blackhack.ru ОК. Настройки, новости, игры.
Лазерные системы передачи данных предназначены для организации односторонней и дуплексной связи между объектами, находящимися в пределах прямой видимости.
Free Space Optics - Технология FSO, в которую входит - атмосферная оптическая связь, (АОЛС) и беспроводный оптический канал связи (БОКС) – это способ беспроводной передачи информации в коротковолновой части электромагнитного спектра. В ее основе лежит принцип передачи цифрового сигнала через атмосферу (или космическое пространство) путем модуляции излучения (инфракрасном или видимом) и его последующим детектированием оптическим фотоприемным устройством.
Современное состояние беспроводной оптической связи позволяет создавать надежные каналы связи на расстояниях от 100 до 1500-2000 м в условиях атмосферы и до 100 000 км в открытом космосе, например для связи между спутниками. Являясь альтернативным решением по отношению к оптоволокну, атмосферные оптические линии передачи данных (АОЛП) позволяют сверхоперативно сформировать беспроводный оптический канал связи.
1. Атмосферная оптическая линия связи
Бурное развитие телекоммуникационного рынка требует высокоскоростных линий передачи данных. Однако прокладка оптического волокна подразумевает солидные инвестиции, да и в принципе не всегда возможна.
Естественной альтернативой в этом случае являются беспроводные линии связи СВЧ-диапазона, но проблема оперативного получения частотных разрешений резко ограничивает перспективы их применения, особенно в крупных городах.
Другим способом беспроводной связи являются оптические линии связи (лазерная или оптическая связь), использующие топологию «точка–точка» (point-to-point) или в режиме многоточечного доступа (point-to-multipoint). Оптическая связь осуществляется путем передачи информации с помощью электромагнитных волн оптического диапазона. В качестве примера оптической связи можно привести применявшуюся в прошлом передачу сообщений с помощью костров или семафорной азбуки. В 60-е годы XX века были созданы лазеры и появилась возможность построения широкополосных систем оптической связи. Первая атмосферная линии связи (АЛС) в Москве появилась в конце 60-х годов: была пущена телефонная линия между зданием МГУ на Ленинских горах и Зубовской площадью протяженностью более 5 км. Качество передаваемого сигнала полностью соответствовало нормам. В те же годы опыты с АЛС проводились в Ленинграде, Горьком, Тбилиси и Ереване. В целом, испытания были успешными, но на тот момент специалисты посчитали, что плохие погодные условия делают лазерную связь ненадёжной, и она была признана неперспективной.
Использование сигналов с непрерывной (аналоговой) модуляцией, применявшейся в те годы, приводило к ненормированному затуханию оптического сигнала из-за влияния атмосферы.
Современное широкое распространение АЛС во многих странах мира началось в 1998 году, когда были созданы недорогие полупроводниковые лазеры мощностью в 100 мВт и более, а применение цифровой обработки сигнала позволило избежать ненормированного затухания сигнала и выполнять повторную передачу пакета информации при обнаружении ошибки.
В это же время возникла потребность в лазерной связи, так как стали стремительно развиваться информационные технологии. Резко увеличивается число абонентов, требующих предоставления таких телекоммуникационных услуг, как Интернет, IP-телефония, кабельное телевидение с большим числом каналов, компьютерные сети и т. д. В результате возникла проблема "последней мили" (подключение широкополосного канала связи к конечному пользователю). Прокладка новых кабельных сетей требует крупных капиталовложений, а в ряде случаев, особенно в условиях плотной городской застройки, очень трудна или даже невозможна.
Оптимальным решением проблемы последнего участка является использование беспроводных линий передачи.
Преимущества беспроводных линий связи очевидны: это экономичность (не требуется рыть траншеи для укладки кабеля и арендовать землю); низкие эксплуатационные расходы; высокая пропускная способность и качество цифровой связи; быстрое развертывание и изменение конфигурации сети; легкое преодоление препятствий - железных дорог, рек, гор и т.д.
Беспроводная связь в радиодиапазоне ограничена перегруженностью и дефицитом частотного диапазона, недостаточной скрытностью, подверженностью помехам, в том числе и преднамеренным, и с соседних каналов, повышенным энергопотреблением. Кроме того, для радиосвязи необходимо длительное согласование и регистрация с назначением частот органами Госсвязьнадзора РФ, арендная плата за канал, обязательная сертификация радиооборудования Государственной комиссией по радиочастотам. Применение лазерных средств снимает этот сложный вопрос. Это обусловлено тем, что, во-первых, частота излучения лазерных систем связи выходит за пределы диапазона, в котором необходимо согласование (в России), во-вторых, отсутствием практических возможностей их обнаружения и идентификации как средств информационного обмена.
Основные свойства лазерных систем:
практически абсолютная защищенность канала от несанкционированного доступа и, как следствие, высокий уровень помехоустойчивости и помехозащищенности за счет возможности концентрации всей энергии сигнала в углах от долей угловых минут (в лазерных космических системах связи) до десятков градусов (полнодоступные системы связи в помещениях);
высокие информационные емкости каналов (до десятков Гбит/с)
отсутствуют задержки при передаче информации (ping<1ms) как у радиолиний
отсутствие ярко выраженных демаскирующих признаков (в основном, побочных электромагнитных излучений) и возможность дополнительной маскировки, позволяющей скрыть не только передаваемую информацию, но и сам факт информационного обмена.
Кроме того, многие специалисты отмечают биологическую безопасность этих систем, так как средняя плотность мощности излучения в лазерных системах различного назначения примерно в 3 - 6 раз меньше облученности, создаваемой Солнцем, а также простоту принципов их построения и функционирования, относительно малую стоимость по сравнению с традиционными средствами передачи информации аналогичного назначения.
Конструкция:
Лазерная линия связи состоит из двух идентичных станций, устанавливаемых напротив друг друга в пределах прямой видимости (рис. 1).
Рис. 1. Конструкция АЛС
Построение всех станций АЛС практически одинаково: интерфейсный модуль, модулятор, лазер, оптическая система передатчика, оптическая система приемника, демодулятор и интерфейсный модуль приемника. Передатчик представляет собой излучатель на основе импульсного полупроводникового лазерного диода (иногда обычного светодиода). Приемник в большинстве случаев имеет в своей основе скоростной pin фотодиод или лавинный фотодиод.
