定义

        FSO英文全称是Free Space Optical Communica tions。中文意思是自由空间光通信。是指以光波为载体，在真空或大气中传递信息的通信技术。 可分为大气光通信、卫星间光通信和星地光通信。大气传输激光通信系统是由两台激光通信机构成的通信系统，它们相互向对方发射被调制的激光脉冲信号（声音或数据），接收并解调来自对方的激光脉冲信号，实现双工通信。       

         与传统微波通信相比，光通信具有传输速率快、通信容量大、抗电磁干扰性能强、保密性好、通信终端体积小、功耗低等优点，引发各国研究热潮。      自由空间光通信是指以光波为载体、在空间传递信息的通信技术，可分为大气光通信、卫星间光通信和星地间光通信，现分别加以介绍。

一、大气光通信——传输介质为大气

       地面大气光通信如图所示。早在20世纪60年代光纤通信出现之前，自由空间光通信的研究就已开始。1930年至1932年间，日本在东京的日本电报公司与每日新闻社之间实现了3.6km的大气光通信，但在大雾大雨天气里效果很差。第二次世界大战期间，光电话发展成为红外线电话，因为红外线肉眼看不见，更有利于保密。

        大气由气体、水蒸气、污染物和其他化学粒子组成。大气作为传输媒体，和光纤信道一样也存在吸收和散射，产生功率损耗和波形失真。而且，大气密度和折射率随气候和温度的变化更为明显，所以引起大气沿传输路径的透光特性和传输损耗在随时变化。比如在非常晴朗的天气，能见度达到50~150km，衰减系数为0.03~0.144dB/km；但在浓雾天气时，能见度只有70~250m，衰减系数竟然达到58~220dB/km。另外，光通过透明大气层时，有些波长的光受到很强的吸收，只有某些波长的光，如0.85μm、1.3μm和1.55μm波段的光才具有最大的折射率。因此大气光通信受天气的影响很大，传输容量一直都很小，距离也很短，而且要求收发端天线对准精度很高，所以在民用通信网中几乎没有使用。无线光通信的研究和应用仅局限于星际通信和国防通信领域。

       但是近年来，光放大器的普遍应用，光电器件制造技术、系统集成技术和大气信道传输技术的逐渐成熟，对自由空间光通信系统的发展构成有力的支撑。鉴于光纤传输受到传输范围和地域限制，为了实现全方位的通信，自由空间光通信系统逐渐受到了人们的重视。

       在自由空间光通信系统中，激光器输出光束与天线的耦合、天线与光探测器的耦合，可以采用直接耦合，如图12.1.8所示，也可以采用光纤耦合，如图12.2.2所示。直接耦合的主要缺点如下。

       1）激光器发射的光束由于散射角不同，光斑粗糙，因此需要对激光器发射光束进行优化，使其达到高斯光束的目的。

       2）接收端光/电转换单元数量随着带宽的扩大而增加，使系统成本增加，必须要提升光/电转换单元的功能，减少其使用数量。

       3）空间光通信设备的发射和接收单元均放置在建筑物屋顶，安装和维护存在一定困难。

       而光纤耦合FSO系统，激光器发射高斯光束，耦合进入多模光纤，经传输到天线单元；天线单元的输出光信号也耦合进多模光纤，经传输后到达光接收器。

       目前已有多种大气激光通信设备，图表示一般大气激光通信系统的构成，其中值得一提的是工作窗口为1.55μm波长、采用4×2.5Gbit/s密集波分复用技术的设备。这一系统的关键技术是采用多径发射天线以解决对准困难，使用EDFA放大器来补偿光通道损耗。在光发射端，LD的输出光被EDFA放大后，经多模光纤分支器将光信号同时加到发射光学望远镜的孔径上，每个孔径偏移0.5毫弧度（mrad），在大气中传输后到达接收端时的光斑直径为2.2m。光接收终端是一个改进了的施密特-卡塞格伦望远镜天线，自由空间光信号进入该望远镜后被聚焦到芯径为62.5μm的多模光纤上。

大气激光通信系统

二、大气湍流决定的BER、SNR和Q参数

        在大气湍流的影响下，系统误码率（BER）仍可以用式（7.3.3）表示，即

式中，Q参数为