的分类发射机和接收机的组成及原理并简要地介绍空间激光通信影响信道的因素及解决方案21 激光通信系统的分类激光通信系统可分为模拟激光通信系统和数字激光通信系统两大类com 模拟激光通信系统在通信距离不太长容量不太大的自由空间通信系统中传输模拟信号将显得更经济合理应为首选方案在直接强度调制方式中最重要的技术指标之一是系统的线性度虽然半导体激光器LD在许多方面的特性都要优于发光二极管LED 但线性和温度稳定性都要比发光二极管LED差很多并且光电转换时噪声大故在一些要求稍高的应用场合很少采用模拟通信系统数字通信系统正逐渐取代模拟通信系统com 数字激光通信系统高速远距离强干扰的空间激光通信广泛采用数字激光通信系统这类系统抗干扰性强噪声累积少传输质量高通信距离长与计算机联用方便但设备及技术较为复杂光信号远距离传输会产生极大的能量损失接收的信号往往非常微弱同时背景光太阳月亮星体等也会产生很强的干扰大大增强了光信号接收难度在远距离强干扰情况下需要动态捕获瞄准跟踪 Acquisition Pointing Tracking APT 技术空间光通信中ATP APT 以保持光发送接收终端精确定向因此APT系统是数字光通信成功的关键22 光发射机com 光发射机的基本组成光发射机分为模拟光发射机和数字光发射机数字光发射机主要由线路编码电路输入电路驱动电路光源调制器自动光功率控制APC 自动温度控制ATC 光源保护电路发射天线等部分组成如图21所示模拟光发射机无编码电路两种光发射机的核心都是光源和驱动电路8空间激光通信系统的设计与研究图21 光发射机原理框图com 光发射机的工作原理光发射机的功能是将输入的电信号加载到光源的发射光束上变成光信号发射到自由空间进行传输简言之光发射机就是进行EO变换对于数字光发射机而言模拟电信号经过采样量化编码转化为二进制数字信号输入电路将来自电端机的PCM脉冲信号进行整形变成NRZRZ码若采用内调制则由输入电信号来调制发光器件的正向注入电流从而调制发出的光强完成电信息向光信息的转换若采用外调制则利用晶体的电光效应磁光效应和声光效应等性质制成的调制器对光源发出的连续光波进行调制发射的激光信号反映经编码处理后的电信号变化情况最后经过精密光学发射天线变换为发散角很小的已调光束向空间发射出去对于模拟光发射机而言发送端基本采用内调制用模拟信号对光源直接进行强度调制使激光器输出功率按模拟调制信号变化故无需编码电路相对数字电路简单得多但模拟光发射机对激光的线性要求非常高否则失真较大com 光发射机的辅助功能1APC 电路APC 电路使输出光信号的功率稳定而不随外界条件变化当LD 的输出光功率因环境温度变化或LD芯片退化时LD输出光功率都会发生变化通过设置在LD背出光面的监视二极管一般采用PIN-PD 监视LD 的光输出功率并将监视光电二极管的输出反馈给驱动电路当光输出功率下降时驱动电流增加当光输出功率增加时驱动电流下降始终使LD保持恒定的输出光功率2ATC 电路ATC 电路使发光器件工作温度恒定ATC和热敏电阻相接其作用是保持LD9空间激光通信系统的设计与研究组件内恒定的温度以保证激光参数稳定性当组件内因LD过热而升温或因环境温度变化时位于组件管壳内的热敏电阻随温度变化而改变其电阻值通过电阻值变化控制具有双向输出的温控装置ATC 的电流大小和极性并通过TEC 能迅速地达到并维持LD 的恒定工作温度当组件管壳温度大于设定值时TEC 加正偏置制冷过程发生当组件管壳温度小于设定值时TEC加负偏置加热过程发生3光源保护电路光源保护电路保护光源在瞬态过流过压冲击过流过热工作时避免受到损坏提高其使用寿命4光学发射天线光学天线是一个透镜系统把已调制光源的输出信号汇集成传输光束对。
激光通信介绍
背景六十年代激光出现以来，光学和整个现代科学的面貌都焕然一新，激光以其突出的高度相干性、高亮度、方向性好、极小的发散角、功率集中等优异特点广泛应用于各个邻域中。
