FSO中干擾和噪聲的分析與抑制

1 引言

　　干擾（或噪聲），就是除有用信號以外的，一切不需要的信號及各種電磁騷動(dòng)的總稱，由設(shè)備外部進(jìn)來的稱為干擾，由設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的稱為噪聲。干擾分為自然干擾和發(fā)射機(jī)的雜散信號、電源干擾等人為干擾。噪聲分為固有噪聲和人為（故障性）噪聲兩種。固有噪聲主要是電子元器件與組件產(chǎn)生的熱噪聲、散彈（粒）噪聲和閃爍噪聲等，人為噪聲主要是由電路或設(shè)備結(jié)構(gòu)不良而產(chǎn)生的故障性電磁噪聲，如感應(yīng)噪聲、接觸噪聲。在FSO中存在的干擾主要來自激光傳輸過程中的大氣干擾和接收時(shí)的背景光干擾，存在的噪聲主要來源于接收機(jī)中的各器件和電路，這些噪聲和干擾會(huì)影響傳輸質(zhì)量，因此，分析這些噪聲和干擾的性質(zhì)和影響因素，從而采取有效的解決方法具有十分重要的意義。在前人研究的基礎(chǔ)上[1-4]，本文系統(tǒng)地分析了FSO的噪聲和干擾的影響因素，給出了相應(yīng)的解決方案，從而降低噪聲和干擾，提高通信質(zhì)量。

2 激光傳輸中的干擾及抑制

　　大氣性質(zhì)對激光束的傳播有很大的影響，主要的影響有：大氣分子及懸浮微粒對光束的吸收與散射，大氣湍流運(yùn)動(dòng)對光束的擾動(dòng)。前者主要導(dǎo)致光束能量的損失，后者引起光束的強(qiáng)度閃爍、光束漂移、擴(kuò)展與抖動(dòng)等現(xiàn)象。這些都將影響到信號傳輸?shù)馁|(zhì)量，必須采取一些措施進(jìn)行抑制。

a) 激光的準(zhǔn)直擴(kuò)束

　　在發(fā)送端，對激光束進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束，增大激光束的束腰半徑，則可以有效地壓縮光束發(fā)散角，減少光束發(fā)散損耗，降低對光源的光發(fā)射功率要求；在接收端，將一定面積內(nèi)的信號光匯聚到光檢測器上，壓縮接收視野減少背景光干擾，增大接收光信號功率。發(fā)射天線總是設(shè)計(jì)成接近衍射極限，這樣可以得到最小的光斑，一般采用折射式系統(tǒng)。折射式光學(xué)天線的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，光無遮擋，加工球面透鏡工藝成熟，通過光學(xué)設(shè)計(jì)易消除各種像差，且物鏡組牢固穩(wěn)定，長期使用不變形。

　　半導(dǎo)體激光器的垂直發(fā)散角和水平發(fā)散角 ∥不同，僅僅用單透鏡系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)直，效率較低，同時(shí)準(zhǔn)直效果也不大理想，準(zhǔn)直后往往形成橢圓形，這樣的光斑能量比較分散，傳輸時(shí)因光束發(fā)散造成的損耗大，解決的方法之一是另加一個(gè)柱面鏡，僅對 進(jìn)行壓縮，可獲得較理想的發(fā)射角；另一種方法是先將激光器的輸出耦合入一段光纖中，通常耦合進(jìn)一段多模光纖中，耦合效率可達(dá)30％～50％。光纖可打亂激光高斯分布的相位，使光束質(zhì)量得以改善。

　　有些時(shí)候單一透鏡系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)束，達(dá)到最佳擴(kuò)束時(shí)的焦距fopt會(huì)很大，此時(shí)可以采用透鏡級聯(lián)的方法可以解決這一問題，其原理就是在激光準(zhǔn)直輸出和物鏡之間加一目鏡，目鏡對準(zhǔn)直后的光束聚集以獲得更小的光束束腰半徑 。達(dá)到最佳擴(kuò)束時(shí)的光束束腰半徑即為天線半徑，由公式1可得在 一定時(shí)， 的減小使得z值減小，從而可以達(dá)到對光束進(jìn)行最佳擴(kuò)束的目的。 
                          （1）

