CN102664676A - 一种单波长3Gbps空间高速光传输及测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单波长3Gbps空间高速光传输及测试系统，该系统包括发射端、接收端以及信标光与信号光的双两维可调叠加光平行调节装置。该系统能够高速、安全且能够与现有光纤网无缝对接，用于对需要高速数据传输，但铺设光纤系统有难度；或有高速数据率的局域网之间，尤其是楼宇间，通信基站间及飞行器与地面、飞行器与飞行器之间及需要快速组网的作战单元间以及灾难抢救的临时链接。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，涉及一种光传输及测试系统，尤其是一种单波长3Gbps空间高速光传输及测试系统。
背景技术
空间高速光传输有如下点：1、通信容量大2、频率自由3、安装简便、灵活性强；4、误码性能好、抗干扰性强：5、是综合成本低，用它可以省去租用专线和铺设光纤的一大笔费用；6、是通信质量好，是一种本地环路技术；7、是运营商级的通信质量足以满足企业网络应用的各种要求；8、不用可见激光而是采用红外光作为传输媒质，当收发器架设在大楼间时，不至于对人们的正常工作和生活造成影响。9、通信系统随着通信距离的增加信号功率会不断衰减，但通信速率却不受影响；10、适应性强，不依赖于通信协议，可解决城市地区的连接问题，而且可提供电信公司等级的网络可用性；且可充分利用DWDM以及其它常规光纤通信设备的功能。11、单束光的带宽比整个无线波谱都宽，信号间无干扰，保密性强，也无需到无线电管理部门办许可证；12、采用1550nm波段的红外光，人眼对这个波段的光吸收极弱，所以，对人安全。
由于上述优点，已经成为光通信业中很有发展前途的领域，可广泛应用于1、用户接入网，完成最后一公里的宽带连接；2、第三代移动通信基站互连；3、大学、医院、公司局域网的互连；4、政府、军队、公安、武警等内部通信网络建设；5、克服环境恶劣场合应用，当河流、湖泊、港湾、公路、铁路等阻碍敷设光缆时；6、灾难抢救及临时连接；7、网络备份等。对空间光通信的设备及空间光通信的信道研究有重要的意义，也是空间光通信的关键技术，因此，研究并开发高速空间传输系统具有非常重要的现实意义。
对空间光通信的研究主要包括空间信道的研究技术：湍流、衰减、功率抖动、相位起伏和多谱勒频移。快速、精确的捕获、瞄准和跟踪(APT)技术：粗瞄精度、精跟精度，空间光耦合研究：精密、高增益、高性能的收、发天线技术；误码与调制类型调制码型研究：高功率光源及高码率的编码调制技术、光学终端整体设计技术；高灵敏度抗干扰的光信号接收技术。对上述问题的研究表征可以评判空间光通信系统性能的高低，其中误码测试和光功率测试是空间光通信系统的基本测试。
目前国际上发达国家的一些机构及公司，如美国的NASA的JPL、美国空军支持麻省理工学院林肯实验室、日本邮政省的综合通信研究所、宇日本宙开发事业团(NASDA)和高级长途通信研究所(ATR)、欧洲空间局(ESA)都已经在这方面作出了深入的研究，例如日本OICETS卫星上的激光通信终端LUCE进行空间光通信合作实验、ESA2001年的SILEX中对低轨道卫星SPOT4与同步轨道卫星ARTEMIS间成功的进了激光通信实验。我国从20世纪80年代就有一些单位如：武汉大学、哈尔滨工业大学、长春理工大学、华为公司、桂林激光通信研究所开始了激光无线通信领域研究，由于研究进展较慢，与国外的差距逐渐加大，且有加剧趋势，开发的产品也也主要局限于低于低速率的探测器直接探测传输，不能接入高速光纤骨干网。
目前，现有的通信局域网传输系统主要存在以下问题：
