序言：作為思想的載體和知識(shí)的探索者，寫作是一種獨(dú)特的藝術(shù)，我們?yōu)槟鷾?zhǔn)備了不同風(fēng)格的5篇無線激光通信技術(shù)，期待它們能激發(fā)您的靈感。

篇1

關(guān)鍵詞： FSO 無線光通信 ATP

1.前言

最初，在出現(xiàn)了激光器這一理想光源后，人們就是沿用無線通信的原理，利用大氣作為傳輸通道，直接進(jìn)行光通信的。但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，比如傳輸距離較短，受天氣影響嚴(yán)重等問題的制約，其發(fā)展一直停滯不前。無線光通信憑借其特有的優(yōu)越性，最近幾年來，又受到國(guó)內(nèi)外眾多企業(yè)及運(yùn)營(yíng)商的普遍重視。

無線光通信，又稱“自由空間光通信”FSO（FreeSpace Optical Communication）或“虛擬光纖”（VirtualFiber），是光在自由空間（大氣，外太空或水）中直接進(jìn)行通信的一種方式。

近年來，人們對(duì)通信的速率及容量的要求越來越高，現(xiàn)有的通信系統(tǒng)80%以上都采用的是光纖通信系統(tǒng)。但用戶接入網(wǎng)的光纖化由于其費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且成本高而發(fā)展受阻，而無線光通信由于其安裝簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，而成為用戶接入網(wǎng)“最后一公里”的最好的解決方案。另外，對(duì)于一些突發(fā)事件造成的通信中斷，無線光通信也是一個(gè)非常好的應(yīng)急方案。例如，美國(guó)“9.11”事件發(fā)生后部分地區(qū)的應(yīng)急通信就采用了很多的無線光通信技術(shù)。最近幾年國(guó)內(nèi)外的許多企業(yè)都在無線光通信的技術(shù)上都有新突破，有的已經(jīng)投入商用，比如美國(guó)朗訊公司的2.5×4Gb/s的波分復(fù)用系統(tǒng)，日本佳能公司的無線光通信系統(tǒng)等。筆者總結(jié)了這方面的技術(shù)，以便有更多的人才關(guān)注這一方面的技術(shù)。

2.工作原理

無線光通信是光纖通信和無線通信的結(jié)合，利用激光在自由空間內(nèi)進(jìn)行通信，可傳輸話音、視頻等多種業(yè)務(wù)，其速率最高可達(dá)2.5Gb/s。一個(gè)完整的無線光通信系統(tǒng)主要由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩部分組成。其原理框圖如圖1所示。

發(fā)射系統(tǒng)主要由編碼器、調(diào)制器、光源和發(fā)射天線組成。由于大氣信道的不穩(wěn)定，大氣激光通信中的誤碼問題較為嚴(yán)重，所以利用編碼器進(jìn)行前項(xiàng)糾錯(cuò)處理，然后將信號(hào)送至光調(diào)制器，調(diào)制到一個(gè)由激光器產(chǎn)生的激光束上，利用發(fā)射天線發(fā)送，經(jīng)過大氣信道的傳輸，到達(dá)接收端。接收系統(tǒng)主要由接收天線、光檢測(cè)器、解調(diào)器及譯碼器組成，其工作過程與發(fā)送過程相反。接收天線接收到信號(hào)后，經(jīng)光檢測(cè)器和調(diào)制器將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號(hào)，最后經(jīng)譯碼器輸出。

接收光學(xué)天線的任務(wù)是將一定面積內(nèi)的信號(hào)光會(huì)聚到光檢測(cè)器上，目的是增大接收光信號(hào)的功率；發(fā)送光學(xué)天線的任務(wù)是壓縮光束發(fā)散角，降低激光束在大氣中傳播時(shí)的發(fā)散損耗。一般來說，由于成本和維護(hù)的考慮，大氣激光通信大都采用折射式光學(xué)天線。

3.無線光通信中常見問題及解決方案

（1）大氣湍流的影響

大氣湍流就是大氣各點(diǎn)的密度不均勻的微小起伏，是由于地球表面的空氣的不斷對(duì)流引起的。密度的變動(dòng)造成折射率的變化，激光束通過時(shí)，就會(huì)偏離原來的方向，發(fā)生不穩(wěn)定的折射偏折，這種現(xiàn)象也叫做“大氣抖動(dòng)”。由于接收點(diǎn)固定不動(dòng)，收到的光信號(hào)強(qiáng)度就會(huì)有起伏變化，帶來強(qiáng)烈的干擾。

對(duì)于這個(gè)問題可以采用差錯(cuò)編碼技術(shù)來控制其影響，目前采用Tubro碼可以很好地改善大氣湍流對(duì)接收光強(qiáng)的影響。如下圖所示：Tubro碼編碼系統(tǒng)與未編碼系統(tǒng)的性能比較。

