Вариации на тему космической лазерной связи. Лазерная связь с инопланетянами

В данной главе рассматривается технология лазерной сети связи, а так же её преимущества, такие как экономичность; низкие эксплуатационные расходы; высокая пропускная способность и качество цифровой связи, а так же быстрое развертывание и изменение конфигурации сети.

Лазерные устройства могут осуществлять передачу любого сетевого потока, который доставляется им при помощи оптоволокна или медного кабеля в прямом и обратном направлениях. Передатчик преобразует электрические сигналы в модулированное излучение лазера в инфракрасном диапазоне с длиной волны 820 нм и мощностью до 40 мВт. В качестве среды распространения лазерная связь использует атмосферу. Затем лазерный луч попадает в приемник, имеющий максимальную чувствительность в диапазоне длины волны излучения. Приемник производит преобразование излучения лазера, в сигналы используемого электрического или оптического интерфейса. Так осуществляется связь с помощью лазерных систем.

Оптический диапазон имеет много характерных особенностей и за счет малой длины волны позволяет достичь высокой направленности излучения, существенно уменьшить размеры антенных систем, сформировать чрезвычайно узкие лазерные пучки и получить высокую концентрацию электромагнитного излучения в пространстве.

При передаче информации модулированными электромагнитными колебаниями необходимо, чтобы частота модуляции была в 10…100 раз меньше несущей частоты. Кроме того, частоты модуляции занимают некоторую полосу частот, и ширина ее определяется объемом передаваемой в единицу времени информации. Например, для передачи телеграфного текста требуется полоса частот 10 Гц, а для телевизионного изображения – полоса частот 107 Гц и несущая частота не менее 108 Гц. Радиодиапазон занимает полосу частот 104…108 Гц и полностью освоен. Информационная емкость канала связи в СВЧ-диапазоне (109..1012 Гц) выше, но в силу особенностей распространения СВЧ-излучения в атмосфере связь между станциями СВЧ-диапазона возможна только на расстоянии прямой видимости. В оптическом диапазоне только видимая область занимает полосу частот от 41014 до 1015 Гц. С помощью лазерного луча теоретически можно обеспечить передачу 1015/107 = 108 телевизионных каналов, что на несколько порядков превышает современные потребности, или 1013 телефонных разговоров. Таким образом, одним из преимуществ оптических линий связи является возможность передачи больших объемов информации, обусловленная сверхширокой полосой частот. Освоение оптического диапазона: создание лазерных источников света, чувствительных полупроводниковых приемников оптического излучения и разработка волоконных светодиодов с малыми потерями, – открывает новые возможности для создания систем связи.

Оптический диапазон открывает возможности создания информационных и управляющих систем с характеристиками, которые принципиально не достижимы в радиодиапазоне. К настоящему времени разработаны разнообразные наземные, авиационные и космические системы оптической связи, лазерной локации, лазерные системы аэрокосмического мониторинга природной среды, системы воздушной разведки, системы предупреждения столкновений подвижных объектов, лазерные системы стыковки космических аппаратов, системы лазерного наведения и лазерного управления оружием.

Потенциальные возможности лазерных информационных систем, как и в целом оптических методов передачи и обработки информации, весьма велики. Во многих задачах предельно достижимые характеристики ограничиваются лишь квантовыми эффектами. Однако в действительности потенциальные возможности оптического диапазона далеко не всегда удается эффективно реализовать на практике. Существует множество тому причин.

Огромное влияние на рабочие характеристики реальных лазерных систем оказывают неизбежные флюктуации в источниках лазерного излучения, случайные изменения параметров информационных процессов, воздействия различных помех, вероятностный характер операции фото детектирования. Многие информационные системы оптического диапазона строятся с использованием открытого (чаще всего атмосферного) канала. Для лазерного излучения атмосферный канал представляет собой канал со случайно-неоднородной средой распространения. Эффекты поглощения оптического излучения атмосферными газами, молекулярное и аэрозольное рассеяние, искажения пространственно-временной структуры и нарушение когерентности лазерного излучения – все это оказывает заметное влияние на энергетический потенциал, принципы обработки информационных сигналов и дальность действия создаваемых систем. Все перечисленные особенности показывают, что анализ лазерных информационных систем, оценка их потенциальных и реально достижимых характеристик не может проводиться без вероятностного исследования структуры информационных сигналов и помех.