Передаваемый поток данных от аппаратуры пользователя поступает на интерфейсный модуль и затем на модулятор излучателя. Затем сигнал преобразуется высокоэффективным инжекционным лазером в оптическое излучение ИК-диапазона, оптикой коллимируется в узкий пучок и передается через атмосферу к приемнику. На противоположном пункте принимаемое оптическое излучение фокусируется приемным объективом на площадку высокочувствительного быстродействующего фотоприемника (лавинные или pin-фотодиоды), где детектируется. После дальнейшего усиления и обработки сигнал поступает на интерфейс приемника, а оттуда на аппаратуру пользователя. Аналогичным образом в дуплексном режиме одновременно и независимо идет встречный поток данных.
Так как лазерный луч передается между пунктами связи в атмосфере, то его распространение сильно зависит от метеоусловий, от наличия дыма, пыли и других загрязнений воздуха. Однако, несмотря на указанные проблемы, атмосферная лазерная связь оказалась вполне надежной на расстояниях нескольких километров и особенно перспективной для решения проблемы "последней мили".
Рассмотрим влияние атмосферы на качество беспроводной инфракрасной связи. Распространение лазерного излучения в атмосфере сопровождается целым рядом явлений линейного и нелинейного взаимодействия света со средой. По чисто качественным признакам указанные явления можно разделить на три основные группы:
1. поглощение (непосредственное взаимодействием луча фотонов с молекулами атмосферы);
2. рассеяние на аэрозолях (пыль, дождь, снег, туман);
3. флуктуации излучения на турбулентностях атмосферы.
Связь по лазерному лучу через атмосферу в настоящее время стала реальной. Она обеспечивает передачу большого количества информации с высокой надежностью на расстояниях до 5 км и решает многие труднопоставимые задачи. Поэтому в последнее время возрастает интерес к этому виду связи.
¹Флуктуации (от лат. fluctuatio - колебание), случайные отклонения физических величин от их средних значений.
²Интернет-источник: http://laseritc.ru/?id=93
2. Беспроводной оптический канал связи
Беспроводной оптический канал связи (БОКС) – устройство, осуществляющее передачу данных через атмосферу. Оно предназначено для создания канала передачи данных стандарта Ethernet. БОКС состоит из двух одинаковых приемопередатчиков (оптических труб), устанавливаемых на обеих сторонах канала связи. Каждый блок состоит из приемопередающего модуля, козырька, интерфейсного кабеля (длиной 5 м), системы наведения, кронштейна, блока питания и блока доступа.
Приемопередающий модуль включает передатчик остронаправленного оптического излучения ИК-диапазона (состоящий из инфракрасного полупроводникового светодиода) и приемник - высокочувствительный светодиод. Светодиоды работают на длине волны 0,87 мкм. Несколько примеров отечественных производителей систем БОКС и их характеристики описаны в таблице 1.
Таблица 1. Устройства для создания оптических каналов связи
| Название устройства | Производитель | Стандарты сигналов | Дистанция | Тип излучателя | Цена, долл. |
| ЛАЛ2+ | ИТЦ, Новосибирск | G.703, IEEE802.3 | от 1000 м до 5000 м | Лазер | 7030 9230 |
| МОСТ 100/500 | Рязанский приборостроительный завод | G.703, IEEE802.3, IEEE802.3u | 1200-1400 м | Лазер | 4890 |
| БОКС-10М | "Катарсис" | IEEE802.3 | 500 м | Светодиод | 2450 |
| БОКС-10МПД | "Катарсис" | G.703, IEEE802.3 | 1000 м | Светодиод | 4344 |
На рисунке 2 наглядно показан БОКС-10М.
Рис. 2. БОКС-10М
Принцип работы:
Рассмотрим процесс передачи данных с использованием оптического канала (рис. 3). Электрический сигнал с порта Ethernet поступает по интерфейсному кабелю на передатчик, где светодиод преобразует его в ИК-излучение, которое проходит через светоделительное устройство и фокусируется объективом в узконаправленный луч. Пройдя через атмосферу, часть излучения попадает на объектив другого приемопередатчика, фокусируется и светоделительным устройством подается на приемник. Приемник преобразует ИК-излучение в электрический сигнал, который по интерфейсному кабелю поступает на порт Ethernet. Источник питания обеспечивает работу передатчика, приемника, блока индикации и системы предотвращения запотевания/обледенения объектива.
Рис. 3. Общий принцип работы устройства семейства БОКС.
Надежность передачи достигается в первую очередь за счет правильного наведения и энергетического запаса. При правильном наведении энергетический запас системы должен быть четырехкратным для моделей БОКС-10МЛ и БОКС-10М (иными словами, закрывая 4/5 линзы объектива, мы имеем надежный 100%-ный канал при хорошей погоде). Модель БОКС-10МПД имеет 16-кратный энергетический запас. В этом случае доступность канала в течение года будет составлять 99,7-99,9%. Чем выше энергетический запас системы, тем выше надежность канала, которая в идеальном случае достигает 99,99%.
Кроме того, надежная работа системы обусловлена методом доступа к среде передачи CSMA/CD, используемым в сетях Ethernet. Любая коллизия - ухудшение погодных условий или появление кратковременной преграды приводит к повторной передаче пакета на физическом уровне, но даже если случится так, что коллизия не будет услышана (это возможно, например, в моделях БОКС-10МЛ и БОКС-10М из-за того, что время переключения с приема на передачу, конечно, и равно 4 мкс) и пакет будет потерян, то протоколы более высокого уровня, работающие с гарантией доставки, отследят это происшествие, и запрос будет повторен.
Соединение через атмосферу никогда не дает 100%-ной гарантии наличия связи, поэтому возможно, что, например, в плохих погодных условиях (сильный снегопад, очень плотный туман, мощный ливень и т.д.) канал не будет работать. Но в этом случае прекращение связи будет временным, и после улучшения условий связь сама восстановится. Чтобы уменьшить вероятность потери связи по метеоусловиям, необходимо ставить модели с большей рабочей дистанцией, что повышает энергетику светового потока и, как следствие, надежность системы в целом.
