全双工逆向调制自由空间激光通信系统的设计与分析

逆向调制自由空间激光通信(MRR FSO)系统是将传统FSO链路的一个终端替换成逆向调制器(MRR)而构成的一个非对称FSO系统,因其功耗低、MRR端体积小和易安装等优点,成为自由空间光通信技术研究热点之一。针对MRR FSO系统现存在的捕获系统复杂、对准难度大等技术难题,在原有MRR FSO系统的基础上设计了一种全双工MRR FSO系统。其中光收发机端的共用光学天线模块采用较大孔径的反射式天文望远镜系统,主要用来减小光束发散角、增加接收孔径。MRR端采用单个大尺寸或多个小尺寸MRR器件,来提升反射光信号质量,并搭建室外长距离实验系统,对该MRR FSO系统进行测试,验证了该系统的合理性。结果表明,所设计的全双工MRR FSO系统在长距离全双工激光通信是可行的,为最终实现长距离全双工MRR FSO系统做铺垫,是未来MRR FSO技术的发展方向之一。     

基于CL-IPPM的单光源逆向调制自由空间光通信系统

在单光源逆向调制(modulating retro-reflecto r,MRR)自由空间光通信(free-space optical,FSO)系统中,光收发端在接收MRR 端上行 再调制信号时,会受到自身下行信号的串扰,导致系统误码率性能恶化。本文提出采用组合 逻辑(combinatorial logic,CL)反向脉位调制(inverse pulse position modulation,IP PM)方案来消除下行信号对上行再调制信号的串扰,进而降低单光源MRR FSO通信系统误码 率。本项研究设计了基于CL-IPPM的单光 源MRR FSO通信实验装置,进行了仿真及全双工通信实验。实验结果表明,使用CL-IPPM 方案的单光源MRR FSO系统增益约5dB。同时,光收发端和MRR端均采用IPPM时, CL-IPPM方案可获得较好的误码率性能。此外,本文利用微角锥棱镜阵列的伪相位共轭特 性来提升该系统的鲁棒性,将CL-IPPM方案与微角锥棱镜阵列结合应用于单光源MRR FSO 通信系统,可实现弱/中湍流强度下误码率为10－3以下的全双 工通信。     

单光源全双工逆向调制的光通信技术研究

逆向调制光通信是自由空间光通信的一种特殊形式 ,它的系统包括两个不对称的终端:询问端和逆向调制端,询问端由光发送机和光接收机组成 ,逆向调制端由逆向调制装置组成。逆向调制光通信可实现逆向调制端对询问端的单向通信 ,它具有视场角大、功耗低、体积小等优点,适合于小平台工作环境。与 传统自由空间光(FSO)通信相比,逆向调制光通信系统无需复杂的跟瞄系统,但通常只能 完成逆向调制端对询 问端的单向通信。如果要实现逆向调制光通信的全双工通信,可以考虑从调制方式和系统设 计上进行研究。 本文从调制方式出发提出了一种单光源全双工逆向调制光通信方案,仿真分析了方案的信 号传输过程,实现了室内近距离逆向调制单光源全双工光通信实验,验证了方案的可行性 。     

基于LDPC编码的双工逆向调制自由空间光通信系统

在逆向调制(modulating retro-reflector,MR R)自由空间光通信(free-space optical,FSO)系统中, 激光信号在传输过程中受到双程大气湍流的严重影响,导致系统误码率性能恶化。本文提出 采用低密度奇 偶校验编码(low density parity check,LDPC)方法来降低MRR FSO通信系统的误码率, 并且尝试使用微角 锥棱镜阵列(microcorner cube retroreflector arrays,MCCRA)来改善MRR FSO信道的传 输稳定性。本项研究 中搭建了MRR FSO通信实验平台,进行了基于LDPC编码的频分双工MRR FSO通信实验。实验结 果表明 使用LDPC编码的MRR FSO系统增益约为3dB,使用微角锥棱镜阵列作为MRR FSO反射器件能够 通过补 偿大气湍流引起的相位畸变来提升系统性能。结果还证明了LDPC编码相较于MCCRA,更能够 提升MRR FSO系统的误码率性能。由此可见,将LDPC编码方式与微角锥棱镜阵列结合运用于MRR FSO系 统能获得更加优化的系统性能。     