На сегодняшний момент накоплены многочисленные результаты по вероятностному анализу различных лазерных систем. Однако большинство таких результатов представляются весьма разрозненными, они не базируются на едином подходе и их достаточно сложно использовать в практических задачах. Необходимость дополнительных детальных исследований вероятностной структуры сигналов, помех и в целом информационных процессов в радиооптике связана с необходимостью совершенствования математических моделей, решением задач оптимизации структуры сигналов и систем, разработкой новых перспективных алгоритмов передачи, приема, преобразования и обработки информации в оптических информационных системах.

Лазерная связь является альтернативой радио, кабельной и волоконно-оптической связи. Лазерные системы позволяют создать канал связи между двумя зданиями, находящимися на расстоянии до 1,2 км друг от друга, и передавать по нему телефонный трафик (скорость от 2 до 34 Мбит/с), данные (скорость до 155 Мбит/с) или их комбинацию. В отличие от беспроводных радиосистем лазерные системы связи обеспечивают высокие помехозащищенность и секретность передачи, так как получить несанкционированный доступ к информации можно только непосредственно от приемопередатчика.

Компания, которая воспользуется лазерной связью для создания основного (резервного) канала ближней связи, избавится не только от необходимости прокладывать новые проводные коммуникации, но также и от необходимости получать разрешение на право пользования радиочастотой. Кроме того, невысокий уровень затрат на организацию высокопроизводительного канала связи, а также небольшое время его ввода в эксплуатацию обеспечат быструю окупаемость вложенных средств. Таким образом, широкий спектр возможностей и несомненные преимущества лазерного оборудования делают его использование лучшим решением проблемы организации надежного канала связи между двумя зданиями.

С середины 20 века началось активное исследование микроволн. Американский физик Чарльз Таунс решил усилить интенсивность микроволнового луча. Возбудив молекулы аммиака до высокого энергетического уровня путем нагревания или электрической стимуляции, ученый затем пропускал сквозь них слабый микроволновой луч. В результате получался мощный усилитель микроволнового излучения, который Таунс в 1953 г. назвал «мазером». В 1958 г. Таунс и Артур Шавлов сделали следующий шаг: вместо микроволн они попытались усилить видимый свет. На основе этих экспериментов Майман и создал в I960 г. первый лазер.

Создание лазера позволило решить широкий спектр задач, которые способствовали значительному развитию науки и техники. Что позволило в конце 20-го, начале 21-го веков получить такие разработки как: волоконно-оптические линии связи, медицинские лазеры, лазерную обработку материалов (термообработка, сварка, резка, гравировка и прочее), лазерное наведение и целеуказание, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов и многое другое. Все эти изобретения значительно упростили, как и жизнь обычного человека, так и позволили разрабатывать новые технические решения.

В этой статье будут приведены ответы на следующие вопросы:

1) Что такое беспроводная лазерная связь? Каким образом она осуществлена?

2) Какие условия применения лазерной связи в космосе?

3) Какое оборудование необходимо для осуществления лазерной связи?

Определение беспроводной лазерной связи, способы ее осуществления.

Беспроводная лазерная связь — вид оптической связи, использующий электромагнитные волны оптического диапазона (свет), передаваемые через атмосферу или вакуум.

Лазерная связь двух объектов осуществляется только посредством соединения типа «точка-точка». Технология основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной части спектра через атмосферу. Передатчиком служит мощный полупроводниковый лазерный диод. Информация поступает в приемопередающий модуль, в котором кодируется различными помехоустойчивыми кодами, модулируются оптическим лазерным излучателем и фокусируется оптической системой передатчика в узкий коллимированный лазерный луч и передается в атмосферу.

На принимающей стороне оптическая система фокусирует оптический сигнал на высокочувствительный фотодиод (или лавинный фотодиод), который преобразует оптический пучок в электрический сигнал. При этом чем выше частота (до 1,5ГГц), тем больше объём передаваемой информации. Далее сигнал демодулируется и преобразуется в сигналы выходного интерфейса.

Длина волны в большинстве реализованных систем варьируется в пределах 700-950 нм или 1550 нм, в зависимости от применяемого лазерного диода.