1)传输速率较低，不能直接接入高速通信网络：采用无线电通信，已经逐渐显现出不能满足人们对信息量的需求速度，大部分开发的FSO产品也基本上以探测器直接探测为主，速率受到探测器带宽的限制及光耦合效率限制，不能直接接入高速骨干网。
2)无线网络需要办理许可：需要无线电管理部门办理许可证，还需交纳一大笔频谱占用费，且有可能干扰或者收到其它无线设备的干扰。
3)可用率低：由于对解决信道干扰问题及耦合问题的技术尚未成熟，通信效率受到信道环境影响较大、跟瞄系统精度受限、再者发射接收天线耦合效率较低导致通信质量对环境的敏感，所以全天候可用效率降低。
4)功率损耗大：对于无线网络，由于无线电波覆盖面广，发散角大，所以对于发射功率的要求高，所以其功耗就大。
5)局域网保密性差：目前，局域网主要采用无线网络和同轴电缆传输，除速率低外，由于其存在电磁泄露问题，所以保密性差，容易被窃听，也是其弱点，特别是对保密性要求较高的局域网，这是非常致命的，而对局域网的高保密性的追求也一直是局域网的研究方向之一。
综合成本高：对无线通信或光缆而言，需要租用专线或者铺设光缆，对接收而言，无线电系统需要一系列的有源设备。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种单波长3Gbps空间高速光传输及测试系统，该系统能够高速、安全且能够与现有光纤网无缝对接，用于对需要高速数据传输，但铺设光纤系统有难度；或有高速数据率的局域网之间，尤其是楼宇间，通信基站间及飞行器与地面、飞行器与飞行器之间及需要快速组网的作战单元间以及灾难抢救的临时链接。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
这种单波长3Gbps空间高速光传输及测试系统，包括发射端、接收端以及信标光与信号光的双两维可调叠加光平行调节装置。
所述发射端包括：
光信号调制模块，产生带有单波长3Gbps信息的光信号；
光学发射系统及信标光发射模块，对由光信号调制模块发出的高速光信号进行耦合、扩束、发射和信标光的定位；
可调光功率衰减监测模块，对发射端与接收端光功率的大小进行调节，并对发射光功率值进行监测。
所述接收端包括：
光接收耦合及可见红色信标光发射模块，接受来自光学发射系统及信标光发射模块的高速光信号，对高速光信号进行耦合、扩束、发射和信标光的定位；
光信号传输环境测试装置，对温度、湿度、风速、大气湍流大小及大气闪烁进行监测，包括发射接收间距离测试装置和大气可见度的测试装置；
接收光功率衰减检测模块，对接收端接收到的光信号的功率值进行监测；
信号时钟提取及数据恢复及误码和眼图测试模块，包括接收信号的单波长3Gbps时钟恢复模块、调制信号的恢复以及空间信道性能分析模块、误码性能测试模块和眼图测试模块；
所述信标光与信号光的双两维可调叠加光平行调节装置：包括发射端与接收端信号光的水平及俯仰定位调节和位于其两维调节上的信标光的俯仰及水平定位调节装置。
上述光信号调制模块包括相互连接的脉冲码型发生器、功率驱动模块和供电模块。
上述光学发射系统及信标光发射模块包括光学发射天线、信标光、连续激光器和供电模块；所述信标光和连续激光器连接光学发射天线，所述供电模块为整个模块提供电能。
上述可调光功率衰减监测模块由光纤耦合器、光可调衰减器和光功率计组成，所述可调光功率衰减监测模块通过光纤耦合器和光纤与所述光学发射系统及信标光发射模块连接。
上述光接收耦合及可见红色信标光发射模块对来自光学发射系统及信标光发射模块的高速光信号的处理包括：单模光纤到光学扩束系统的耦合、远场发散角的控制和可见红色信标光的点对点通信目标定位，使通信光的点对点链路保持畅通；所述光接收耦合及可见红色信标光发射模块包括信标光的对准装置和信号光的光学耦合及接收装置；