空间激光通信是指利用激光束作载波在陆地或外太空直接进行语音、数据、图像信息双向传送的一种技术。
与微波通信相比，激光通信具有以下显著的优势：激光波长短，通信容量显著增大；较小的发射功率需求；较小的收发天线和系统结构；各通信链路间的电磁干扰小；由于通信激光束发散角很小，保密性强，这一点对军事应用十分重要。
研究现状主要研究单位有：NASA的喷气推进实验室、美国空军部、林肯实验室、欧空局、日本邮政通信室、宇宙开发事业团。
国内目前主要研究单位有哈尔滨工业大学、北京大学、电子科技大学、长春理工大学、上海光机所、武汉大学及空间技术研究院504所等。
关键技术：激光及高码率调制技术、光学准直技术、高增益光学收发天线、高灵敏度光信号接收技术、快速精确的APT（捕获、瞄准、跟踪）技术、大气信道技术。
自由空间光通信原理：最初的无线激光通信系统和无线电系统在结构上基本相同。
信号通过调制器加载到光波上，通过光学天线将发散角极小的光束向发射出去。
接收端的光学天线捕获到经调制的光波后，首先经过光探测器件将光信号转换为电信号，然后由解码器解调作加载的信号。
其中激光器类似于无线电通信中的射频发生器。
发射端和接收端的收发光学天线相当于无线电收发电线。
所不同的仅仅是激光通信使用光波作为信息的载波。
光学天线其实就是光学望远镜，只是尺寸有明显的减小。
一、光空间通信技术（FSO）自由空间光通信或称无线光通信（FSO：Free Space Optical Communication）是一种宽带接入方式。
FSO是光通信和无线通信结合的产物，是用小功率红外激光束在大气中传送光信号的通信系统，也可以理解为是以大气为介质的激光通信系统。
FSO有两种工作波长：850纳米和1550纳米。
850纳米的设备相对便宜，一般应用在传输距离不太远的场合。
自由空间激光通信技术综述
自由空间激光通信技术综述自由空间激光通信技术综述高雪松张晓娜来源：光波通信自由空间激光通信技术综述空间激光通信系统是指以激光光波作为载波，大气作为传输介质的光通信系统。
自由空间激光通信结合了光纤通信与微波通信的优势，既具有大通信容量、高速传输的优势，又不需要铺设光纤，因此各技术强国在空间激光通信领域投入大量人力物力，并取得了专门大进展。
传输原理大气传输激光通信系统是由两台激光通信机组成的通信系统，它们彼此向对方发射被调制的激光脉冲信号（声音或数据），接收并解调来自对方的激光脉冲信号，实现双工通信。
图1所示的是一台激光通信机的原理框图。
图中系统可传递语音和进行运算机间数据通信。
受调制的信号通过功率驱动电路使激光器发光，从而使载有语音信号的激光通过光学天线发射出去。
另一端的激光通信机通过光学天线将搜集到的光信号聚到光电探测器上，然后将这一光信号转换成电信号，再将信号放大，用阈值探测方式检出有效信号，再通过解调电路滤去基频分量和高频分量，还原出语音信号，最后通过功放经耳机接收，完成语音通信。
当开关Ｋ掷向下时，可传递数据，进行运算机间通信，这相当于一个数字通信系统。
它由运算机、接口电路、调制解调器、大气传输信道等几部份组成。
接口电路将运算机与调制解调器连接起来，使二者能同步、和谐工作；调制器把二进制脉冲变换成或调制成适宜在信道上传输的波形，其目的是在不改变传输结果的条件下，尽可能减少激光器的发射总功率；解调是调制的逆进程，把接收到的已调制信号进行反变换，恢复出原数字信号将其送到接口电路；同步系统是数字通信系统中的重要组成部份之一，其作用是使通信系统的收、发端有统一的时刻标准，步伐一致。
图1激光通信原理图关键技术分析高功率激光器的选择激光器用于产生激光信号，并形成光束射向空间。
激光器的好坏直接阻碍通信质量及通信距离，对系统整体性能阻碍专门大，因此对它的选择十分重要。
