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定義

        FSO英文全稱是Free Space Optical Communica tions。中文意思是自由空間光通信。是指以光波為載體，在真空或大氣中傳遞信息的通信技術(shù)。 可分為大氣光通信、衛(wèi)星間光通信和星地光通信。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(lái)自對(duì)方的激光脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雙工通信。       

         與傳統(tǒng)微波通信相比，光通信具有傳輸速率快、通信容量大、抗電磁干擾性能強(qiáng)、保密性好、通信終端體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，引發(fā)各國(guó)研究熱潮。      自由空間光通信是指以光波為載體、在空間傳遞信息的通信技術(shù)，可分為大氣光通信、衛(wèi)星間光通信和星地間光通信，現(xiàn)分別加以介紹。

一、大氣光通信——傳輸介質(zhì)為大氣

       地面大氣光通信如圖所示。早在20世紀(jì)60年代光纖通信出現(xiàn)之前，自由空間光通信的研究就已開(kāi)始。1930年至1932年間，日本在東京的日本電報(bào)公司與每日新聞社之間實(shí)現(xiàn)了3.6km的大氣光通信，但在大霧大雨天氣里效果很差。第二次世界大戰(zhàn)期間，光電話發(fā)展成為紅外線電話，因?yàn)榧t外線肉眼看不見(jiàn)，更有利于保密。

        大氣由氣體、水蒸氣、污染物和其他化學(xué)粒子組成。大氣作為傳輸媒體，和光纖信道一樣也存在吸收和散射，產(chǎn)生功率損耗和波形失真。而且，大氣密度和折射率隨氣候和溫度的變化更為明顯，所以引起大氣沿傳輸路徑的透光特性和傳輸損耗在隨時(shí)變化。比如在非常晴朗的天氣，能見(jiàn)度達(dá)到50~150km，衰減系數(shù)為0.03~0.144dB/km；但在濃霧天氣時(shí)，能見(jiàn)度只有70~250m，衰減系數(shù)竟然達(dá)到58~220dB/km。另外，光通過(guò)透明大氣層時(shí)，有些波長(zhǎng)的光受到很強(qiáng)的吸收，只有某些波長(zhǎng)的光，如0.85μm、1.3μm和1.55μm波段的光才具有最大的折射率。因此大氣光通信受天氣的影響很大，傳輸容量一直都很小，距離也很短，而且要求收發(fā)端天線對(duì)準(zhǔn)精度很高，所以在民用通信網(wǎng)中幾乎沒(méi)有使用。無(wú)線光通信的研究和應(yīng)用僅局限于星際通信和國(guó)防通信領(lǐng)域。

       但是近年來(lái)，光放大器的普遍應(yīng)用，光電器件制造技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)和大氣信道傳輸技術(shù)的逐漸成熟，對(duì)自由空間光通信系統(tǒng)的發(fā)展構(gòu)成有力的支撐。鑒于光纖傳輸受到傳輸范圍和地域限制，為了實(shí)現(xiàn)全方位的通信，自由空間光通信系統(tǒng)逐漸受到了人們的重視。

       在自由空間光通信系統(tǒng)中，激光器輸出光束與天線的耦合、天線與光探測(cè)器的耦合，可以采用直接耦合，如圖12.1.8所示，也可以采用光纖耦合，如圖12.2.2所示。直接耦合的主要缺點(diǎn)如下。

       1）激光器發(fā)射的光束由于散射角不同，光斑粗糙，因此需要對(duì)激光器發(fā)射光束進(jìn)行優(yōu)化，使其達(dá)到高斯光束的目的。

       2）接收端光/電轉(zhuǎn)換單元數(shù)量隨著帶寬的擴(kuò)大而增加，使系統(tǒng)成本增加，必須要提升光/電轉(zhuǎn)換單元的功能，減少其使用數(shù)量。

       3）空間光通信設(shè)備的發(fā)射和接收單元均放置在建筑物屋頂，安裝和維護(hù)存在一定困難。

       而光纖耦合FSO系統(tǒng)，激光器發(fā)射高斯光束，耦合進(jìn)入多模光纖，經(jīng)傳輸?shù)教炀€單元；天線單元的輸出光信號(hào)也耦合進(jìn)多模光纖，經(jīng)傳輸后到達(dá)光接收器。

       目前已有多種大氣激光通信設(shè)備，圖表示一般大氣激光通信系統(tǒng)的構(gòu)成，其中值得一提的是工作窗口為1.55μm波長(zhǎng)、采用4×2.5Gbit/s密集波分復(fù)用技術(shù)的設(shè)備。這一系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是采用多徑發(fā)射天線以解決對(duì)準(zhǔn)困難，使用EDFA放大器來(lái)補(bǔ)償光通道損耗。在光發(fā)射端，LD的輸出光被EDFA放大后，經(jīng)多模光纖分支器將光信號(hào)同時(shí)加到發(fā)射光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的孔徑上，每個(gè)孔徑偏移0.5毫弧度（mrad），在大氣中傳輸后到達(dá)接收端時(shí)的光斑直徑為2.2m。光接收終端是一個(gè)改進(jìn)了的施密特-卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡天線，自由空間光信號(hào)進(jìn)入該望遠(yuǎn)鏡后被聚焦到芯徑為62.5μm的多模光纖上。

大氣激光通信系統(tǒng)

二、大氣湍流決定的BER、SNR和Q參數(shù)

        在大氣湍流的影響下，系統(tǒng)誤碼率（BER）仍可以用式（7.3.3）表示，即

式中，Q參數(shù)為