逆向调制激光通信作用距离及误码率分析

为了分析逆向调制激光通信系统中OOK调制方式下的误码率特性,在分析回波功率模型和误码率性能的基础上,利用Optisystem仿真软件建立了逆向调制激光通信链路。链路采用NRZ码对不同通信距离、不同能见度下的100 Mbps和1 Gbps通信速率进行了仿真,根据所得信噪比值计算出不同条件下的误码率,并结合“眼图”特征得出不同条件下可实现的逆向通信距离。结果表明,误码率随着大气能见度的增大而减小,随着通信距离增大而增加。在大气能见度为10 km的条件下,系统可以实现通信速率为100 Mbps、距离为2 km的逆向通信。     

自由空间光通信中被动调制研究进展

【目的】传统的自由空间光（FSO）通信需要参与通信的两端同时安装激光发射系统、激光接收系统和捕获、追踪和瞄准系统,使得系统的重量、体积、功耗、设备复杂程度和技术难度被迫提升,限制了FSO通信的发展。而利用非对称空间激光通信链路构建的被动调制技术,能够实现通信端体积小、重量轻和功耗低的设计,为自由空间激光通信技术在中小型场景中的应用提供了便利。【方法】文章对被动调制的原理及其调制形式进行了阐述,介绍了逆向调制系统的组成和逆向调制器（MRR）的工作原理,对常见MRR如角反射器MRR和“猫眼”MRR进行了分析,并对波长的选择以及光学接收器口径的大小进行了探讨。【结果】总结了被动调制的不同实现类型和特点,概括了其在FSO通信中的应用,展望了该技术未来的发展方向和前景。【结论】被动调制在未来可沿着高速率、焦平面像素化、双向通信和相干检测等方向发展并且有较大的发展空间。     

微角锥棱镜阵列在逆向调制激光通信中的应用

基于逆向调制反射器(MRR)的自由空间光(FSO)技术是将传统FSO链路中一个终端的激光发射器和跟瞄系统替换成MRR而构成的一个非对称的FSO系统。MRR主要由光调制器和无源逆向反射器构成。针对未来超高速信息传输与小型化链路的需求,研究使用微角锥棱镜阵列(MCCRAs)来替代MRR中的无源逆向反射器,研究MCCRAs的波前补偿特性在MRR FSO系统中的应用。对MCCRAs的波前补偿原理进行了理论分析,通过实验分析验证了MCCRAs的波前补偿特性。在同等实验条件下,实验结果表明,MCCRAs的波前补偿特性在抵抗大气湍流对激光传输造成的影响上有着良好的效果表现,可提升1～2个数量级的BER性能。对基于MCCRAs的MRR FSO系统进行整体评估,探讨国内MRR FSO技术面临的技术瓶颈并对未来工作提出进一步建议。     

空间卫星光通信链路关键技术与方案的研究

光通信是解决低轨卫星与定点卫星间高码率通信瓶颈的最佳途径,其中高频调制时的速率和大功率光源技术是技术中的关键。本文分析了空间卫星光通信链路的关键技术,探讨了空间卫星光通信链路关键技术解决方案,目的在于为空间卫星光通信链路关键技术的实现提供参考,确保空间卫星间的光通信质量。     

空间激光通信网络中的全光相位再生技术

围绕空间激光通信网络中高速数据多跳传输应用需求,针对相位调制激光链路经过空间长距离传输后信号质量劣化的问题,研究了基于相位敏感四波混频参量效应实现二进制相位调制高速激光信号的全光相位再生技术。利用Matlab软件数值分析了全光相位再生系统的影响因素,并基于OptiSystem仿真平台搭建了全光相位再生系统。结合高轨-地面站空间激光通信系统链路预算,对速率为10 Gbit/s的DPSK信号光经背靠背、相位噪声劣化以及劣化后全光相位再生处理三种传输场景进了对比分析。模拟仿真结果与数值分析结果均表明,与劣化后未经再生处理的系统相比,全光相位再生处理后的系统误码率平均优化4个数量级,信噪比提升约3 dB,表明该空间激光通信全光相位再生技术可实现相位调制信号的全光相位再生,能够有效提升空间相干激光通信系统的性能,可以应用于空间高速激光通信网络中继节点处的全光数据中继等方向。     

