西安邮电无线光通信总结Word下载.docx
《西安邮电无线光通信总结Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《西安邮电无线光通信总结Word下载.docx（26页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
三种散射及其性能
1、瑞利散射:
主要发生在气体中，还发生在透明的液体和固体之中，它一种光学现象，属于散射的一种情况。
又称“分子散射”。
粒子尺度远小于入射光波长时（小于波长的十分之一），其各方向上的散射光强度是不一样的，该强度与入射光的波长四次方成反比，这种现象称为瑞利散射。
原因：
光在空气中传播由于氧气和氮气引起的瑞利散射
2、米氏散射:
粒子直径大于入射光波长的十分之一到直径等于入射光的波长，这种散射主要由大气中的微粒，如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起。
米氏散射的辐射强度与波长的二次方成反比，散射在光线向前的方向比向后的方向更强，方向性比较明显。
特点：
1、由于米氏散射衰减值可以达到数百dB/公里
2、雾天最高可达300dB/km
3、干扰通信链路甚至不到100米的距离
计算波长相关性wavelengthdependent：
3、非选择性散射：
粒子的大小大于入射波长。
4>
总消光系数：
（totalextinctioncoefficient）：
βT
βS~scattering散射
βm~scatteringduetomolecules分子散射
βp~scatteringduetoparticles粒子散射
βa~absorption吸收
5>
能见度:
是反映大气透明度的一个指标，航空界定义为具有正常视力的人在当时的天气条件下还能够看清楚目标轮廓的最大距离。
能见度和当时的天气情况密切相关。
当出现降雨、雾、霾、沙尘暴等天气过程时，大气透明度较低，因此能见度较差。
测量大气能见度一般可用目测的方法，也可以使用大气透射仪、激光能见度自动测量仪等测量仪器测试。
6>
背景噪声:
与电力线或变电站的无线电干扰出现与否无关的系统总噪声称为背景噪声。
在环境影响评价（EIA）中，背景噪声是指除研究对象以外所有噪声的总称。
背景噪声在不同的情况下对光传输性能的影响：
1>
会引起信号波形的畸变
2>
光纤通信系统中，系统的噪声往往是影响接收灵敏度的主要因素，也是衡量系统性能的一个重要参数。
在光纤通信系统中出现的噪声，噪声主要有热噪声和散弹噪声。
热噪声：
由带电粒子在导电媒介中的布朗运动引起的，包括发生于有源器件内部的载流子或电子发射的随机性而形成散弹效应起伏过程的散弹噪声和引起电路中电流或电路两点间电位差不停起伏的电阻热噪声。
散弹噪声：
是由真空电子管和半导体器件中电子发射的不均匀性引起的
3.自由空间光通信——薛
1.FSO概念：
指以激光光波作为载波，大气作为传输介质的光通信系统。
2.FSO通信参数：
（1）接收信噪比
（2）误码率
（3）信道
3.自由空间光通信（FSO）的应用：
（1）城域网的扩展
（2）企业、校园互连
（3）军事应用以其高保密性和安装快捷的特性广泛的应用于军事场所
（4）无线基地台数据的回传
（5）其他应用：
卫星间通信、灾难复原、作为光纤的补充、视频会议、临时通信
4.FSO特点：
（1）利用激光和光探测器提供出无光纤的光学连接。
（2）传输数据、语音和视频的速度能够达到Gbps
（3）全双工（双向）能力
（4）波长:
750nm-1550nm
（5）窄视场接收机和窄的低功率传输光束；
高效的光学干扰抑制和高的光学信号增益；
只适用于点对点通信（户外和室内）；
可以支持移动用户使用跟踪功能；
用于以下协议:
以太网、千兆以太网、FDDI、ATM。
廉价（成本约4美元/Mbps/月）。
5.自由空间光通信优点：
自由空间光通信结合了光纤通信与微波通信的优点，具有大通信容量、高速传输的优点。
（1）高数据率:
2.5Gbps目前和10Gbps在不久的将来。
（2）低成本：
不需要许可。
安装成本比铺设纤维低。
没有沉没成本，没有资本过剩。
（3）高度传输安全。
（4）快速部署和可重构（易于使用）
