FSO中干扰和噪声的分析与抑制

1 引言

　　干扰（或噪声），就是除有用信号以外的，一切不需要的信号及各种电磁骚动的总称，由设备外部进来的称为干扰，由设备内部产生的称为噪声。干扰分为自然干扰和发射机的杂散信号、电源干扰等人为干扰。噪声分为固有噪声和人为（故障性）噪声两种。固有噪声主要是电子元器件与组件产生的热噪声、散弹（粒）噪声和闪烁噪声等，人为噪声主要是由电路或设备结构不良而产生的故障性电磁噪声，如感应噪声、接触噪声。在FSO中存在的干扰主要来自激光传输过程中的大气干扰和接收时的背景光干扰，存在的噪声主要来源于接收机中的各器件和电路，这些噪声和干扰会影响传输质量，因此，分析这些噪声和干扰的性质和影响因素，从而采取有效的解决方法具有十分重要的意义。在前人研究的基础上[1-4]，本文系统地分析了FSO的噪声和干扰的影响因素，给出了相应的解决方案，从而降低噪声和干扰，提高通信质量。

2 激光传输中的干扰及抑制

　　大气性质对激光束的传播有很大的影响，主要的影响有：大气分子及悬浮微粒对光束的吸收与散射，大气湍流运动对光束的扰动。前者主要导致光束能量的损失，后者引起光束的强度闪烁、光束漂移、扩展与抖动等现象。这些都将影响到信号传输的质量，必须采取一些措施进行抑制。

a) 激光的准直扩束

　　在发送端，对激光束进行准直扩束，增大激光束的束腰半径，则可以有效地压缩光束发散角，减少光束发散损耗，降低对光源的光发射功率要求；在接收端，将一定面积内的信号光汇聚到光检测器上，压缩接收视野减少背景光干扰，增大接收光信号功率。发射天线总是设计成接近衍射极限，这样可以得到最小的光斑，一般采用折射式系统。折射式光学天线的优点是成本较低，光无遮挡，加工球面透镜工艺成熟，通过光学设计易消除各种像差，且物镜组牢固稳定，长期使用不变形。

　　半导体激光器的垂直发散角和水平发散角 ∥不同，仅仅用单透镜系统进行准直，效率较低，同时准直效果也不大理想，准直后往往形成椭圆形，这样的光斑能量比较分散，传输时因光束发散造成的损耗大，解决的方法之一是另加一个柱面镜，仅对 进行压缩，可获得较理想的发射角；另一种方法是先将激光器的输出耦合入一段光纤中，通常耦合进一段多模光纤中，耦合效率可达30％～50％。光纤可打乱激光高斯分布的相位，使光束质量得以改善。

　　有些时候单一透镜系统进行扩束，达到最佳扩束时的焦距fopt会很大，此时可以采用透镜级联的方法可以解决这一问题，其原理就是在激光准直输出和物镜之间加一目镜，目镜对准直后的光束聚集以获得更小的光束束腰半径 。达到最佳扩束时的光束束腰半径即为天线半径，由公式1可得在 一定时， 的减小使得z值减小，从而可以达到对光束进行最佳扩束的目的。 
                          （1）

　　式中 为z点高斯光束的光斑半径， 为激光经准直后的束腰半径， 为激光的波长，z为透镜距光束束腰的距离。

b) 自适应光学技术[5]

