西安郵電無線光通信總結(jié)

1、題型：填空、名詞解釋、簡答題、論述題，1.無線光通信趙優(yōu)點(diǎn)：帶寬資源豐富，不受限制；無需費(fèi)用；無多徑衰落；光路對(duì)準(zhǔn)，安全性高；光束窄、不可見，難于發(fā)現(xiàn)和截取（監(jiān)聽）；空間容量高，可以共享頻率；期間小、輕，成本低；信道間干擾??；無需開挖道路，易于安裝；對(duì)身體無害；功耗低；電磁干擾影響小缺點(diǎn)：傳輸容量小，區(qū)域覆蓋和漫游；不支持移動(dòng)用戶；只有對(duì)單個(gè)用戶；準(zhǔn)確地”指出”或一致；高的光學(xué)路徑損耗（高傳輸功率）；multipath-induced（多通道感應(yīng)）色散產(chǎn)生碼間干擾(ISI),從而限制了數(shù)據(jù)率約幾Mbps；環(huán)境光降解性能的聯(lián)系；路徑損耗高,一般50 - 70分貝水平分離5米；嚴(yán)重的多徑色散 16

2、 Mbps；高的光學(xué)傳輸能力是必需的分類：可見光通信，自由空間光通信，無線紅外通信，紫外光通信，水下光通信面臨的挑戰(zhàn)：環(huán)境光源，阻塞和陰影，定位和跟蹤，不良天氣大氣2.大氣光傳輸伍1>電路圖：PointA 驅(qū)動(dòng)電路 光源 大氣 光檢測器 接收端 pointB 通信距離2>大氣成分對(duì)光通信的影響 1、吸收定義：指大氣分子對(duì)電磁波能量的吸收，在微波和毫米波段，氧和水 汽是大氣氣體吸收的主要成分。氧分子具有磁偶極矩，水分子具有剩余電偶極矩。 2、吸收的性能及特點(diǎn)：吸收和波長有關(guān)，光子的能量轉(zhuǎn)換為內(nèi)部能量，產(chǎn)生吸收尖峰，氮?dú)夂脱鯕?這是兩種最豐富,且有助于吸收紅外光譜的一部分。3>三

3、種散射及其性能 1、瑞利散射: 主要發(fā)生在氣體中，還發(fā)生在透明的液體和固體之中，它一種光學(xué)現(xiàn)象，屬于散射的一種情況。又稱“分子散射”。粒子尺度遠(yuǎn)小于入射光波長時(shí)（小于波長的十分之一），其各方向上的散射光強(qiáng)度是不一樣的，該強(qiáng)度與入射光的波長四次方成反比，這種現(xiàn)象稱為瑞利散射。原因：光在空氣中傳播由于氧氣和氮?dú)庖鸬娜鹄⑸?2、米氏散射: 粒子直徑大于入射光波長的十分之一到直徑等于入射光的波長，這種散射主要由大氣中的微粒，如煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等引起。米氏散射的輻射強(qiáng)度與波長的二次方成反比，散射在光線向前的方向比向后的方向更強(qiáng)，方向性比較明顯。特點(diǎn)： 1、由于米氏散射衰減值可以達(dá)到數(shù)百dB

4、/公里 2、霧天最高可達(dá)300dB/km 3、干擾通信鏈路甚至不到100米的距離計(jì)算波長相關(guān)性wavelength dependent： 3、非選擇性散射：粒子的大小大于入射波長。4>總消光系數(shù)：（total extinction coefficient）：TS scattering散射m scattering due to molecules 分子散射p scattering due to particles粒子散射a absorption吸收5>能見度: 是反映大氣透明度的一個(gè)指標(biāo)，航空界定義為具有正常視力的人在當(dāng)時(shí)的天氣條件下還能夠看清楚目標(biāo)輪廓的最大距離。能見度和當(dāng)時(shí)的天氣

5、情況密切相關(guān)。當(dāng)出現(xiàn)降雨、霧、霾、沙塵暴等天氣過程時(shí)，大氣透明度較低，因此能見度較差。測量大氣能見度一般可用目測的方法，也可以使用大氣透射儀、激光能見度自動(dòng)測量儀等測量儀器測試。 6>背景噪聲: 與電力線或變電站的無線電干擾出現(xiàn)與否無關(guān)的系統(tǒng)總噪聲稱為背景噪聲。在環(huán)境影響評(píng)價(jià)（EIA）中，背景噪聲是指除研究對(duì)象以外所有噪聲的總稱。 背景噪聲在不同的情況下對(duì)光傳輸性能的影響： 1>會(huì)引起信號(hào)波形的畸變 2>光纖通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)的噪聲往往是影響接收靈敏度的主要因素，也是衡量系統(tǒng)性能的一個(gè)重要參數(shù)。在光纖通信系統(tǒng)中出現(xiàn)的噪聲，噪聲主要有熱噪聲和散彈噪聲。 熱噪聲：由帶電粒