Из вышесказанного следует, что ключевыми приборными элементами для осуществления лазерной связи являются полупроводниковый лазерный диод и высокочувствительный фотодиод (лавинный фотодио). Рассмотрим чуть более подробно принцип их действия.

Лазерный диод - полупроводниковый лазер, построенный на базе диода. Его работа основана на возникновении инверсной населённостей в области p-n перехода при инжекции носителей заряда. Пример современного лазерного диода предоставлен на рисунке 1.

Лавинные фотодиоды - высокочувствительные полупроводниковые приборы, преобразующие свет в электрический сигнал за счёт фотоэффекта. Их можно рассматривать в качестве фотоприёмников, обеспечивающих внутреннее усиление посредством эффекта лавинного умножения. С функциональной точки зрения они являются твердотельными аналогами фотоумножителей. Лавинные фотодиоды обладают большей чувствительностью по сравнению с другими полупроводниковыми фотоприёмниками, что позволяет использовать их для регистрации малых световых мощностей (≲ 1 нВт). Пример современного лавинного фотодиода предоставлен на рисунке 2.

Условия применения лазерной связи в космосе.

Одним из перспективных направлений развития систем космической связи, являются системы, основанные на передачи информации по лазерному каналу, поскольку данные системы могут обеспечить большую пропускную способность, при меньшем энергопотреблении, габаритных размерах и массе приемопередающей аппаратуры, чем использующиеся в данный момент системы радиосвязи.

Потенциально системы космической лазерной связи могут обеспечивать исключительно высокую скорость информационного потока – от 10-100 Мбит/с до 1-10 Гбит/с и выше.

Однако существует ряд технических проблем, которые необходимо решить, для реализации лазерных каналов связи между космическим аппаратом (КА) и Землей:

необходима высокая точность наведения и взаимного сопровождения на расстояниях от полутысячи до десятков тысяч километров и при движении носителей с космическими скоростями.
Существенно усложняются принципы приема-передачи информации по лазерному каналу.
Усложняется оптико-электронная аппаратура: точная оптика, прецизионная механика, полупроводниковые и волоконные лазеры, высокочувствительные приемники.

Эксперименты по осуществлению космической лазерной связи

Эксперименты по реализации систем лазерной связи для передачи больших массивов информации ведут как Россия, так и Соединенные Штаты Америки.

Система лазерной связи (СЛС) РФ

В 2013 году был проведен первый Российский эксперимент по передаче информации с помощью лазерных систем с Земли на Российский сегмент Международной Космической Станции (РС МКС) и обратно.

Космический эксперимент «СЛС» проводился с целью отработки и демонстрации российской технологии и аппаратуры приема-передачи информации по космической лазерной линии связи.

Задачами эксперимента являются:

отработка в условиях космического полета на РС МКС основных технологических и конструктивных решений, закладываемых в штатную аппаратуру межспутниковой лазерной системы передачи информации;
отработка технологии приема-передачи информации с использованием лазерной линии связи;
исследование возможности и условий работоспособности лазерных линий связи «борт КА – наземный пункт» при различном состоянии атмосферы.

Эксперимент планируется проводить в два этапа.

На первом этапе отрабатывается система приема — передачи информационных потоков по линиям «борт РС МКС–Земля» (3, 125, 622 Мбит/с) и «Земля–борт РС МКС» (3 Мбит/с).

На втором этапе планируется отработка высокоточной системы наведения и системы передачи информации по линии «борт РС МКС – спутник-ретранслятор».

Система лазерной связи на первом этапе эксперимента «СЛС» включает в свой состав две основные подсистемы:

бортовой терминал лазерной связи (БТЛС), установленный на российском сегменте Международной космической станции (рисунок 3);
наземный лазерный терминал (НЛТ), установленный на станции оптических наблюдений «Архыз» на Северном Кавказе (рисунок 4).

Объекты исследования на 1 этапе КЭ:

аппаратура бортового терминала лазерной связи (БТЛН);
аппаратура наземного терминала лазерной связи (НЛТ);
атмосферный канал распространения излучения.

Рисунок 4. Наземный лазерный терминал: астропавильон с оптико-механическим блоком и юстировочным телескопом

Система лазерной связи (СЛС) — 2 этап.