　　式中 為z點(diǎn)高斯光束的光斑半徑， 為激光經(jīng)準(zhǔn)直后的束腰半徑， 為激光的波長，z為透鏡距光束束腰的距離。

b) 自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)[5]

　　抑制大氣湍流的方法是增加接收天線的口徑或數(shù)量，實(shí)現(xiàn)光束的分集接收，但這會(huì)增加FSO系統(tǒng)的復(fù)雜性；可以通過在接收電路中增加高通濾波器的方法，消除大氣湍流產(chǎn)生的低頻閃爍調(diào)制對激光信號接收的影響，而低頻光束跳動(dòng)角度對近距離FSO系統(tǒng)接收光功率的影響可以忽略；最好的解決方法是自適應(yīng)光學(xué)（AO）技術(shù)的應(yīng)用。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)通常由三個(gè)基本單元構(gòu)成，分別是波前探測單元、波前控制單元和波前校正單元，如圖1所示。受大氣湍流影響的失真波前光學(xué)天線接收，經(jīng)分束器分束，大部分能力送至光檢測器用于恢復(fù)信息，少部分能量送至波前誤差傳感器；波前誤差傳感是波前探測單元的主要部分，該單元用于檢測廣播波前的擾動(dòng)信息，并送至波前控制單元；波前控制單元接收到波前擾動(dòng)信息后，經(jīng)處理轉(zhuǎn)化為波前校正單元所需的控制信號；控制信號直接控制變形鏡也就是波前校正單元各部分的形變，對失真波前進(jìn)行補(bǔ)償和校正。實(shí)踐證明，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)是一項(xiàng)有效的實(shí)用技術(shù)。在空間激光通信中，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際分辨率會(huì)因某些影響而下降，采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)后可達(dá)到望遠(yuǎn)鏡固有的最高分辨率。激光通信系統(tǒng)要求將激光能量有效地集中在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡上，但實(shí)際上激光光束到達(dá)望遠(yuǎn)鏡前由于各種因素導(dǎo)致光束發(fā)散，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)提供精確校正這些誤差的手段，保證激光光束能量的有效集中。此外，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)還可用于提高光學(xué)系統(tǒng)的跟蹤精度、提高通信系統(tǒng)的光學(xué)質(zhì)量、校正通信中的激光光束等。

圖1 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成

c) 其它干擾與抑制

　　大氣激光通信的環(huán)境有時(shí)是惡劣的，信道的信噪比很低，還將受到大氣湍流、多徑衰落等的影響，大氣激光通信鏈路的誤碼問題較為嚴(yán)重，因此有必要使用線路編碼實(shí)現(xiàn)前向糾錯(cuò)。與長距離光纖通信不同的是，大氣激光通信中誤碼主要表現(xiàn)為突發(fā)誤碼，即在一段時(shí)間內(nèi)激光束的傳播受到大氣湍流影響和被移動(dòng)物體短時(shí)遮擋，導(dǎo)致接收誤碼率突然上升。Turbo碼技術(shù)是在低信噪比情況下的強(qiáng)大糾錯(cuò)工具。

　　在風(fēng)力和其他因素的作用下，建筑物會(huì)有些輕微晃動(dòng)，將影響兩個(gè)點(diǎn)之間的激光對準(zhǔn)，其最大值可達(dá)4mrad/2層樓。對大氣激光通信系統(tǒng)來說，為了保證光傳輸鏈路的性能，光鏈路兩端的對準(zhǔn)（捕獲）和保持（跟蹤）至關(guān)重要。解決的方法有兩種：散光法和自動(dòng)跟蹤技術(shù)（APT）[6]。散光是讓激光束以較大的發(fā)散角發(fā)送，在到達(dá)接收器時(shí)光束就會(huì)形成一個(gè)很大的光錐，這樣即使發(fā)送光束對準(zhǔn)角度有一定的偏差，接收機(jī)仍可接收到光信號，使得通信不會(huì)中斷。散光法存在的問題是光束發(fā)散損耗較大，要求發(fā)送端擁有更大的發(fā)送光功率。自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)可以保持光束對準(zhǔn)，而無需經(jīng)常校準(zhǔn)，當(dāng)光束方向有微小變化時(shí)，自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)可隨時(shí)調(diào)整接收器天線的方向。APT子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光束對準(zhǔn)的閉環(huán)控制，對準(zhǔn)誤差小，因此在發(fā)送端可以減小光束發(fā)散角，因而也提高了接收光信號功率，缺點(diǎn)是成本較高。