Еще одно условие надежной и стабильной работы системы - совпадение центра геометрического пятна освещенности передатчика с центром объектива приемника. Ветровые нагрузки, а также механические и сезонные колебания опоры могут вывести систему из зоны пятна освещенности, в результате чего связь исчезнет. Вся конструкция систем и размер пятна освещенности от передатчика согласованы таким образом, чтобы вероятность потери связи из-за вышеперечисленных причин была сведена к минимуму. При наведении решается следующая геометрическая задача: из точки, полученной при грубом наведении, требуется переместить систему в геометрический центр пятна освещенности от светового потока излучателя, окончательно зафиксировав систему наведения в этом положении. С помощью стандартной системы наведения эта задача решается за 35 итераций.
Монтаж:
Приемопередатчики можно устанавливать на поверхности крыш или стен. БОКС монтируется на металлической опоре, которая позволяет регулировать угол наклона по горизонтали и вертикали (рис. 4). Приемопередатчик подключается через специальный блок доступа, в качестве соединительных кабелей обычно используют витую пару категории 5 (UTP). Со стороны оптического канала блок доступа соединяется с приемопередатчиком интерфейсным кабелем, в качестве которого используется обычная витая пара, снабженная специальными разъемами. С другой стороны блок доступа соединяется с компьютером или сетевым устройством (маршрутизатором или коммутатором).
Блок доступа и блок питания приемопередатчика всегда устанавливают внутри помещения рядом друг с другом. Их можно крепить на стене или размещать в таких же стойках, какие используются для оборудования ЛВС.
Для надежной работы необходимо учесть следующие рекомендации:
здания должны находиться в пределах прямой видимости (на всем пути луч не должен встречать непрозрачных препятствий);
лучше, если устройство будет находиться как можно выше над землей и в труднодоступном месте;
при установке системы следует избегать ориентации приемопередатчиков в направлении восток - запад (такое специфическое требование объясняется достаточно просто: солнечные лучи на восходе или закате могут на несколько минут перекрыть излучение, и передача прекратится);
вблизи от места крепления не должно быть моторов, компрессоров и т.д., поскольку вибрация может привести к сдвигу трубы и разрыву соединения.
Рис. 4. Схема системы наведения
Типы соединений:
На рисунке 5 показаны возможные типы соединений БОКС.
Рис. 5. Типы соединений БОКС
В разных источниках встречается большое количество названий оборудования беспроводной передачи данных в инфракрасном диапазоне длин волн. За рубежом данный класс систем принято называть FSO – Free Space Optics, на постсоветском пространстве существует целый ряд обозначений систем беспроводной оптической связи. За основу следует принять аббревиатуру БОКС – беспроводной оптический канал связи, как отраженную в сертификате системы «Связь» (ССС).
24ЌарНа этой неделе аэрокосмическое агентство NASA опубликовало результаты работы демонстратора технологии космической лазерной связи (LLCD), установленного на «Исследователе лунной атмосферы и пылевого окружения» (или LADEE), запущенного в сентябре этого года и в настоящий момент кружащего вокруг нашего естественного спутника. Со слов космического агентства, система LLCD показала очень высокую эффективность передачи данных на расстоянии около 400 тысяч километров и уже сейчас способна работать не хуже, а возможно даже и лучше обычных радиопередатчиков.
Для тех, кто не знает, миссия LLCD направлена на демонстрацию возможности практического использования лазеров для передачи сообщений между объектами на очень удаленном расстоянии друг от друга и намного более высокой скоростью по сравнению с той, что могут предложить стандартные радиопередатчики. Продемонстрировав способность передавать данные на Землю со скоростью 622 Мб/с и получать со скоростью 20 Мб/с, LLCD установила 20 октября рекорд скорости передачи данных с лунной орбиты. Данные, переданные лазерным лучом, были получены основной наземной LLCD-станцией, расположенной в Нью-Мексико. В мире находятся три подобные станции. Оставшиеся две расположены в Испании и США.
Важнейшие преимущества лазеров над радиопередатчиками заключаются в том, что они предлагают намного более высокую пропускную способность и, кроме того, возможность передавать информацию кратковременными лазерными пучками, что в перспективе позволит снизить общие затраты потребления питания при передаче информации на сверхудаленные дистанции.
В NASA отмечают, что система LLCD работает в течение 30-дневного тестового режима даже лучше, чем того от нее ожидали. Лазер без проблем передавал сообщения на наземные станции при дневном свете и даже тогда, когда угол отклонения Луны по отношению к Солнцу составлял четыре градуса. Система также работала без каких-либо ошибок, когда Луна находилась очень низко к горизонту, тем самым заставляя лазер проходить через более плотные слои атмосферы и при некотором воздействии эффектов турбулентности. Астрономы также были удивлены узнав, что легкие перистые облака не оказались для лазера проблемой.
Помимо проверки на ошибки, LLCD показала возможность переключения от одной наземной станции к другой, продемонстрировав способность фиксироваться на определенной станции без необходимости использования радиосигнала.
«Мы запрограммировали LADEE таким образом, чтобы она в автоматическом режиме активировала и направляла систему LLCD в нужную точку для передачи лазерного сигнала на Землю, без какой-либо необходимости в предварительно отправленных на зонд радиосигналов с командой», - говорит Дон Корнуэлл, менеджер проекта LLCD из Центра космических полетов имени Годдарда.
«Успех этой миссии позволяет с оптимизмом смотреть на возможность использования подобных систем в качестве основных систем коммуникаций при будущих миссиях NASA».
В NASA отмечают не только успешность передачи сигнала, но и высокую скорость передачи информации с зонда на Землю. Все собранные за это время данные (а это, на минуточку, гигабайты информации), были переданы на Землю менее чем за пять минут. Обычно для передачи данных такого объема требуется несколько дней.