Второй этап эксперимента будет проводиться после успешного выполнения первого этапа и готовности специализированного КА типа «Луч» на ГСО с бортовым терминалом межспутниковой лазерной системы передачи информации. К сожалению, информации о том, был ли проведен второй этап или нет, в открытых источниках не удалось обнаружить. Возможно, результаты эксперимента засекретили, либо второй этап так и не провели. Схема передачи информации предоставлена на рисунке 5.

Проект OPALS США

Практически одновременно американское космическое агентство NASA начинает развертывание лазерной системы OPALS (Optical Payload for Lasercomm Science).

«Система OPALS представляет собой первую экспериментальную площадку для разработки технологий лазерных космических коммуникаций, а Международная космическая станция будет выступать в роли полигона для испытаний системы OPALS» — рассказывает Майкл Кокоровский (Michael Kokorowski), руководитель проекта OPALS и сотрудник Лаборатории НАСА по изучению реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL), — «Будущие лазерные коммуникационные системы, которые будут разработаны на базе технологий OPALS, смогут обеспечить обмен большими объемами информации, что устранит узкое место, которое в некоторых случаях сдерживает научные исследования и коммерческие предприятия».

Система OPALS представляет собой герметичный контейнер, в котором находится электроника, посредством оптического кабеля связанная с лазерным приемно-передающим устройством (рисунок 6). В состав этого устройства входит лазерный коллиматор и камера слежения, установленные на подвижной платформе. Установка OPALS будет отправлена на борт МКС на борту космического корабля Dragon, который отправится в космос в декабре этого года. После доставки контейнер и передатчик будут установлены снаружи станции и начнется 90-дневная программа полевых испытаний системы.

Принцип работы OPALS:

С Земли специалистами лаборатории Optical Communications Telescope Laboratory в сторону космической станции будет послан луч лазерного света, который выступит в качестве маяка. Оборудование системы OPALS, уловив этот сигнал, с помощью специальных приводов нацелит свой передатчик на наземный телескоп, который будет служить в качестве приемника, и передаст ответный сигнал. В случае отсутствия помех на пути распространения лучей лазерного света коммуникационный канал будет установлен и по нему начнется передача видео- и телеметрической информации, которая в первый раз будет продолжаться порядка 100 секунд.

Европейская система передачи данных (European Data Relay System сокр. EDRS).

Система European Data Relay System (EDRS) — запланированный Европейским космическим агентством проект, по созданию группировки современных геостационарных спутников, которые будут осуществлять передачу информации между спутниками, космическими кораблями, беспилотниками (БПЛА) и наземными станциями, обеспечивая более быструю по сравнению с традиционными методами передачи данных скорость, даже в условиях природных и техногенных катастроф.

EDRS будет использовать новую технологию лазерной связи Laser Communication Terminal (LCT). Лазерный терминал позволит передавать информацию со скоростью 1.8 Гбит/с. Технология LCT предоставит возможность спутникам системы EDRS передавать и получать порядка 50 терабайт данных в день практически в режиме реального времени.

Первый спутник связи EDRS должен отправиться на геостационарную орбиту в начале 2016 года с космодрома Байконур на российской ракете-носителе «Протон». Добравшись до геосинхронной орбиты над Европой, спутник проведет лазерные линии связи между четырьмя спутниками «Sentinel-1» и «Sentinel-2», работающими в рамках космической программы по наблюдению за Землей «Коперник», беспилотными летательными аппаратами, а также наземными станциями в Европе, Африке, Латинской Америке, Среднем Востоке и на северо-восточном побережье США.

Второй, аналогичный спутник будет запущен в 2017 году, а запуск третьего спутника запланирован на 2020 год. В сумме эти три спутника смогут покрыть лазерной связью всю планету.

Перспективы развития лазерной связи в космосе.

Преимущества лазерной связи по сравнению с радиосвязью:

передача информации на большие расстояния
высокая скорость передачи
компактность и легкость оборудования для передачи данных
энергоэффективность

Недостатки лазерной связи:

необходимость точного наведения приёмных и передающих устройств
атмосферные проблемы (облачность, пыль и т.д.)

Лазерная связь позволяет передавать данные на гораздо большие относительно радиосвязи расстояния, скорость передачи благодаря высокой концентрации энергии и гораздо более высокой частоте несущей (на порядки) также выше. Энергоэффективность, низкий вес и компактность также в разы или на порядки лучше. Затруднения в виде необходимости точного наведения приёмных и передающих устройств можно решить современными техническими средствами. Кроме того, приемные наземные устройства можно располагать в районах Земли, где количество облачных дней минимально.

