CN101656575A - 基于无源光网络的自由空间光通信装置 - Google Patents

Abstract

针对目前自由空间光通信系统均是在SDH体系下工作的，并不适用于PON宽带接入网技术的现状，本装置公开了一种基于PON技术的自由空间光通信装置，共包括以下7个部分：PON接口模块、光发射模块、光发射天线、光接收天线、光接收模块、系统控制模块、以及对准模块组成。光发射、光接收模块均采用不同波长的红外激光，分别为850nm和820nm不同波长的光，增强系统的抗干扰性与稳定性。光发射、光接收模块采用四束光发送和接收，在接收通道应用相应的窄带干涉滤光片、并采用双头脉冲间隔调制驱动电路驱动激光器，增强装置对恶劣天气的抗干扰效果，可以较好的应用于我国PON宽带接入网的无线通信中。

Description

基于无源光网络的自由空间光通信装置

技术领域

本装置涉及的技术领域为无源光网络(PON)领域和自由空间光通信领域，特别是一种基于无源光网络的自由空间光通信装置，一种光发射模块以及一种基于无源光网络的自由空间光通信方法。

背景技术

自由空间光通信(Free Space Optical Communication，简称FSO)，也称为无线激光通信，是一种通过激光在大气信道中实现点对点、点对多点或多点对多点间语音、数据、图像信息的双向通信技术。广义的自由空间光通信系统包括星际间的通信和大气间的通信，狭义的自由空间光通信系统就是指大气间的无线传输。作为当今十大电信热点技术之一，FSO具有成本低廉、安装快捷、传输带宽宽、安全保密性强、协议透明、无需频谱许可证等优点，受到越来越多的企业以及运营商的重视，将成为今后构筑电信网的一项重要技术。

FSO以其独特的性质，在很多领域都能有广泛的应用，例如：

1.城域网的扩展，FSO可以用于扩展已有的城域网，将新的网络与骨干网相连接。

2.企业、校园互连。通常局域网对传输距离要求不是太高，这时，FSO系统以其灵活性应用于很多企业和学校，作为局域网之间的连接。

3.军事应用FSO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.作为光纤的补充，目前大多数电信运营商都采用两条光纤连接来保证所构建的的商业应用网的安全，现在，运营商无需部署两条光纤链路，可以选择FSO系统作为备份光纤的冗余链路，以节省投资。

目前的FSO装置均是基于同步数字体系(Synchronous Digital Hierarchy SDH)的红外传输设备。SDH是一种将复接、线路传输及交换功能融为一体、并由统一网管系统操作的综合信息传送网络。面对IP化的浪潮，出现了GPON/EPON等宽带接入技术，PON跟传统SDH系统相比，传输协议完全不同，具有如下特点：

1.局端(即光线路终端optical line terminal OLT)与用户(光网络单元optical network unitONU)之间仅有光纤、光分路器等光无源器件，无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员，因此，可有效节省建设和运营维护成本；

2.EPON采用以太网的传输格式同时也是用户局域网/驻地网的主流技术，二者具有天然的融合性，消除了复杂的传输协议转换带来的成本因素；

3.采用单纤波分复用技术(下行1490nm，上行1310nm)，仅需一根主干光纤和一个OLT，传输距离可达20公里。在ONU侧通过光分路器分送给最多32个用户，因此可大大降低OLT和主干光纤的成本压力；

4.上下行均为千兆速率，下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共享带宽，上行利用时分复用(TDMA)共享带宽。高速宽带，充分满足接入网客户的带宽需求，并可方便灵活的根据用户需求的变化动态分配带宽；

可见PON传输系统与SDH系统有着明显的区别，是两种完全不同的传输协议，原有的应用于SDH框架的FSO并不适用于PON传输协议。因此，目前的市场上的无线光传输系统(FSO)在PON网络中无法使用，本装置正是针对这一市场空白，应用于PON接入网技术，在最后一公里接入等领域无法铺设光缆的情况下，使用本装置实现光信号透明传输。

发明内容

本发明提供了一种基于无源光网络的自由空间光通信装置，包括：

无源光网络接口模块，用于对无源光网络输入的光信号进行处理，将所述无源光网络输入的光信号转换为电信号；对来自光接收模块的电信号进行处理，将所述来自光接收模块的电信号转换为光信号，并耦合入光纤，输出到无源光网络；