所述信标光的对准装置将信标光发出的光与光学接收系统的反向发射光束校平行，并将信标光发射对准到远距离的光学发射系统装置上，保证光学接收装置正对远距离的光学发射装置，使通信光的点对点链路保持畅通；
所述信号光的光学耦合及接收装置通过光学镀膜将非信号的光滤除，并将需要的信号光接收后通过将平行光束压缩并耦合进单模光纤，然后分束，一束送入后端检测装置进行数据处理检测或者直接进入高速局域网进行传输和处理，另外一束通过功率计及分析软件进行信道及发射端光束分析。
上述光信号传输环境测试装置包括湿度计、温度计、风速计、激光闪烁仪、可见度仪和电源。
上述接收光功率衰减检测模块由光分束器、可调光衰减器和光功率计组成。
上述眼图测试模块包括高速光学采样示波器或APD和高速实时示波器；通过将透镜系统耦合进入单模光纤的信号光采用一分多耦合器分为多束，引入高速光学采样示波器进行眼图观测；定性测量和分析信号质量，或采用APD探测，然后接入高速实时示波器进行测量和分析。
上述误码性能测试模块包括误码分析仪ED模块；光信号通过APD后转换为高速差分信号，引入误码仪ED模块，进行单波长3Gbps时钟恢复，同时对高速信号数据进行误码测试；定性分析出传输通信系统实时通信传输质量。
本发明具备以下有益效果：
本发明单波长3Gbps空间高速光传输及测试系统可实现对单波长3Gbps空间高速光通信的各种特性参数的测量，例如空间信道传输特性、调制特性、误码测试、眼图观测、环境测试、远场光斑特性测试、光强及光强起伏测试。此外，在空间高速光信号传输过程中，通过控制和调节发射端和接收端的光信号比特率及光功率值，可以实现空间高速光信号的稳定传输及信道性能和信号的精确测定。本发明设计了针对不同传输速率的空间传输系统，可实现对低于单波长3Gbps的各种光纤信号及不同速率的光学信号进行空间传输，并进行通信质量测量，高速信号的传输、检测和处理。
附图说明
图1为单波长3Gbps空间高速光传输及测试系统原理框图；
图2为单波长3Gbps空间高速光发射天线示意图；
图3为光学接收天线示意图；
图4为光功率读取记录和分析软件控制界面；
图5为发射端平面布局图；
图6为接收端平面布局图。
具体实施方式
本发明的单波长3Gbps空间高速光传输及测试系统，包括发射端、接收端以及信标光与信号光的双两维可调叠加光平行调节装置8。其中，发射端包括：光信号调制模块1、光学发射系统及信标光发射模块2和可调光功率衰减监测模块3。
光信号调制模块1产生带有单波长3Gbps信息的光信号；光信号调制模块1包括相互连接的脉冲码型发生器、功率驱动模块和供电模块。
光学发射系统及信标光发射模块2包括光学发射天线、信标光、连续激光器和供电模块。其中信标光和连续激光器连接光学发射天线，供电模块为整个模块提供电能。其对由光信号调制模块发出的高速光信号进行耦合、扩束、发射和信标光的定位。
可调光功率衰减监测模块3由光纤耦合器、光可调衰减器和光功率计组成，可调光功率衰减监测模块3通过光纤耦合器和光纤与所述光学发射系统及信标光发射模块2连接。可调光功率衰减监测模块3对发射端与接收端光功率的大小进行调节，并对发射光功率值进行监测。
接收端包括：光接收耦合及可见红色信标光发射模块4、光信号传输环境测试装置5、接收光功率衰减检测模块6和信号时钟提取及数据恢复及误码和眼图测试模块7。
