1 km 2.5 Gbit/s雙向激光網(wǎng)橋視頻通信

張羽桐，趙江南，艾 勇，梁赫西，胡仁杰

(1． 武漢大學(xué) 激光通信實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430072； 2.武漢六博光電技術(shù)有限責(zé)任公司，武漢 430000)

0 引 言

隨著無線光通信技術(shù)的發(fā)展和普及，在城市的很多角落都可以隨時(shí)連接行動(dòng)熱點(diǎn)(Wireless Fidelity，Wi-Fi)亦或是移動(dòng)流量進(jìn)行上網(wǎng)通信。但是由于成本和人口密度的原因，針對(duì)一些光纖和無線網(wǎng)無法達(dá)到的地帶，通信和上網(wǎng)就成了一個(gè)難題，比如：在偏遠(yuǎn)地區(qū)或沙漠中有一個(gè)研究所，需要與外界進(jìn)行信息的互換，那么激光網(wǎng)橋就成為了一個(gè)很好的選擇。

激光網(wǎng)橋作為連接網(wǎng)絡(luò)的“橋梁”，可進(jìn)行廣域網(wǎng)(Wide Area Network，WAN)的延長以及局域網(wǎng)(Local Area Network，LAN)的互聯(lián)，具有成本低、連接快捷、網(wǎng)絡(luò)安全性高和高效快速的特點(diǎn)，因而十分具有前景。激光網(wǎng)橋有多種連接模式：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多和多對(duì)點(diǎn)等[1-2]。本文采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的工作方式，在連接好相應(yīng)的硬件電路后，進(jìn)行激光點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)射接收調(diào)試，調(diào)試使得兩端接收的光功率符合要求之后，參與實(shí)驗(yàn)的兩端人員用手機(jī)連上相應(yīng)的LAN，采用實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的手機(jī)軟件進(jìn)行視頻語音通信。

國外的自由空間光通信 (Free Space Optical Communications,FSO)領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了長達(dá)十幾年的研究，所以已經(jīng)有相應(yīng)的產(chǎn)品被應(yīng)用于某些方面。比如美國研究的激光通信系統(tǒng)，采用二進(jìn)制啟閉鍵控(On-Off Keying，OOK)的調(diào)制方式可以130 Mbit/s的速率傳輸800 nm波段的光波；佳能公司生產(chǎn)的產(chǎn)品Canobeam DT-50的傳輸速率可到622 Mbit/s，可連接一些不同的網(wǎng)絡(luò)接口[1]等。

目前我國的FSO領(lǐng)域仍處在研究階段，還無法做到大規(guī)模普及以及量化生產(chǎn)，相關(guān)的FSO產(chǎn)品不多，只有部分研究所和少數(shù)企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品比較成熟。但隨著FSO技術(shù)的發(fā)展和半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，基于激光網(wǎng)橋的FSO技術(shù)充滿了前景，它在解決目前頻帶擁擠資源較少這個(gè)問題方面有很好的優(yōu)勢，而且FSO的速率更快、延遲更小、容量更高且安全性也是十分顯著的[3-4]。因此，激光網(wǎng)橋的研究和發(fā)展對(duì)特殊地帶的網(wǎng)絡(luò)延伸和信息傳輸有著重要的意義。

1 FSO傳輸原理

1.1 FSO傳輸模型

FSO的傳輸主要由發(fā)射和接收這兩個(gè)部分組成,如圖1所示。發(fā)射模型由4個(gè)部分構(gòu)成，分別為電/光轉(zhuǎn)換后的光信號(hào)，經(jīng)過相應(yīng)的調(diào)制方式(如OOK)，再對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大以提高發(fā)射功率，最后通過光學(xué)發(fā)射天線發(fā)射到大氣中。接收模型主要是接收天線接收到光信號(hào)，然后通過光濾波器進(jìn)行濾波濾除背景光和雜光，再通過相應(yīng)的光/電轉(zhuǎn)換模塊，如雪崩光電二極管(Avalanche Photon Diode，APD),進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換，后續(xù)有電濾波器和判決電路等。