（2）大氣衰減的影響

激光器作為一種理想的光源，具有體積小、壽命長(zhǎng)、調(diào)制方便，而且發(fā)射光束單色性好、方向好等特點(diǎn)。民用無線光通信系統(tǒng)主要選用的是半導(dǎo)體激光器。對(duì)于其工作波長(zhǎng)，由于存在大氣衰減，即因大氣對(duì)光束的吸收和散射作用引起的信號(hào)能量減弱，又因?yàn)榇髿獾纳⑸渥饔门c大氣中微粒的數(shù)目和大小有關(guān)，而且對(duì)于不同波長(zhǎng)的電磁波，大氣的衰減作用也不同（如圖3所示）。在圖中，我們可以看到720nm―15000nm的光波在大氣中的透射特性。顯然，為了盡可能消除大氣帶來的損耗，通信波長(zhǎng)應(yīng)選擇在大氣“窗口”位置。大氣激光通信一般采用的850nm、1550nm波長(zhǎng)均位于大氣透射的“窗口”中，因此透射率很高，大氣損耗小。又因?yàn)槟壳肮饫w通信一般都選擇1550nm波長(zhǎng)，可用器件選擇余地大，而且1550nm波長(zhǎng)的光源在通信性能和人眼安全性上都有更好的表現(xiàn)，所以無線光通信一般選擇工作波長(zhǎng)為1550nm。

（3）建筑物晃動(dòng)的影響

建筑物晃動(dòng)將影響兩個(gè)點(diǎn)之間的激光對(duì)準(zhǔn)，其最大值可達(dá)4mard/2層樓。對(duì)于大氣激光通信來說，為了保證光傳輸鏈路的性能，光鏈路兩端的對(duì)準(zhǔn)（捕獲）和保持（跟蹤）至關(guān)重要。但在對(duì)準(zhǔn)之后，在風(fēng)力和其他因素的作用下，建筑物會(huì)有一些晃動(dòng)，就必須要求鏈路兩端設(shè)備必須具備自動(dòng)跟蹤的能力。

對(duì)于這種問題可以采用散光法和自動(dòng)跟描技術(shù)又稱（ATP技術(shù)）來解決。

所謂散光法就是讓激光束以較大的角發(fā)送，這樣到達(dá)接收端時(shí)光束就會(huì)形成一個(gè)很大的光錐。但是，若發(fā)射角太大，則通信距離和接收端信號(hào)的強(qiáng)度都會(huì)受到相應(yīng)的影響。

高精確的捕獲（Acquisition）、跟蹤（Track-ing）和瞄準(zhǔn)（Pointing）技術(shù)可以避免這個(gè)問題，所以已經(jīng)成為無線激光通信中的關(guān)鍵技術(shù)。ATP系統(tǒng)主要包括兩個(gè)子系統(tǒng)：

1）預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)：根據(jù)預(yù)先設(shè)定的通信方向，控制光束方向，使其能較為準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)光接收器。

2）跟蹤系統(tǒng)：可分為粗跟蹤系統(tǒng)和精跟蹤系統(tǒng)，在不同視角/視場(chǎng)范圍內(nèi)捕獲目標(biāo)，并對(duì)目標(biāo)跟蹤，然后將目標(biāo)控制在跟蹤能夠?qū)崿F(xiàn)的范圍內(nèi)，始終使系統(tǒng)處于最佳接收位置。位置探測(cè)如下圖4所示，較為常用的探測(cè)器有PSD、CCD和QD。粗跟蹤系統(tǒng)常采用CCD來實(shí)現(xiàn)，并與帶通光濾波器、信號(hào)實(shí)時(shí)處理的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成粗跟蹤目標(biāo)的捕獲，其捕獲范圍可達(dá)±1°―±20°或更大。精跟蹤系統(tǒng)通常采用四象限紅外探測(cè)器QD或Q-APD高靈敏度位置傳感器來實(shí)現(xiàn)，并配以相應(yīng)的電子學(xué)伺服控制系統(tǒng)，其要求現(xiàn)場(chǎng)角為幾百微弧度，跟蹤精度為微弧度，跟蹤靈敏度為微幾mW。

4.結(jié)束語

無線光通信由于具有與多優(yōu)點(diǎn)，比如無需申請(qǐng)頻帶許可證，組網(wǎng)方便，安全性好，抗干擾性好，故在一些應(yīng)急場(chǎng)合、特殊場(chǎng)合，如高電磁干擾場(chǎng)合、不易布線的場(chǎng)合，還有一些軍事部門的應(yīng)用前情都非常好，在未來的通信市場(chǎng)有非常廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)：

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關(guān)鍵詞：無線光通信； 信道建模； 調(diào)制編碼； 同步檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）09-1888-02

無線光通信（Wireless Optical Communication，WOC）是一種以光信號(hào)為載體，結(jié)合現(xiàn)代電信號(hào)處理技術(shù)，光信號(hào)處理技術(shù)，信號(hào)傳輸檢測(cè)技術(shù)，光學(xué)器件設(shè)計(jì)制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息無線傳輸?shù)默F(xiàn)代通信技術(shù)[1]。較普通無線通信技術(shù)，具有通信速率高，抗干擾性強(qiáng)，保密性好，無電磁干擾，無需頻率許可等眾多優(yōu)點(diǎn)，適用于目前業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需求量大幅提高，通信環(huán)境干擾強(qiáng)，安全保密性要求高，頻率資源緊缺的商用和軍用無線通信領(lǐng)域，受到國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)商業(yè)公司越來越廣泛的關(guān)注[2]。

無線光通信按光信號(hào)頻率波段可分為紅外光，可見光和紫外光無線通信。按其使用領(lǐng)域可分為：空間無線光通信，主要研究以激光信號(hào)為載體的衛(wèi)星間，星地間信息通信技術(shù)；大氣無線光通信，主要研究光纖“最后一公里”接入技術(shù)，城市樓宇間無線通信技術(shù)和街道智能交通控制技術(shù)；水下無線光通信，主要研究潛艇，魚雷水下無線通信技術(shù)；室內(nèi)無線光通信，主要研究樓宇內(nèi)定位導(dǎo)航，室內(nèi)高速無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)。

