激光大氣傳輸技術(shù)與信息光通信系統(tǒng)的研究

廣東省佛山市順德區(qū)均安職業(yè)技術(shù)學(xué)校 陳有添

近代通信技術(shù)的發(fā)展是近代人類物質(zhì)文明高度發(fā)展的一個(gè)側(cè)面。通信是各種形式信息的轉(zhuǎn)移或傳遞，通常是將擬傳遞的信息設(shè)法加載（或調(diào)制）到某種載體上，被調(diào)制的載體傳遞到目的地后，再將所需信息從載體上復(fù)原。通信系統(tǒng)的關(guān)鍵有二：一是傳輸?shù)拿浇?，二是傳輸?shù)男畔?。在此本文提出了一個(gè)應(yīng)用激光大氣傳輸?shù)臄?shù)字圖像光通信系統(tǒng)。

一、激光大氣通信用于短程傳輸?shù)膬?yōu)勢

目前對(duì)光通信系統(tǒng)的通信碼率進(jìn)一步提高的主要障礙是在電子學(xué)。在克服這一障礙上，激光大氣通信比光纖通信要占優(yōu)勢。

無線光通信是以激光為傳輸載體以大氣為傳輸媒介的通信方式，與傳統(tǒng)的通信方式相比較，無線光通信主要的優(yōu)點(diǎn)如下。

第一，架設(shè)靈活便捷無線激光通信可以翻越山頭，以及在江河湖海上進(jìn)行通信，可以完成地對(duì)空、空對(duì)空等多種光纖通告無法完成的通信任務(wù)，因此無線激光通信對(duì)于解決最后一公里的寬帶接入，對(duì)于應(yīng)用于企業(yè)和校園網(wǎng)絡(luò)，以及作為光纖冗余鏈路、無線臨時(shí)傳輸手段等，有著極大的應(yīng)用價(jià)值。無線激光通信可以在幾小時(shí)內(nèi)把寬帶信道接到任何地方，而無需埋設(shè)光纖，因此大大縮短了施工周期，這對(duì)于通信運(yùn)營商來說，是一種快速搶占市場的極好選擇。

第二，微米級(jí)的波束發(fā)散角和穩(wěn)定的方向。波束發(fā)散角與波長成正比。激光通信的工作波長一般在微米量級(jí)或更小，而和微波通信的波長范圍在數(shù)百米到亞厘米之間。因此，激光通信的光束發(fā)散角比RP和微波通信至少小3到4個(gè)數(shù)量級(jí)，大約在10微弧度左右。這在軍事應(yīng)且上具有非常重要的意義，大大提高了軍事通信的保密性。

第三，設(shè)備對(duì)電源量需求很低，只需幾伏，采用本地供電，并且供電方式多種多樣。

第四，常輕小的天線尺寸和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于激光通信的波長遠(yuǎn)小于RF和微波通信的波長，在同樣功能和條件下，激光通信的天線尺寸遠(yuǎn)小于RF和微波通信的天線尺寸。因此，激光通信系統(tǒng)的重量和體積相對(duì)就顯得非常輕小。這有利于激光通信在各種航天器上的應(yīng)用，尤其是在小衛(wèi)星上的應(yīng)用。

第五，高數(shù)據(jù)傳輸率，對(duì)激光脈沖進(jìn)行調(diào)制解調(diào)后，激光通信可以提供高達(dá)10Gbps(每秒千兆位)量級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前RF及微波通信傳輸速度。

第六，低發(fā)射功率，高接收功率。對(duì)于接收端而言有效接收功率與波束發(fā)散角的平方成反比。由于激光通信的波束發(fā)散角遠(yuǎn)小于RP和微波通信。因此，在距離相同的情況下較之RF和微波通信，激光通信可以用更小的發(fā)射動(dòng)率獲得更高的接收功率。

第七，新的通信頻帶。由于激光通信的波長遠(yuǎn)小于RF和微波通信，因此其工作頻率比目前擁擠的無線電通信頻率高許多，為信息傳輸提供了新的通信頻帶。

第八，適用任何通信協(xié)議，無線激光通信產(chǎn)品作為一種物理層的傳輸設(shè)備，可以適應(yīng)任何通信協(xié)議，如SONET，SONET/SDH，ATM(異步傳輸模式)、FD-DI(光纖分布式數(shù)據(jù)接口)、Ethernet(以太網(wǎng))、Fast Ethernet(快速以太網(wǎng))等，并可支持2.5Gbit/s的傳輸速率，用于傳輸數(shù)據(jù)、聲音和影像等各種信息。

