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基于激光天線語音通信系統(tǒng)的研制
電磁波作為無線通信的信號載體由來已久，至今仍廣泛應用于短波、微波、毫米波無線通信。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。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)絡包括光端機、光纜等通信基礎設施的建設是事先規(guī)劃的、固定的，將會出現(xiàn)光纜沒有到達或光纜不便到達的地址，無法進行光纖通信。早在二十世紀70年代，人們就開始了激光大氣通信技術的研究，但由于當時光纖通信較為成功，激光自由空間的通信未能得到充分重視。近幾年來，由于移動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展。美國朗訊公司采用1.55μm波段的半導體激光器加光纖放大器（EDFA）作為發(fā)射光源，并采用波分復用結構，實現(xiàn)10Gbps容量的空間光通信。日本、歐洲等國家也報道了幾種空間激光通信裝置。我國電子科技大學采用二氧化碳激光器（10.6μm波長，內腔式），實現(xiàn)定點雙工四線制三路電話的大氣通信（技術成果編號88210414）；中山大學激光與光譜學研究所采用音頻或數(shù)字信號的調幅激光制式工作實現(xiàn)大氣通信傳輸（技術成果編號89209283）。但它們都因通信容量低，在通信系統(tǒng)的結構上，沒有與其他通信設備（包括光纖通信、微波通信）的接口，故實用價值小。為解決上述問題，中國科學院上海光學精密機械研究所報導了一種無線激光通信端機實現(xiàn)了與其它通信設施的接口（技術成果編號00217069.8），但由于該端機設備昂貴，未能得到廣泛應用。本文提出了基本激光無線語音通信系統(tǒng)的研制，目的在于提供一種價格便宜、攜帶方便、同機具有激光信號發(fā)射和接收裝置，且激光接收裝置具自動跟蹤激光發(fā)射裝置的雙工通信功能的設備。該設備發(fā)射裝置發(fā)出調制激光信號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法通信的缺陷；該設備信號傳輸容量大，可直接與光纖通信、微波通信網(wǎng)絡并網(wǎng)，并能靈活地適應各種場合的使用。
圖1 空間激光無線通訊系統(tǒng)原理框圖
1 總體方案設計
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望遠鏡三部份組成（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)射機碼型變換器相接；光纖適配器通過光纖與發(fā)射機光電轉換器相連；碼型變換器與光電轉換器均與制式選擇開關相連，然后經(jīng)信號處理模塊進行整形、放大、時鐘提取等處理，輸入激光驅動器使激光器組件產(chǎn)生調制的激光光束，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制激光信號接進探測器，轉換成信號輸入信號處理模塊，再接進制式選擇開關后分兩路：一路連接激光驅動器，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。對于本系統(tǒng)所設計的語音激光無線通信系統(tǒng)主要由圖2所示的各部分組成。
2 主要硬件的設計
2.1 激光器件的選擇
空間激光通信波長選擇主要考慮：盡量避免太陽輻射的影響、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)實性或預期的可行性，包括器件性能價格比的預計。從激光天線通信的角度分析，大氣的透射率是個重要影響因素。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
由于光學天線的功能是將需傳輸?shù)墓庑盘栍行У匕l(fā)向對方并將對傳來的信號光高效接收，因此，光天線的設計是在滿足總體設計的前提下，保證系統(tǒng)在設定的通信距離及大氣衰減時能正常工作，合理選取發(fā)射遠鏡的遠場發(fā)散角、接收望遠鏡的接收視場角及光學系統(tǒng)的其他參數(shù)。下面分別予以介紹。
（1）設計考慮
主要光學性能要求：高的光學質量（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、機械強度紡高、重量輕、使用壽命長。
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
光學設計考慮：為了滿足空間通信對天線的要求，筆者選擇卡塞格倫天線。主要包括：拋物面初級反射鏡；雙曲線次級反射鏡；聚焦鏡，使成像在天線結構的外部。
（2）性能分析
假設光源電場強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。
利用非涅爾近似場區(qū)的輻射定律以及天線增益定義，得到觀測點(r，θ)處的天線增益值：
其中，
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