1 研究現(xiàn)狀

美國(guó)、歐空局各成員國(guó)、日本等國(guó)都對(duì)衛(wèi)星光通信技術(shù)極其重視，對(duì)空間光通信系統(tǒng)所涉及的激光器技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、同步技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)等各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)展開了全面深入的研究，完成了空間激光通信鏈路的概念研究，已實(shí)現(xiàn)了低軌衛(wèi)星對(duì)同步衛(wèi)星的低、中碼速率激光通信實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行低軌衛(wèi)星對(duì)地面站的激光通信實(shí)驗(yàn)。由于LED固體照明技術(shù)的發(fā)展和成本的降低，基于LED的大氣室內(nèi)無線光通信正成為國(guó)際熱點(diǎn)研究課題[3]。

日本于2003年11月成立可見光通信聯(lián)盟（Visible Light Communications Consortium， VLCC），研究基于LED的可見光通信技術(shù)及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，旨在確立光無線環(huán)境的整合性，強(qiáng)化日本在光技術(shù)領(lǐng)域的影響力，擴(kuò)大可視光通信的利用領(lǐng)域和早日達(dá)到實(shí)用水平[4]。

IEEE 802.15無線個(gè)人局域網(wǎng)（Wireless Personal Area Network， WPAN）小組也于2009年1月成立了可見光通信研究組（Task Group 7， TG7），研究制定可見光通信系統(tǒng)物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

德國(guó)西門子公司于2010年1月宣布在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)500Mbps，通信距離為5M的近距離單一高亮度白光LED無線通信，比目前最高速度超出2.5倍，并預(yù)計(jì)將于2010年年內(nèi)使用5個(gè)高亮度白光LED完成通信距離為10M，數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mbps的較長(zhǎng)距離無線通信[5]。

美國(guó)加州大學(xué)于2010年1月成立的光通信研究中心（Ubiquitous Communication by Light Center， UC-Light），也正致力于適用于城市室內(nèi)照明，智能交通系統(tǒng)，廣告等多個(gè)領(lǐng)域的下一代高亮度LED無線通信系統(tǒng)的研究。

國(guó)內(nèi)無線光通信技術(shù)的研究現(xiàn)在正處于起步階段，主要集中在基于激光的空間，大氣無線光通信，還沒有基于LED的大氣，室內(nèi)無線光通信方面的報(bào)道。現(xiàn)有比較成熟的單位有：桂林三十四所，中科院成都光電技術(shù)研究所，深圳飛通有限公司，上海光機(jī)所，北京大學(xué)量子電子學(xué)研究所，武漢大學(xué)激光通信實(shí)驗(yàn)室等。

桂林三十四所主要進(jìn)行軍品的研究，就現(xiàn)在推出的大氣激光通信機(jī)樣機(jī)也是在軍品的基礎(chǔ)上進(jìn)行民用化改造完成的。它的樣機(jī)在2001年2月由主管部門進(jìn)行設(shè)計(jì)定型，現(xiàn)在已經(jīng)有部分投入試用。它的產(chǎn)品的主要性能參數(shù)有以下一些，傳輸速率：8Mb/s，34Mb/s，155Mb/s；工作波長(zhǎng)：850nm；通信距離：1～4Km；光發(fā)射功率：小于40mW。

中科院成都光電技術(shù)研究所引進(jìn)國(guó)外公司先進(jìn)的激光器及其附屬電路，利用自己在光學(xué)器件上的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)出了工作波長(zhǎng)為850nm，可以傳輸1公里、4 公里兩種距離的兩款產(chǎn)品。產(chǎn)品主要性能參數(shù)是，速率：10Mb/s；工作波長(zhǎng)：850nm；通信距離：1～4km；光發(fā)射功率：3～30mW。

上海光機(jī)所承擔(dān)的“無線激光通信系統(tǒng)”項(xiàng)目在2003年1月13日通過了驗(yàn)收。該系統(tǒng)具有雙向高速傳輸和自動(dòng)跟蹤功能。其傳輸速率可以達(dá)到 622Mb/s，通信距離可以達(dá)到2Km，自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度為0.1mrad，響應(yīng)時(shí)間為0.2s。

北京大學(xué)量子電子學(xué)研究所也已經(jīng)開展了星際光通信系統(tǒng)和地面光通信系統(tǒng)的研究，研究原子濾光器對(duì)系統(tǒng)工作頻段、系統(tǒng)性能和工作原理的影響，研究系統(tǒng)建立星際通信捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)過程。在原子濾光器的研究方面具有世界先進(jìn)水平，所完成的衛(wèi)星光鏈路采用原子濾光器的新方案新穎且具有更窄帶寬和濾光能力。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（系統(tǒng)模擬和關(guān)鍵技術(shù)研究）、清華大學(xué)（精密結(jié)構(gòu)終端和小衛(wèi)星研究）、電子科技大學(xué)（側(cè)重于APT技術(shù)研究）、華中科技大學(xué)、南京大學(xué)和廣東工業(yè)大也均有相關(guān)的研究。