6、子在導(dǎo)電媒介中的布朗運(yùn)動(dòng)引起的，包括發(fā)生于有源器件內(nèi)部的載流子或電子發(fā)射的隨機(jī)性而形成散彈效應(yīng)起伏過程的散彈噪聲和引起電路中電流或電路兩點(diǎn)間電位差不停起伏的電阻熱噪聲。散彈噪聲：是由真空電子管和半導(dǎo)體器件中電子發(fā)射的不均勻性引起的3.自由空間光通信薛1.FSO概念：指以激光光波作為載波，大氣作為傳輸介質(zhì)的光通信系統(tǒng)。2.FSO通信參數(shù)：（1）接收信噪比（2）誤碼率（3）信道3. 自由空間光通信（FSO）的應(yīng)用：（1）城域網(wǎng)的擴(kuò)展（2）企業(yè)、校園互連（3）軍事應(yīng)用以其高保密性和安裝快捷的特性廣泛的應(yīng)用于軍事場所（4）無線基地臺(tái)數(shù)據(jù)的回傳（5）其他應(yīng)用：衛(wèi)星間通信、災(zāi)難復(fù)原、作為光纖的補(bǔ)充、視頻會(huì)

7、議、臨時(shí)通信4.FSO特點(diǎn)：（1）利用激光和光探測器提供出無光纖的光學(xué)連接。（2）傳輸數(shù)據(jù)、語音和視頻的速度能夠達(dá)到Gbps（3）全雙工(雙向)能力（4）波長:750 nm - 1550 nm（5）窄視場接收機(jī)和窄的低功率傳輸光束；高效的光學(xué)干擾抑制和高的光學(xué)信號(hào)增益；只適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信(戶外和室內(nèi))；可以支持移動(dòng)用戶使用跟蹤功能；用于以下協(xié)議:以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)、FDDI、ATM。廉價(jià)(成本約4美元/ Mbps /月)。5. 自由空間光通信優(yōu)點(diǎn)：自由空間光通信結(jié)合了光纖通信與微波通信的優(yōu)點(diǎn)，具有大通信容量、高速傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)。（1）高數(shù)據(jù)率:2.5 Gbps目前和10 Gbps在不久的將來。（2

8、）低成本：不需要許可。安裝成本比鋪設(shè)纖維低。沒有沉沒成本，沒有資本過剩。（3）高度傳輸安全。（4）快速部署和可重構(gòu)(易于使用)6.自由空間光通信的調(diào)制技術(shù)大氣傳輸激光通信系統(tǒng)是由兩臺(tái)激光通信機(jī)構(gòu)成的通信系統(tǒng)，它們相互向?qū)Ψ桨l(fā)射被調(diào)制的激光脈沖信號(hào)（聲音或數(shù)據(jù)），接收并解調(diào)來自對(duì)方的激光脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雙工通信。圖1所示的是一臺(tái)激光通信機(jī)的原理框圖。圖中系統(tǒng)可傳遞語音和進(jìn)行計(jì)算機(jī)間數(shù)據(jù)通信。受調(diào)制的信號(hào)通過功率驅(qū)動(dòng)電路使激光器發(fā)光，從而使載有語音信號(hào)的激光通過光學(xué)天線發(fā)射出去。另一端的激光通信機(jī)通過光學(xué)天線將收集到的光信號(hào)聚到光電探測器上，然后將這一光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再將信號(hào)放大，用閾值探測方法

9、檢出有用信號(hào)，再經(jīng)過解調(diào)電路濾去基頻分量和高頻分量，還原出語音信號(hào)，最后通過功放經(jīng)耳機(jī)接收，完成語音通信。當(dāng)開關(guān)K擲向下時(shí)，可傳遞數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)間通信，這相當(dāng)于一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)。它由計(jì)算機(jī)、接口電路、調(diào)制解調(diào)器、大氣傳輸信道等幾部分組成。接口電路將計(jì)算機(jī)與調(diào)制解調(diào)器連接起來，使兩者能同步、協(xié)調(diào)工作；調(diào)制器把二進(jìn)制脈沖變換成或調(diào)制成適宜在信道上傳輸?shù)牟ㄐ?，其目的是在不改變傳輸結(jié)果的條件下，盡量減少激光器的發(fā)射總功率；解調(diào)是調(diào)制的逆過程，把接收到的已調(diào)制信號(hào)進(jìn)行反變換，恢復(fù)出原數(shù)字信號(hào)將其送到接口電路；同步系統(tǒng)是數(shù)字通信系統(tǒng)中的重要組成部分之一，其作用是使通信系統(tǒng)的收、發(fā)端有統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，步調(diào)

10、一致。7.射頻與混合網(wǎng)如何應(yīng)用RF wireless networks射頻無線網(wǎng)絡(luò)(1)廣播射頻網(wǎng)絡(luò)不可伸縮(2)射頻不能提供非常高的數(shù)據(jù)速率(3)射頻的安全系數(shù)低(4)高概率的檢測/攔截(5)受霧和雪的影響不嚴(yán)重,受到雨水的影響比較嚴(yán)重混合無線光通信/射頻鏈接（1）高可用性(> 99.99%)（2）比單一的射頻更高的吞吐量（3）最大的靈活性需要無光照射頻隊(duì)列應(yīng)用遠(yuǎn)程醫(yī)療和視頻會(huì)議自由空間光通信系統(tǒng)8.光源與檢測器光發(fā)射機(jī)：FSO光源工作波長激光類型備注850VCSEL便宜,非?？捎?沒有主動(dòng)冷卻,可靠 10 gbps1300-1550 Fabry-Perot/DFB壽命長,兼容EDFA