圖1 FSO發(fā)射和接收模型

1.2 FSO系統(tǒng)鏈路模型

整體鏈路構(gòu)成為激光器出射的激光需經(jīng)過光學(xué)整形和聚焦擴(kuò)束后出瞳，再進(jìn)入大氣中，經(jīng)過長距離的大氣衰減損耗后，到達(dá)APD附近的光功率很弱，需要使用光學(xué)透鏡聚焦到其感光單元上。

對(duì)于FSO鏈路，設(shè)APD接收的光功率為PR，激光器輸出的光功率為PS，發(fā)射的光學(xué)系統(tǒng)透過率為T，F(xiàn)SO的幾何損耗為LS，激光的大氣衰減損耗為Lα，整體光鏈路傳輸方程為

光學(xué)系統(tǒng)透過率T的來源為光學(xué)組鏡的透過率以及光學(xué)整形和部分的系統(tǒng)遮攔，一般取值為0.5。本次實(shí)驗(yàn)由于采用兩路發(fā)射(將激光分束)，通過功率計(jì)測得的分束前激光功率為200.52 mW,分束后經(jīng)過組鏡和整形的雙路輸出分別為49.60和49.26 mW，其整體透過率接近50%。

FSO的幾何損耗主要來源于發(fā)射和接收口徑以及發(fā)射接收端之間的距離，幾何損耗模型如圖2所示。圖中，S和R分別為發(fā)射和接收鏡頭；D1和D2分別為發(fā)射和接收口徑；θ為激光的光束發(fā)散角；Z為發(fā)射端和接收端之間的距離，因此理論上幾何損耗的表達(dá)式為

圖2 幾何損耗模型

激光在大氣中的衰減損耗Lα=e-αz，衰減系數(shù)α與大氣能見度V和通信波長λ有關(guān)，激光在大氣中的衰減系數(shù)為

式中，b為修正因子，也與能見度V有關(guān)，在一般天氣的平均能見度(10 km左右時(shí))下取值為b=1.3。

2 激光網(wǎng)橋原理

無線網(wǎng)橋是通過大氣作為媒介，網(wǎng)橋?qū)⒁欢诵盘?hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電磁波進(jìn)行傳輸。雙向網(wǎng)橋的兩端都具有信號(hào)的發(fā)射和接收功能，圖3所示為無線網(wǎng)橋示意圖。激光網(wǎng)橋則是通過光/電轉(zhuǎn)換、激光收發(fā)的方式，在兩個(gè)LAN之間構(gòu)建起一個(gè)無線的“橋梁”，相當(dāng)于有線光纖到戶的無線延伸。網(wǎng)橋搭建起來后，對(duì)路由器和子網(wǎng)等的管理更加方便，它把小的分離的LAN連接成了大的整體的LAN。比如甲可以在LAN A內(nèi)進(jìn)行信息交換，乙可以在LAN B內(nèi)進(jìn)行信息交換，一旦構(gòu)建網(wǎng)橋連接LAN A和B，那么甲和乙就可以通過網(wǎng)橋進(jìn)行信息交換[5-8]。

圖3 無線網(wǎng)橋

2.1 系統(tǒng)硬件模型

本次實(shí)驗(yàn)是在兩個(gè)相距1 km的大樓之間進(jìn)行測試，采用光通信機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行測試，其一端的硬件組成為終端設(shè)備(比如：手機(jī))、路由器、服務(wù)器(只在一端需要服務(wù)器，圖4中紅線連接)、光通信機(jī)和發(fā)射/接收鏡頭，其整體構(gòu)架如圖4所示。

圖4 硬件系統(tǒng)組成

服務(wù)器中主要為可以安裝在手機(jī)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室自制通信軟件：LaserCall(一款自制手機(jī)應(yīng)用軟件)服務(wù)， LaserCall的主要功能同許多聊天軟件類似，可以用來發(fā)送文字圖片信息以及實(shí)時(shí)語音視頻通話。但是通過服務(wù)器和激光網(wǎng)橋系統(tǒng)，這款軟件可以在不連接外網(wǎng)的情況下，在兩個(gè)不同的LAN內(nèi)部進(jìn)行通信[9]，即通過LaserCall可以在Wi-Fi路由器不接WAN的情況下進(jìn)行雙方通信，這對(duì)野外亦或是復(fù)雜地帶的通信提供了很好的選擇。