基于声光调制的逆向调制光通信系统研究

为了扩展自由空间光通信的应用领域,设计了一套稳定性好、实用性较强的逆向调制光通信系统。采用一种基于声光调制器、逆向光链路等核心元件的实验方法,利用现场可编程门阵列发出晶体管-晶体管逻辑门电平对声光调制器进行控制,采用二进制频移键控与二进制脉宽调制调制相结合的四进制调制方法,同时使用冗余校验置换、改进的汉明码等加密纠错方式,实现了室内逆向调制激光通信。结果表明,该通信系统的串口通信速率可达115.2kbit/s、高频载波达1MHz、且保密性良好、误比特率低于10-6,同时证明了激光外调制逆向通信系统载波最高可达到5MHz左右。     

Satellite constellation design for 5G wireless networks of mobile communications

Satellite constellation design plays an important role in satellite networks. Network constellation system design can affect the effectiveness of current improvements of the communications link and the management of the entire network. The power requirement of the mobile stations and ground stations is very high in a geostationary Earth orbit communication system, which means the terrestrial terminal is hard to be made handheld for fifth generation mobile communications. The emergence of nongeostationary orbit satellites such as low Earth orbit satellites greatly compensates for the disadvantage of geostationary Earth orbit satellites. Based on the classical constellation design method, the orthogonal circular orbit constellation is proposed. The design objectives considered here are the following: global Earth coverage by low Earth orbit satellites, the duration of continuously covering one mobile station by one satellite is more than 9.57 min, the access satellite link duration time of the mobile station is more than 4.79 min, and the number of satellites and orbits is to be minimum.     

A flexible LEO satellite modem with Ka‐band RF frontend for a data relay satellite system

From a geostationary Earth orbit (GEO) satellite's perspective, a low Earth orbit (LEO) satellite is visible on more than half of its orbit. Albeit the free‐space loss of an inter‐satellite link is much higher than the one of a direct ground link, considerable data rates and download volumes can be achieved. In this paper, we describe the system architecture of an integrated approach for a data relay satellite system and the development of LEO satellite and ground station modems. The approach allows serving several small and inexpensive LEO satellites at the same time both with low rate telemetry/telecommand links and with high rate download of sensor data.     

基于星间激光测距的高轨卫星定位技术研究

针对传统的高轨卫星定位技术存在定位精度低的问题,提出了基于基于星间激光测距的高轨卫星定位技术。在高轨卫星飞行器上安装低噪声激光探测器,借助激光探测器、发射机以及接收器构建星间通信链路,分析接收天线的接收功率与发射天线的发射功率之间的关系,通过激光脉冲传输空间测距与高轨卫星信号捕获接收功率和发射功率获得定位初始数据;再分析星间相对运动和修正电离层误差,得到定位数据的精确解算融合结果。选取精度因子DOP作为评判高轨卫星定位技术的参数,通过仿真实验发现高轨卫星定位技术比传统定位技术的平均DOP值高2.89,由此证明所提定位技术的定位精度更高。     

大气折射对空地卫星光通信链路影响的研究

卫星光通信被认为是解决卫星通信高码率“瓶颈”问题的唯一途径。但是在空地光通信系统中 ,由于大气温度与大气压强的随机变化 ,导致大气折射率不再是常数。当激光在大气中传输时 ,由于折射的影响 ,光束不再沿直线传播 ,而是按折射定律产生折射效应。这就使得光束到达卫星站 (或地球站 )时偏离了原来的位置 ,影响系统的通信性能。同时由于湍流的存在 ,它又会产生一些湍流效应。本文在此基础上给出了大气折射率模型 ,并由大气光路方程得出在空地卫星通信系统中 ,光束在整个大气中的传输特性。它是研究空地卫星光通信中的大气折射的重要课题     