　　抑制大气湍流的方法是增加接收天线的口径或数量，实现光束的分集接收，但这会增加FSO系统的复杂性；可以通过在接收电路中增加高通滤波器的方法，消除大气湍流产生的低频闪烁调制对激光信号接收的影响，而低频光束跳动角度对近距离FSO系统接收光功率的影响可以忽略；最好的解决方法是自适应光学（AO）技术的应用。自适应光学系统通常由三个基本单元构成，分别是波前探测单元、波前控制单元和波前校正单元，如图1所示。受大气湍流影响的失真波前光学天线接收，经分束器分束，大部分能力送至光检测器用于恢复信息，少部分能量送至波前误差传感器；波前误差传感是波前探测单元的主要部分，该单元用于检测广播波前的扰动信息，并送至波前控制单元；波前控制单元接收到波前扰动信息后，经处理转化为波前校正单元所需的控制信号；控制信号直接控制变形镜也就是波前校正单元各部分的形变，对失真波前进行补偿和校正。实践证明，自适应光学技术是一项有效的实用技术。在空间激光通信中，光学望远镜的实际分辨率会因某些影响而下降，采用自适应光学技术后可达到望远镜固有的最高分辨率。激光通信系统要求将激光能量有效地集中在光学望远镜上，但实际上激光光束到达望远镜前由于各种因素导致光束发散，自适应光学技术提供精确校正这些误差的手段，保证激光光束能量的有效集中。此外，自适应光学技术还可用于提高光学系统的跟踪精度、提高通信系统的光学质量、校正通信中的激光光束等。

图1 自适应光学系统的构成

c) 其它干扰与抑制

　　大气激光通信的环境有时是恶劣的，信道的信噪比很低，还将受到大气湍流、多径衰落等的影响，大气激光通信链路的误码问题较为严重，因此有必要使用线路编码实现前向纠错。与长距离光纤通信不同的是，大气激光通信中误码主要表现为突发误码，即在一段时间内激光束的传播受到大气湍流影响和被移动物体短时遮挡，导致接收误码率突然上升。Turbo码技术是在低信噪比情况下的强大纠错工具。

　　在风力和其他因素的作用下，建筑物会有些轻微晃动，将影响两个点之间的激光对准，其最大值可达4mrad/2层楼。对大气激光通信系统来说，为了保证光传输链路的性能，光链路两端的对准（捕获）和保持（跟踪）至关重要。解决的方法有两种：散光法和自动跟踪技术（APT）[6]。散光是让激光束以较大的发散角发送，在到达接收器时光束就会形成一个很大的光锥，这样即使发送光束对准角度有一定的偏差，接收机仍可接收到光信号，使得通信不会中断。散光法存在的问题是光束发散损耗较大，要求发送端拥有更大的发送光功率。自动跟踪系统可以保持光束对准，而无需经常校准，当光束方向有微小变化时，自动跟踪系统可随时调整接收器天线的方向。APT子系统实现了光束对准的闭环控制，对准误差小，因此在发送端可以减小光束发散角，因而也提高了接收光信号功率，缺点是成本较高。

　　此外，有时候天气情况比较恶劣，会使信号失真严重，但由于这种恶劣天气很少，采用开放的60GHz微波与FSO有机的结合可有效地解决恶劣天气造成的影响[7]。

3 接收机噪声的分析及抑制方法

　　光接收机是光通信系统中必不可少的组成部分，它的性能好坏是整个光通信系统性能的综合反映，主要包含光检测器和放大器，其作用就是将接收到的微弱信号转换成电信号，随后放大。绝大多数探测器都是利用半导体的各种效应将辐射能转变为电信号，半导体中载流子的浓度起伏和运动起伏使探测器产生噪声；放大器中使用的电子器件多数是由半导体制成的，将产生放大器噪声。这些噪声的大小直接影响着对光信号的探测能力，对噪声进行分析研究，最大限度地消除噪声，提高设备的信噪比。

a) 光电探测器的噪声分析与抑制

　　光电探测器是一种通过将光辐射信号转变为电信号的光学器件，其原理是基于光辐射与物质的相互作用所产生的光电效应。在完成光电转换过程中，不仅给出表征被测对象的有用信号，同时伴随着无用的噪声信号。这些噪声有热噪声、散粒噪声、半导体中产生的复合噪声、温度噪声和闪烁(或1/f)噪声等，主要噪声来源是热噪声和散粒噪声，其中热噪声对探测能力影响最大。

　　在导电性中由于电子的无规则热运动产生的噪声称为热噪声。纯电阻的热噪声电压均方值为： 
                                   （2）