雖然現(xiàn)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有較多關(guān)于光無線通信技術(shù)的研究高校院所，但大都是基于激光信號(hào)的相關(guān)技術(shù)，還未有任何基于LED光信號(hào)的相關(guān)技術(shù)研究。基于激光的無線通信對(duì)光學(xué)器件要求較高，設(shè)備昂貴，成本較高，處于對(duì)人體健康，特別是眼睛安全的考慮，激光信號(hào)的功率一般受到嚴(yán)格的限制，只適用于一些特殊的通信場(chǎng)合。基于LED光的無線通信系統(tǒng)特別是基于可見光的無線通信系統(tǒng)，可以結(jié)合街道室內(nèi)等照明系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信和人工照明[6]。同時(shí)LED器件發(fā)光效率高，節(jié)約能源，價(jià)格低廉，使用于照明系統(tǒng)時(shí)對(duì)人體健康安全無害，沒有功率限制，是一種最具潛力的綠色現(xiàn)代高速信息通信技術(shù)[7]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

無線光通信系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)一套基于激光和LED光的高數(shù)據(jù)傳輸率，高穩(wěn)定安全保密的大氣和室內(nèi)無線通信系統(tǒng)，涉及現(xiàn)代電信號(hào)處理技術(shù)，光信號(hào)處理技術(shù)，信號(hào)傳輸檢測(cè)技術(shù)，光學(xué)器件設(shè)計(jì)制造技術(shù)。研究的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

1）通信信道研究：主要研究通信信道的通信特性，包括噪聲種類，來源，強(qiáng)度，特性，空間時(shí)間損耗，信道容量的分析和相應(yīng)抑制技術(shù)的研究。無線光通信信道根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域可分為大氣通信信道和室內(nèi)通信信道。大氣通信信道主要有雨雪云霧等天氣現(xiàn)象的光信號(hào)吸收傳輸衰減，大氣湍流的閃爍，空氣分子懸浮物等的散射，房屋樹木的遮蔽，太陽路燈等自然人造光源的背景噪聲，通信設(shè)備暗電流噪聲量子噪聲等干擾。室內(nèi)通信信道較大氣通信信道簡(jiǎn)單，主要有空氣的吸收湍流，墻壁天花板以及桌椅等的吸收，反射，散射等現(xiàn)象，太陽光電視顯示器等自然人造光源的背景噪聲， 通信設(shè)備暗電流噪聲量子噪聲等干擾。

2）調(diào)制編碼技術(shù)研究：主要研究基于光信號(hào)的高數(shù)據(jù)傳輸率，高穩(wěn)定性，低誤碼率的調(diào)制解調(diào)，編解碼技術(shù)。根據(jù)光源器件的特性，通信信道的特性研究設(shè)計(jì)適合光源器件的調(diào)制解調(diào)技術(shù)和符合光無線通信信道特性的高效高糾錯(cuò)率的編解碼技術(shù)，以及調(diào)制編碼結(jié)合的通信技術(shù)。

3）信號(hào)同步檢測(cè)技術(shù)研究：主要研究光信號(hào)的同步，檢測(cè)判決和噪聲抑制技術(shù)。主要有掃描、對(duì)準(zhǔn)、捕獲技術(shù)，信號(hào)同步技術(shù)，信道噪聲抑制技術(shù)，信號(hào)檢測(cè)判決技術(shù)，信道估計(jì)均衡技術(shù)等。

4）通信器件設(shè)備研究設(shè)計(jì)：主要研究設(shè)計(jì)適用無線通信系統(tǒng)特性的設(shè)備元件。結(jié)合通信信道，調(diào)制編碼技術(shù)，信號(hào)同步檢測(cè)技術(shù)的研究結(jié)果設(shè)計(jì)相關(guān)的光源驅(qū)動(dòng)電路元件，調(diào)制解調(diào)電路元件，編解碼電路元件，光信號(hào)發(fā)射接收天線，接收濾波器等相關(guān)設(shè)備。

5）PHY層，MAC層等通信協(xié)議研究：主要研究設(shè)計(jì)適用于無線通信系統(tǒng)特性的PHY層，MAC層等通信協(xié)議。結(jié)合通信信道，調(diào)制編碼技術(shù)，信號(hào)同步檢測(cè)技術(shù)的研究結(jié)果設(shè)計(jì)制訂通信設(shè)備間通信邏輯鏈路建立，碼速率控制，通信幀結(jié)構(gòu)，單雙工通信，沖突檢測(cè)，與光纖射頻等通信設(shè)備的接口等PHY層，MAC層等通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

6）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼敖M網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)研究：主要研究多個(gè)通信設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組網(wǎng)技術(shù)，與光纖射頻等通信系統(tǒng)的組網(wǎng)交互技術(shù)。包括多個(gè)用戶間的通信組網(wǎng)技術(shù)，高速光纖“最后一公里”無線接入技術(shù)，樓宇間街道間網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)，樓宇內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)等應(yīng)用技術(shù)。

3 總結(jié)

本文介紹了一種新型的基于激光和LED光的高數(shù)據(jù)傳輸率，高穩(wěn)定安全保密的大氣和室內(nèi)無線通信系統(tǒng)，具有通信速率高，抗干擾性強(qiáng)，保密性好，無電磁干擾，無需頻率許可等眾多優(yōu)點(diǎn)。在對(duì)比分析了以美國(guó)、日本、歐洲為代表的國(guó)外研究現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展基礎(chǔ)上，分析說明了無線光通信包括信道建模技術(shù)、調(diào)制編碼技術(shù)、同步檢測(cè)技術(shù)、器件設(shè)計(jì)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，及其研究方向。

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篇3

【關(guān)鍵字】 飛行試驗(yàn) 無線光通信 遙測(cè)