Агентство сообщает, что LLCD миссия завершена и следующей фазой тестирования станет проверка системы спутника Laser Communications Relay Demonstration (LRCD), запуск которого намечен на 2017 год. По своей сути система станет усовершенствованной версией LLCD, способной на передачу данных со скоростью до 2880 Гб/с с геостационарной орбиты и станет частью пятилетней программы тестирования систем коммуникаций нового поколения.
Категории: / / отП осмотрите на ваш радиоприемник. Вы увидите, что в диапазоне длинных волн «умещаются» передачи двух-трех радиостанций, на более коротких волнах (их называют средними) уже можно услышать их пять -десять. И наконец, в области коротких волн звучит буквально каждый миллиметр шкалы радиоприемника: вращая ручку настройки, вы слышите писк морзянки, сигналы радиомаяков, разноязычную речь и музыку. Станций так много, что приходится шкалу коротких волн растягивать, она делается в несколько раз длиннее, чем все остальные диапазоны приемника. Это не случайность, а закономерность: чем короче электромагнитные волны, тем больше их может уместиться, не мешая друг другу, на одном отрезке шкалы.
Но свет - такие же электромагнитные колебания, как и радиоволны, только гораздо короче. Поэтому оптический диапазон в пятьдесят тысяч раз шире радиодиапазона. Значит, если использовать свет для связи так, как мы это делаем с радио, можно добиться невиданной плотности передаваемых сообщений! Для этого нужно, чтобы передатчики друг другу не мешали. Этого можно добиться, если каждую передачу вести на строго определенной длине волн.
С радиоволнами все просто: передатчик может излучать электромагнитные волны любой длины. На них очень легко «нагрузить» сообщение. Волна, несущая какой-то сигнал -речь, музыку,- называется модулированной. Модуляция бывает двух видов: частотная (когда меняется длина волны излучения) и амплитудная (когда меняется его интенсивность). Так же модулировать можно было бы и свет, не будь он смесью разных электромагнитных волн, а будь одной волной достаточной интенсивности. Короче, нужен был лазер. И как только он появился, за него тут же ухватились связисты. Уже в 1962 году заработала лазерная линия связи между Калининским районом столицы и подмосковным городом Красногорском. Связь шла по открытому лучу: лазер стоял на одной из башен высотного здания Московского государственного университета на Ленинских горах.
Конечно, нет, нужно исключить все вредные погодные воздействия, пустив свет по волоконному световоду.
Лазерный луч попадает в модулятор - устройство, которое «накладывает» на него передаваемый сигнал (речь, музыку, телевизионное изображение) - и уходит в волоконный кабель. Бесчисленное число раз отразившись от его стенок и пройдя в нем сотни и сотни метров, модулированный луч попадает в устройство, которое снова превращает его в привычный нам электрический сигнал.
По этому же световоду можно направить излучение второго лазера, с другой длиной волны, третьего, четвертого. Каждый из них может нести свой сигнал. По одному волокну, по стеклянной нити чуть тоньше волоса, можно одновременно передавать 32 ООО телефонных разговоров или 60 цветных телевизионных программ! Сейчас уже созданы световоды, способные работать в тех же условиях, что и обычные провода. Они выдерживают большие колебания температуры, обледенение, порывы ветра. Их можно прокладывать в земле и натягивать на столбах. Огромная пропускная способность световодов позволит создать сеть кабельного телевидения, работающего без помех и искажений, как сегодня работает радиотрансляция. Часто в одном жгуте комбинируют волоконные световоды и обычные электрические провода.
Есть и еще одно очень важное соображение, которое имеют в виду, создавая волоконно-оптическую связь. Два электрических провода, лежащие рядом, могут мешать друг другу. Переменный ток, текущий в одном проводе, вызывает такой же ток, только послабее, в другом. Возникает ложный сигнал -шум, треск, а то и музыка или речь, мешающие передаче по другому проводу. Такие сигналы-помехи называются наводками. Электрические искры и молнии дают наводки, принимаемые радиоприемником.
Особенно опасны наводки для работы электронно-вычислительных машин. В США был случай, когда огромную космическую ракету пришлось взорвать через несколько секунд после старта: из-за одной-единственной ошибки в вычислениях она сошла с траектории и грозила упасть на город. Расследование показало, что виновато маленькое реле: его неисправный контакт искрил, искра вызывала наводку, а та, в свою очередь,-сбой в работе машины. Крошечная искра стоила американцам нескольких миллионов долларов...
Для того чтобы избежать по-мех, провод одевают в «экран», или «броню» - плетеный чулок из медных нитей. Все высокочастотные кабели обязательно делаются в броне, именно так устроен кабель, идущий от антенны к телевизору. Но и это, как мы уже видели, не всегда помогает.
С волоконным световодом таких неприятностей не произойдет, слой непрозрачной краски на его поверхности - вот и вся изоляция. Поэтому считают, что миниатюрные полупроводниковые лазеры и оптическое волокно скоро вытеснят электронные приборы и кабели из вычислительной техники.
Лазеры уже можно гасить, зажигать и менять их яркость при помощи другого лазера, так, как включают, выключают и усиливают электрический ток электронные лампы и транзисторы. Свет заменяет электричество!
И вот что интересно: природа умудрилась создать даже такое сложное устройство, как волоконный световод, да еще настроенный на определенную длину волны. «Автор» конструкции и хозяин этого устройства -белый медведь. Американским ученым удалось установить, что каждая шерстинка его шкуры работает как оптическое волокно. Солнечный свет нагревает шерсть, а тепловые лучи идут по шерстинкам к коже и согревают зверя.
Волоконно-оптические кабели оказались настолько удобными добавлениями к лазерному лучу, что их сразу же решили приспособить к передаче мощных пучков света, вроде тех, что используются в промышленности. Это было нелегко, но, в конце концов, не так давно был создан световод, по которому можно «перекачивать» энергию от мощного импульсного или непрерывного лазера, например, такого, какой стоит в цехе завода имени Лихачева.