6.自由空间光通信的调制技术
大气传输激光通信系统是由两台激光通信机构成的通信系统，它们相互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计算机间数据通信。
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收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，用阈值探测方法检出有用信号，再经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，进行计算机间通信，这相当于一个数字通信系统。
它由计算机、接口电路、调制解调器、大气传输信道等几部分组成。
接口电路将计算机与调制解调器连接起来，使两者能同步、协调工作；
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，尽量减少激光器的发射总功率；
解调是调制的逆过程，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分之一，其作用是使通信系统的收、发端有统一的时间标准，步调一致。
7.射频与混合网如何应用
RFwirelessnetworks射频无线网络
（1）广播射频网络不可伸缩
（2）射频不能提供非常高的数据速率
（3）射频的安全系数低
（4）高概率的检测/拦截
（5）受雾和雪的影响不严重,受到雨水的影响比较严重
混合无线光通信/射频链接
（1）高可用性（>
99.99%）
（2）比单一的射频更高的吞吐量
（3）最大的灵活性需要无光照射频队列
应用
远程医疗和视频会议
自由空间光通信系统
8.光源与检测器
光发射机：
FSO光源
工作波长
激光类型
备注
850
VCSEL
便宜,非常可用,没有主动冷却,可靠~10gbps
1300-1550
Fabry-Perot/DFB
寿命长,兼容EDFA,40gbps
50-65倍的力量相比,780-850nm
10000
量子级联激光器（QCL
昂贵,非常快速和高度敏感，理想的室内元件（没有渗透通过窗口）
光探测器：
探测器
材料/结构
波长nm
反应特性
敏感性
增益
硅PIN
300–1100
0.5
~34dBm@155Mbps
1
InGaAsPIN
1000–1700
0.9
~46dBm@
155Mbps
硅APD
400–1000
77
~52dBm@
150
InGaAsAPD
9
10
Quantum–wellandQuatum-dot
~10,000
9.大气湍流的定义，影响其的参数；
对自由光通信的影响：
自身，分级技术，电路性能因素，光栅起伏，引起光污染之类的
（1）大气湍流定义：
由于太阳辐射和气象因素所产生的大气温度的微小随机变化（1℃）所导致的大气风速的随机变化而形成。
（2）影响大气湍流参数：
如温度、湿度、气压、风速等
（3）大气湍流的功率谱密度
Ø
Cn2：
折射率结构常数
k：
波数，kl=3.3/l0,k0=1/L0
l0和L0：
湍流的内尺度与外尺度
（4）CN2：
大气折射率结构常数，表示大气湍流的强弱
强湍流Cn2>
2.5x10-13
弱湍流Cn2<
6.4x10-17
中等湍流6.4x10-17<
Cn2<
2.5x10-13
（5）湍流对自由空间光通信大气传输的影响
⏹激光束强度、相位和传输方向均会受到扰动而出现相应的随机变化
⏹与激光束束宽ω和湍流尺寸l的相对大小相关
2ω/l<
<
1时，主要引起光束的随机漂移
2ω/l≈1时，光束截面产生随机偏转，形成到达角起伏
2ω/l>
>
1时，光束截面内包含许多湍流漩涡，引起光束强度的起伏、相位起伏和光束扩展
10.抑制大气湍流的方法
（1）针对光束漂移和扩展问题，可通过增加激光束散角和发射功率来加以克服，但会加大系统其它部分的设计难度
（2）提高探测器的动态响应范围在一定程度上可解决光强闪烁造成的接收信号衰落问题，但受器件制造水平的限制
（3）新技术：
大孔径接收、分集、部分相干光传输、时域处理与阈值优化、自适应光学、信道编码（RS编码、LDPC编码等）与前向错误校正（FEC）等技术
11.大气湍流未来的研究方向：
⏹光信号大气湍流信道传输的衰落模型。