隨著我國(guó)航空工業(yè)的發(fā)展，各種新型號(hào)飛機(jī)的機(jī)載系統(tǒng)發(fā)展突飛猛進(jìn)，這樣對(duì)試飛測(cè)試提出了更高的要求，測(cè)試參數(shù)和種類的增多直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)量的膨脹，同時(shí)也對(duì)遙測(cè)系統(tǒng)形成考驗(yàn)。傳統(tǒng)遙測(cè)鏈路使用的是視距微波通信技術(shù)，可靠的數(shù)據(jù)傳輸速率在幾到幾十兆比特每秒量級(jí)。顯然，傳統(tǒng)遙測(cè)鏈路所能承載的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)種類很有限，隨著試飛需求的增加，這將成為未來遙測(cè)方案設(shè)計(jì)的瓶頸，尤其針對(duì)高清視頻等高速率信號(hào)傳輸，帶寬不足的問題會(huì)更為突顯。

為解決以上問題，本文旨在探索將無線光通信技術(shù)應(yīng)用行試驗(yàn)中。無線光通信技術(shù)以光波為載頻傳輸信息，相比于微波技術(shù)傳輸容量大的多，遠(yuǎn)距離傳輸可達(dá)Gbps級(jí)，將會(huì)給飛行試驗(yàn)遙測(cè)提供極大的靈活性，并且還具有高度保密，無需頻譜牌照等先天優(yōu)勢(shì)。

一、機(jī)載光通信技術(shù)

1.1 機(jī)載無線光通信技術(shù)應(yīng)用案例

國(guó)外科學(xué)家很早之前就開始對(duì)機(jī)載光通信系統(tǒng)進(jìn)行研究，并且做了豐富的試驗(yàn)。

1980年在美國(guó)新墨西哥白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)進(jìn)行飛機(jī)與地面之間的激光通信試驗(yàn)，試驗(yàn)持續(xù)三個(gè)月，總計(jì)工作200小時(shí)，激光通信設(shè)備安裝在USAF-KC-135飛機(jī)上，圍繞地面站飛行，相距10～100km之間，完成了用窄光束進(jìn)行激光光束捕獲/跟蹤，對(duì)準(zhǔn)試驗(yàn)認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)下行1000Mbps，上行200kbps的信息傳輸。

1996年12月美國(guó)Thermo Trex公司在San Diego進(jìn)行了飛機(jī)-地面站遠(yuǎn)距離的激光通信試驗(yàn)。機(jī)上的APT系統(tǒng)，粗跟蹤萬向支架水平可在±180°、垂直+10°～-90°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，信標(biāo)光束散角為2mrad，信號(hào)光束散角為100urad。

1.2 機(jī)載無線光通信技術(shù)簡(jiǎn)介

機(jī)載光通信技術(shù)是以飛機(jī)為平臺(tái)，進(jìn)行空-地或空-天無線光通信。如圖1.1為機(jī)載無線光通信系統(tǒng)上行通信原理框圖。

地面站一般是可移動(dòng)式車載光端機(jī)及處理系統(tǒng)，根據(jù)飛行計(jì)劃在地面選取合適的區(qū)域駐扎。

信標(biāo)光用來進(jìn)行光端機(jī)之間的光束捕獲，即粗跟蹤，這項(xiàng)技術(shù)在大致方位（一般用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）系統(tǒng)引導(dǎo)到初始位置）掃描另一端光端機(jī)的信標(biāo)光從而實(shí)現(xiàn)光束捕獲，將接收到的光信號(hào)引導(dǎo)到定位探測(cè)器上進(jìn)行精跟蹤，最后調(diào)整收發(fā)端，使光束對(duì)準(zhǔn)。

位置誤差模塊為位置探測(cè)器，可以探測(cè)出光信號(hào)光斑投射到其檢測(cè)面的位置，根據(jù)既定規(guī)則得出的特定位置誤差傳送給計(jì)算機(jī)處理，進(jìn)而控制粗跟蹤系統(tǒng)和精跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行方位矯正，實(shí)現(xiàn)光束對(duì)準(zhǔn)。

二、飛行試驗(yàn)中應(yīng)用無線光通信技術(shù)的探討

2.1 飛行試驗(yàn)中的無線光通信技術(shù)

在飛行試驗(yàn)中應(yīng)用無線光通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，采集器所采集到的全部或所有需實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(shù)據(jù)都可以和記錄器輸出的視頻數(shù)據(jù)或總線數(shù)據(jù)合路后，經(jīng)過電光調(diào)制，直接通過機(jī)載無線光通信系統(tǒng)光端機(jī)下發(fā)給地面站。地面站將接收到的光信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換還原，解復(fù)用各路數(shù)據(jù)流以待后續(xù)處理分析。該系統(tǒng)還具有上行傳輸能力，可以遠(yuǎn)程控制整個(gè)試飛測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遙控遙測(cè)能力。

因?yàn)闊o線光通信系統(tǒng)的傳輸速率很高，應(yīng)對(duì)目前飛行試驗(yàn)遙測(cè)的強(qiáng)度綽綽有余，未來的飛機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜，機(jī)載系統(tǒng)集成度以及交換信息量會(huì)越拉越大，再加上飛機(jī)航電系統(tǒng)的飛速發(fā)展，在未來飛行試驗(yàn)中有必要加大試飛實(shí)時(shí)監(jiān)控的力度，無線光通信技術(shù)應(yīng)由其發(fā)展的一席之地。