С момента возникновения жизни на Земле возможность передачи друг другу сообщения (или, как теперь принято говорить, информации) занимало одно из главных мест в человеческом общении. В Древней Греции, например, информация передавалась с помощью световых волн, для чего на специальных башнях разжигали костры, оповещавшие жителей о каком-либо важном событии. Во Франции был изобретен оптический телеграф. Русский ученый Шеллинг предложил электрический проводной телеграф, впоследствии усовершенствованный американцем Морзе. Электрический кабель соединил Европу с Америкой. Т. Эдиссон удвоил пропускную способность телеграфной линии. А. Попов открыл возможность передачи телеграфных сообщений без проводов - с помощью электромагнитных колебаний. Радиотехника получила бурное развитие. Стали вести передачи на различных длинах волн: длинных, средних, коротких. В эфире стало тесно.
С чем же связана скорость и количество передаваемой информации? Известно, что предельная скорость передачи определяется длительностью одного периода колебаний используемых волн. Чем короче период, тем больше скорость передачи сообщений. Это справедливо и для передачи сообщений с помощью азбуки Морзе, с помощью телефонной связи, радиосвязи, с помощью телевидения. Таким образом, канал связи (передатчик, приемник и связывающая их линия) может передавать сообщения со скоростью не больше, чем частота собственных колебаний всего канала. Но это еще не достаточное условие. Для характеристики канала связи требуется еще один параметр - ширина полосы канала, т. е. диапазон частот, который используется в этом канале связи. Чем больше скорость передачи, тем шире полоса частот, на которых следует передавать. Оба этих параметра вынуждают осваивать все более высокие частоты электромагнитных колебаний. Ведь с увеличением частоты увеличивается не только скорость передачи по одному каналу, но и число каналов связи.
Техника связи стала забираться во все более коротковолновую область, используя сначала дециметровые, потом метровые и, наконец, сантиметровые волны. А дальше произошла остановка из-за того, что не было
подходящего источника несущих электромагнитных колебаний. Ранее существовавшие источники давали широкий спектр с очень малой мощностью, приходящейся на отдельные частоты колебаний. Световые волны не были когерентными, а это исключало использование их для передачи сложных сигналов, требующих модуляции излучения. Положение резко изменилось с появлением лазеров. Когерентность и монохроматичность лазерного излучения позволяют модулировать и детектировать луч таким образом, что используется вся ширина оптического диапазона. Оптический участок спектра гораздо шире и вместительнее, чем радноволновой. Покажем это простым расчетом. Подсчитаем, какое количество информации можно передать одновременно по оптическому каналу связи с длиной волны 0,5 мкм (соответствует Гц). Для примера возьмем такой город, как Москва. Пусть в ней имеется 1500 000 телефонов, 100 передающих широковещательных радиостанций и 5 телевизионных каналов. Для расчетов примем, что полоса частот телефонного канала составляет Гц, радиоканала , телевизионного канала - Гц. Возьмем коэффициент запаса, равный 100. Вычисления произведем по формуле
где с - скорость света, К - длина волны электромагнитного колебания, полоса частот, занимаемая одним телевизионным каналом, полоса частот одной радиовещательной станции, полоса частот одного телефонного канала, количество телевизионных каналов, количество радиоканалов, количество телефонов, к - коэффициент запаса.
Подставляя значения для нашего примера, получим Отсюда можно сделать вывод, что высокочастотная составляющая электромагнитного колебания, равная примерно Гц, позволяет (принципиально) в одном луче лазера одновременно обеспечить передачу информации тысяче таких городов, как Москва. Однако для реализации этой принципиальной возможности необходимо решить ряд проблем. Они связаны с модуляцией, демодуляцией и с прохожением излучения в атмосфере. Чтобы в этом разобраться, рассмотрим оптическую линию связи (рис. 27).
Рис. 27. Оптическая линия связи с использованием лазера
Линия связи состоит из передающего и приемного устройств. В передающее устройство входят лазер, вырабатывающий высокочастотную несущую; модулятор, обеспечивающий наложение передаваемой информации на световую несущую; оптическая система, необходимая для фокусирования излучения в узкий пучок, что обеспечивает большую дальность и высокую помехозащищенность; микрофон с усилителем и устройство нацеливания. Приемное устройство состоит из входной оптической системы, приемника излучения, демодулятора, усилителя, громкоговорителя и устройства прицеливания (привязки) приемника к передатчику. Линия связи работает таким образом. Сигнал в виде звуковой частоты поступает на микрофон. Здесь он преобразуется в электрический и поступает на модулятор, через который проходит излучение лазера. Оно оказывается промодулированным в соответствии с речевым сообщением. Промодулированный пучок поступает на оптическую систему. Этим излучением с помощью визирного (прицельного) устройства осуществляется облучение того места, где расположена приемная система. Приемная оптическая система собирает лазерный лучистый поток и направляет его на приемник и на усилитель. После чего он попадает на демодулятор, задачей которого является выделение из несущей частоты первоначальной звуковой частоты. Она проходит усилитель звуковой частоты и поступает на громкоговоритель.
Таблица 15 (см. скан) Характеристики модуляторов
Поскольку частота модуляции при передаче звукового сигнала не превышает 104 Гц, то для ее реализации подходит большинство модуляторов и демодуляторов, разработанных к настоящему времени. Наиболее широко используется амплитудная модуляция. Для ее реализации подходят оптические элементы, которые меняют свою прозрачность под воздействием прикладываемого к ним напряжения. К такого типа модуляторам относится и ячейка Керра, состоящая из жидкого диэлектрика и металлических пластин. При приложении к пластинам электрического поля жидкий диэлектрик становится двоякопреломляющим. В результате плоскость поляризации проходящей световой волны повернется на угол
где В - постоянная Керра, - длина пути, напряженность поля. При этом плоскополяризованное поле,
проходя через анализатор, изменяет свою интенсивность в соответствии с законом электрического поля. Таким образом, с помощью модулятора в луч лазера вводится звуковая частота. Посмотрим на таблицу, в которой представлены характеристики различных типов модуляторов, и попробуем выбрать тот, который подходит для нашей связной системы.