光发射模块，用于实现电/光调制与转换，将来自无源光网络接口模块的电信号转换成携带信息的红外信号，并通过光发射天线模块将所述红外信号辐射至自由空间进行传输；

光接收模块，用于将来自光接收天线模块的光信号转换为电信号，并将电信号传送到无源光网络接口模块；

光发射天线模块，用于将红外信号辐射至自由空间进行传播；

光接收天线模块，用于对来自自由空间的红外信号进行能量聚焦，并将其发送至光接收模块。

光发射模块单元包括：

光源；

双头脉冲间隔调制驱动电路，对无源光网络接口模块的电信号进行调制，并驱动光源工作，使光源发射不同强度的红外激光；

光分路器，用于将红外信号分成四路发射信号，并送入光发射天线模块；

反馈控制回路，用于自动功率控制，使发光元件保持稳定的平均功率。

所述光源采用垂直腔面发射激光器(VCSEL)，用于发射波长为820nm～850nm的红外激光。

所述双头脉冲间隔调制驱动电路，采用双头脉冲间隔调制帧对无源光网络接口模块的电信号进行调制，其中所述双头脉冲间隔调制帧由字头与信息帧组成，字头为两种不同宽度起始脉冲，信息帧采用两个光脉冲之间的间隔时隙数来表征信息。

所述光接收模块包括：

光电检测器，用于将红外激光信号转换为电信号；

前置放大器，用于对电信号进行初步放大；

主放大器，用于对初步放大后的电信号进行进一步放大；

信号处理器，用于对主放大器输出信号进行处理，还原信号。

所述光电检测器为PIN光电二极管或者雪崩光电二极管(APD)。

所述前置放大器为低噪声放大器，所述主放大器为功率放大器。

该装置还包括：

系统控制模块，用于控制所述自由空间光通信装置；

对准模块，用于在至少两个所述自由空间光通信装置之间进行瞄准。

光发射模块和光接收模块均采用不同波长的红外激光以增强系统的抗干扰性。

光发射模块和光接收模块采用波长为850nm和820nm的红外激光。

光发射模块和光接收模块均采用四束光发送和接收，在接收通道应用相应的窄带干涉滤光片。

一种光发射模块，其特征在于，包括：

光源；

双头脉冲间隔调制驱动电路，对无源光网络接口模块的电信号进行调制，并驱动光源工作，使光源发射不同强度的红外激光；

光分路器，用于将红外信号分成四路发射信号，并送入光发射天线模块；

反馈控制回路，用于自动功率控制，使发光元件保持稳定的平均功率；

所述双头脉冲间隔调制驱动电路，采用双头脉冲间隔调制帧对无源光网络接口模块的电信号进行调制，其中所述双头脉冲间隔调制帧由字头与信息帧组成，字头为两种不同宽度起始脉冲，信息帧采用两个光脉冲之间的间隔时隙数来表征信息。

一种基于无源光网络的自由空间光通信方法，其特征在于，包括：

在发射端，通过无源光网络的接口将来自无源光网络的信号通过无源光网络的接口转换成电信号，该电信号中携带需传播的信息。

对该电信号进行编码后，用于驱动红外激光器的发射将该电信号调制到发射的红外激光信号上，将该红外激光信号辐射到自由空间中进行传播。

在接收端，来自自由空间的红外激光信号，通过光学接收天线转换为电信号。

电信号通过放大、整形、解码后，恢复信号，输入无源光网络的收发器模块，转变成光纤信号，馈入光纤，输出到无源光网络。

附图说明

图1基于PON的自由空间光通信装置的应用场合

图2基于PON的自由空间光通信装置的原理框图

图3PON接口模块内部工作示意图

图4基于PON的自由空间光通信装置的4路发射示意图

图5双头脉冲间隔调制信息帧示意图

图6VCSEL及其驱动电路示意图

图7APD光电检测电路图

具体实施方式

下面结合附图，对本装置的具体实施作详细的阐述。

图1为装置的应用场合示意图，来自PON设备的信号经过接口模块的信息处理后，转化成电信号，通过光发射模块驱动激光器，激光器所发的四路光束经光学发射天线定向发射到空间。来自空间另一终端的光信号，经四路光学接收天线接收，并经四合一耦合光纤将光信号耦合到光接收模块中的光电变换器件将光信号转换为电信号，送往接口模块传送至PON网络，如图2所示。