空间光通信具有传输距离长，空间损耗大的特点，因此要求光发射系统中的激光器输出功率大，调制速度高。
空间激光通信的原理
空间激光通信的原理空间激光通信，也被称为激光空间通信，是一种新兴的通信技术，它利用激光作为信息载体，通过大气作为传输媒介，实现空间信息的传输和交换。
本文将详细介绍空间激光通信的原理、系统组成、技术特点和应用前景。
一、原理概述激光是一种高亮度、方向性强、单色性好、相干性强、能量高的光辐射。
空间激光通信正是利用激光的这些特性，通过大气作为传输媒介，实现信息的传输和交换。
在空间激光通信中，发送端将信息调制在激光上，通过光学发射天线发射出去。
激光在传输过程中，经过大气层中的分子散射、吸收、再发射等过程，最终到达接收端。
接收端通过光学接收天线接收激光，再经过光电转换，最终还原成原始信息。
二、系统组成空间激光通信系统主要由激光发射器、光学发射天线、信息调制器、通信卫星或地面站、光学接收天线、光电转换器以及信息解调器等部分组成。
1. 激光发射器：用于产生高亮度的激光，并对其进行调制。
2. 光学发射天线：用于将激光发送到空间中，并收集回波信号。
3. 通信卫星或地面站：用于接收激光信号，并将其转换为电信号，同时将电信号调制为中频信号或射频信号，发送给地面网络。
4. 光学接收天线：用于接收激光信号，并将其转换为光信号或电信号。
5. 光电转换器：用于将光信号转换为电信号，以便进行信息处理。
6. 信息解调器：用于将已调制的电信号还原为原始信息。
三、技术特点空间激光通信具有以下技术特点：1. 高速率：由于激光具有极高的频率，因此空间激光通信可以实现高速数据传输。
2. 远距离：由于激光在大气中的传输距离远大于微波，因此空间激光通信可以实现远距离通信。
3. 低误码率：激光在大气中的传输受大气扰动的影响较小，因此空间激光通信具有较低的误码率。
4. 高安全性：空间激光通信由于使用非电磁辐射，因此不会对电磁环境造成干扰，具有较高的安全性。
5. 可视化程度高：空间激光通信可以实现可视化通信，即实时监测通信链路的状态和性能。
四、应用前景空间激光通信具有广阔的应用前景，主要包括以下几个方面：1. 高速数据传输：空间激光通信可以应用于卫星通信、宽带接入等领域，实现高速数据传输。
星间激光通信若干关键技术研究
2、激光信号的调制与解调
调制和解调是激光通信系统中两个关键环节。调制技术主要负责对数据信号进 行处理，使其能够被激光束所承载。而解调技术则是将调制后的激光信号还原 为原始的数据信号。目前，常用的调制解调技术包括脉冲位置调制（PPM）、 脉冲间隔调制（PIM）、二进制相位偏移键控（BPSK）等。不同的调制解调技 术具有不同的优劣性，需要根据实际应用场景进行选择。
总之，星间星内无线通信技术是空间探索中的重要一环。在未来，我们需要不 断进行研究和试验，发展出更加先进、可靠的通信技术，以提升空间探索的效 率和安全性。
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2、量子通信
量子通信是一种利用量子力学原理进行信息传递的通信方式。它具有高度的安 全性和防窃听能力，因此在军事、政治等领域具有广泛的应用前景。然而，由 于量子态的脆弱性和空间环境的干扰，量子通信在空间中的应用还需要进一步 的研究和试验。
四、未来展望
随着科技的不断发展，我们相信星间星内无线通信技术将会在未来发挥更加重 要的作用。除了上述的激光通信和量子通信之外，未来还可能出现更多的新型 通信技术。例如，基于纳米技术的微型卫星、基于的自动化通信系统等都可能 成为未来的研究热点。
3、激光通信链路的建立与优化