2.2 光通信機(jī)——大面積的APD

空間光通信機(jī)是硬件系統(tǒng)的核心部件，也是激光網(wǎng)橋的基礎(chǔ)部分，服務(wù)器主要為軟件服務(wù)?？臻g光通信機(jī)的基本組成有4個(gè)部分：光學(xué)天線、光/電和電/光轉(zhuǎn)換模塊、光放大模塊以及電源模塊。最重要的就是光/電轉(zhuǎn)換模塊。FSO由于存在前文提到的幾何損耗，即發(fā)射與接收口徑的損耗，在完成音頻或者是視頻傳輸時(shí)，需要較高的光功率接收以及較低的誤碼率(Bit Error Ratio，BER)，很多實(shí)驗(yàn)和文章都采用小尺寸的APD，這存在很大的對(duì)準(zhǔn)難度，也對(duì)激光發(fā)散角有著很高的要求。

因此針對(duì)這一問題，本文采用了基于大面積APD的激光網(wǎng)橋通信。相較其他的光電探測設(shè)備，大面積APD具有更好的靈敏度以及更大的視場角，配合光學(xué)透鏡一起使用，更加有助于雙向FSO對(duì)準(zhǔn)。

由于需要傳輸音頻視頻，對(duì)BER的要求會(huì)比較高，從而需要更高的光功率進(jìn)入APD。圖5所示為高斯光斑，接收端的光斑為外圓，里面的小圓為APD。設(shè)發(fā)射的激光沒有徑向偏角，且最后會(huì)符合高斯光束的強(qiáng)度分布[5]，APD符合視頻傳輸條件的感光半徑為R，經(jīng)過光學(xué)組鏡的視場放大了a倍，則圖中的APD(小圓)半徑為aR，當(dāng)兩圓圓心距離為r時(shí)，APD內(nèi)光強(qiáng)恰好滿足功率要求，則APD內(nèi)的光強(qiáng)I為

圖5 高斯光斑

式中：E0為最大幅值；ω0為腰斑尺寸；ω(z)為與傳播軸線相交于z點(diǎn)的高斯光束等相位面上的光斑半徑；z為離發(fā)射原點(diǎn)的距離。積分范圍為x2+(y-r)2=(aR)2。

由于剛好滿足視頻通信的光強(qiáng)是一定的，所以采用大尺寸的APD在雙向?qū)?zhǔn)的時(shí)候有較大的對(duì)準(zhǔn)活動(dòng)范圍，并且對(duì)于激光發(fā)射的發(fā)散角θ，亦可以適當(dāng)調(diào)大，以方便對(duì)準(zhǔn)。因此采用大面積的APD在FSO接收方面有助于提高光接收的靈敏度，獲得更高的光功率；對(duì)于激光發(fā)散角可以適當(dāng)靈活處理，比如略微增大發(fā)散角，這使得雙向?qū)?zhǔn)的難度大大降低。

本文采用的是200 μm光敏面積的APD，如圖6所示。

圖6 銦鎵砷APD (波長800～1 700 nm)

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)采用1 550 nm的紅外光，可以匹配很多種摻鉺光纖放大器，且此波段的光在大氣中的衰減小。激光發(fā)射端的初始光功率為23.15 dBm，經(jīng)過組鏡等入射大氣的雙路激光分別為17.01和17.10 dBm，光束發(fā)散角經(jīng)過測量得到為2 mrad，發(fā)射和接收口徑分別為5和100 mm，通信距離為1 km，當(dāng)天的大氣能見度為6 km。

根據(jù)式(2)和(3)，得到幾何損耗為-26 dBm，其衰減系數(shù)α=0.170。

3.1 功率和BER測試

使用光模塊連接誤碼儀發(fā)送通信速率為2.5 Gbit/s的1 550 nm激光，在相隔1 km的另一端，首先使用紅外捕獲，獲得光斑大致位置，再使用大面積APD進(jìn)行接收。通過改變大面積APD和光斑的相對(duì)位置對(duì)接收光功率進(jìn)行衰減(也可使用衰減片)得到如圖7所示的光功率-BER曲線。