XY-2号卫星激光通信载荷PAT在轨测试

针对低轨小卫星星座的通信需求，设计了基于双棱镜和四象限雪崩光电二极管(QAPD)结构收发同轴的激光通信载荷，该方案是无信标光体制，具有体积小、轻量化和大视场的特点。文中针对双棱镜结构，给出了双棱镜输入输出光线的计算模型，在此基础上，提出了星间指向、捕获和跟踪的实现方式，并在XY-2号卫星上进行了在轨测试和验证，进行指向测试时，更新了指向偏移量，标定了QAPD跟踪点，并进行了双向建链测试。进行了15次双向建链测试表明，该激光通信载荷捕获时间小于20 s，捕获成功率达到100%，捕获后双星建链时间优于2 s，建链测试成功率达到了93%，建链后跟踪精度RMS值小于30 μrad。     

天气对星地光通信地面站可用度的影响研究

大气信道对光学链路影响较大,通常云层导致的衰减可能会高达几十分贝,光学链路必须在视线内无云情况下工作。因此在设计激光通信系统并进行地面站选址时,必须要考虑链路可用度问题。结合云层数据提出一种可用度计算简单模型,对我国不同城市气象站数据进行统计分析,得出不同城市十年间可用度数据,为我国星地光通信地面站选址提供一定依据。     

激光星间链路发展综述：现状、趋势、展望

由于激光通信在空间传输中波长短且方向性强,已成为下一代卫星通信与导航的重要手段。激光星间链路的高速率、高带宽、高安全性等特点,可以提供高质量卫星空间通信,同时其还可以提高星间测距的精度,因此,构建激光星间链路成为下一代卫星网络的研究重点之一。文中首先从技术层面介绍激光星间链路的基本组成,主要介绍了卫星激光建链模式、卫星激光信号调制模式及卫星激光载波波长三个重要技术点。从技术到现象,根据不同轨道高度和不同的任务需求,按照发射时间顺序综合调研并总结了近年来国内外典型中高轨和低轨卫星激光通信成果的发展现状与未来计划。通过调研,进一步从宏观角度分析出卫星激光通信发展标准化、兼容化、网络化和商业化四个趋势,并从微观角度总结了卫星激光终端弹性化和模块化的发展方向。最后,除了作为通讯手段,展望了星间激光链路用于卫星激光测距的良好前景。通过对激光星间链路的现状、趋势和展望的综合分析,旨在为未来激光星间链路的设计与优化提供一定的借鉴和参考,并为我国未来星间激光通信和测距技术的发展及研究提供方向参考。     

CO2laser communication systems for near-earth space applications

Projects of the growth of earth-sensing systems for the latter half of the 1980's show a data transmission requirement of 300 Mbit/s and above. Mission constraints and objectives lead to the conclusion that the most efficient technique to return the data from a sensing satellite to a ground station is through a geosynchronous data relay satellite. Of the two links that are involved (sensing satellite to relay satellite and relay satellite to ground), a laser system is most attractive for the space-to-space link. A five-year program was conducted which has shown the basic technical feasibility of accomplishing this link with a CO2laser system operating at a wavelength near 10 µm. The system uses a mercury-cadmium-telluride infrared mixer cooled to approximately 100 K by a radiative cooler. The laser local oscillator and coupling-modulated laser transmitter use conductively cooled beryllium oxide construction. The optical antenna used for transmission and reception has a gain of nominally 92 dB with a 3-dB beamwidth of 80 µr. Tracking jitter is less than ten µr and signal acquisition occurs in less than 1 min. The receiver subsystem has a sensitivity of 10^-19W/Hz, accommodates a 300-Mbit/s data rate, and can track Doppler frequency variations over a ±700-MHz range.     

自适应光学对星地相干激光通信性能改善研究

相干激光通信能够实现每秒数百吉比特的通信速率和接近量子极限的灵敏度,在未来天地一体化信息网络中具有广泛的应用前景。大气湍流引入的光学波前畸变是影响星地相干激光通信链路性能的重要因素。本文将自适应光学技术应用于大口径光学地面接收站,并系统地开展了4 Gbps高速相干激光通信试验,试验结果表明,自适应光学技术能够有效抑制中等大气湍流的影响,并提高相干激光通信的灵敏度和稳定性。