下文将详述各部分的设计与功能：

PON接口模块

PON接口模块主要功能为对光纤输入信号进行时钟恢复、码型转换、转换为适宜进行光发射器件调制的电信号；对光接收器件解调后的电信号进行时钟提取、数据判决、扰码、码型转换形成帧数据流，驱动并耦合入光纤，其内部工作示意图如图3所示。

光发射模块

本模块主要实现电/光调制与转换，来自PON接口模块的电信号，经过2个分路缓冲器输出的电信号转换成携带信息的红外信号。具体而言，发送端通过2个分路缓冲器将一路电信号分成四路，再通过双头脉冲位置调制驱动电路驱动红外激光器发射激光，送入发射天线模块。

本模块是本装置的关键技术之一，为了减少大气湍流及振动给光信号带来的影响。为了减少大气环境和安装无线光端机的建筑物地摆等因素对点到点的信号传输质量的影响，提高信号传输的可靠性，本装置采用四路发射和四路接收的方法，其原理框图如图4所示。

本装置根据应用范围和实用性来考虑首选820nm、850nm波长的垂直腔面发射激光器VCSEL激光器。

双头脉冲间隔调制驱动电路中，电信号先被调制后再驱动电路，信息是由两个光脉冲之间的间隔时隙数来表示的，一帧分为M个时隙，每log₂M位的二进制信息被编码为两个相邻的光脉冲之间的时隙数，并采用两种起始脉冲，符号S_k由头部时隙和后续的d_n个空时隙组成，其中：

$d_n=\left\{\begin{array}{cc}k& k<2^{M-1}\\ 2^M-1-k& k\&GreaterEqual;2^{M-1}\end{array}\right.$

头部时隙由a+1个时隙组成(a为整数)，这里考虑两种形式H₁和H₂。H₁起始脉冲宽度为2a个时隙，其后为2a+1个保护时隙；H₂起始脉冲宽度为a个时隙，其后为一个保护时隙。当k＜2^M-1时，符号S_k的头部时隙为H₁，反之为H₂。脉冲的平均长度为L_i个时隙，L_i为：3a/4。具体的符号结构如图5所示。

另外，由于发光元件的发光效率会随时间和温度变化，所以驱动器部分还包括一个用于自动功率控制的反馈控制回路，能够保持稳定的平均功率。

VCSEL管发射电路如图6所示，激光驱动器MAX3263接收差动PECL信号输入，提供互补输出电流，单电源+5V供电。MAX3263允许调制电流最大为30mA，偏置电流最大为60mA，为设计光发射器的VCSEL管提供了足够宽的调制范围，MAX3263的主要实现温度补偿参考发生器、自动功率控制(APC)和调制驱动等功能。

由于激光器输出功率及工作稳定度受温度影响较大，因此我们在设计电路时利用参考电压来设置激光驱动器、激光二极管和监测光电二极管的电流，保证激光器输出的光信号不受温度影响。自动功率控制(APC)通过用一个三极管作为开关，串接一个电阻R，当三极管导通时R与调制电阻R_MODSET并联则等效电阻减小，从而增大调制电流，系统工作在大功率状态；当三极管截止时，只有R_MODSET起作用，系统工作在小功率状态，这样就通过三极管的导通和截止来实现调整偏置电流的大小，产生恒定的输出功率。由于MAX3263的调制电流是15.9mA，故设置调制电阻R_MODSET为2.12KΩ。激光器驱动是光发射子系统中消耗功率最大的地方，由于偏置电流一直存在，因此降低VCSEL管的阈值电流可以有效降低系统功率消耗和发热，我们可以在OUT+和OUT-之间接一个18Ω的串联电阻减少功率消耗。

光发射天线

光发射天线是由多组光学透镜及其与激光器连接的引导光纤和瞄准装置组成，主要实现将激光器产生的激光通过引导光纤送至光学发射天线，并通过光学发射天线将激光平行准直地发送至大气中。