⏹自适应乘性噪声滤波技术
⏹适合于无线光通信应用的收、发端机AO系统
⏹实现不同大气湍流影响抑制技术的收、发端机体系结构
12.自由空间光通信设计原则：
空地激光通信总体设计方案中有关通信链路通信时段的选择一般应遵循以下的原则:
由于夜晚时段大气湍流强度较弱,空地激光通信可多选择夜晚时段;
晴天天气条件下,空地激光通信应避免在太阳光强烈的中午时段建立通信,建议多使用清晨和下午的时段;
阴天天气条件下,背景光和大气湍流效应对空地激光通信链路的影响较小,因此只要链路通信光能量能满足链路功率分配指标要求,空地激光通信链路适合在阴天天气条件下进行。
13.自由空间光通信（FSO）存在的问题：
（1）FSO是一种视距宽带通信技术，传输距离与信号质量的矛盾非常突出，当传输超过一定距离时波束就会变宽导致难以被接收点正确接收。
目前，在1km以下才能获得最佳的效果和质量，最远只能达到4Km。
多种因素影响其达不到99.999%（五个9）的稳定性。
（2）FSO系统性能对天气非常敏感是FSO的另一个主要问题。
晴天对FSO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，5-15db/km、雨，20-50db/km、雪，50-150db/km、雾，50-300db/km。
国外为解决这个难题，一般会采用更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。
（3）城市内，由于建筑物的阻隔、晃动将影响两个点之间的激光对准。
（4）激光的安全问题也会影响其使用，超过一定功率的激光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。
所以产品要符合眼睛安全标准
4.可见光通信——康
1、可见光通信的优点
安全性好、使用的标准IEEE802.15.7Task、噪声源、有限范围、移动有限、低功耗、体积小、抗电磁干扰性强。
可见光通信的缺点
质地脆，机械强度差；
光前的切断和接续需要一定的设备和技术
2、系统结构：
计算机、可见光无线集线器、可见光通信适配器、白光LED光源、光电探测器及相应信号处理单元组成。
3、光源：
“用户光源”（装在适配器上，具有较小的发射面积，且经过简单的准直），“主光源”（白光LED阵列灯，也可用于室内【通信和照明】）
4、链路结构特点：
上行链路：
终端发射基站接收
下行链路：
基站发射和终端接收。
（上下行链路特点：
可同时收发信息）发射包括白光LED光和相应信号处理单元，接收部分主要是光电检测器和相应信号单元
VLC的技术限制因素
白光LED有限的带宽限制了传输速率
改进技术：
蓝光过滤、预均衡技术、后均衡技术、OFDM、波分复用（ＷＤＭ）、高阶调制格式、光ＭＩＭＯ技术
1.预均衡技术：
均衡效果；
荧光粉LED的带宽扩展到了45MHz；
采用NRZ-OOK实现了80Mb/s，误码率Ber<
10-6
2.后均衡技术：
荧光粉LED的带宽扩展到了50MHz；
采用NRZ-OOK实现了100Mb/s，误码率Ber<
10-9
3.OFDM：
为减小多径衰落，抵抗符号间干扰（ISI），以高频谱效率支持高速率数据传输；
PIN接收机、荧光粉LED光源：
可到230Mb/s；
APD接收机，速率可提高到1Gb/s
1、VLC的作用
照明和通信、固体照明、寿命、带宽、数据安全、健康、功耗
2、固体照明光SSL（Solid-statelighting）、（oraganicLED）可供选择的光源
3、LED的优点
较高的转换效率、无水银、较高的湿度差、体型小、比其他光源产生较少的热量、较低的功耗，快的转换速率
4、白热光灯、卤素灯、日光灯、高强度气体放电灯、
LED的应用：
普通照明、办公室照明、街灯、交通信号灯、前照灯、尾灯、医学、通信、移动器件、液晶显示器背光组件。
5、优点：
高速转换、节能、防止窃听、传送器件、接收器件、
6、VLC：
带宽有限（400-700nm）、线光源、安全性好、使用的标准IEEE802.15.7Task、噪声源、有限范围、移动有限、低功耗、体积小、抗电磁干扰性强、
7、接收器件：
PIN二极管（接收高速达1G）、雪崩光电二极管（接收灵敏度高）、图像传感器（同时接收图像和数字）