　　此外，有時(shí)候天氣情況比較惡劣，會(huì)使信號失真嚴(yán)重，但由于這種惡劣天氣很少，采用開放的60GHz微波與FSO有機(jī)的結(jié)合可有效地解決惡劣天氣造成的影響[7]。

3 接收機(jī)噪聲的分析及抑制方法

　　光接收機(jī)是光通信系統(tǒng)中必不可少的組成部分，它的性能好壞是整個(gè)光通信系統(tǒng)性能的綜合反映，主要包含光檢測器和放大器，其作用就是將接收到的微弱信號轉(zhuǎn)換成電信號，隨后放大。絕大多數(shù)探測器都是利用半導(dǎo)體的各種效應(yīng)將輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，半?dǎo)體中載流子的濃度起伏和運(yùn)動(dòng)起伏使探測器產(chǎn)生噪聲；放大器中使用的電子器件多數(shù)是由半導(dǎo)體制成的，將產(chǎn)生放大器噪聲。這些噪聲的大小直接影響著對光信號的探測能力，對噪聲進(jìn)行分析研究，最大限度地消除噪聲，提高設(shè)備的信噪比。

a) 光電探測器的噪聲分析與抑制

　　光電探測器是一種通過將光輻射信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕墓鈱W(xué)器件，其原理是基于光輻射與物質(zhì)的相互作用所產(chǎn)生的光電效應(yīng)。在完成光電轉(zhuǎn)換過程中，不僅給出表征被測對象的有用信號，同時(shí)伴隨著無用的噪聲信號。這些噪聲有熱噪聲、散粒噪聲、半導(dǎo)體中產(chǎn)生的復(fù)合噪聲、溫度噪聲和閃爍(或1/f)噪聲等，主要噪聲來源是熱噪聲和散粒噪聲，其中熱噪聲對探測能力影響最大。

　　在導(dǎo)電性中由于電子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲稱為熱噪聲。純電阻的熱噪聲電壓均方值為： 
                                   （2）

　　式中k為波耳茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；R為產(chǎn)生熱噪聲的電阻阻值；Δf為光電器件工作的通頻帶。相應(yīng)的熱噪聲電流均方值為：

                                    （3）

　　由公式（1）和（2）可以看出影響探測噪聲的因素為溫度T和檢測電路的帶寬，所以我們可以通過降低探測器工作溫度和檢測電路帶寬，來增加探測器的探測性能和系統(tǒng)的信噪比。探測器應(yīng)在低溫下工作，盡量避免選用大阻值的電阻，同時(shí)工作帶寬盡可能窄，只維持通過信號特征所必須的帶寬。

b) 放大器的噪聲分析與抑制[8]

　　因?yàn)榉糯笃饔捎性春蜔o源器件組成，他們是新的噪聲源，放大器不但把信號和噪聲放大，同時(shí)也將混進(jìn)放大器本身帶來的新的噪聲，使輸出信噪比降低，嚴(yán)重時(shí)甚至可能達(dá)到噪聲把有用信號淹沒的惡劣程度，以至無法檢測到有用信號。所以，設(shè)計(jì)放大電路的時(shí)候，一方面要把信號放大到足夠大以便后面的處理，另一方面要將放大器本身的噪聲降低到最小程度。對于微弱光電信號前置放大器，由于信號小，輸入信噪比甚低，所以需要采用低噪聲放大器。低噪聲放大器的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮噪聲水平和放大器的增益及帶寬。