　　式中k为波耳兹曼常数；T为热力学温度；R为产生热噪声的电阻阻值；Δf为光电器件工作的通频带。相应的热噪声电流均方值为：

                                    （3）

　　由公式（1）和（2）可以看出影响探测噪声的因素为温度T和检测电路的带宽，所以我们可以通过降低探测器工作温度和检测电路带宽，来增加探测器的探测性能和系统的信噪比。探测器应在低温下工作，尽量避免选用大阻值的电阻，同时工作带宽尽可能窄，只维持通过信号特征所必须的带宽。

b) 放大器的噪声分析与抑制[8]

　　因为放大器由有源和无源器件组成，他们是新的噪声源，放大器不但把信号和噪声放大，同时也将混进放大器本身带来的新的噪声，使输出信噪比降低，严重时甚至可能达到噪声把有用信号淹没的恶劣程度，以至无法检测到有用信号。所以，设计放大电路的时候，一方面要把信号放大到足够大以便后面的处理，另一方面要将放大器本身的噪声降低到最小程度。对于微弱光电信号前置放大器，由于信号小，输入信噪比甚低，所以需要采用低噪声放大器。低噪声放大器的设计应考虑噪声水平和放大器的增益及带宽。

　　为了减小系统的外部噪声，光电检测电路必须用金属外壳来屏蔽外界电磁干扰，同时外壳接地。要防止电路板上电源线对反馈环路和输入端漏电，产生噪声或漂移。光电二极管输出端到放大器的引线距离要尽量短，并且引线尽量对称，保证阻抗基本匹配。放大器输入输出要避免交叉布线，防止相互耦合。

　　光电检测电路采用电流放大型，光电二极管采取无偏压的工作方式，这样减小了光电二极管的暗电流，提高了检测的精度。电路的反馈电阻Rf在满足通频带宽度和输出信号范围的情况下应尽可能大，这样会增大输出信噪比，也提高了电路的信号放大倍数。可以用两片低噪声放大器OP07为核心，来设计两级低噪声前置放大器。

　　此外，可以使用锁相放大器技术来进行大噪声下的信号处理，它利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效地抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。它具有输出稳定性、强有力滤除噪声的能力以及能将深埋在噪声中的微弱信号提取出来并加以放大的优良特性。

4 背景光干扰的分析及抑制方法

　　任何温度在绝对零度之上的物体均认为是背景辐射源。对于一个工作在特定波长的空间光通信系统，由于使用的探测器不同，背景光干扰主要来自探测器敏感的波长范围。背景辐射源主要来自太阳，包括天空中的悬浮粒子、尘埃对阳光的散射，地面物体对阳光的反射以及高能灯光等。光接收机除接收到信号光辐射外，还将接收到落在探测空间和探测频率范围内的背景光辐射，对背景光的抑制是十分必要的。

　　背景光的影响有：背景光很强时会引起探测器的饱和（即超过正常工作范围），严重时甚至于使探测器损坏；背景光电流引起的散粒噪声使探测器灵敏度降低。

　影响光通信系统背景光噪声的人为因素有：接收视场角和天线口径。较大的视场角有利于捕获目标，但增加了接收到的背景光，所以应该减小视场角来抑制背景光干扰；天线口径不但影响信号光接收的多少，也和背景光的大小有关，应在满足通信系统要求的前提下，适当选择天线口径，以降低成本的同时减少背景光的干扰。

　　可采用以下方法消除背景光：在光学镜头上加滤光片。合适的滤光片可以消除大部分背景光而不影响有用信号光的接收，窄带滤光片的成本很高，而且也不能完全消除背景光；为了尽可能的减小背景光的干扰，可以把接收屏放置在暗箱里，制造暗箱不仅可以因地制宜、方便快捷、节省经费、而且能较好的消除背景光；气温低时的背景噪声比气温高时的背景噪声小，可使红外测量设备气温低时工作。

5 结论

　　目前，对于空间光通信技术的研究，国内外都进行了一系列的探索。从开始的概念研究、关键技术的研究、实验系统的研究，目前正在向实用化进展。上述对FSO中干扰和噪声进行了较为全面的分析，并给出了相应的解决方法。在做FSO实验时，合理选用相应的解决方法可以更好的抑制干扰和噪声，提高测量精度，具有实际意义。