淺談無線光通信技術(shù)的發(fā)展

摘要：現(xiàn)如今，人們的生活伴隨著信息化的發(fā)展而日新月異，在光通信方面，人們對傳輸?shù)乃俣鹊囊笥鷣碛?，高速率?shù)據(jù)的使用量更是在大幅度的增加。正是由于光纖通訊的這一特點，使之成為了廣域通信網(wǎng)中的中堅力量。在當(dāng)今社會的廣域通信網(wǎng)絡(luò)中，約八成以上的信息是通過光纖通信來傳遞的。從這些信息來看，光纖通信百利而無一害。但是凡事有利必有弊，從光纖網(wǎng)絡(luò)到用戶之間的門戶地區(qū)，假如架設(shè)光纜將產(chǎn)生巨大的浪費且費時費力。那該如何是好呢？筆者將通過無線光纖通信技術(shù)的實施來解決這個問題。

關(guān)鍵詞：FSO技術(shù)；光纖；成本節(jié)約

光通信分為有限光通信和無線光通信兩種，有線光通信即光纖通信，已經(jīng)成為廣域網(wǎng)，城域網(wǎng)的主要傳輸方式之一。無線光通信又稱為自由空間光通信。（FSOfreespaceopticalcommunication）。FSO技術(shù)以激光為載體，用點對點或者點對多點的方式來實現(xiàn)連接。

一、無線光通信的簡介。

光通信的出現(xiàn)其實比無線電通信還要早一些。波波夫發(fā)送與接收第一封無線電報是在1896年。但是已發(fā)明電話而著名的，家喻戶曉的貝爾，在1876年發(fā)明電話之后，就想到了利用光來通電話的問題。1880年，他利用太陽光作為光源，用硒晶體（為一種鏈狀自然金屬單質(zhì)礦物、三方晶系，空間群為93.21，晶體沿Z軸延長呈針狀、柱狀、灰色、條痕紅色，解理平行三組完全，晶體易彎曲，具撓性。莫氏硬度2.25～3。密度4.8克/立方厘米，為硒化物的風(fēng)化產(chǎn)物，由硒鉛礦變來，常與褐鐵礦共生。）作為光的接收器件，成功的完成了光電話的試驗。而通話的最長距離已經(jīng)達到了213米。在筆者看來，在貝爾畢生的發(fā)明中，光電話應(yīng)該當(dāng)之無愧為最偉大的發(fā)明。

無線光通信的系統(tǒng)組成可如圖所示

如圖可以看出，一個無線光通信系統(tǒng)包括三個基本的組成部分，發(fā)射機，信道和接收機。FSO系統(tǒng)的傳播介質(zhì)是大氣，它是憑借大氣進行光的信號傳播。所以，只要在發(fā)射機和接收機之間存在足夠的光發(fā)射功率，并且存在無遮擋的視距路徑，就可以完成FSO的通信了。

對于一個無線光通信的系統(tǒng)來說，最經(jīng)常使用的光學(xué)波長為近紅外光譜—850nm，如若要支持更大的系統(tǒng)功率的話，也可以使用紅外光譜—1500nm的波長。在FSO點對點的傳輸過程中，發(fā)射機和接收機的設(shè)置都是雙向的，即每一端都可發(fā)射光信號和接受光信號。以便于實現(xiàn)雙邊通信。而FSO所采用基本技術(shù)則是光電的轉(zhuǎn)換（photovoltaicconversion），光電轉(zhuǎn)換過程的原理是光子將能量傳遞給電子使其運動從而形成電流。這一過程有兩種解決途徑，最常見的一種是使用以硅為主要材料的固體裝置，另一種則是使用光敏染料分子來捕獲光子的能量。染料分子吸收光子能量后將使半導(dǎo)體中的帶負電的電子和帶正電的空穴分離。

二、FSO系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)。

FSO的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：高功率激光光源技術(shù)，光收發(fā)天線和精密可靠的光束控制技術(shù)，大氣信道的研究，高靈敏度的信號探測和處理技術(shù)，高精度的捕獲、跟蹤和瞄準（ATP）技術(shù)等。

高功率激光器的選擇是FSO技術(shù)中十分重要的一環(huán)，激光器是用來產(chǎn)生激光信號，并形成光束射向空間。激光器的好壞直對通信質(zhì)量及通信距離有著十分重要的影響，對系統(tǒng)整體性能影響更大，因而對它的選擇是一個重點?？臻g光通信的傳輸距離長，空間損耗大，因此激光器輸出功率大，調(diào)制速率高是對光發(fā)射器的一個重要要求。

一般用于空間通信的激光器有三類，其中的.二氧化碳激光器。，輸出功率最大（>10kw），輸出波長有10.6m、9.6m，但缺點是體積較大，壽命較短，因為它只適合于衛(wèi)星與地面間的通信而不適合FSO系統(tǒng)的運用。