2.2 飛行試驗(yàn)中無線光通信技術(shù)的發(fā)展方向

飛行試驗(yàn)遙測(cè)系統(tǒng)引入無線光通信技術(shù)將有效緩解及應(yīng)對(duì)未來遙測(cè)數(shù)據(jù)量的增加，后期此項(xiàng)技術(shù)還可以繼續(xù)演進(jìn)。

1）微波/無線光通信復(fù)合式遙測(cè)技術(shù)

微波與光波可分別應(yīng)對(duì)不同的氣候狀況，若將微波技術(shù)與無線光通信技術(shù)結(jié)合使用，互為冗余，那么可靠性將極大的提高，確保遙測(cè)數(shù)據(jù)可靠下傳。

2）全光無線光通信技術(shù)

本文介紹的無線光通信系統(tǒng)整體為電-光-電類型，這種架構(gòu)為系統(tǒng)擴(kuò)容的瓶頸。所以本系統(tǒng)一個(gè)演進(jìn)方向?yàn)槿庑蜔o線光通信系統(tǒng)，光信號(hào)由光纖放大器放大后直接由光纖發(fā)射，通過光學(xué)天線的整形準(zhǔn)直發(fā)射出去，接收端由光學(xué)天線直接將光束耦合進(jìn)入光纖繼續(xù)傳輸。這樣，無線光通信即可稱為真正的“虛擬光纖”，可協(xié)議透明的傳輸?shù)墓庑盘?hào)。并且波分復(fù)用技術(shù)，可以使系統(tǒng)容量成倍的增加，不同種類的信號(hào)可以調(diào)制到不同波長(zhǎng)上同時(shí)傳輸。

篇4

【關(guān)鍵詞】ZigBee；單兵激光模擬訓(xùn)練系統(tǒng)

1.引言

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，其在軍事訓(xùn)練器材中的應(yīng)用，發(fā)揮著越來越重要的作用。單兵激光模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用以光代彈的原理，結(jié)合聲光效果，可逼真的模擬實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的實(shí)兵對(duì)抗，是和平時(shí)期部隊(duì)訓(xùn)練和青少年展開野外拓展對(duì)抗游戲的有效器材之一。

單兵激光模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要由頭盔、背帶和激光發(fā)射機(jī)等3個(gè)部件組成。頭盔具有激光接收和發(fā)煙控制功能；背帶具有激光接收、毀傷模型計(jì)算以及與導(dǎo)控主臺(tái)無線數(shù)據(jù)通信功能；發(fā)射機(jī)用于激光發(fā)射控制。3個(gè)部件之間實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)通信是系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。本文主要研究利用ZigBee無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)單兵激光模擬訓(xùn)練系統(tǒng)各部件之間的數(shù)據(jù)交互。

2.硬件結(jié)構(gòu)

背帶與頭盔、發(fā)射機(jī)之間采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式。背帶、頭盔和發(fā)射機(jī)均內(nèi)嵌ZigBee通信單元（圖1），通信單元由ARM主控芯片、ZigBee射頻無線收發(fā)芯片和2.4GHz天線組成。

通信芯片選用TEXAS INSTRUMENTS公司的CC2420 ZigBee射頻無線收發(fā)器。芯片的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

射頻單片無線收發(fā)芯片，帶有基帶調(diào)制解調(diào)器，并對(duì)MAC（介質(zhì)訪問層）層提供支持；

直接序列擴(kuò)頻的基帶調(diào)制解調(diào)器，其碼片速率可到2MChips/s，有效數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)250kb/s；

電流耗損非常低（RX：18.8mA，TX：17.4mA）；

輸出功率可以通過編程來改變；

不需要額外的RF開關(guān)和濾波器；

兩個(gè)（發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)）128Byte的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；

硬件實(shí)現(xiàn)MAC加密（AES-128）；

48腳的QLP封裝，7*7mm。

CC2420芯片與ARM主控芯片之間采用SPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。FIFOP腳接ARM芯片的外部中斷腳，當(dāng)CC2420芯片接收到有效數(shù)據(jù)后，該引腳置高，ARM芯片產(chǎn)生中斷，進(jìn)行接收數(shù)據(jù)處理。RESTEn腳接ARM芯片的輸出腳，用于對(duì)CC2420芯片的復(fù)位。

CC2420芯片的射頻輸入/輸出是差分和高阻抗的，射頻端口最適宜的差分負(fù)載值阻抗為115+j180Ω。單兵激光模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中使用的天線為2.4GHz的單極天線，因此必須使用非平衡變壓器來增強(qiáng)其性能。圖2所示的射頻輸入/輸出電路由一個(gè)半波傳送天線、C3、L1、L2和L3構(gòu)成，半波傳送天線直接設(shè)計(jì)在印制板上，與電路匹配的天線阻抗為50Ω。

3.軟件設(shè)計(jì)

單兵激光模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中最多同時(shí)工作的單兵激光模擬器數(shù)量可達(dá)數(shù)千套；每套單兵激光模擬器的背帶與頭盔、發(fā)射機(jī)之間采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式，背帶為中心節(jié)點(diǎn)，頭盔和發(fā)射機(jī)為子節(jié)點(diǎn)；各單兵激光模擬器相互之間不能出現(xiàn)數(shù)據(jù)串?dāng)_。因此整個(gè)系統(tǒng)可以看作由幾千個(gè)獨(dú)立的微型通信系統(tǒng)構(gòu)成。

由于ZigBee的IEEE地址有8個(gè)字節(jié)，因此有足夠的容量可以滿足單兵激光模擬訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)地址唯一性的要求。