建立并优化激光通信链路是实现星间激光通信的另一个关键技术。激光通信链 路的建立需要考虑收发双方的相对位置、姿态控制精度、光学系统的指向精度 等因素。优化通信链路则需要对链路的误码率、传输速率、通信距离等性能进 行深入研究和实验，以找出最佳的系统参数。例如，对于卫星间的激光通信， 需要考虑地球的自转、公转以及太阳光等多种干扰因素的影响，从而建立稳定 的激光通信链路。
空间激光通信
空间激光通信研究现状空间激光通信相对射频通信有着速率高、容量大等许多优点,从上世纪80年代起,各国就陆续开展了对空间激光通信的研究。
目前,各国激光通信的调制方式主要分为PPM、PSK与OOK三种,本文按照调制方式对各国的空间激光通信研究现状进行描述。
1,PPM欧洲的SILEX项目、OPTEL项目与美国的LLCD项目、LCRD项目、MLCD项目使用或部分使用PPM调制方式。
1、1,LLCD项目[1~3]LLCD就是美国NASA2013年开始实行的一个项目,该项目建了两个探测器,月球环境探测器LLST与地面站LLGT,LLST与LLGT的通信距离距离在35000~400000km之间。
如图1(1)所示,地面站LLGT重达7吨,有4个15cm发射镜头与4个40cm接收镜头组成。
LLGT的发射机使用的调制方式为4-PPM,每4个数据时隙后跟有12个或者28个静默时隙,发射激光器的波长就是1550nm,通过4个发射镜头实现4路时分复用,信号发射前经过一个10W光放大器放大,传输速率为10/20Mbps,这个速度就是目前地月RF通信的5000倍。
为降低误码率采用了turbo码作为信道编码,码率为1/2,实现了0误码。
4路接收镜头阵列有效提高了接收信号强度,接收机就是4个超导单光子计数探测器(工作在3K温度上),接收灵敏度极高,如图1(2)所示,能够提供高速光子计数测量[1]。
月球探测器LLST由光学模块、调制解调器、电子控制器三个模块组成[2],质量30kg。
光学模块由一个10cm镜头的镜头组成,完成发射与接收光信号的功能,光学模块安装在一个二轴平衡台上,台上有粗瞄准与捕获探测器,该模块能够测试飞船的振动并进行补偿,实现对地面站的瞄准与捕获,光学模块通过光纤耦合到调制解调模块上。
调制解调模块的主要功能就是调制与解调光信号,如图2所示,模块内置了311MHz低噪声时钟(经VCO可倍频至5GHz),解调模块前置了一个0、5W的放大器,对接收光信号进行放大,光信号进入后一部分经PLL使时钟频率同步,一部分进入解调器,解调器的时隙时钟由频率同步后的时钟提供(不需要额外的时隙同步),FPGA的主要作用就是上行链路帧同步,下行链路产生帧信号发送出去[3]。
空间相干激光通信技术
空间相干激光通信技术空间相干激光通信技术是一种利用激光在空间中传输信息的新兴通信技术。
它不仅具有高速、大容量的特点，还能实现高质量的通信信号传输。
本文将详细介绍空间相干激光通信技术的原理、应用以及发展前景。
一、空间相干激光通信技术原理空间相干激光通信技术利用激光的高直观性和低发散度特点，通过激光器将信息转换为光信号进行传输。
与传统的无线通信技术相比，空间相干激光通信技术具有更高的传输速率和更低的能量损耗。
同时，激光的窄束特性使得信号在传输过程中几乎不受干扰，能够实现高质量的通信信号传输。
1.卫星通信空间相干激光通信技术在卫星通信中有着广泛的应用。
传统的卫星通信主要依靠微波信号进行数据传输，但受限于频段资源的有限性，传输速率和容量都较低。
而空间相干激光通信技术可以实现高速、高容量的数据传输，可以大大提升卫星通信的效率和性能。
2.地面通信空间相干激光通信技术在地面通信中也有着广泛的应用。
传统的地面通信主要依靠光纤进行数据传输，但光纤的布设和维护成本较高，限制了其在一些特殊环境中的应用。
而空间相干激光通信技术可以实现无线传输，无需布设光纤，具有更高的灵活性和便捷性。
3.无人机通信空间相干激光通信技术在无人机通信中也有着重要的应用。