11、,40 gbps50 - 65倍的力量相比,780 - 850 nm10000量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL昂貴,非?？焖俸透叨让舾?，理想的室內(nèi)元件(沒有滲透通過窗口)光探測器：探測器材料/結(jié)構(gòu)波長nm反應(yīng)特性敏感性增益硅PIN300 11000.5 34dBm 155Mbps1InGaAs PIN1000 17000.946dBm155Mbps1硅APD400 10007752dBm155Mbps150InGaAs APD1000 1700910Quantum well and Quatum-dot 10,0009.大氣湍流的定義，影響其的參數(shù)；對(duì)自由光通信的影響：自身，分級(jí)技術(shù)，電路性能因素，光柵

12、起伏，引起光污染之類的（1）大氣湍流定義：由于太陽輻射和氣象因素所產(chǎn)生的大氣溫度的微小隨機(jī)變化(1)所導(dǎo)致的大氣風(fēng)速的隨機(jī)變化而形成。（2）影響大氣湍流參數(shù)：如溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速等（3）大氣湍流的功率譜密度Ø Cn2：折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Ø k：波數(shù)，kl =3.3/l0, k0=1/L0Ø l0和L0：湍流的內(nèi)尺度與外尺度（4）CN2：大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)，表示大氣湍流的強(qiáng)弱Ø 強(qiáng)湍流Cn2 > 2.5x10-13 Ø 弱湍流Cn2 < 6.4x10-17 Ø 中等湍流6.4x10-17 < Cn2 < 2.5x

13、10-13(5) 湍流對(duì)自由空間光通信大氣傳輸?shù)挠绊憂 激光束強(qiáng)度、相位和傳輸方向均會(huì)受到擾動(dòng)而出現(xiàn)相應(yīng)的隨機(jī)變化n 與激光束束寬 和湍流尺寸l 的相對(duì)大小相關(guān)Ø 2/ l <<1時(shí)，主要引起光束的隨機(jī)漂移Ø 2/ l 1時(shí)，光束截面產(chǎn)生隨機(jī)偏轉(zhuǎn)，形成到達(dá)角起伏Ø 2/l >>1時(shí)，光束截面內(nèi)包含許多湍流漩渦，引起光束強(qiáng)度的起伏、相位起伏和光束擴(kuò)展10.抑制大氣湍流的方法（1）針對(duì)光束漂移和擴(kuò)展問題，可通過增加激光束散角和發(fā)射功率來加以克服，但會(huì)加大系統(tǒng)其它部分的設(shè)計(jì)難度(2)提高探測器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍在一定程度上可解決光強(qiáng)閃爍造成的接收信號(hào)

14、衰落問題，但受器件制造水平的限制(3)新技術(shù)：大孔徑接收、分集、部分相干光傳輸、時(shí)域處理與閾值優(yōu)化、自適應(yīng)光學(xué)、信道編碼(RS 編碼、LDPC 編碼等) 與前向錯(cuò)誤校正( FEC) 等技術(shù)11.大氣湍流未來的研究方向：n 光信號(hào)大氣湍流信道傳輸?shù)乃ヂ淠Ｐ?。n 自適應(yīng)乘性噪聲濾波技術(shù)n 適合于無線光通信應(yīng)用的收、發(fā)端機(jī)AO系統(tǒng)n 實(shí)現(xiàn)不同大氣湍流影響抑制技術(shù)的收、發(fā)端機(jī)體系結(jié)構(gòu)12.自由空間光通信設(shè)計(jì)原則：空地激光通信總體設(shè)計(jì)方案中有關(guān)通信鏈路通信時(shí)段的選擇一般應(yīng)遵循以下的原則:Ø 由于夜晚時(shí)段大氣湍流強(qiáng)度較弱,空地激光通信可多選擇夜晚時(shí)段;Ø 晴天天氣條件下,空地激光通信應(yīng)

15、避免在太陽光強(qiáng)烈的中午時(shí)段建立通信,建議多使用清晨和下午的時(shí)段;Ø 陰天天氣條件下,背景光和大氣湍流效應(yīng)對(duì)空地激光通信鏈路的影響較小,因此只要鏈路通信光能量能滿足鏈路功率分配指標(biāo)要求,空地激光通信鏈路適合在陰天天氣條件下進(jìn)行。13.自由空間光通信（FSO）存在的問題：（1）FSO是一種視距寬帶通信技術(shù)，傳輸距離與信號(hào)質(zhì)量的矛盾非常突出，當(dāng)傳輸超過一定距離時(shí)波束就會(huì)變寬導(dǎo)致難以被接收點(diǎn)正確接收。目前，在1km以下才能獲得最佳的效果和質(zhì)量，最遠(yuǎn)只能達(dá)到4Km。多種因素影響其達(dá)不到99.999%（五個(gè)9）的穩(wěn)定性。（2）FSO系統(tǒng)性能對(duì)天氣非常敏感是FSO的另一個(gè)主要問題。晴天對(duì)FSO傳輸