Пусть у нас в качестве источника излучения используется газовый гелий-неоновый лазер. Для передачи звукового сообщения требуется модуляция в пределах до 20 кГц. Этому лучше всего удовлетворяет кристалл германия (табл. 15). У него хорошая глубина модуляции - 50%. Однако этот модулятор не может быть использован, поскольку его спектральная прозрачность лежит в диапазоне 1,8...25 мкм, т. е. он непрозрачен для излучения в 0,6328 мкм, которое излучает гелий-неоновый лазер. Кристалл АДП или КДП подойдет по спектральному диапазону и у него хороший запас по частоте модуляции. С таким модулятором можно промодулировать оптическое излучение на нескольких участках частот, что дает принципиальную возможность ввести в один луч несколько телефонных каналов. Но вот ввести в луч лазера с помощью такого модулятора несколько телевизионных каналов невозможно, поскольку для передачи телевизионного изображения необходима полоса частот Гц. Можно передать только одну телевизионную программу. Нужны модуляторы с очень большим диапазоном частот модуляции. Смотрим в таблицу. Модулятор на ультразвуковой волне имеет диапазон от 5 до 30 МГц. Его верхний предел самый большой, других модуляторов нет. Сравним этот диапазон в Гц с диапазоном частот газового лазера . Видно, что они отличаются на семь порядков, т. е. в десять миллионов раз. Следовательно, высокочастотная несущая лазера не используется в полную силу своих возможностей. И не используется потому, что нет пока еще модуляторов с диапазоном частот до Гц. Аналогичная картина имеет место и для приемников излучения. Их тоже следует выбирать, исходя из того спектрального диапазона, на котором они работают. И исходя из того диапазона частот, который они способны воспринять. Наиболее предпочтительны ФЭУ, имеющие полосу частот порядка 100 МГц , но не более. Следовательно, и здесь имеется проблема, которая требует своего решения.
Рис. 28. Функциональная схема первой лазерной телевизионной установки
Проще всего было построить телефонную линию связи, ибо для нее имелись все необходимые элементы: источник излучения, модулятор и приемник излучения. Такие линии были созданы с тем, чтобы оценить эффективность их функционирования. Одна из них связывала АТС, находящуюся на площади Шолохова, со зданием МГУ на Ленинских горах. По лазерному лучу, связывающему телефонные станции, можно было одновременно вести несколько десятков телефонных разговоров. Другая линия была создана в Армении. Она связала Ереван и Бюроканскую астрофизическую обсерваторию, находящуюся на расстоянии 50 км на горе Арагац .
Применение лазеров в телевидении
В последнее время разработано несколько систем, в которых телевизионное изображение передается по оптическому каналу. Простейшая телевизионная система была выполнена из готовых узлов и деталей. Функциональная схема этой системы представлена на рис. 28. Она включала в себя лазер промышленного прозводства, два промышленных телевизора, стандартный усилитель и видеоусилитель. Кроме того, использовались приемная и передающая оптические системы, модулятор оптического излучения и оптический фильтр. Телевизионные сигналы, получаемые от первого телевизора, усиливаются и поступают на модулятор (видеосигналы снимаются с одного из каскадов видеоканала телевизионного приемника). Модулятор, стоящий на выходе излучения
лазера, обеспечивает амплитудную модуляцию лучистого потока. Это излучение формируется в узкий луч с помощью оптической системы и направляется в сторону приемного устройства. Оно также имеет приемную оптическую систему зеркального типа (с двумя зеркалами), узкополосный оптический фильтр и диафрагму. Затем излучение поступает на ФЭУ. Такое сочетание последних трех элементов обеспечивает хорошую селекцию приемного сигнала, что позволяет использовать систему в условиях Солнечного освещения. Сигнал на ФЭУ превращается из оптического в электрический, проходит видеоусилитель и подается на кинескоп второго телевизора. Несмотря на наличие шумов, вносимых лазером и интенсивным дневным фоном при работе телевизионной установки в условиях солнечного освещения, изображение на экране второго телевизора было вполне удовлетворительным. Более того, четкость изображения была высокой, что позволяло сделать вывод о хорошей передаточной характеристике модулятора и связанных с ним электронных устройств. В системе не обнаруживался «снегопад», а это говорит о достаточном отношении сигнал/шум.
Мы отмечали ранее, что модулятор является главным элементом системы телевизионной связи. Здесь использовалась ячейка Покельса, в которой напряжение модуляции подается на кристалл в направлении светового потока. Данный модулятор обеспечивает хорошую глубину модуляции и имеет достаточную полосу, но ему присущи два существенных недостатка: первый заключается в том, что для управления модуляцией требуется напряжение, доходящее до нескольких киловольт, и второй обусловлен тем, что ячейку необходимо охлаждать.
Уже в последующих модификациях аппаратуры были применены решения, позволяющие устранить эти недостатки. Ячейка Покельса была заменена на кристалл КДП, который обладает хорошей оптической прозрачностью в данном интервале длин волн, а для снижения модулирующего напряжения применялось дополнительное сужение луча с помощью коллимирующей системы. Это позволило сузить луч до 1 мм. Для обеспечения механической прочности кристалл был помещен в металлический корпус. Эти усовершенствования позволили снизить потребляемый уровень мощности на два порядка. Модулятор работал при напряжении 18 В и потреблял ток 50 мА .
Рис. 29. Схема лазерной передающей камеры
Через некоторое время появились образцы телевизионных систем, в которых по лазерному лучу передавалось пять различных телевизионных изображений. В этих системах в качестве источника излучения использовался газовый лазер, работающий на волне 0,6328 мкм при излучаемой мощности всего в 8 мВт. В приемном устройстве применялся кремниевый фотодиод. Передача изображения велась на каналах 66...7Б, 76...82, 182... 186, 198..204, 210...216 МГц .