引导光纤主要完成激光器与激光发射光学天线之间的连接，对引导光纤的要求与光纤通信中对光纤的要求相同，要求光纤的数值孔径要大，尽可能使激光器发射的激光最大限度地耦合到光纤中去，减小插入损耗。

光发射天线主要是将引导光纤传送来的激光光束聚焦并以较小的发射弧度平行、准直地发射出去。

采用4路透镜天线进行发射。

光接收天线

本模块和发射端相对对应也是采用四路分集接收，以减少大气湍流及振动给光信号带来的影响。接收光学模块主要完成对发射端发送的空间激光信号进行收集并聚焦送入引导光纤，并将四路光信号合波成一路光信号送入光电检测器端面。

光学透镜是由多组镜片组成，包括阳光滤波器和频谱滤波器和外层光学透镜。由于本装置采用四光束发送，因此在接收端需将四个链路传输过来的光波进行叠加以得到将大能量的光信号，提高整个系统的传输能量。

本装置选择F-P干涉带通滤光片作为滤波装置，它具有高的峰值透射率和较宽的长波截止区等优良特性，串置组成简单滤光片，可以改变滤光片通带的形状。由于本装置采用的波长为820nm和850nm的VCSEL激光器，所以需要选用波长为820nm和850nm两种不同波长的F-P干涉带通滤光片。

光接收模块

本模块的功能是对来自光接收天线的信号，通过光电检测器转换将光信号转换为电信号。由光电探测器、前置放大器和主放大器等三个单元组成。激光接收模块主要完成光/电转换，并对信号进行放大和处理，将其还原成原信号，两种放大器对信号进行放大。

光电检测器是光接收部分的核心，其主要实现将光信号还原成电信号。常用的光电检测器主要是PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。前置放大器主要是对接收信号进行初步放大，要求选择低噪声放大器，主放大器再对信号进行进一步的放大，要求高增益放大器。

APD管将检出的电流首先送到前置放大器。前置放大器有低阻抗、高阻抗和跨阻抗(TIA)三种形式，其中TIA的负反馈使有效输入阻抗降低了G倍，G是前置放大器的增益，从而使其带宽比高阻抗增加了G倍，动态范围也同时提高，所以具有频带宽、噪声低、灵敏度高、动态范围大的特点，本系统采用TIA形式的前置放大器。MAX3266是跨阻型的前置放大器，其输入参考噪声电流200nA，带宽920MHz。为了避免由于强激光信号引起的失真造成误码，MAX3266允许高达1mA(p-p)的输入电流过载；为了提高接收机灵敏度，实现在微弱激光信号下的的可靠接收，MAX3266允许的动态范围是-24dBm～0dBm(850nm)，驱动电路如图7所示。

系统控制模块

本系统的控制模块主要实现以下几个方面的功能；一是接收光强度监测，实时监控发送和接收到信号质量，以便于调整光端机获得最佳接收；二信号过载指示，在接收端信号过载时产生报警信号；三是信号丢失指示，接收端检测到信号丢失或严重误码时产生报警；四是用户接口切换功能。

此部分采用单片机编程实现，选择单片机时在容量与速度方面留有余量，便于系统功能的扩充与升级。

对准模块

本模块采用望远镜方式进行对准。采用人眼瞄准器具和自行研制的具有高度灵活性及稳定性的手工调整方法进行快速对准。调整支架可采用能升降的并能固定在通信车上的三角支架，支架上装有多维调整装置，发射、接收天线和瞄准器具就装在多维调整装置上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种基于无源光网络的自由空间光通信装置，其特征在于，包括：

无源光网络接口模块，用于对无源光网络输入的光信号进行处理，将所述无源光网络输入的光信号转换为电信号；对来自光接收模块的电信号进行处理，将所述来自光接收模块的电信号转换为光信号，并耦合入光纤，输出到无源光网络；