16、質(zhì)量的影響最小，而雨、雪和霧對(duì)傳輸質(zhì)量的影響則較大。據(jù)測試，F(xiàn)SO受天氣影響的衰減經(jīng)驗(yàn)值分別為：晴天，5-15db/km、雨，20-50db/km、雪，50-150db/km、霧，50-300db/km。國外為解決這個(gè)難題，一般會(huì)采用更高功率的激光器二極管、更先進(jìn)的光學(xué)器件和多光束來解決。（3）城市內(nèi)，由于建筑物的阻隔、晃動(dòng)將影響兩個(gè)點(diǎn)之間的激光對(duì)準(zhǔn)。（4）激光的安全問題也會(huì)影響其使用，超過一定功率的激光可能對(duì)人眼產(chǎn)生影響，人體也可能被激光系統(tǒng)釋放的能量傷害。所以產(chǎn)品要符合眼睛安全標(biāo)準(zhǔn)4.可見光通信康1、 可見光通信的優(yōu)點(diǎn)安全性好、使用的標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.7 Task、噪聲源、有限范

17、圍、移動(dòng)有限、低功耗、體積小、抗電磁干擾性強(qiáng)。 可見光通信的缺點(diǎn) 質(zhì)地脆，機(jī)械強(qiáng)度差；光前的切斷和接續(xù)需要一定的設(shè)備和技術(shù)2、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)、可見光無線集線器、可見光通信適配器、白光LED光源、光電探測器及相應(yīng)信號(hào)處理單元組成。3、 光源：“用戶光源”（裝在適配器上，具有較小的發(fā)射面積，且經(jīng)過簡單的準(zhǔn)直），“主光源”（白光LED陣列燈，也可用于室內(nèi)【通信和照明】）4、 鏈路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：上行鏈路：終端發(fā)射基站接收下行鏈路：基站發(fā)射和終端接收。（上下行鏈路特點(diǎn)：可同時(shí)收發(fā)信息）發(fā)射包括白光LED光和相應(yīng)信號(hào)處理單元，接收部分主要是光電檢測器和相應(yīng)信號(hào)單元VLC的技術(shù)限制因素白光LED有限的帶寬限

18、制了傳輸速率改進(jìn)技術(shù)：藍(lán)光過濾、預(yù)均衡技術(shù)、后均衡技術(shù)、OFDM、波分復(fù)用（）、高階調(diào)制格式、光技術(shù)1.預(yù)均衡技術(shù)：均衡效果；熒光粉LED的帶寬擴(kuò)展到了45MHz；采用NRZ-OOK實(shí)現(xiàn)了80Mb/s，誤碼率Ber<10-62.后均衡技術(shù)：均衡效果；熒光粉LED的帶寬擴(kuò)展到了50MHz；采用NRZ-OOK實(shí)現(xiàn)了100Mb/s，誤碼率Ber<10-93.OFDM：為減小多徑衰落，抵抗符號(hào)間干擾（ISI），以高頻譜效率支持高速率數(shù)據(jù)傳輸；PIN接收機(jī)、熒光粉LED光源：可到230Mb/s；APD接收機(jī)，速率可提高到1Gb/s1、 VLC的作用照明和通信、固體照明、壽命、帶寬、數(shù)據(jù)安全、

19、健康、功耗2、 固體照明光SSL（Solid-state lighting）、（oraganic LED）可供選擇的光源3、 LED的優(yōu)點(diǎn)較高的轉(zhuǎn)換效率、無水銀、較高的濕度差、體型小、比其他光源產(chǎn)生較少的熱量、較低的功耗，快的轉(zhuǎn)換速率4、白熱光燈、鹵素?zé)?、日光燈、高?qiáng)度氣體放電燈、LED的應(yīng)用： 普通照明、辦公室照明、街燈、交通信號(hào)燈、前照燈、尾燈、醫(yī)學(xué)、通信、移動(dòng)器件、液晶顯示器背光組件。5、優(yōu)點(diǎn)：高速轉(zhuǎn)換、節(jié)能、防止竊聽、傳送器件、接收器件、6、VLC：帶寬有限（400-700nm)、線光源、安全性好、使用的標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.7 Task、噪聲源、有限范圍、移動(dòng)有限、低功耗、體積

20、小、抗電磁干擾性強(qiáng)、7、接收器件：PIN 二極管（接收高速達(dá)1G）、雪崩光電二極管(接收靈敏度高)、圖像傳感器（同時(shí)接收?qǐng)D像和數(shù)字）8、白光LED 照明光源布局設(shè)計(jì)（特點(diǎn)）多個(gè)白光LED 組成陣列；為滿足照明需求，應(yīng)先考慮室內(nèi)光照度的分布；要使通信效果達(dá)到最優(yōu)，須根據(jù)房間大小及室內(nèi)設(shè)施不同合理布局，使房間內(nèi)的光強(qiáng)分布大致不變，盡量避免盲區(qū)（光照射不到的區(qū)域）的出現(xiàn)。；室內(nèi)安裝的照明燈越多，可以降低“陰影”效應(yīng)，使得接收功率大大增加，但多個(gè)不同的光路徑會(huì)使得ISI 越嚴(yán)重。9、分集接收技術(shù)：（1）提高VLC 系統(tǒng)的信噪比，克服高速通信中碼間干擾的影響。（2）思想：在接收機(jī)處的不同方向上安裝多個(gè)光