圖7 光功率-BER曲線

當(dāng)接收光功率<-32 dBm時(shí)，BER>10-5，此時(shí)BER過高，無法完成通信;當(dāng)接收光功率>-30 dBm時(shí)，此時(shí)的BER約為10-6，對(duì)于光傳輸設(shè)備，此時(shí)能基本完成通信;當(dāng)連接攝像頭和顯示器時(shí)，發(fā)現(xiàn)此時(shí)的接收信號(hào)不穩(wěn)定，圖像傳輸時(shí)有時(shí)無;當(dāng)BER=10-9時(shí)，這個(gè)大小的BER是視頻音頻傳輸?shù)慕?jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在BER<10-9時(shí)，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)視頻信號(hào)可穩(wěn)定傳輸，且短時(shí)間內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生誤碼。將接收光功率的值調(diào)節(jié)到約-20 dBm，此時(shí)BER遠(yuǎn)小于10-9，且信號(hào)穩(wěn)定、視頻音頻圖像清晰。

圖8所示為光功率為27 dBm左右時(shí)的眼圖。測試發(fā)現(xiàn)，在27 dBm左右傳輸2.5 Gbit/s的數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，眼圖清晰，且在一段時(shí)間內(nèi)無均衡的情況下沒有誤碼，此時(shí)的鏈路符合1 km雙向2.5 Gbit/s的視頻通信要求，可以連接兩側(cè)的LAN進(jìn)行WAN的傳輸。

圖8 光功率為27 dBm左右時(shí)的眼圖

對(duì)于不同距離的雙向網(wǎng)橋通信測試，實(shí)驗(yàn)根據(jù)鏈路計(jì)算的幾何損耗，設(shè)置相應(yīng)的衰減，得到的測試結(jié)果大致也符合光功率-BER曲線。

此時(shí)使用Lasecall軟件時(shí)雙方的視頻通信如圖9所示。

圖9 LaserCall雙向視頻通信

3.2 大氣湍流的影響

實(shí)驗(yàn)采用了一套激光設(shè)備記錄大氣湍流對(duì)激光的影響，在一端發(fā)射1 550 nm激光，并搜集角反射器反射回來的激光，選取記錄其中一段時(shí)間的相應(yīng)電壓值，繪制出了如圖10所示的大氣湍流影響下的光電壓接收?qǐng)D。

圖10 大氣湍流影響下的光電壓接收

圖中，電壓值的波動(dòng)說明大氣湍流對(duì)于接收的激光束功率造成了一定的起伏，換算過來也有幾dBm的波動(dòng)，如果采集數(shù)據(jù)充足的話，對(duì)于采集的功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)按照功率大小畫圖，最后能得到類似高斯分布的功率圖。實(shí)驗(yàn)采集了下午3個(gè)小時(shí)的接收數(shù)據(jù)，選取了其中連續(xù)的一小時(shí)數(shù)據(jù)，分段繪制概率如圖11所示，其光強(qiáng)的概率分布類似高斯分布。

圖11 大氣湍流下接收光強(qiáng)的概率分布

4 結(jié)束語

本次實(shí)驗(yàn)以激光網(wǎng)橋連接LAN的方式，使用LaserCall進(jìn)行雙端1 km 2.5 Gbit/s的視頻語音通信，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期。實(shí)驗(yàn)核心為激光網(wǎng)橋的搭建連接，也就是兩端對(duì)于激光的接收和發(fā)送。針對(duì)調(diào)試兩端鏡頭的相對(duì)位置對(duì)準(zhǔn)的問題，采用大面積的APD獲得了更高的光功率，提高了對(duì)準(zhǔn)效率。

針對(duì)不同接收光功率的BER，對(duì)于1 km 2.5 Gbit/s的信號(hào)傳輸，在光功率為27 dBm左右時(shí)，可以穩(wěn)定無誤碼傳輸，測試了大氣湍流對(duì)于光功率的影響，即光束在傳輸后會(huì)逐漸靠近類高斯光束。

雖然實(shí)驗(yàn)基本符合預(yù)期要求，但還是存在一些可以改進(jìn)的問題。比如：如何自動(dòng)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的激光捕獲，以及在實(shí)際的通話中，服務(wù)器是否可以容納很多用戶同時(shí)通信，提高激光的接收和發(fā)射效率等等，這些問題需要深入地研究和改進(jìn)。相信隨著光電技術(shù)的發(fā)展，激光網(wǎng)橋的技術(shù)會(huì)得到長足的進(jìn)步，并且會(huì)在通信領(lǐng)域起到重要的作用。