光发射模块，用于实现电/光调制与转换，将来自无源光网络接口模块的电信号转换成携带信息的红外信号，并通过光发射天线模块将所述红外信号辐射至自由空间进行传输；

光接收模块，用于将来自光接收天线模块的光信号转换为电信号，并将电信号传送到无源光网络接口模块；

光发射天线模块，用于将红外信号辐射至自由空间进行传播；

光接收天线模块，用于对来自自由空间的红外信号进行能量聚焦，并将其发送至光接收模块。

2.如权利要求1所述基于无源光网络的自由空间光通信装置，其特征在于，所述光发射模块单元包括：

光源，用于辐射红外激光；

双头脉冲间隔调制驱动电路，对无源光网络接口模块的电信号进行调制，并驱动光源工作，使光源发射不同强度的红外激光；

光分路器，用于将红外信号分成四路发射信号，并送入光发射天线模块；

反馈控制回路，用于自动功率控制，使发光元件保持稳定的平均功率。

3.如权利要求2所述基于无源光网络的自由空间光通信装置，其特征在于所述光源采用垂直腔面发射激光器(VCSEL)，用于发射波长为820nm～850nm的红外激光。

4.如权利要求2所述基于无源光网络的自由空间光通信装置，其特征在于，所述双头脉冲间隔调制驱动电路，采用双头脉冲间隔调制帧对无源光网络接口模块的电信号进行调制，其中所述双头脉冲间隔调制帧由字头与信息帧组成，字头为两种不同宽度起始脉冲，信息帧采用两个光脉冲之间的间隔时隙数来表征信息。

5.如权利要求1-3之一所述基于无源光网络的自由空间光通信装置，其特征在于，所述光接收模块包括：

光电检测器，用于将红外激光信号转换为电信号；

前置放大器，用于对电信号进行初步放大；

主放大器，用于对初步放大后的电信号进行进一步放大；

信号处理器，用于对主放大器输出信号进行处理，还原信号。

6.如权利要求5所述基于无源光网络的自由空间光通信装置，其特征在于所述光电检测器为PIN光电二极管或者雪崩光电二极管(APD)。

7.如权利要求5所述基于无源光网络的自由空间光通信装置，其特征在于，所述前置放大器为低噪声放大器，所述主放大器为功率放大器。

8.如权利要求1所述基于无源光网络的自由空间光通信装置，其特征在于，该装置还包括：

系统控制模块，用于控制所述自由空间光通信装置。

9.如权利要求1所述基于无源光网络的自由空间光通信装置，其特征在于，该装置还包括：

对准模块，用于在至少两个所述自由空间光通信装置之间进行瞄准。

10.如权利要求1所述基于无源光网络的自由空间光通信装置，其特征在于

光发射模块和光接收模块均采用不同波长的红外激光以增强系统的抗干扰性。

11.如权利要求7所述基于无源光网络的自由空间光通信装置，其特征在于光发射模块和光接收模块采用波长为850nm和820nm的红外激光。

12.如权利要求1所述基于无源光网络的自由空间光通信装置，其特征在于光发射模块和光接收模块均采用四束光发送和接收，在接收通道应用相应的窄带干涉滤光片。

13.一种光发射模块，其特征在于，包括：

光源；

双头脉冲间隔调制驱动电路，对无源光网络接口模块的电信号进行调制，并驱动光源工作，使光源发射不同强度的红外激光；

光分路器，用于将红外信号分成四路发射信号，并送入光发射天线模块；

反馈控制回路，用于自动功率控制，使发光元件保持稳定的平均功率。

14.如权利要求12所述的光发射模块，其特征在于，所述双头脉冲间隔调制驱动电路，采用双头脉冲间隔调制帧对无源光网络接口模块的电信号进行调制，其中所述双头脉冲间隔调制帧由字头与信息帧组成，字头为两种不同宽度起始脉冲，信息帧采用两个光脉冲之间的间隔时隙数来表征信息。

15.一种基于无源光网络的自由空间光通信方法，其特征在于，包括：

在发射端，通过无源光网络的接口将来自无源光网络的信号通过无源光网络的接口转换成电信号，该电信号中携带需传播的信息。

对该电信号进行编码后，用于驱动红外激光器的发射将该电信号调制到发射的红外激光信号上，将该红外激光信号辐射到自由空间中进行传播。

在接收端，来自自由空间的红外激光信号，通过光学接收天线转换为电信号。

电信号通过放大、整形、解码后，恢复信号，输入无源光网络的收发器模块，转变成光纤信号，馈入光纤，输出到无源光网络。

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