21、電探測器, 對(duì)多個(gè)探測器接收到的信號(hào)進(jìn)行比較, 選取信噪比最大的信號(hào)進(jìn)行通信；（3）兩個(gè)關(guān)鍵的工作是：信號(hào)的選取方式和光電探測器的布局。（4）光電探測器的布局：在接收機(jī)的不同方向上安裝多個(gè)光電探測器且均勻分布于一個(gè)半球面上， 減少探測器個(gè)數(shù)的同時(shí)又提高了接收效率 可見光光源：氙燈可見光缺點(diǎn)：傳輸距離限制相對(duì)明顯，燈光變暗會(huì)對(duì)傳輸功率和傳輸速率有一定影響，采用非相干通信模式可見光面臨的問題：1通信速率的提高：1）編碼調(diào)制技術(shù)2）收發(fā)器 均衡及濾波技術(shù)3）并行通信技術(shù)MIMO2可見光信道模型的完善建立及光源布局的優(yōu)化： 1）上行鏈路技術(shù)5.紫外光通信（Ultraviolet Communicati

22、ons）賀概念：紫外光通信主要是以大氣散射和吸收為基礎(chǔ)，利用中紫外波段的紫外光進(jìn)行的通信，主要應(yīng)用于室外大氣平流層中的臭氧層對(duì)250nm 的波長附近的紫外線有強(qiáng)烈的吸收作用，使得這一波段的紫外輻射在海平面附近幾乎衰減為零，屬于“日盲區(qū)”（為紫外光通信提供了一個(gè)無背景噪聲的通信環(huán)境），該波段為中紫外光波段(UVC)，波長范圍為200280nm。紫外光通信就是利用這一波段進(jìn)行的，因此也稱紫外光通信為“日盲”紫外光通信，工作原理：待傳送的信號(hào)經(jīng)過編碼器編碼后，加載到調(diào)制器上，調(diào)制器的激勵(lì)電流隨著信號(hào)的變化規(guī)律變化，激光器的輸出信號(hào)經(jīng)過調(diào)制器之后，相關(guān)的參數(shù)(強(qiáng)度、相位、振幅和偏振)就會(huì)按照相應(yīng)的規(guī)律

23、變化。最后經(jīng)過光學(xué)天線變換為發(fā)散角很小的已調(diào)光束向空間發(fā)射出去。接收端接收到已調(diào)光束之后，首先經(jīng)過光檢測器轉(zhuǎn)換成射頻電流，然后進(jìn)入射頻檢波器，最后由解碼器解調(diào)出原來的信號(hào)。其中激光器相當(dāng)于無線電通信中的射頻發(fā)生器。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的光學(xué)天線相當(dāng)于無線電天線。所不同的是紫外光通信采用光頻電磁波作為通信的載波。光學(xué)天線其實(shí)就是望遠(yuǎn)鏡， 相當(dāng)于無線電通信中的天線，但明顯的是尺寸的縮小。特點(diǎn)：1.保密性高11.難于竊聽： 由于大氣吸收，強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減，根據(jù)通信距離的要求來調(diào)整系統(tǒng)的發(fā)射功率，控制通信區(qū)域，使敵方難以截獲。12.難于定位： 不可見光，肉眼很難發(fā)現(xiàn)；大氣散射傳播，很難從散射信號(hào)中判斷出紫

24、外光源的所在位置。2.環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：21.防自然干擾： 由于日盲區(qū)的存在，近地面日盲區(qū)紫外光噪聲很小。22.防人為干擾： 由于系統(tǒng)的輻射功率可根據(jù)通信距離要求減 至最小，敵方很難在遠(yuǎn)距離對(duì)本地紫外光通信發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行干擾；其它常規(guī)通信干擾對(duì)紫外光通信是無效的。3.全方位全天候性31.全方位： 非視距方式傳輸信號(hào)，能適應(yīng)復(fù)雜的地形環(huán)境32.全天候： 地理位置、季節(jié)更替、氣候變化、能見度等因素的影響和太陽輻射一樣，都可以看成是一種可忽略的背景“噪聲”。4.靈活機(jī)動(dòng)，可靠性高。41.靈活機(jī)動(dòng)： 可采用車載式、機(jī)載式、艦 載式，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)式通信，能快速機(jī)動(dòng)42.可靠性高： 難于被偵測到，作為攻擊目標(biāo)

25、的可能性小應(yīng)用 1.平板印刷，光譜儀，條形碼，光學(xué)傳感器，消毒，凈化，藥物檢測 2.蛋白質(zhì)分析，DNA測序，藥物發(fā)現(xiàn)（Protein analysis, DNA sequencing, drug discovery） 3.醫(yī)學(xué)光纖療法，漂白，陳化，紫外光滅蟲器 4.應(yīng)用在軍事領(lǐng)域中（由于日盲區(qū)的特點(diǎn)）光檢測器及優(yōu)缺點(diǎn)1. APD（雪崩光電二極管）：在以硅或鍺為材料制成的光電二極管的P-N結(jié)上加上反向偏壓后，射入的光被P-N結(jié)吸收后會(huì)形成光電流。加大反向偏壓會(huì)產(chǎn)生“雪崩”（即光電流成倍地激增）的現(xiàn)象對(duì)紫外光技術(shù)不成熟；（在紫外光中）具有低增益；具有很小的孔徑(um級(jí))。2.PMT（光電倍增管）日