3.1 數(shù)據(jù)幀格式

通信數(shù)據(jù)幀采用IEEE 802.15.4通用MAC幀格式，格式見圖3。

1）幀控制域：幀控制域長(zhǎng)度為16位，包括定義幀類型、加密、應(yīng)答、目的地址模式和源地址模式等。

本應(yīng)用中幀控制域的定義如下：幀類型為數(shù)據(jù)幀（001）；加密禁止（0）；應(yīng)答允許（1）；目的地址模式為64位IEEE地址（11）；源地址為64位IEEE地址（11）。

2）序列號(hào)域：在每個(gè)幀中都包含序列號(hào)域，其長(zhǎng)度為1個(gè)字節(jié)。每發(fā)送一個(gè)新的幀序列號(hào)，值加1。

3）目的PAN標(biāo)識(shí)域：目的PAN標(biāo)識(shí)域長(zhǎng)度為2個(gè)字節(jié)。由于本應(yīng)用中未使用個(gè)人局域網(wǎng)，該值固定為0x0001。

4）IEEE目的地址域：IEEE目的地址域長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)。該地址為數(shù)據(jù)幀的目標(biāo)地址。

在單兵激光模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中每個(gè)頭盔、背帶、發(fā)射機(jī)的IEEE地址均被設(shè)置唯一的。通過配置CC2420芯片的MDMCTRL0（0x11）寄存器的ADR_DECODE位，可以打開CC2420芯片的硬件地址解碼功能，CC2420芯片可以只接收目的地址與本機(jī)地址相同的數(shù)據(jù)幀。

5）源PAN標(biāo)識(shí)域：源PAN標(biāo)識(shí)域長(zhǎng)度為2個(gè)字節(jié)。由于本應(yīng)用中未使用個(gè)人局域網(wǎng)，該值固定為0x0001。

6）IEEE源地址域：IEEE源地址域長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)。該地址為數(shù)據(jù)幀的源地址。

3.2 通信數(shù)據(jù)流程

單兵激光模擬器的背帶、頭盔和發(fā)射機(jī)的IEEE地址均分別預(yù)先寫入各自的ARM主控芯片，在初始化時(shí)寫入CC2420芯片的內(nèi)部寄存器。CC2420芯片的初始化程序流程圖見圖4。

背帶作為主節(jié)點(diǎn)，與其配套的頭盔和發(fā)射機(jī)的地址預(yù)先保存至背帶的ARM主控芯片中。單兵激光模擬器運(yùn)行后，背帶首先向頭盔和發(fā)射機(jī)發(fā)射設(shè)置指令，頭盔和發(fā)射機(jī)的ARM主控芯片接收到數(shù)據(jù)包后，首先將數(shù)據(jù)包中背帶的64位IEEE地址保存至內(nèi)存中，然后用該地址向背帶回復(fù)應(yīng)答數(shù)據(jù)包。

背帶與頭盔、發(fā)射機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信采用應(yīng)答方式，流程見圖5。

4.結(jié)論

該通信技術(shù)已在單兵激光模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，取得了很好的通信效果。經(jīng)實(shí)測(cè)單兵激光模擬器3個(gè)部件之間的通信時(shí)延小于100ms；30m范圍內(nèi)200套單兵模擬器同時(shí)工作，相互之間不會(huì)出現(xiàn)通信串?dāng)_。

參考文獻(xiàn)

[1]IEEE Std 802.15.4?-2003，IEEE Standard for Information technology-Telecommunications and information exchange between systemsLocal and metropolitan area networks-Specific requirements Part 15.4：Wireless Medium AccessControl（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications for Low-Rate WirelessPersonal Area Networks（LR-WPANs），IEEE Published by The Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc.3 Park Avenue，New York，NY 10016-5997，USA.

[2]王曉海.國(guó)外空間激光通信系統(tǒng)技術(shù)最新進(jìn)展[J].電信快報(bào)，2006（7）：16-21.

篇5

1.1激光通信技術(shù)的基本原理分析

新技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了社會(huì)文明的進(jìn)步，當(dāng)前的激光通信技術(shù)已在諸多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用，激光通信技術(shù)主要就是以大氣或者是自由空間作為媒介，然后通過載波激光在大氣中傳輸有效的信息。也就是先將聲音信號(hào)調(diào)制到激光束上，再將信號(hào)的激光發(fā)送出去。根據(jù)不同的應(yīng)用范圍能夠?qū)⒓す馔ㄐ欧譃闊o線和光纖兩種類型的激光通信[1]。

1.2激光通信技術(shù)的主要特征分析

激光通信技術(shù)自身有限鮮明的特點(diǎn)，激光通信技術(shù)在安裝方面較為簡(jiǎn)單，在地形地貌等應(yīng)用上的適應(yīng)性比較強(qiáng)。能夠?qū)Ω鞣N臨時(shí)性的通信以及迅速搶險(xiǎn)通信等條件得到滿足。和微波通信相比較而言激光通信在空間上的占有資源也相對(duì)比較小。并且在抗電磁干擾以及保密性方面都比較強(qiáng)，這些優(yōu)點(diǎn)使其在實(shí)際的應(yīng)用上比較廣泛，在未來的發(fā)展過程中這也是一個(gè)必然的趨勢(shì)。