　　為了減小系統(tǒng)的外部噪聲，光電檢測電路必須用金屬外殼來屏蔽外界電磁干擾，同時(shí)外殼接地。要防止電路板上電源線對反饋環(huán)路和輸入端漏電，產(chǎn)生噪聲或漂移。光電二極管輸出端到放大器的引線距離要盡量短，并且引線盡量對稱，保證阻抗基本匹配。放大器輸入輸出要避免交叉布線，防止相互耦合。

　　光電檢測電路采用電流放大型，光電二極管采取無偏壓的工作方式，這樣減小了光電二極管的暗電流，提高了檢測的精度。電路的反饋電阻Rf在滿足通頻帶寬度和輸出信號范圍的情況下應(yīng)盡可能大，這樣會(huì)增大輸出信噪比，也提高了電路的信號放大倍數(shù)?？梢杂脙善驮肼暦糯笃鱋P07為核心，來設(shè)計(jì)兩級低噪聲前置放大器。

　　此外，可以使用鎖相放大器技術(shù)來進(jìn)行大噪聲下的信號處理，它利用待測信號和參考信號的互相關(guān)檢測原理實(shí)現(xiàn)對信號的窄帶化處理，能有效地抑制噪聲，實(shí)現(xiàn)對信號的檢測和跟蹤。它具有輸出穩(wěn)定性、強(qiáng)有力濾除噪聲的能力以及能將深埋在噪聲中的微弱信號提取出來并加以放大的優(yōu)良特性。

4 背景光干擾的分析及抑制方法

　　任何溫度在絕對零度之上的物體均認(rèn)為是背景輻射源。對于一個(gè)工作在特定波長的空間光通信系統(tǒng)，由于使用的探測器不同，背景光干擾主要來自探測器敏感的波長范圍。背景輻射源主要來自太陽，包括天空中的懸浮粒子、塵埃對陽光的散射，地面物體對陽光的反射以及高能燈光等。光接收機(jī)除接收到信號光輻射外，還將接收到落在探測空間和探測頻率范圍內(nèi)的背景光輻射，對背景光的抑制是十分必要的。

　　背景光的影響有：背景光很強(qiáng)時(shí)會(huì)引起探測器的飽和（即超過正常工作范圍），嚴(yán)重時(shí)甚至于使探測器損壞；背景光電流引起的散粒噪聲使探測器靈敏度降低。

　影響光通信系統(tǒng)背景光噪聲的人為因素有：接收視場角和天線口徑。較大的視場角有利于捕獲目標(biāo)，但增加了接收到的背景光，所以應(yīng)該減小視場角來抑制背景光干擾；天線口徑不但影響信號光接收的多少，也和背景光的大小有關(guān)，應(yīng)在滿足通信系統(tǒng)要求的前提下，適當(dāng)選擇天線口徑，以降低成本的同時(shí)減少背景光的干擾。

　　可采用以下方法消除背景光：在光學(xué)鏡頭上加濾光片。合適的濾光片可以消除大部分背景光而不影響有用信號光的接收，窄帶濾光片的成本很高，而且也不能完全消除背景光；為了盡可能的減小背景光的干擾，可以把接收屏放置在暗箱里，制造暗箱不僅可以因地制宜、方便快捷、節(jié)省經(jīng)費(fèi)、而且能較好的消除背景光；氣溫低時(shí)的背景噪聲比氣溫高時(shí)的背景噪聲小，可使紅外測量設(shè)備氣溫低時(shí)工作。

5 結(jié)論

　　目前，對于空間光通信技術(shù)的研究，國內(nèi)外都進(jìn)行了一系列的探索。從開始的概念研究、關(guān)鍵技術(shù)的研究、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究，目前正在向?qū)嵱没M(jìn)展。上述對FSO中干擾和噪聲進(jìn)行了較為全面的分析，并給出了相應(yīng)的解決方法。在做FSO實(shí)驗(yàn)時(shí)，合理選用相應(yīng)的解決方法可以更好的抑制干擾和噪聲，提高測量精度，具有實(shí)際意義。