26、盲紫外光電倍增管對(duì)日盲紫外區(qū)以外的可見光、近紫外等光譜輻射不靈敏，具有噪聲低（暗電流小于1nA）、響應(yīng)快、接收面積大等特點(diǎn)。具有低的響應(yīng)率，但是增益高；紫外光通信的最佳選擇。光源及其優(yōu)缺點(diǎn)1.LED（Light Emitting Diode）發(fā)光二極管低功率，單向?qū)ㄐ?，工作電壓很低（有的僅一點(diǎn)幾伏）；工作電流很?。ㄓ械膬H零點(diǎn)幾毫安即可發(fā)光）；抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長；通過調(diào)制通過的電流強(qiáng)弱可以方便地調(diào)制發(fā)光的強(qiáng)弱。LED優(yōu)點(diǎn)：電光轉(zhuǎn)化效率高（接近60%，綠色環(huán)保、壽命長（可達(dá)10萬小時(shí)）、工作電壓低（3V左右）、反復(fù)開關(guān)無損壽命、體積小、發(fā)熱少、亮度高、堅(jiān)固耐用、易于調(diào)光、色彩多

27、樣、光束集中穩(wěn)定、啟動(dòng)無延時(shí)；LED缺點(diǎn)：起始成本高、顯色性差、大功率LED效率低、恒流驅(qū)動(dòng)（需專用驅(qū)動(dòng)電路）。 相比之下，各種傳統(tǒng)照明存在一定的缺陷。2.紫外燈價(jià)格廉價(jià)，功率高；傳播光線需要很寬的角度。適合網(wǎng)絡(luò)傳輸；熒光燈沒有內(nèi)部磷光層發(fā)出紫外線；低調(diào)制。3.激光光通過激光直接產(chǎn)生的過程：低輸出功率；利用可見光的第三和第四諧波產(chǎn)生紫外光，可達(dá)到更高的輸出功率，但需要更大的激光規(guī)模。幾種紫外氣體燈1. 紫外氣體燈汞弧燈功率較大可達(dá)上千W早期的紫外光通信系統(tǒng)樣機(jī)采用易碎、高壓驅(qū)動(dòng)、難以實(shí)現(xiàn)高速率的直接調(diào)制、產(chǎn)生附加譜線太多、壽命短、效率<10%(254nm)2. 紫外氣體燈氙燈在照相、光化

28、學(xué)等領(lǐng)域占有重要地位, 其波長在200 400 nm紫外區(qū)域里有連續(xù)的紫外光譜。在紫外段輻射總能量較可見光和紅外低, 但其總功率可以較大, 并且啟動(dòng)到穩(wěn)定輸出所需時(shí)間很短3. 紫外氣體燈低壓汞燈轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 3040%，發(fā)射功率相當(dāng)可觀, 可達(dá)幾十瓦至上萬瓦需要高壓鎮(zhèn)流器和反射鏡來引導(dǎo)紫外光的傳播方向其他補(bǔ)充1. 紫外探測器利用熱效應(yīng)的熱電探測器利用光電效應(yīng)的光子探測器半導(dǎo)體探測器：2. 探測器要求：具有較大的探測面積較高的增益和帶寬高透過率極低的暗電流密度3. 調(diào)制形式：分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制內(nèi)調(diào)制：也稱直接調(diào)制，是指直接用電調(diào)制信號(hào)控制光源發(fā)光。外調(diào)制：是光源輸出的光載波通過光調(diào)制器，光信號(hào)通

29、過調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對(duì)光載波的調(diào)制。4. 調(diào)制解調(diào)技術(shù)：開關(guān)鍵控（OOK）、脈沖位置調(diào)制（PPM）、差分脈沖位置調(diào)制（DPPM）及脈沖間隔調(diào)制（DPIM）等5. 紫外激光器51.氣體紫外激光器準(zhǔn)分子激光器、氫離子激光器、氮分子激光器、氟分子激光器、氦福激光器等52. 固體紫外激光器直接采用紅外全固體激光器的3倍頻或4倍頻取得355 nm或266 nm 等紫外激光譜線。先用倍頻技術(shù)得到二次諧波, 再利用和頻技術(shù)得到紫外激光譜線6. 氣體激光器61. 準(zhǔn)分子激光器：脈沖方式產(chǎn)生，波長依賴于所使用的氣體混合物類型，光束質(zhì)量差, 產(chǎn)生的光束不是圓的而是矩形的需用遮光膜, 損失95% 或更多的輸出能量, 光束截

30、面上強(qiáng)度大體上是一致的, 在邊緣上忽然下降。62.離子激光器和氦一鎘激光器：連續(xù)方式獲得，光束方向穩(wěn)定性差7. 固體激光7.1 鈦: 藍(lán)寶石激光器：產(chǎn)生265 280 nm 的不連續(xù)的紫外線, 其輸出可通過旋轉(zhuǎn)激光器的一組濾波器來調(diào)節(jié)。7.2 Nd-YAG激光器：是一種4倍頻的固體激光器, 可產(chǎn)生波長266 nm 的紫外線。1992年實(shí)現(xiàn)10 ns寬, 脈沖能量1mJ的紫外光譜進(jìn)行紫外光通信, 需要1 gal/min水制冷系統(tǒng), 750 V的能量供應(yīng), 轉(zhuǎn)換效率低于1%, 僅能完成600 Hz的數(shù)據(jù)傳輸率。6.水下光通信石一.應(yīng)用：答：1它是海洋觀測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)：可采集有關(guān)海洋學(xué)的數(shù)據(jù)，監(jiān)測