传统的无人机通信主要依靠无线电波进行数据传输，但无线电波易受到干扰和限制，传输距离和速率有限。
而空间相干激光通信技术可以实现高速、远距离的数据传输，可以提升无人机通信的可靠性和效率。
三、空间相干激光通信技术发展前景随着信息技术的快速发展，对通信技术的需求也越来越高。
空间相干激光通信技术作为一种新兴的通信技术，具有巨大的发展潜力。
目前，国内外已经开始加大对空间相干激光通信技术的研发和应用力度。
预计在不久的将来，空间相干激光通信技术将会得到更广泛的应用，并取得重要的突破。
总结：空间相干激光通信技术是一种利用激光在空间中传输信息的新兴通信技术。
它具有高速、大容量的特点，能够实现高质量的通信信号传输。
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空间激光通信研究现状空间激光通信相对射频通信有着速率高、容量大等许多优点，从上世纪80年代起，各国就陆续开展了对空间激光通信的研究。
目前，各国激光通信的调制方式主要分为PPM、PSK和OOK三种，本文按照调制方式对各国的空间激光通信研究现状进行描述。
1，PPM欧洲的SILEX项目、OPTEL项目和美国的LLCD项目、LCRD项目、MLCD项目使用或部分使用PPM调制方式。
1.1，LLCD项目[1~3]LLCD是美国NASA2013年开始实行的一个项目，该项目建了两个探测器，月球环境探测器LLST和地面站LLGT，LLST和LLGT的通信距离距离在35000~400000km之间。
如图1（1）所示，地面站LLGT重达7吨，有4个15cm发射镜头和4个40cm接收镜头组成。
LLGT的发射机使用的调制方式为4-PPM，每4个数据时隙后跟有12个或者28个静默时隙，发射激光器的波长是1550nm，通过4个发射镜头实现4路时分复用，信号发射前经过一个10W光放大器放大，传输速率为10/20Mbps，这个速度是目前地月RF通信的5000倍。
为降低误码率采用了turbo码作为信道编码，码率为1/2，实现了0误码。
4路接收镜头阵列有效提高了接收信号强度，接收机是4个超导单光子计数探测器（工作在3K温度上），接收灵敏度极高，如图1（2）所示，能够提供高速光子计数测量[1]。
月球探测器LLST由光学模块、调制解调器、电子控制器三个模块组成[2]，质量30kg。
光学模块由一个10cm镜头的镜头组成，完成发射和接收光信号的功能，光学模块安装在一个二轴平衡台上，台上有粗瞄准和捕获探测器，该模块能够测试飞船的振动并进行补偿，实现对地面站的瞄准和捕获，光学模块通过光纤耦合到调制解调模块上。
调制解调模块的主要功能是调制和解调光信号，如图2所示，模块内置了311MHz低噪声时钟（经VCO可倍频至5GHz），解调模块前置了一个0.5W的放大器，对接收光信号进行放大，光信号进入后一部分经PLL使时钟频率同步，一部分进入解调器，解调器的时隙时钟由频率同步后的时钟提供（不需要额外的时隙同步），FPGA的主要作用是上行链路帧同步，下行链路产生帧信号发送出去[3]。
电子控制器模块有一些控制算法功能包括稳定光模块等。
LLST的激光器功率仅为0.5W，波长为1550nm，使用的调制方式16-ppm，速率达到了40-622Mbps，使用turobo码信道编码，码率为1/2，速率为40/80/155/311Mbps时可做到0误码，速率622Mbps时误码率小于10^-5。
上行链路速度明显小于下行，一个原因是地面接收机没有体积质量等要求，灵敏度可以做的很高，另一个原因是大气信道具有不对称性，对上行链路的影响较大，使之误码率变高。
图1 （1）地面站LLGT （2）接收机在各个速率下的接收灵敏度图2 月球探测器LLST信号处理过程LLCD除了实现月地高速通信外，还实现了cm距离精度的测距功能[3]。
