探索自由空间光通信技术
探索自由空间光通信技术
随着我们的世界通过全球通信网络变得越来越紧密，对安全、可靠和高带宽数据传输技术的需求也迅速增长。虽然传统上是通过射频频率调制以及光纤光传输来实现的，但自由空间光 (FSO) 通信领域已发展成为一种强有力的替代方案。请继续阅读以了解有关 FSO 测量技术的更多信息，以及使用这种数据传输方法的优势和挑战。
为什么要使用 FSO 而不是其他技术？
FSO通信可以作为射频和光纤传输的替代方案。与通常以几千兆赫（波长 6 厘米）范围内的基频进行的射频调制相比，FSO 载波通常处于近红外到红外范围内，或波长在 780 到 1600 纳米之间。这个明显更大的频率允许更宽的带宽，从而提高数据传输速率。这些频率还避免了许多射频和无线设备使用的授权频段相关的“频谱紧缩”。
虽然光纤传输也具有这些相同的优势，但 FSO 技术在许多方面对其进行了补充。尽管光纤传输在密集的城市环境中效率极高，但当节点之间的距离变远时，光纤安装成本可能会飙升。因此，在与地球上难以到达或偏远的地区进行通信时，FSO 可以取代光纤。此外，FSO 对于卫星和深空通信等无法使用光纤的应用至关重要。
最后，由于 FSO 数据是点对点传输的，因此可以使用相对低功率的发射器和接收器来执行，从而节省设备成本。这也使得信号更难被直接拦截，从而使通信更加安全。
FSO 通信是如何进行的？
虽然FSO方案的实施很快就会变得复杂，但基本流程可以分为四个步骤。
载波的产生：近红外或红外激光以给定频率产生载波。载波可以是连续波 (cw) 或脉冲波，并且可以使用这两种方法对数据进行编码。必须仔细对准载波，以便输出直接指向预期的接收器电路。
载波的调制：根据载波的性质，可以使用各种技术对数据进行编码。对于连续波载波，数字数据由波的幅度、频率或相位的变化表示。图 1a 显示了幅移键控 (ASK) 的一个示例。数字位 0 或 1 由电压脉冲表示，然后与载波混合，产生幅度突然变化的波。然后可以通过解调恢复这些幅度变化。ASK 的一个特定情况是结果值的幅度为零或非零，这称为开关键控 (OOK)。OOK 方法是一种高效的数据传输方式。对于脉冲载波，可以通过脉冲宽度、幅度或位置的变化对数据进行编码。脉冲位置调制就是一个例子，如图 1b 所示。时钟脉冲以规则的间隔产生，这些脉冲之间的时间被细分为多个间隔（2、4、16 等）。数据脉冲相对于时钟脉冲的位置决定了该位的值。这种技术称为M-PPM，其中M是时间细分的次数，也是在通信中编码数据的一种极其强大和流行的方法。
信号检测：接收器解码信号有两种常见方法，具体取决于载波的性质。第一种是相干检测，它使用干涉仪和锁定放大器来解调信号。使用本地振荡器作为参考，可以提取相位和幅度的变化。第二种方法是直接或非相干检测，它使用光电二极管直接测量激光脉冲的频率、时间和强度。时间间隔分析仪可用于测量脉冲之间的差分时间，或脉冲相对于公共时钟信号的到达时间。然后可以将此时间值转换为模拟幅度。
数据分析：接下来，模拟数据被传送到比较器，比较器从解调数据的幅度中恢复数字数据。例如，如果信号超过某个阈值，则将其数字化为 1，如果低于阈值，则将其数字化为 0。经过此过程后，数据已传输到新位置一次并再次数字化，使其能够执行其预期的任何目的。
图 1a：幅移键控序 列，显示初始数字数据和载波。混合时，载波的幅度将发生突然变化。
图 1b：具有相同初始数据集的 PPM 序列。载波是脉冲的，因此数据是在相对于载波的脉冲边缘中编码的。
FSO 通信面临哪些挑战？
尽管与射频和光纤传输技术相比，FSO 通信具有某些优势，但它也存在必须克服的独特挑战。其中一些挑战包括大气（包括雾、雨和雪）对传输光束的吸收和散射，这会导致信号严重衰减。这使得恶劣天气下的 FSO 通信尤其棘手。然而，即使在有利的天气条件下，接收器也会受到来自太阳的背景噪声的影响，而温度或压力的自然变化（也称为大气湍流）也会导致激光束的微小对准变化。FSO 通信依赖于发射器和接收器之间的直接视距接触，这可能会使这种方法出现问题，因为任何光束发散或错位都会导致接收信号急剧下降。
幸运的是，其中一些问题可以通过硬件缓解。载波稳定可以通过使用有源光学器件或闭环控制来实现，这些器件可以实时调整和重新对准激光束。简单、节能的调制方案（如 OOK 和M-PPM 可以帮助系统抵抗来自环境的干扰和衰减。最后，超灵敏探测器（例如低噪声锁定放大器）可以帮助从系统中存在的背景噪声中挑选出载波信号。可以通过添加冗余和实施 RF/FSO 混合系统来实现进一步的改进，尽管这些超出了本博客的范围。
基于 FPGA 的 FSO 通信仪器仪表的优势
Liquid Instruments 的 Moku 平台基于可重构 FPGA 机箱构建，提供全套软件定义的测试和测量仪器。Moku 最初是为精确探测引力波而构建的，它提供多种专用仪器来通过相干或非相干方法探测光信号。
Moku 平台的多功能性使其成为实施 FSO 程序的理想选择。例如，Moku锁相放大器可以测量具有超低动态储备的连续波信号，并且多仪器并行模式Moku 可同时并排部署多达四个锁相放大器，实现高效的多频分析。如果您使用直接检测方法，Moku时间间隔与频率分析仪具有 780 fs 的数字分辨率、实时直方图生成以及输出与测量时间间隔成比例的模拟信号的能力，使其成为M-PPM数据，如图2所示。
图 2：Moku 时间和频率分析仪监测的 4-PPM 数据直方图。间隔 A（时钟速率）显示为 32 纳秒处的红色高峰。还显示了四个蓝色峰值，对应于时钟周期内四个可能的脉冲位置。
在信号生成方面，Moku波形发生器轻松实现对输入信号的幅度和相位调制，允许您通过声光或电光调制器 (AOM/EOM) 对载波信号进行数据编码。载波本身可以通过 Moku 提供的闭环反馈回路进行稳定激光锁频/稳频器，用一体式锁定机制取代了传统的激光锁定系统。所有这些工具都可以通过 Moku 多仪器模式同时运行，实现灵活、快速的原型设计。