31、環(huán)境污染、氣候變化、海底異常地震火山活動(dòng)，探查海底目標(biāo)，及遠(yuǎn)距離圖像傳輸。2.在軍事上：水下激光通信長期以來是水下潛艇通信中的關(guān)鍵技術(shù)。3.它是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)：包括水下電磁波通信，水聲通信，水下光通信。二. 對(duì)應(yīng)的光源與光檢測器特點(diǎn)光源的特點(diǎn)：1.工作波長：400580nm2.功率：背景較強(qiáng)3.脈沖寬度：多徑4.頻率：低一般有：氣體激光器、染料激光器、半導(dǎo)體激光器光檢測器特點(diǎn)：1） 靈敏度高：靈敏度高表示檢測器把光功率轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯男矢?。在?shí)際的光接收機(jī)中，光傳過來信號(hào)及其微弱，有時(shí)只有1nw左右。為了得到較大的信號(hào)電流，人們希望靈敏度盡可能的高。2） 響應(yīng)速度快：指射入光信號(hào)后，馬

32、上就有電信號(hào)輸出；光信號(hào)一停，電信號(hào)也停止輸出，不要延遲。這樣才能重現(xiàn)入射信號(hào)。3） 噪聲?。簽榱颂岣吖饫w傳輸系統(tǒng)的性能，要求系統(tǒng)的各個(gè)組成部分的噪聲要求足夠小。4） 穩(wěn)定可靠：要求檢測器的主要性能盡可能不受或者少受外界溫度變化和環(huán)境變化的影響，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。三.影響性能的因素海水與大氣相比：密度高、內(nèi)容物豐富度更復(fù)雜，影響機(jī)理基本相同。吸收：水分子、無機(jī)溶解質(zhì)、懸浮體與有機(jī)物對(duì)光傳輸?shù)奈?。散射：瑞利散射：純?分子散射米氏散射：懸浮粒子透明物質(zhì)折射引起的散射擾動(dòng)：類似于大氣湍流，溫度、鹽度、折射率、海流、生物體擾動(dòng)、溫度差等時(shí)光強(qiáng)產(chǎn)生起伏熱暈：光束路徑上的物質(zhì)分子、顆粒等吸收

33、激光能量而發(fā)熱改變折射率，光束發(fā)生彎曲和畸變。因?yàn)楹Ｋ沾蟆⑿盘?hào)功率大，對(duì)光的影響大于空氣，產(chǎn)生蒸汽氣泡。解決方法是：增大光學(xué)天線口徑。水空界面：1.海水和空氣界面存在反射 2.海水平面復(fù)雜的隨機(jī)波動(dòng)面、泡沫漂浮物等帶來散射四.特別增加：1.水下光通信分為水下光纖通信和水下激光通信。2.水下光通信的優(yōu)勢：1）由于光波頻率高，其信息承載能力強(qiáng)，可以組建大容量無線通信鏈路。2）是光波在水介質(zhì)的傳輸速率可達(dá)千兆，使得水下大信息容量數(shù)據(jù)的快速傳輸成為可能；3）光學(xué)通信具有抗電磁干擾能力強(qiáng)，不受海水溫度和鹽度影響等特點(diǎn)；4）波束具有較好的方向性，如想攔截，就需要用另一部接收機(jī)在視距內(nèi)對(duì)準(zhǔn)發(fā)射機(jī)，造成通

34、信鏈路中斷，用戶會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)通信鏈路中斷事故。5）隨著半導(dǎo)體光源關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，體積小，價(jià)格低、效率高的可見光譜光電器件充足。并且由于光波波長短，收發(fā)天線尺寸小，可以大幅度減少重量。3.水下光通信存在的問題：1）光損耗：忽略海水?dāng)_動(dòng)和熱暈效應(yīng)，光在海水中的衰減主要來自吸收和散射影響，通常以海水分子吸收系數(shù)、海水浮游植物吸收系數(shù)、海水懸浮粒子的吸收系數(shù)、海水分子散射系數(shù)和懸浮微粒散射系數(shù)等方式體現(xiàn)。2）光束擴(kuò)散：經(jīng)光源發(fā)出的光束在傳輸過程中會(huì)在垂直方向上產(chǎn)生橫向擴(kuò)展，其擴(kuò)散直徑與水質(zhì)、波長、傳輸距離和水下發(fā)散角等因素有關(guān)。3）多徑散射：光在海水中傳播時(shí)，會(huì)遇到許多粒子發(fā)生散射而重新定向，所以非散

35、射部分的直射光將變得越來越少。海水中傳輸?shù)墓獗簧⑸淞Ｗ由⑸涠x光軸，經(jīng)過二、三、四等多次散射后，部分光子又能重新進(jìn)入光軸，形成多次散射。以上問題最直接后果就是激光通信誤碼率較高誤碼率達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)導(dǎo)致通信失敗。4.水下激光通信主要由三大部分組成：發(fā)射系統(tǒng)、水下信道和接收系統(tǒng)。1）發(fā)射系統(tǒng)：將待傳送的信息經(jīng)過編碼器編碼后，加載到調(diào)制器上轉(zhuǎn)變成隨著信號(hào)變化的電流來驅(qū)動(dòng)光源，2）水下信道：通過透鏡將光束以平行光束的形式在信道中傳輸；3）接收系統(tǒng)：由透鏡將傳輸過來的平行光束以點(diǎn)光源的形式聚集到光檢測器上，由光檢測器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，然后進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，最后由解碼器解調(diào)出原來的信息。5.水下激光