1.2，LCRD项目[4~5]2013美国NASA提出LCRD激光通信卫星中继项目（后面的数据都是预定的，还未实测），任务包括：高速地面和GEO双向通行；GND-GEO-GND中继实验；验证PPM适合深空通信和功率受限的小型星地通信，DPSK适合近地高速通信。
如图3所示，LCRD终端包括DPSK模块、PPM模块和光学控制模块[5]。
PPM模块与LLCD的PPM模块类似，下行将使用1/2码率串行级联16-PPM的turbo 码，上行4-PPM，使用硬判决方式，时钟、速率等和LLCD一样，调制模块使用的是MOPA 结构，CW激光器经马赫-曾德尔调制器调制后，再经二阶EDFA放大到0.5W平均功率发射。
接收机有前置放大器，后分三路，分别用以通信、时钟恢复、空间跟踪。
DPSK模块有着优越的噪声耐性，因而可以支持极高的速率，速率72Mbps~2.88Gbps(编码后1.25Gbps)，未来改进中有望支持10Gbps。
DPSK模块的调制过程与PPM模块的几乎一摸一样，但是DPSK功率要求高，受限于EDFA平均功率，DPSK模块只在小部分时间内发送脉冲[4]。
DPSK解调模块使用平衡接收和硬判决方式，与BPSK解调方式不同，DPSK不需要本地振荡器，只需要将一部分信号光延时后与原信号干涉即可。
地面站有两个，一个是LLCD项目中的LLGT地面站，可接收和发射PPM信号。
另一个是OCTL地面站，可接受和发射DPSK和PPM信号。
图3 卫星LCRD终端1.3，其他PPM项目2009美国NASA提出MLCD[6]（火星激光通信演示验证），如图4所示，火星到地球信道衰减较大，因此将使用PPM调制方式，计划实现1~100Mbps深空高数据远程通信，卫星上用直径30.5cm天线，采用CCD成像接收，发射用MOPA结构。
地面采用直径1m 光学天线，4路复用，或者6路直径30cm天线，波长1060nm。
图4 太阳系信道衰减图SILEX[7~8]是2001年法国在GEO和LEO卫星进行的通信实验，通信距离4000km，调制方式为PPM，速率为50Mbps，误码率为10^-6。
OPTEL[9]是瑞士的一个激光通信项目，短距离到长距离多个卫星终端2000~80000km，速率在1.5~2.5Gbps之间。
OPTEL-25终端：LEO-LEO，调制方式为BPSK，信号光波长1064nm功率1.25W，使用信标光瞄准捕获，信标光波长808nm。
OPTEL-u终端，星地通信卫星，下行2X1.25Gbps，调制方式OOK，可切换至8-ppm，上行调制方式为16-PPM。
2，OOK早期的项目使用的一般是OOK，日本的LUCE、欧洲的OPTEL、美国的OPLAS使用或者部分使用OOK调制方式。
2.1，OPALS项目[10~13]OPALS项目是美国JPL（喷气动力实验室）2014年实施的空间站与地面站激光通信实验，考虑到价格和风险等因素，OPALS的终端没有使用最先进的激光通信科技，终端结构如图5所示。
OPALS的主要作用是获得大气干扰数据，测试连接可靠性，测试开环瞄准捕获跟踪的性能。
OPALS为单向通信链路，下行主要参数有：调制方式为OOK，速率30~50Mbps，误码率10^-4，通信波长1550nm，平均功率2.5W，传输距离700km。
OPALS的瞄准系统和光学镜头安装在2轴平衡架上，上面装有等步进马达，能够调节110°X40°范围的发射角度。
光学模块上有一个976nm感光相机用以捕获和跟踪地面信标光，还有一个瞄准仪用来发射信号光。
地面站OGTL光学镜头用以发射976nm信标光和接收1550nm信号光。
标激光波长976nm，功率5W，光束角度1.7mrad。
地面站和空间站通过RF通信来分析激光通信的性能。