第九，傳輸容量大，微波頻率大致在數(shù)GHz到數(shù)十GHz量級(jí)，而激光的頻率大致在數(shù)百.THz量級(jí)，比微波高3~5個(gè)數(shù)量級(jí)，因而可以得到高得多的數(shù)據(jù)傳輸速率。

第十，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。沒有任何設(shè)計(jì)、勘察、工程和線路費(fèi)等附加費(fèi)用，較其它如衛(wèi)星站、短波和光纜等手段每兆比特的傳輸費(fèi)用更為經(jīng)濟(jì)。

從上述的特點(diǎn)可以看出，激光通信在科學(xué)研究和軍事領(lǐng)域有著極為重要的應(yīng)用，而它在商業(yè)上的應(yīng)用前景更為廣泛，潛力也更為巨大。

于是本文便提出了一個(gè)應(yīng)用激光大氣傳輸?shù)臄?shù)字圖像光通信系統(tǒng)。上文針對(duì)傳輸?shù)拿浇檎劻斯馔ㄐ诺陌l(fā)展史，下面再針對(duì)傳輸?shù)男畔⒄務(wù)剤D像通信的發(fā)展史及國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)。

二、圖像通信與激光大氣通信結(jié)合的前景和設(shè)想

本文提出用大氣激光作通信信道傳輸圖像信息，是希望能充分利用大自然中這種廉價(jià)的現(xiàn)成資源，將它變成有效的寬帶“網(wǎng)絡(luò)”，促進(jìn)數(shù)字電視市場（包括四個(gè)等級(jí)：可視電話、會(huì)議電話、數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視和高清晰度電視）的開發(fā)。

當(dāng)然，也許有不少人都會(huì)覺得這是天方夜譚，因?yàn)榇髿馑p確實(shí)是個(gè)難以克服的難題。而且裸露的激光極易被阻擋，一旦被阻擋傳輸就中斷。要通過它來進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸是不可能的。但是本文在前面亦強(qiáng)調(diào)了激光大氣通信用于短程通信的優(yōu)勢。比方說，將它用于垂直方向的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，這樣便可較有效地避免經(jīng)常受阻擋；此外，用于現(xiàn)代社會(huì)高樓林立，在兩棟相距不遠(yuǎn)的高建筑物之間利用激光大氣進(jìn)行圖像通信顯然是種方便經(jīng)濟(jì)的優(yōu)良通信手段；再舉一個(gè)更具體的應(yīng)用設(shè)想例子、假設(shè)一層教學(xué)樓有數(shù)個(gè)電教室，我們可以通過見面分光鏡及反射鏡來改變激光的光路，讓它分成幾路分別由各個(gè)電教室接收，只要光強(qiáng)足夠，這些電教室就能組成“局域網(wǎng)”只需要一臺(tái)發(fā)射機(jī)，便可以同時(shí)共享由一間電教室發(fā)送過來的圖像，就如現(xiàn)代家庭常使用的電話分機(jī)一樣。還有，前面提到通過大氣傳輸?shù)募す鈽O易被阻擋，這本是它的缺點(diǎn)，但我們恰恰可以利用它這個(gè)缺點(diǎn)做成防盜監(jiān)視器；甚至可以在某一適當(dāng)?shù)牡胤皆O(shè)置一支光路作監(jiān)視器，在別的不易被阻擋的合適地方設(shè)置光路傳輸監(jiān)視結(jié)果，做成多功能的監(jiān)視系統(tǒng)。它雖然取代光纖通信或無線射頻通信，但是有能力與它們共存。

我們可以將人們相互之間以及人們與外界環(huán)境之間傳遞或交換的信息歸納為語言、數(shù)據(jù)、圖像三種主要形式。當(dāng)人們用自己的感覺器官來獲取，這些信息時(shí)，主要是靠視覺和聽覺。據(jù)一些學(xué)者估計(jì)，由視覺獲得的信息占全部信息的70%左右，因此在語言、數(shù)據(jù)、圖像三種方式中，圖像通信應(yīng)當(dāng)起到主要作用，這樣才和人們獲取信息的方式相匹配。然而目前的事實(shí)是圖像通信遠(yuǎn)未達(dá)到語言通信的普及程度。圖像通信因此而存在著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

光通信理論亦是目前未臻于完善的理論。對(duì)空間光通信系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究在我國尚處于萌芽時(shí)期，空間光通信系統(tǒng)將是一個(gè)有待大力進(jìn)行研究并具有極大應(yīng)用價(jià)值的研究領(lǐng)域。

本文將圖像通信和光通信兩種頗具潛力的新學(xué)科結(jié)合起來研究討論，無疑又是一個(gè)新的嘗試。