36、通信的優(yōu)點(diǎn)是：1) 通信容量大。在理論上，激光通信可同時(shí)傳送1000萬路電視節(jié)目和100億路電話；2) 保密性強(qiáng)。激光不僅方向性特強(qiáng)，而且可采用不可見光，因而不易被敵方所截獲，保密性能好；3) 結(jié)構(gòu)輕便，設(shè)備經(jīng)濟(jì)。由于激光束發(fā)散角小，方向性好，激光通信所需的發(fā)射天線和接收天線都可做的很小，一般天線直徑為幾十厘米，重量不過幾公斤，而功能類似的微波天線，重量則以幾噸、十幾噸計(jì)。7.紅外光通信左紅外線通信是一種利用紅外線傳輸信息的通信方式。可傳輸語言、文字、數(shù)據(jù)、圖像等信息。傳輸角度有一定限制 。一般由紅外發(fā)射和jj接收系統(tǒng)兩部分組成。它作為無線通信的一種，與無線電通信相比，由于其性能價(jià)格比高，實(shí)現(xiàn)

37、簡單，具有抗電磁干擾、便于高速應(yīng)用、空間接入靈活、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，可用于室內(nèi)外實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、無線紅外LAN通信及軍用紅外引信，在移動(dòng)計(jì)算和移動(dòng)通訊的設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用。在某些場合，需要數(shù)據(jù)交換但又不是很大，且實(shí)時(shí)性要求又不是很高的情況下，可以使用紅外通訊方式，這樣既可以得到無繩化通信帶來的便利，又可以避開采用無線電高頻電路可能引發(fā)的一些問題。譬如用于家用電器的遙控器，計(jì)算機(jī)的遙控鍵盤和遙控鼠標(biāo)以及便攜式數(shù)據(jù)收集裝置(煤水電表的登錄器、報(bào)稅機(jī))與主機(jī)的數(shù)據(jù)交換等。目前，利用紅外線進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信，無論從小型化、輕量化，還是從安全性等方面考慮，其可行性都比較高，并且已經(jīng)在無線多信道室內(nèi)話音系統(tǒng)，無繩

38、電話以及鍵盤和終端間的短距離無線連接中得到了應(yīng)用。所有這些應(yīng)用中的工作帶寬遠(yuǎn)低于WLAN需要的帶寬。在紅外數(shù)字通訊中，常用的調(diào)制手段就是正弦波和脈沖調(diào)制。大體調(diào)制過程是：數(shù)字信號(hào)首先調(diào)制正弦波信號(hào)，再由載有數(shù)字信號(hào)的正弦信號(hào)去驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管。紅外接收管收到信號(hào)后，再由選頻放大電路將特定的頻率選出。由于收到的正弦信號(hào)是經(jīng)過數(shù)字信號(hào)調(diào)制的，經(jīng)檢波后-或者由鎖相環(huán)電路直接甄別-就得到還原的數(shù)字信號(hào)了調(diào)幅和調(diào)頻可將音頻信號(hào)，數(shù)字信號(hào)，頻率信號(hào)調(diào)制后通過紅外發(fā)射管發(fā)射出去，再用紅外接收管接收放大，解調(diào)還原為原信號(hào)。紅外通信優(yōu)點(diǎn)：1、不易被人發(fā)現(xiàn)和截獲，保密性強(qiáng)；2、幾乎不會(huì)受到電氣、天電、人為干擾，抗干

39、擾性強(qiáng)。此外，紅外線通信機(jī)體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉。但是它必須在直視距離內(nèi)通信，且傳播受天氣的影響。在不能架設(shè)有線線路，而使用無線電又怕暴露自己的情況下，使用紅外線通信是比較好的。紅外數(shù)據(jù)通信技術(shù)的缺點(diǎn)：1.受視距影響其傳輸距離短；2.要求通信設(shè)備的位置固定；3.其點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸連接，無法靈活地組成網(wǎng)絡(luò)等。為了避免發(fā)射時(shí)造成對(duì)本機(jī)的干擾，我們采用了半雙工的通信方式。一般紅外線接收模塊的接收載波中心頻率雖然是38KHz，但其接收頻率實(shí)際上是非常寬的，從30KHz到60KHz它都可以正確接收和解調(diào)。所以主機(jī)和從機(jī)使用不同的載波頻率以實(shí)現(xiàn)全雙工通信也是比較困難的，除非使用選頻特性比較好的紅外

40、線接收電路。在紅外線傳輸過程中采用的是負(fù)邏輯，即有紅外線表示邏輯0，無紅外線表示邏輯1。而紅外接收模塊平時(shí)為高電平，接收到紅外信號(hào)就變?yōu)榈碗娖健Ｈ绾卧黾觽魉途嚯x呢？有兩個(gè)方法：其中一個(gè)方法是采用高靈敏度的紅外接收電路，但是其成本比較高，且比較容易受到干擾。另一個(gè)方法是提高發(fā)射功率（指峰值功率，不一定需要提高平均功率），這可以通過減小連接到發(fā)射器的電阻R來實(shí)現(xiàn)，通常可以減小到10。但是需要注意的是，在這種情況下，為了降低功耗和對(duì)其他紅外設(shè)備的干擾，紅外線載波的占空比需要降低。一般選擇30%左右的占空比，也就是DATCLK的高電平時(shí)間應(yīng)為18uS左右，而低電平時(shí)間應(yīng)為8uS左右（38KHz載波頻率）