8、白光LED照明光源布局设计（特点）
多个白光LED组成阵列；
为满足照明需求，应先考虑室内光照度的分布；
要使通信效果达到最优，须根据房间大小及室内设施不同合理布局，使房间内的光强分布大致不变，尽量避免盲区（光照射不到的区域）的出现。
；
室内安装的照明灯越多，可以降低“阴影”效应，使得接收功率大大增加，但多个不同的光路径会使得ISI越严重。
9、分集接收技术：
（1）提高VLC系统的信噪比，克服高速通信中码间干扰的影响。
（2）思想：
在接收机处的不同方向上安装多个光电探测器,对多个探测器接收到的信号进行比较,选取信噪比最大的信号进行通信；
（3）两个关键的工作是：
信号的选取方式和光电探测器的布局。
（4）光电探测器的布局：
在接收机的不同方向上安装多个光电探测器且均匀分布于一个半球面上，减少探测器个数的同时又提高了接收效率
可见光光源：
氙灯
可见光缺点：
传输距离限制相对明显，灯光变暗会对传输功率和传输速率有一定影响，采用非相干通信模式
可见光面临的问题：
1通信速率的提高：
1）编码调制技术2）收发器均衡及滤波技术3）并行通信技术MIMO
2可见光信道模型的完善建立及光源布局的优化：
1）上行链路技术
5.紫外光通信（UltravioletCommunications）——贺
概念：
紫外光通信主要是以大气散射和吸收为基础，利用中紫外波段的紫外光进行的通信，主要应用于室外
大气平流层中的臭氧层对250nm的波长附近的紫外线有强烈的吸收作用，使得这一波段的紫外辐射在海平面附近几乎衰减为零，属于“日盲区”（为紫外光通信提供了一个无背景噪声的通信环境），该波段为中紫外光波段（UVC），波长范围为200～280nm。
紫外光通信就是利用这一波段进行的，因此也称紫外光通信为“日盲”紫外光通信，
工作原理：
待传送的信号经过编码器编码后，加载到调制器上，调制器的激励电流随着信号的变化规律变化，激光器的输出信号经过调制器之后，相关的参数（强度、相位、振幅和偏振）就会按照相应的规律变化。
最后经过光学天线变换为发散角很小的已调光束向空间发射出去。
接收端接收到已调光束之后，首先经过光检测器转换成射频电流，然后进入射频检波器，最后由解码器解调出原来的信号。
其中激光器相当于无线电通信中的射频发生器。
发射机和接收机的光学天线相当于无线电天线。
所不同的是紫外光通信采用光频电磁波作为通信的载波。
光学天线其实就是望远镜，相当于无线电通信中的天线，但明显的是尺寸的缩小。
1.保密性高
11.难于窃听：
由于大气吸收，强度按指数规律衰减，根据通信距离的要求来调整系统的发射功率，控制通信区域，使敌方难以截获。
12.难于定位：
不可见光，肉眼很难发现；
大气散射传播，很难从散射信号中判断出紫外光源的所在位置。
2.环境适应性强：
21.防自然干扰：
由于日盲区的存在，近地面日盲区紫外光噪声很小。
22.防人为干扰：
由于系统的辐射功率可根据通信距离要求减至最小，敌方很难在远距离对本地紫外光通信发射系统进行干扰；
其它常规通信干扰对紫外光通信是无效的。
3.全方位全天候性
31.全方位：
非视距方式传输信号，能适应复杂的地形环境
32.全天候：
地理位置、季节更替、气候变化、能见度等因素的影响和太阳辐射一样，都可以看成是一种可忽略的背景“噪声”。
4.灵活机动，可靠性高。
41.灵活机动：
可采用车载式、机载式、舰载式，可实现网络移动式通信，能快速机动
42.可靠性高：
难于被侦测到，作为攻击目标的可能性小
1.平板印刷，光谱仪，条形码，光学传感器，消毒，净化，药物检测
2.蛋白质分析，DNA测序，药物发现（Proteinanalysis,DNAsequencing,drugdiscovery）
3.医学光纤疗法，漂白，陈化，紫外光灭虫器
4.应用在军事领域中（由于日盲区的特点）
光检测器及优缺点
1.APD（雪崩光电二极管）：
在以硅或锗为材料制成的光电二极管的P-N结上加上反向偏压后，射入的光被P-N结吸收后会形成光电流。
加大反向偏压会产生“雪崩”（即光电流成倍地激增）的现象
对紫外光技术不成熟；
（在紫外光中）具有低增益；
具有很小的孔径（um级）。
2.PMT（光电倍增管）
日盲紫外光电倍增管对日盲紫外区以外的可见光、近紫外等光谱辐射不灵敏，具有噪声低（暗电流小于1nA）、响应快、接收面积大等特点。