Помимо представленных выше проблем, существует еще одна проблема - это расхождение и ослабление луча лазера при прохождении в атмосфере. Особенно проблема обостряется при прохождении луча через слои с разной плотностью. При прохождении границ раздела сред луч света, в том числе и лазерный луч, испытывает особенно сильные преломления, рассеивание и ослабление. В этом случае мы можем наблюдать своего рода световое пятно, получающееся как раз при прохождении такой границы раздела сред. В атмосфере Земли таких границ несколько - на высоте около 2 км (активный погодный атмосферный слой), на высоте примерно 10 км, и на высоте примерно 80-100 км, т. е. уже на границе космоса. Высоты слоев даны для средних широт для летнего периода. Для других широт и других времен года высоты и само кол-во границ раздела сред может сильно отличаться от описанного.

Таким образом при вхождении в атмосферу Земли луч лазера, до этого спокойно преодолевший миллионы километров без каких-либо потерь (на разве что небольшую расфокусировку), на каких то несчастных десятках километров теряет львиную долю своей мощности. Однако этот, плохой на первый взгляд, факт мы можем обратить себе на пользу. Поскольку этот факт позволяет нам обойтись без какого либо серьезного наведения луча на приемник. Ибо в качестве такого приемника, точнее первичного приемника, мы как раз и можем использовать эти самые границы раздела слоев, сред. Мы можем наводить телескоп на получающееся световое пятно и считывать с него информацию. Конечно, это заметно прибавит количество помех и снизит скорость передачи данных. И сделает ее вообще невозможной в дневное время. Зато это позволит удешевить КА за счет экономии на системе наведения. Это особенно актуально для спутников на нестационарных орбитах, а также для КА для исследований дальнего космоса.

На текущий момент, если рассматривать связь «Земля – КА и КА-Земля», оптимальным решением является синергия лазерной и радиосвязи. Достаточно удобным и перспективным является передача данных с КА на Землю с помощью лазерной связи, а с Земли на КА радиосвязью. Связано это с тем, что лазерный приёмный модуль представляет собой достаточно громоздкую систему (чаще всего это телескоп), который улавливает излучение лазера и превращает его в электросигналы, которые затем, известными методами усиливаются и преобразуются в полезную информацию. Такую систему непросто установить на КА, поскольку чаще всего предъявляются требования компактности и малого веса. При этом передатчик лазерного сигнала обладает небольшими габаритами и весом по сравнению с антеннами для передачи радиосигнала.

Чёрный властелин 4 января 2015 в 05:04

Вариации на тему космической лазерной связи

Космонавтика

Одна из актуальных на сегодняшний день тем в коммерческой космонавтике, и не только - это тема лазерной связи. Преимущества ее известны, тесты проводились и оказались успешны или очень успешны. Если кому плюсы и минусы неизвестны - кратко изложу.

Лазерная связь позволяет передавать данные на гораздо большие относительно радиосвязи расстояния, скорость передачи благодаря высокой концентрации энергии и гораздо более высокой частоте несущей (на порядки) также выше. Энергоэффективность, низкий вес и компактность также в разы или на порядки лучше. Как и стоимость - в принципе, для лазерной связи в космосе вполне может подойти обыкновенная китайская лазерная указка мощностью в районе 1 Вт и выше, что я и намерен доказать ниже.

Из минусов можно упомянуть прежде всего необходимость гораздо более точного наведения приемных и передающих модулей относительно радиосвязи. Ну и известные атмосферные проблемы с облачностью и пылью. На самом деле все эти проблемы легко решаемы, если подойти к их решению с головой.

Прежде всего - рассмотрим, как работает приемный модуль. Он представляет из себя специализированный (не всегда) телескоп, который улавливает излучение лазера и превращает его в электросигналы, которые затем известными методами усиливаются и преобразуются в полезную информацию. Связь, естественно, как и везде сейчас, должна быть цифровой и, соотв., полнодуплексной. Но вот должна быть ли она при этом лазерной в обе стороны? Совершенно не обязательно! Почему это так - нам станет ясно, стоит нам только рассмотреть, как отличаются приемные и передающие устройства для лазерной связи, и как отличаются требования к массогабаритным параметрам устройств связи на орбитальных КА (или КА дальнего космоса) и наземных комплексах.