2激光通信技術(shù)在實(shí)際生活中的應(yīng)用及前景展望

2.1激光通信技術(shù)在實(shí)際生活中的應(yīng)用分析

在激光通信技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用是多方面的，無線激光通信主要是綜合了光纖通信以及微波通信的優(yōu)點(diǎn)，所以在城域網(wǎng)當(dāng)中的應(yīng)用就比較適合。在企事業(yè)當(dāng)中的內(nèi)部網(wǎng)的連接當(dāng)中能夠得到有效應(yīng)用，校園網(wǎng)以及大型的企業(yè)等內(nèi)部網(wǎng)的建設(shè)過程中，有時(shí)會(huì)存在著急需連接使用通信的情況，在一定的程度上激光通信技術(shù)是光纖技術(shù)的一種補(bǔ)充，在城市化的發(fā)展速度不斷加快過程中，樓寓間的通信和移動(dòng)間的通信倘若是利用光纖就比較的麻煩，并且還會(huì)影響城市外觀環(huán)境，在通信盲區(qū)情況下通常是采用光纖直放站加以應(yīng)對(duì)，這樣就能夠?qū)⒐饫w和激光通信技術(shù)兩者得到補(bǔ)充應(yīng)用，從而形成兩個(gè)基站間的鏈路。另外，將激光通信技術(shù)在移動(dòng)通信當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用也能夠起到很好的效果。在現(xiàn)階段我國(guó)的通信領(lǐng)域當(dāng)中，最為活躍以及發(fā)展最為快速的就是移動(dòng)通信。在移動(dòng)電話使用量不斷上升的情況下，這給無線網(wǎng)絡(luò)的容量和帶寬提出了更高的要求，怎樣能夠?qū)⒂邢薜馁Y源得到充分利用，這也是當(dāng)前的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商所面臨的重大課題。

激光通信技術(shù)作為一種新型的接入技術(shù)，其自身有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，這也為移動(dòng)通信領(lǐng)域?qū)ζ涞膽?yīng)用提供了良好的條件。在具體的應(yīng)用過程中，主要就是將主干網(wǎng)在最近距離的天線間采取光纖進(jìn)行對(duì)其連接，然后通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器通過相應(yīng)的設(shè)備和天線得到有效連接，這樣在一定距離內(nèi)就能夠形成一個(gè)有效的基站，進(jìn)而就能夠在這一技術(shù)的作用下實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。再者就是在高壓電工作過區(qū)當(dāng)中的應(yīng)用，在這一應(yīng)用當(dāng)中的作用主要就是采集以及傳輸信息，在實(shí)際工程應(yīng)用過程中將供電站的變壓器工作數(shù)據(jù)傳輸?shù)降蛪簠^(qū)加以檢測(cè)，倘若是通過光纖進(jìn)行實(shí)施就會(huì)造成環(huán)境的污染以及表面聚集塵土而發(fā)生導(dǎo)電情況發(fā)生。所以在這一情況下，通過激光通信技術(shù)就比較優(yōu)越，能夠通過空氣隔離的方法絕緣，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)安全可靠對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸[3]。在具體的應(yīng)用步驟上主要就是把光發(fā)射天線安裝在高壓區(qū)，接收天線安裝在低壓區(qū)，這樣就可以通過高壓發(fā)射天線在空氣的媒介下傳遞給低壓的接收天線，這樣就實(shí)現(xiàn)了信息數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2激光通信技術(shù)的發(fā)展前景展望

隨著我國(guó)的科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，激光通信技術(shù)在應(yīng)用的空間上也會(huì)逐漸的擴(kuò)大，不管是在應(yīng)用的領(lǐng)域還是研究的領(lǐng)域都將會(huì)取得更加優(yōu)異的成果。在將來的激光通信技術(shù)的發(fā)展前景方面，激光通信技術(shù)的應(yīng)用將更加廣泛，這也是通過這一技術(shù)自身的優(yōu)勢(shì)決定的。其中對(duì)遠(yuǎn)距離的無線傳輸問題得到了解決，并實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星技術(shù)和激光通信技術(shù)的共相發(fā)展，這些對(duì)位激光通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在激光通信技術(shù)的不斷完善過程中，這一技術(shù)將會(huì)成為城市網(wǎng)絡(luò)通信的一個(gè)重要手段。以往的光纖技術(shù)的應(yīng)用過程中，為人們的生活提供了很大的方便，但社會(huì)的進(jìn)步不能停留于這一層面，尤其是當(dāng)前的城鎮(zhèn)化建設(shè)的速率加快，光纖技術(shù)在實(shí)際的應(yīng)用上已經(jīng)顯得愈來愈存在著不足。而激光通信技術(shù)避免了影響交通、建筑等弊端，并對(duì)環(huán)境沒有危害，在安全性能上相對(duì)較高，所以在將來的技術(shù)不斷完善下，激光通信技術(shù)將會(huì)取代光纖技術(shù)，為城市的網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)提供技術(shù)上的重要支持。與此同時(shí)，激光通信技術(shù)的不斷發(fā)展完善，將會(huì)在通信的領(lǐng)域范圍內(nèi)帶來一場(chǎng)技術(shù)上的變革。在通信的領(lǐng)域當(dāng)中，一些新技術(shù)的涌現(xiàn)，將會(huì)對(duì)通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生很大的影響，從而推動(dòng)其變革，使得技術(shù)上的革新成為是通信領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)主流。最終，愈來愈多的通信技術(shù)的涌現(xiàn)，將會(huì)對(duì)通信領(lǐng)域的發(fā)展在技術(shù)上得到強(qiáng)有力的保障。

3結(jié)語