具有低的响应率，但是增益高；
紫外光通信的最佳选择。
光源及其优缺点
1.LED（LightEmittingDiode）——发光二极管
低功率，单向导通性，工作电压很低（有的仅一点几伏）；
工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；
抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；
通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。
LED优点：
电光转化效率高（接近60%，绿色环保、寿命长（可达10万小时）、工作电压低（3V左右）、反复开关无损寿命、体积小、发热少、亮度高、坚固耐用、易于调光、色彩多样、光束集中稳定、启动无延时；
LED缺点：
起始成本高、显色性差、大功率LED效率低、恒流驱动（需专用驱动电路）。
相比之下，各种传统照明存在一定的缺陷。
2.紫外灯
价格廉价，功率高；
传播光线需要很宽的角度。
适合网络传输；
荧光灯没有内部磷光层发出紫外线；
低调制。
3.激光
光通过激光直接产生的过程：
低输出功率；
利用可见光的第三和第四谐波产生紫外光，可达到更高的输出功率，但需要更大的激光规模。
几种紫外气体灯
1.紫外气体灯——汞弧灯
功率较大可达上千W
早期的紫外光通信系统样机采用
易碎、高压驱动、难以实现高速率的直接调制、产生附加谱线太多、寿命短、效率<
10%（254nm）
2.紫外气体灯——氙灯
在照相、光化学等领域占有重要地位,其波长在200~400nm紫外区域里有连续的紫外光谱。
在紫外段辐射总能量较可见光和红外低,但其总功率可以较大,并且启动到稳定输出所需时间很短
3.紫外气体灯——低压汞灯
转换效率可达30～40%，发射功率相当可观,可达几十瓦至上万瓦需要高压镇流器和反射镜来引导紫外光的传播方向
其他补充
1.紫外探测器
利用热效应的热电探测器
利用光电效应的光子探测器
半导体探测器：
2.探测器要求：
具有较大的探测面积
较高的增益和带宽
高透过率
极低的暗电流密度
3.调制形式：
分为内调制和外调制
内调制：
也称直接调制，是指直接用电调制信号控制光源发光。
外调制：
是光源输出的光载波通过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波的调制。
4.调制解调技术：
开关键控（OOK）、脉冲位置调制（PPM）、差分脉冲位置调制（DPPM）及脉冲间隔调制（DPIM）等
5.紫外激光器
51.气体紫外激光器
准分子激光器、氢离子激光器、氮分子激光器、氟分子激光器、氦福激光器等
52.固体紫外激光器
直接采用红外全固体激光器的3倍频或4倍频取得355nm或266nm等紫外激光谱线。
先用倍频技术得到二次谐波,再利用和频技术得到紫外激光谱线
6.气体激光器
61.准分子激光器：
脉冲方式产生，波长依赖于所使用的气体混合物类型，光束质量差,产生的光束不是圆的而是矩形的需用遮光膜,损失95%或更多的输出能量,光束截面上强度大体上是一致的,在边缘上忽然下降。
62.离子激光器和氦一镉激光器：
连续方式获得，光束方向稳定性差
7.固体激光
7.1钛:
蓝宝石激光器：
产生265~280nm的不连续的紫外线,其输出可通过旋转激光器的一组滤波器来调节。
7.2Nd-YAG激光器：
是一种4倍频的固体激光器,可产生波长266nm的紫外线。
1992年实现10ns宽,脉冲能量1mJ的紫外光谱进行紫外光通信,需要1gal/min水制冷系统,750V的能量供应,转换效率低于1%,仅能完成600Hz的数据传输率。
6.水下光通信——石
一.应用：
答：
1它是海洋观测系统的关键技术：
可采集有关海洋学的数据，监测环境污染、气候变化、海底异常地震火山活动，探查海底目标，及远距离图像传输。
2.在军事上：
水下激光通信长期以来是水下潜艇通信中的关键技术。
3.它是水下传感器网络的关键技术：
包括水下电磁波通信，水声通信，水下光通信。
二.对应的光源与光检测器特点
光源的特点：
1.工作波长：
400~580nm
2.功率：
背景较强
3.脉冲宽度：
多径
升级会员 