快速、精確的捕獲、跟蹤和瞄準（ATP）技術(shù)，是保證實現(xiàn)空間遠距離光通信的必要核心技術(shù)。該系統(tǒng)的組成包括兩個部分：捕獲（粗跟蹤）系統(tǒng)?！八容^適合在較為寬廣的范圍內(nèi)捕獲目標，捕獲范圍約達±1°～±20°或更大。通常采用CCD陣列來實現(xiàn)，并常與帶通光濾波器、信號實時處理的伺服執(zhí)行機構(gòu)共同完成粗跟蹤，即目標的捕獲。捕獲的視場角為幾mrad，靈敏度約為10pW，跟蹤精度為幾十mrad；”跟蹤、瞄準（精跟蹤）系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在最終完成目標捕獲后，對相應(yīng)目標進行瞄準和實時跟蹤。通常采用四象限紅外探測器（QD）或Q-APD高靈敏度位置傳感器來實現(xiàn)，并配以相應(yīng)伺服控制系統(tǒng)。精跟蹤要求視場角為幾百祌ad，跟蹤精度為幾rad，跟蹤靈敏度大約為幾nW。

大氣信道：對于大氣對激光通信信號的干擾的分析比比較有局限性，目前僅存在于大氣的吸收和散射等，很少涉及到大氣湍流所引起的一系列問題比如閃爍、光束漂移、擴展以及大氣色散等。其實這些因素都直接影響著接收端信號的信噪比，進而影響系統(tǒng)的誤碼率和通信距離、通信帶寬。因此，筆者認為有必要在這方面進行更加深入的探討，并合理提出以上問題的解決方案。例如，采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)就是一個非常不錯的研究方向。

三、FSO系統(tǒng)的優(yōu)點與不足。

FSO系統(tǒng)是不需要向無線管理委員會申請頻率執(zhí)照的，所有比其他的技術(shù)都要便捷很多，而且該系統(tǒng)所使用的機型小巧，容易架設(shè)。能夠很便捷的解決寬帶接入的問題，不失為一種省錢省時省力的好方法。

1.FSO系統(tǒng)的頻帶很寬，速率很高。這是由于FSO系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)與其他的不同，它是以空氣為傳輸介質(zhì)的，所以所產(chǎn)生的阻礙會相對于光纖傳輸會更小，在相同的帶寬之下，有著更大的優(yōu)勢。

2.FSO系統(tǒng)適合多種通信協(xié)議，在之前的通信系統(tǒng)中，一個普遍的比較麻煩的問題就是依賴與某種協(xié)議，但是FSO系統(tǒng)完全突破了這一限制，在現(xiàn)今通用的通信網(wǎng)絡(luò)中，比如以太網(wǎng)，ATM等，都支持FSO的傳輸速率。

因此又節(jié)約了一大批的資源成本。

3.FSO系統(tǒng)的搭建相當(dāng)方便，不論是在江河海灘上，還是辦公大樓，屋頂上均能方便的架設(shè)，除了能實行地面架設(shè)以外，更不可思議的是可以直接進行空間架設(shè)。并且架設(shè)時間相當(dāng)短，一般幾個小時之內(nèi)便可以完成，大大節(jié)約了人力資源成本。

4.FSO系統(tǒng)的安全性能高，由于該系統(tǒng)具有非常窄的波束以及良好的方向性，因此很難以被干擾或者竊聽。同時，相對于價格昂貴的光纖網(wǎng)絡(luò)來說，F(xiàn)SO系統(tǒng)的成本很低，大概只有光纖系統(tǒng)的百分之二十的成本。

此外，F(xiàn)SO系統(tǒng)在很多方面都可以得到合理的運用，比如可以用于軍事設(shè)施或者國家保密部門的內(nèi)部系統(tǒng)，用于施工難度高，技術(shù)難度大的省市或者邊遠地區(qū)，還可以作為防止光纖通信服務(wù)以外中斷的后備計劃，以及用于公司內(nèi)部，家庭內(nèi)部的局域網(wǎng)的連接。

當(dāng)然，任何的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)都是有自身的缺點和不足的，F(xiàn)SO作為一種通信技術(shù)，自然界對其影響還是很大的。因為激光對位置的精準度要求很高，如果由于大自然的風(fēng)，雨，雷等原因而造成了激光發(fā)射器或者接收器位置的稍微偏離，便會影響光信號的對準與接收。除了惡劣的天氣，空氣質(zhì)量也是影響其工作的因素之一，空氣中的散射粒子同樣的會使發(fā)出的光信號產(chǎn)生偏差，所以FSO系統(tǒng)對于空氣質(zhì)量也是有一定的要求的。

由于FSO系統(tǒng)多半是用于短距離的傳輸，因此長距離傳輸也就成為了它的弱點。這使得該系統(tǒng)的運用范圍變得很窄。同時，由于是采用激光技術(shù)，對人體的安全也是不容忽視的因素之一。

中國的FSO技術(shù)引進時間比較晚，所以無線光技術(shù)到目前為止仍然處于研究起步的階段，尚未投入到大規(guī)模的使用和生產(chǎn)。少數(shù)的幾家公司率先實驗制制作出了成品，但是也還沒有投入到生產(chǎn)。究其主要的原因，還是對該技術(shù)存在著技術(shù)拿捏上的不足以及對其可靠性有所懷疑，因而不敢進行大規(guī)模的使用。但是，在筆者看來，無線光通信在國外已經(jīng)有了良好的發(fā)展，說明其大規(guī)模的使用已經(jīng)成為了必然的趨勢。它的便捷性，快速性以及對成本的要求較低，使得其成為了不可代替的一種通信技術(shù)手段。筆者相信，經(jīng)過廣泛的研究和對突出問題的解決，F(xiàn)SO技術(shù)將在國內(nèi)有著非常大的發(fā)展前景。（作者單位：華中科技大學(xué)文華學(xué)院）

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