Функциональная схема третьего варианта лазерной передающей ТВ-камеры представлена на рис. 29. Эта система обеспечивала передачу по лучу лазера телевизионной программы, а также музыкальной программы и цифровой информации. Основными элементами устройства являлись: газовый аргоновый лазер с системой развертки луча в пространстве, приемник, состоящий из узкополосного фильтра, с полосой пропускания в 90 ангстрем, фотоумножителя и предварительного усилителя. Третьим составным блоком была система строчной и кадровой синхронизации. Своеобразие состоит в том, что используется быстросканирующий лазерный луч, а вместо телевизионной камеры - фотоумножитель. Телевизионное изображение получается при облучении объекта непрерывным излучением лазера, которое разворачивается в пространстве по двум перпендикулярным осям с помощью вращающихся призм. Горизонтальная развертка обеспечивается 16-гранной призмой, вращающейся со
скоростью 60 000 об/мин. При этом скорость движения луча по вертикали обеспечивается 26-гранной призмой, вращающейся со скоростью 150 об/мин. Эти две развертки дают 60 кадров в секунду. Излучение лазера, отраженное предметом, изображение которого должно быть получено, попадает на приемное устройство, с выхода которого усиленный сигнал подводится к контрольному телевизору и на его экране воссоздается изображение предмета. Для синхронизации развертки контрольного телевизора с разверткой луча лазера в пространстве предусмотрены два элемента. Один из них осуществляет строчную, а другой - кадровую синхронизацию. Фотоэлементы цепей строчной и кадровой синхронизации установлены соответственно на пути развертки лазерного луча по горизонтали и вертикали. Выходные сигналы фотоэлементов, усиленные до требуемой величины, обеспечивают необходимую синхронизацию. Положительным качеством такой лазерной телевизионной камеры является высокое качество изображения. Кроме того, она может работать в темноте и способна передавать изображение через туман гораздо лучше какого-либо другого устройства аналогичного назначения. К недостаткам системы относятся значительные потери энергии при развертке луча в пространстве и наличие быстровращающихся элементов.
Преимущества лазерного канала перед радиоканалом заключаются в том, что он, во – первых, не создаёт радиопомех; во – вторых, является более конфиденциальным; в – третьих, может применяться в условиях воздействия высокого уровня электромагнитных излучений.
Принципиальная схема передатчика представлена на Рис.1. Передатчик состоит из шифратора команд, выполненного на микроконтроллере ATtiny2313 (DD1), выходного блока – на транзисторах ВС847В (VT1, VT2) и интерфейса RS-232, который, в свою очередь, состоит из разъёма DB9-F (на кабель) (ХР1) и преобразователя уровней – на MAX3232 (DD3).
Цепь сброса микроконтроллера состоит из элементов DD2 (CD4011B), R2, C7. Выходной блок представляет собой электронный ключ, выполненный на транзисторе VT1, в коллекторную цепь которого через ограничитель тока на транзисторе VT2 включена лазерная указка. Питание передатчика осуществляется постоянным стабилизированным напряжением 9 – 12 В. Микросхемы DD1, DD2, DD3 питаются от напряжения 5В, которое определяется стабилизатором 78L05 (DA1).
Контроллер DD1 запрограммирован в среде BASCOM, что позволяет подавать ему команды с персонального компьютера (ПК) через интерфейс RS-232, с терминала Bascom, используя функцию «эхо».
Микроконтроллер имеет тактовую частоту 4Мгц от внутреннего генератора. Пачки импульсов частотой около 1,3 Кгц с вывода ОС0А (РВ2) поступают на выходной блок. Количество импульсов в пачке определяется номером команды, поступившей с ПК.
Для ввода команды необходимо нажать на клавиатуре ПК любую клавишу, затем при появлении надписей «Write command» и «Enter №1…8» ввести цифру от 1 до 8 и нажать клавишу «Enter».
Программа для микроконтроллера передатчика «TXlaser» состоит из основного цикла (DO…LOOP) и двух подпрограмм обработки прерываний: по приёму (Urxc) и по переполнению таймера 0 (Timer0).
Для получения выходной частоты 1,3 КГц таймер сконфигурирован с коэффициентом деления частоты (Prescale) = 1024. Кроме того, счёт начинается с нижнего значения Z = 253 (при высоком уровне на РВ2) и доходит до 255. Происходит прерывание по переполнению таймера, при обработке которого осуществляется переключение вывода РВ2, а таймеру вновь задаётся значение Z = 253. Таким образом, на выходе РВ2 появляется сигнал частотой 1,3 КГц (см. Рис.2). В этой же подпрограмме количество импульсов на РВ2 сравнивается с заданным, и в случае их равенства таймер останавливается.
В подпрограмме обработки прерывания по приёму задаётся количество импульсов, которое необходимо передать (1 – 8). В случае, если это количество будет больше 8, в терминал выдаётся сообщение «ERROR».
Во время работы подпрограммы на выводе PD6 присутствует низкий уровень (светодиод HL1 выключен), а работа таймера остановлена.
В основном цикле на выводе PD6 – высокий уровень, и светодиод HL1 включён.
Текст программы «TXlaser»:
$regfile = "attiny2313a.dat"
$crystal = 1000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$framesize = 32
Config Pind.0 = Input "UART - RxD
Config Portd.1 = Output "UART - TxD
Config Portd.6 = Output "светодиод HL1
Config Portb.2 = Output "выход OC0A
"конфигурац.таймера0-коэфф.деления=1024:
Config Timer0 = Timer , Prescale = 1024
Stop Timer0 "останов таймера
Dim N As Byte "определение переменных "
Dim N0 As Byte
Const Z = 253 "нижниий предел счёта таймера для вых.частоты=1,3КГц
Timer0 = Z
On Urxc Rxd "подпрограмма обраб.прерывания по приёму
On Timer0 Pulse "подпрограмма обраб.прерывания по переполнению
Enable Urxc
Enable Timer0
Do "основной цикл
Set Portd.6 "включение светодиода HL1
Loop
Rxd: "подпрограмма обработки прер. по приёму
Stop Timer0
M1:
Print "Write commad"
Input "Enter № 1...8:" , N0 "ввод команды
If N0 > 8 Then "ограничение номера команд
Print "Error"
Goto M1
End If
N0 = N0 * 2
N0 = N0 - 1 "заданное значение кол-ва импульсов в пачке
Toggle Portb.2
Start Timer0 "запуск таймера
Return
Pulse: "подпрограмма обработки прерыв.по переполнению
Stop Timer0
Toggle Portb.2
Reset Portd.6 "выключение светодиода
Timer0 = Z
N = N + 1 "приращение кол-ва импульсов
If N = N0 Then "если число импульсов = заданному
N = 0
N0 = 0
Waitms 500 "задержка 0,5с
Else
Start Timer0 "иначе, продолжить счёт
End If
Return
End "end program
Передатчик выполнен на печатной плате размерами 46х62 мм (см. Рис.3). Все элементы, кроме микроконтроллера, SMD – типа. Микроконтроллер ATtiny2313 применён в корпусе типа DIP. Его рекомендуется располагать в панели для DIP микросхем TRS (SCS) – 20, чтобы иметь возможность «безболезненно» перепрограммировать.