光接收耦合及可见红色信标光发射模块4，接受来自光学发射系统及信标光发射模块的高速光信号，对高速光信号进行耦合、扩束、发射和信标光的定位。其处理过程具体包括：单模光纤到光学扩束系统的耦合、远场发散角的控制和可见红色信标光的点对点通信目标定位，使通信光的点对点链路保持畅通。光接收耦合及可见红色信标光发射模块4包括信标光的对准装置和信号光的光学耦合及接收装置。其中信标光的对准装置将信标光发出的光与光学接收系统的反向发射光束校平行，并将信标光发射对准到远距离的光学发射系统装置上，保证光学接收装置正对远距离的光学发射装置，使通信光的点对点链路保持畅通。信号光的光学耦合及接收装置通过光学镀膜将非信号的光滤除，并将需要的信号光接收后通过将平行光束压缩并耦合进单模光纤，然后分束，一束送入后端检测装置进行数据处理检测或者直接进入高速局域网进行传输和处理，另外一束通过功率计及分析软件进行信道及发射端光束分析。
光信号传输环境测试装置5对温度、湿度、风速、大气湍流大小及大气闪烁进行监测，包括发射接收间距离测试装置和大气可见度的测试装置；具体还包括湿度计、温度计、风速计、激光闪烁仪、可见度仪和电源。
接收光功率衰减检测模块6，对接收端接收到的光信号的功率值进行监测。其由光分束器、可调光衰减器和光功率计组成；接收天线接收到光耦合进光纤后接入一分二的光分束器，由光分束器出来的一路继续连接可调光衰减器，然后进入光功率计测试光功率，调节可调光衰减器使之适合APD的工作范围。
信号时钟提取及数据恢复及误码和眼图测试模块7，包括接收信号的单波长3Gbps时钟恢复模块、调制信号的恢复以及空间信道性能分析模块、误码性能测试模块和眼图测试模块；眼图测试模块包括高速光学采样示波器或APD和高速实时示波器；通过将透镜系统耦合进入单模光纤的信号光采用一分多耦合器分为多束，引入高速光学采样示波器进行眼图观测；定性测量和分析信号质量，或采用APD探测，然后接入高速实时示波器进行测量和分析。所述误码性能测试模块包括误码分析仪ED模块；光信号通过APD后转换为高速差分信号，引入误码仪ED模块，进行单波长3Gbps时钟恢复，同时对高速信号数据进行误码测试；分析出传输通信系统实时通信传输质量。
所述信标光与信号光的双两维可调叠加光平行调节装置8：包括发射端与接收端信号光的水平及俯仰定位调节和位于其两维调节上的信标光的俯仰及水平定位调节装置。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
图1给出了本发明装置的功能原理图。包括：激光器、光强度调制器、光发射端、光接收端、探测器、功率计和示波器。光调制模块包括：误码仪PPG、驱动放大器、铌酸锂调制器；通信光发射模块主要包括光束扩束系统、光信号放大器、光信号可调衰减器；通信光接收模块模块主要包括光准直系统、光耦合器、单模光纤、雪崩式光探测器APD模块；信号恢复及观测系统主要包括高速采样示波器、误码仪ED、计算机、功率计；信道监测系统包括：光功率计、风速计、温度计、湿度计、可见度计、大气闪烁、仪测距仪。
图2和图3分别为光学发射天线及光学接收天线原理图。主要成呈现了从光接入到依次通过各介质直至最后光束达到发射和接收需求过程。
图4为光功率监测软件界面，其中左上为光功率监测仪器与计算机接口配置区，包括连接端口，比特率、校验位等；右中为监测接收光特性区，包括光波长；右下为实时光功率监测区和警告区和历史光功率值变化区及历史光功率值记录区；经过右上的配置，实现光功率计与计算机的通信，然后程序自动弹出光功率值文件的保存信息界面，输入保存信息后，计算机自动采集光功率值并加以分析；右中和下界面主要呈现的是光功率警告和实时光功率值，当接收光功率接近或超出探测器工作范围极限值，界面出现不同警告色，示意系统需要调整；同时，如果输入区输入发射光功率，软件分析计算出大气信道情况及衰减情况；并可以呈现历史光功率随时间变化曲线。