Как уже сказано ранее - приемный комплекс - это телескоп. С линзами и (или) рефлекторами, системой их крепления и наведения телескопа. А это означает - тяжелая и громоздкая конструкция - что совершенно неприемлемо для КА. Ибо для КА любое устройство должно быть как раз максимально легким и компактным. Что как раз для передатчика ЛИ вполне характерно - все, наверное, уже видели современные ПП лазеры размером и весом с авторучку. Ну правда, питание для настоящего, неигрушечного лазера будет весить поболее, ну так оно и для систем радиоцифровой связи будет весить еще поболее ввиду его гораздо меньшей энергоэффективности.

Что из этого всего следует? Это значит - совершенно не нужно передавать данные в обе стороны лазером, достаточно передавать их только со спутника в оптоканале, а на спутник (КА) - в радиоканале, как и ранее. Конечно, это значит, что придется все-таки использовать направленную параболическую антенну для приема, что для веса КА не есть хорошо. Но при этом следует учитывать, что антенна для приема, как и, собственно, сам ресивер, будет все-таки весить в разы меньше, чем она же для передачи. Ибо мощность наземного передатчика мы можем делать на порядки мощнее, чем на КА, а значит - и антенна не нужна большая. В некоторых же случаях направленная антенная вообще не нужна будет.

Т.о. мы имеем уменьшение веса КА практически в разы, так же как и энергопотребления. Что является прямой дорогой к возможности повсеместно использовать для нужд связи, исследования космоса и др. нужд микроспутников, а значит - резкого удешевления космоса. Но и это еще не все.

Для начала рассмотрим путь решения проблемы наведения луча лазера со спутника на наземный приемник. На первый взгляд - проблема серьезная, а в некоторых случаях - и вовсе нерешаемая (если спутник не на геостационаре). Но вот вопрос - а надо ли луч наводить на приемник?

Есть известная проблема - это расхождение и ослабление луча лазера при прохождении в атмосфере. Особенно проблема обостряется при прохождении луча через слои с разной плотностью. При прохождении границ раздела сред луч света, в т.ч. и лазерный луч, испытывает особенно сильные преломления, рассеивание и ослабление. В этом случае мы можем наблюдать своего рода световое пятно, получающееся как раз при прохождении такой границы раздела сред. В атмосфере Земли таких границ несколько - на высоте около 2 км (активный погодный атмосферный слой), на высоте примерно 10 км, и на высоте примерно 80-100 км, т. е. уже на границе космоса. Высоты слоев даны для средних широт для летнего периода. Для других широт и других времен года высоты и само кол-во границ раздела сред может сильно отличаться от описанного.

Т.о. при вхождении в атмосферу Земли луч лазера, до этого спокойно преодолевший миллионы километров без каких-либо потерь (на разве что небольшую расфокусировку), на каких то несчастных десятках километров теряет львиную долю своей мощности. Однако этот плохой на первый взгляд факт мы отлично можем обратить себе на пользу. Ибо этот факт позволяет нам обойтись без какого либо серьезного наведения луча на приемник. Ибо в качестве такого приемника, точнее первичного приемника, мы как раз и можем использовать саму атмосферу Земли, точнее эти самые границы раздела слоев, сред. Мы просто можем наводить телескоп на получающееся световое пятно и считывать с него информацию. Конечно, это заметно прибавит кол-во помех и снизит скорость передачи данных. И сделает ее вообще невозможной в дневное время по понятным причинам - Солнце же! Зато насколько мы можем удешевить спутник за счет экономии на системе наведения! Это особенно актуально для спутников на нестационарных орбитах, а также для КА для исследований дальнего космоса. Кроме того, учитывая, что лазеры, пусть даже с такой некачественной, не узкой частотной полосой, как китайские лазеры - вполне реально можно отсеивать от помех с помощью светофильтров или узкочастотных фотоприемников.

Не менее актуальным могло бы быть использование лазерной связи не для космоса, а для наземной дальней связи способом, подобным тропосферной связи. Имеется в виду передача данных лазером также с использованием атмосферного рассеяния на границах раздела атмосферных слоев с одной точки поверхности Земли до другой. Дальность такой связи может достигать сотен и тысяч километров, а при использовании релейного принципа - и того более.