Печатная плата передатчика TXD.PCB находится в папке «FILE PCAD» .
Принципиальная схема приёмника лазерного канала представлена на рис.4. На входе первого усилителя DA3.1 (LM358N) фильтр низкой частоты, образованный элементами СЕ3, R8, R9 и имеющий частоту среза 1КГц, ослабляет фоновые помехи 50 -100 КГц от осветительных приборов. Усилители DA3.2 и DA4.2 усиливают и увеличивают длительность принятых импульсов полезного сигнала. Компаратор на DA4.1 формирует выходной сигнал (единица), который поступает через инверторы микросхемы CD4011D (DD2) - DD2.1, DD2. Cигнал синхронно приходит на контакты микроконтроллера ATtiny2313 (DD1) – T0 (PB4) и РВ3. Таким образом, Timer0, работающий в режиме счёта внешних импульсов и Timer1, отмеряющий время этого счёта, запускаются синхронно. Контроллер DD1, выполняющий функцию дешифратора, отображает принятые команды 1…8 установкой лог.1 на выводах PORTB соответственно РВ0…РВ7, при этом приход последующей команды сбрасывает предыдущую. При приходе команды «8» на РВ7 появляется лог.1, которая с помощью электронного ключа на транзисторе VT1, включает реле К1.
Питание приёмника осуществляется постоянным напряжением 9 -12В. Аналоговая и цифровая части питаются от напряжений 5В, которые определяются стабилизаторами типа 78L05 DA5 и DA2.
В программе «RXlaser» Timer0 сконфигурирован, как счётчик внешних импульсов, а Timer1, как таймер, считающий период прохождения максимально возможного количества импульсов (команда 8).
В основном цикле (DO…LOOP) Timer1 включается при принятии первого импульса команды (К=0), происходит сброс условия разрешения включения таймера Z=1.
В подпрограмме обработки прерывания по совпадению cчёта Timer1 со значением максимально возможного счёта считывается и устанавливается в PORTB номер команды. Устанавливается так же условие разрешения включения Timer1- Z=0.
Текст программы «RXlaser»:
$regfile = "attiny2313a.dat"
$crystal = 4000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$framesize = 32
Ddrb = 255 "PORTB-все выхода
Portb = 0
Ddrd = 0 "PORTD-входа
Portd = 255 "подтяжка PORTD
Config Timer0 = Counter , Prescale = 1 , Edge = Falling "как счётчик импульсов
Config Timer1 = Timer , Prescale = 1024 , Clear Timer = 1 "как таймер
Stop Timer1
Timer1 = 0
Counter0 = 0
"определение переменных:
Dim X As Byte
Dim Comm As Byte
Dim Z As Bit
Dim K As Bit
X =80
Compare1a = X "кол-во имп. в регистре совпадения
Z = 0
On Compare1a Pulse "подпрограмма прерывания по совпадению
Enable Interrupts "разрешение прерываний
Enable Compare1a
Do "основной цикл
If Z = 0 Then "первое условие включения таймера
K = Portd.3
If K = 0 Then "второе условие включения таймера
Start Timer1
Z = 1
End If
End If
Loop
Pulse: "подпрограмма обраб.прерыв.по совпадению
Stop Timer1
Comm = Counter0 "считывание из счётчика внешних импульсов
Comm = Comm - 1 "определение номера бита в порту
Portb = 0 "обнуление порта
Set Portb.comm "установка бита,соответ.номеру команды
Z = 0
Counter0 = 0
Timer1 = 0
Return
End "end program
Программы «TXlaser» и «RXlaser» находятся в папке Lazer_prog .
Приёмник расположен на плате размерами 46х62 мм (см. Рис 5). Все компоненты – SMD типа, за исключением микроконтроллера, который необходимо разместить в панели для микросхем DIP типа TRS(SCS) – 20.
Настройка приёмника сводится к установке сквозного коэффициента передачи и порога срабатывания компаратора. Для решения первой задачи необходимо подключить осциллограф к выводу 7 DA4.2 и подбором величины R18 установить такой сквозной коэффициент передачи, при котором максимальная амплитуда шумовых выбросов, наблюдаемых на экране, не будет превышать 100 мВ. Затем осциллограф переключается на вывод 1 DA4.1 и подбором резистора (R21) устанавливается нулевой уровень компаратора. Включив передатчик и направив луч лазера на фотодиод, необходимо убедиться в появлении прямоугольных импульсов на выходе компаратора.
Печатная плата приёмника RXD.PCB находится также в папке FILE PCAD .
Повысить помехозащищённость лазерного канала возможно с помощью модуляции сигнала поднесущей частотой 30 – 36 КГц. Модуляция пачек импульсов происходит в передатчике, приёмник же содержит полосовой фильтр и амплитудный детектор.
Схема такого передатчика (передатчик 2) изображена на Рис.6. В отличии от рассмотренного выше передатчика 1 передатчик 2 имеет генератор поднесущей, настроенный на частоту 30 КГц и собранный на слотах DD2.1, DD2.4.. Генератор обеспечивает модулирование пачек положительных импульсов.
Приёмник лазерного канала с поднесущей частотой (приёмник 2) собран на отечественной микросхеме К1056УП1 (DA1). Схема приёмника изображена на Рис.7. Для выделения командных импульсов к выходу микросхемы DA1 10 подключены амплитудный детектор с фильтром низкой частоты и нормализатор импульсов, собранные на логических элементах DD3.1, DD3.2, диодной сборке DA3 и C9, R24. В остальном схема приёмника 2 совпадает со схемой приёмника 1.