图5和图6为通过光纤及高频线及usb线将各模块依次连接示意图。图5为发射端示意图，主要包括：单波长3Gbps空间光调制模块、信标光与信号光的双两维调节装置、可调光功率衰减监测模块、光学发射系统及信标光发射模块。图6为接收端示意图，主要包括：光信号环境测试装置、接收光功率衰减及监测模块、信标光与信号光的双两维叠加可调装置、信号时钟提取及恢复眼图测试误码测试模块、光接收耦合及信标光发射模块。
单波长3Gbps空间光传输及测试系统工作流程为：
1)发光：打开连续激光器发光，检测单模光纤端面完整并采用FC/PC连接器接入单模光纤；
2)调制：误码仪PPG开始工作，采用误码仪内部时钟调制出单波长3Gbps的PRBS码型，采用占空比为50％，输出幅值调制为0.5至0.7v之间，对输出信号用驱动放大器放大，接至铌酸锂电光调制器对输出的连续激光进行电吸收调制；
3)光放大：将输出光接入EDFA进行光信号放大；
4)光衰减：将输出光根据信道的影响情况通过VOA进行适当衰减，以适应接收端光功率的需要；
5)空间光传输：将输出光采用FC/PC光纤连接器接入空间光发射装置，进行扩束发射；
6)空间光发射装置与接收装置的信标光与信号光校平行：打开发射端信标光红光激光器，在短距离采用夜视仪对信号光发出位置与信标光发出位置进行标记，再次远距离重复信号光与信标光位置标记，并进行调整，目标为短距离时的信号光与信标光的位置，如此不同距离重复3到4次，信标光既可与信号光有很好的平行度；同理将信号光通过FC/PC光纤连接器接入空间光接收装置进行信号光与信标光平行调节；
7)空间发射端与空间接收端的互准：经发射端与接收端在需要通信的位置安排，要求通信两端口间无遮拦与阻挡；打开两端红光激光器进行互准，互准时红光激光器朝对方红色激光器端口瞄准，直至另外一端红光激光器进入对方红光的中心；然后发射端接入信号光，接收端单模光纤输出接入光功率计检查信号光通信链路是否建立，如异常，重复步骤6和7，直至信号光通信链路建立；
8)采用刀口法或逐点扫描法对接收端附近信号光功率进行逐点扫描，找出中心点或光强最大点，并对接收透镜系统进行中心调整，以保证信号光接收光功率最大化，功率起伏最小化，以确保信道稳定且信道冗余量足够；
9)将接收端接收光采用一分二的光纤耦合器分光，一端接入光功率计，并开启功率监测软件进行监测，另外一端接入单波长3Gbps光探测器APD进行探测；
10)通信误码分析：开启APD电源，开启误码仪ED，将APD差分输出的探测信号一端接入误码仪数据输入端，开启ED时钟恢复功能，并配置至单波长3Gbps，配置其它选项完后进行误码测试；微调发射端与接收端，直至误码率为零，最差情况误码率不高于1×10-9；
11)眼图观测：从误码仪将恢复的时钟(recover clock端口)接入高速采样示波器作为触发信号，然后将APD的另外一端输出接入示波器进行实时眼图观测；
12)可直接接入光纤骨干网：如果需要接入骨干网运行，那么可以直接将发射天线和接收天线直接接入到光纤骨干网进行高速传输和处理。眼图的测试则需要直接将接收到的光接入采样示波器进行观测。
Claims (9)
1.一种单波长3Gbps空间高速光传输及测试系统，其特征在于，包括发射端、接收端以及信标光与信号光的双两维可调叠加光平行调节装置(8)；
所述发射端包括：
光信号调制模块(1)，产生带有单波长3Gbps信息的光信号；
光学发射系统及信标光发射模块(2)，对由光信号调制模块发出的高速光信号进行耦合、扩束、发射和信标光的定位；
可调光功率衰减监测模块(3)，对发射端与接收端光功率的大小进行调节，并对发射光功率值进行监测；
所述接收端包括：
光接收耦合及可见红色信标光发射模块(4)，接受来自光学发射系统及信标光发射模块的高速光信号，对高速光信号进行耦合、扩束、发射和信标光的定位；