图5 OPALS终端2.2，其他OOK项目LUCE[14~15]（前身是第一个星地激光通信终端LCE,1995,LEO-GND，速度1.04Mbps ）是日本和欧洲早期进行的一个激光通信实验项目。
实验结果如下：（1）2005日本和欧洲进行了GEO-LEO通信实验，通信距离48000km，发射波长847nm，接收波长819nm，调制方式为OOK，接收速率为2.048Mbps，发射速率50Mbps，误码率达10^-7。
（2）2006年日本进行GEO-GND通信实验，在OICETS卫星与NICT地面站间进行激光通信，发射波长847nm，接收波长819nm，调制方式为OOK，上行速率为2.048Mbps，下行速率为50Mbps，误码率10^-7。
3，PSK欧洲的LCTSX、EDRS和美国的LCRD使用或者部分使用PSK调制方式。
3.1，LCTSX项目和EDRS项目[16~18]2008年欧洲开始实施LCTSX项目及后续的EDRS项目(2014)。
LCTSX项目欧洲做了三个LCT终端，两个在卫星站，一个在地面站。
LCTSX的LCT终端总功率120W（光传输功率0.7W），镜头镜头125mm，体积0.5mX0.5mX0.6m。
发射机由LD泵浦源和Nd：YAG MISER激光器组成，LD泵浦源模块包括两个LD阵列，一个使用一个备用，每个阵列有多个LD，目的是提高发射机的使用寿命。
如图6（1）所示是LCT调制解调原理图，种子光经相位调制器将电信号调制到光上，经光放大器发射到信道上。
接收机是基于光学costas锁相的BPSK零差解调系统，是灵敏度最高的接收系统。
光学锁相环需解决多普勒频移等因素，使接收信号与本振同频，再使用本振和接收信号光干涉，拍出RF信号，再经滤波得到RF信号。
从原理图还可以看出这些通信用光信号的另一个作用是瞄准。
考虑到GEO-GND实验距离更远，光衰减更大，EDRS项目的LCT终端和LCTSX的LCT终端有些不同，LCT终端总功率160W（光功率 2.2W），镜头135mm，大小0.6mX0.6mX0.7m。
EDRS的GEO-GND链路目前先使用RF通信，因为LCT终端镜头大小适应LEO，对于GEO来说太小，后续将改为激光通信。
相比LCTSX，EDRS提高的是通信时间和实用性。
实验结果如下：（1）LEO-LEO实验：TerraSAR-X卫星与NFIRE卫星；二相相移键控/零差相干解调，调制方式BPSK，波长1064nm，距离1000~5100km，速率5.625Gbps （24个信道），误码率小于10^-7。
(2)LEO-GND-LEO中继实验：距离1000km，上行误码率10^-5，下行零误码，卫星接收后解调，再调制发射，其他数据同上。
GEO-LEO实验（欧洲EDRS项目，2014年）：Sentinel1卫星与Alphasat卫星。
设计距离45000km，调制方式BPSK，速率1.8Gbps，误码率10^-8，LCTSX的LCT终端使用PAT(瞄准，捕获，跟踪)建立通信，具体步骤如图6（2）所示。
OPTEL等项目的瞄准捕获系统是通过使用与通信波长不同波长的广角信标激光实现的，与这些项目不同，LCT没有使用广角信标激光。
如图6（2）所示，卫星上有星历表，先通过星历表计算轨道，用以粗瞄准，然后LCT的通信用激光器进行空间捕获，捕获成功后再进行外差追踪，对其频率捕获，通过光学costas锁相环进行锁相，使本地振荡器与信号光同频，实现零差追踪，最后通过零差解调系统实现通信功能。
图6 （1）LCT的调制解调系统（2）PAT系统3.2，其他PSK项目LCRD和OPTEL-u后续将使用DPSK调制方式。
如图7所示，从星座图可以看出，PSK的平衡接收机灵敏度相对OOK有3dB优势，同时文献中也提到归零码优于不归零码[19]。
而上面提到过，DPSK相对BPSK不需要本地振荡器，也就不需要光锁相环等结构，解调模块简单。