光信号传输环境测试装置(5)，对温度、湿度、风速、大气湍流大小及大气闪烁进行监测，包括发射接收间距离测试装置和大气可见度的测试装置；
接收光功率衰减检测模块(6)，对接收端接收到的光信号的功率值进行监测；
信号时钟提取及数据恢复及误码和眼图测试模块(7)，包括接收信号的单波长3Gbps时钟恢复模块、调制信号的恢复以及空间信道性能分析模块、误码性能测试模块和眼图测试模块；
所述信标光与信号光的双两维可调叠加光平行调节装置(8)：包括发射端与接收端信号光的水平及俯仰定位调节和位于其两维调节上的信标光的俯仰及水平定位调节装置。
2.根据权利要求1所述的单波长3Gbps空间高速光传输及测试系统，其特征在于，所述光信号调制模块(1)包括相互连接的脉冲码型发生器、功率驱动模块和供电模块。
3.根据权利要求1所述的单波长3Gbps空间高速光传输及测试系统，其特征在于，所述光学发射系统及信标光发射模块(2)包括光学发射天线、信标光、连续激光器和供电模块；所述信标光和连续激光器连接光学发射天线，所述供电模块为整个模块提供电能。
4.根据权利要求1所述的单波长3Gbps空间高速光传输及测试系统，其特征在于，所述可调光功率衰减监测模块(3)由光纤耦合器、光可调衰减器和光功率计组成，所述可调光功率衰减监测模块(3)通过光纤耦合器和光纤与所述光学发射系统及信标光发射模块(2)连接。
5.根据权利要求1所述的单波长3Gbps空间高速光传输及测试系统，其特征在于，所述光接收耦合及可见红色信标光发射模块(4)对来自光学发射系统及信标光发射模块的高速光信号的处理包括：单模光纤到光学扩束系统的耦合、远场发散角的控制和可见红色信标光的点对点通信目标定位，使通信光的点对点链路保持畅通；所述光接收耦合及可见红色信标光发射模块(4)包括信标光的对准装置和信号光的光学耦合及接收装置；
所述信标光的对准装置将信标光发出的光与光学接收系统的反向发射光束校平行，并将信标光发射对准到远距离的光学发射系统装置上，保证光学接收装置正对远距离的光学发射装置，使通信光的点对点链路保持畅通；
所述信号光的光学耦合及接收装置通过光学镀膜将非信号的光滤除，并将需要的信号光接收后通过将平行光束压缩并耦合进单模光纤，然后分束，一束送入后端检测装置进行数据处理检测或者直接进入高速局域网进行传输和处理，另外一束通过功率计及分析软件进行信道及发射端光束分析。
6.根据权利要求1所述的单波长3Gbps空间高速光传输及测试系统，其特征在于，所述光信号传输环境测试装置(5)包括湿度计、温度计、风速计、激光闪烁仪、可见度仪和电源。
7.根据权利要求1所述的单波长3Gbps空间高速光传输及测试系统，其特征在于，所述接收光功率衰减检测模块(6)由光分束器、可调光衰减器和光功率计组成；接收天线接收到光耦合进光纤后接入一分二的光分束器，由光分束器出来的一路继续连接可调光衰减器，然后进入光功率计测试光功率，调节可调光衰减器使之适合APD的工作范围。
8.根据权利要求1所述的单波长3Gbps空间高速光传输及测试系统，其特征在于，所述眼图测试模块包括高速光学采样示波器或APD和高速实时示波器；通过将透镜系统耦合进入单模光纤的信号光采用一分多耦合器分为多束，引入高速光学采样示波器进行眼图观测；定性测量和分析信号质量，或采用APD探测，然后接入高速实时示波器进行测量和分析。
9.根据权利要求1所述的单波长3Gbps空间高速光传输及测试系统，其特征在于，所述误码性能测试模块包括误码分析仪ED模块；光信号通过APD后转换为高速差分信号，引入误码仪ED模块，进行单波长3Gbps时钟恢复，同时对高速信号数据进行误码测试；分析出传输通信系统实时通信传输质量。
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