Теги: лазерная связь, космос

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.

Оптическая связь осуществляется путем передачи информации с помощью электромагнитных волн оптического диапазона. В качестве примера оптической связи можно привести применяемую 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, передающих не только телефонные, но и телевизионные и компьютерные сигналы.
Оптические системы связи делятся на открытые, где сигнал передается в атмосфере или космосе, и закрытые, то есть использующие световоды . Далее рассматриваются только открытые атмосферные линии связи.
Оптическая атмосферная система связи между двумя пунктами состоит из двух спаренных приемопередающих устройств, расположенных в пределах прямой видимости на обоих концах линии и направленных друг на друга. В передатчике находится генератор-лазер и модулятор его оптического излучения передаваемым сигналом. Модулированный лазерный луч коллимируется оптической системой и направляется в сторону приемника. В приемнике излучение фокусируется на фотоприемник, где производится его детектирование и выделение передаваемой информации. 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. Кроме того, в атмосфере наблюдаются турбулентные явления, которые приводят к флуктуации показателя преломления среды, колебаниям луча и искажениям принимаемого сигнала. Однако, несмотря на указанные проблемы, атмосферная лазерная связь оказалась вполне надежной на расстояниях нескольких километров и особенно перспективной для решения проблемы "последней миРаспространение лазерного излучения в атмосфере сопровождается целым рядом явлений линейного и нелинейного взаимодействия света со средой. При этом ни одно из этих явлений не проявляется в отдельности. По чисто качественным признакам указанные явления можно разделить на три основные группы: поглощение и рассеяние молекулами газов воздуха, ослабление на аэрозолях (пыль, дождь, снег, туман) и флуктуации излучения на турбулентностях атмосферы. Главными ограничителями дальности АЛС являются густой снег и густой туман, для которых аэрозольное ослабление максимально. На распространение лазерного луча сильное влияние оказывает также турбулентность атмосферы, то есть случайные пространственно-временные изменения показателя преломления, вызванные перемещением воздуха, флуктуациями его температуры и плотности. Поэтому световые волны, распространяющиеся в атмосфере, испытывают не только поглощение, но и флуктуации передаваемой мощности.
Турбулентность атмосферы приводит к искажениям волнового фронта и, следовательно, к колебаниям и уширению лазерного пучка и перераспределению энергии в его поперечном сечении. В плоскости приемной антенны это проявляется в хаотическом чередовании темных и ярких пятен с частотой от долей герца до нескольких килогерц. При этом иногда возникают замирания сигнала (термин заимствован из радиосвязи) и связь становится неустойчивой. Замирание наиболее сильно проявляется в ясную солнечную погоду, особенно в летние жаркие месяцы, в часы восхода и захода солнца, при сильном ветреСистемы АЛС могут использоваться не только на "последней миле" каналов связи, но также и в качестве вставок в волоконно-оптические линии на отдельных труднопроходимых участках; для связи в горных условиях, в аэропортах, между отдельными зданиями одной организации (органы управления, торговые центры, промышленные предприятия, университетские городки, больничные комплексы, стройплощадки и т. д.); при создании разнесенных в пространстве локальных компьютерных сетей; при организации связи между центрами коммутации и базовыми станциями сотовых сетей; для оперативной прокладки линии при ограниченном времени на монтаж. Поэтому в последнее время возрастает интерес отечественных производителей к этому новому и перспективному сектору

Функциональная схема системы лазерной связи очень проста:

· блок обработки принимает сигналы от различных стандартных устройств (телефона, факса, цифровой АТС, локальной компьютерной сети) и преобразует их в приемлемую для передачи лазерным модемом форму;

· преобразованный сигнал передается электронно-оптическим блоком в виде инфракрасного излучения;

· на приемной стороне собранный оптической системой свет падает на фотоприемник, где преобразуется обратно в электрические сигналы;

· усиленный и обработанный электрический сигнал поступает на блок обработки сигналов, где восстанавливается в первоначальном виде.

Передача и прием осуществляются каждым из парных модемов одновременно и независимо друг от друга. Лазерные модемы устанавливаются таким образом, чтобы оптические оси приемопередатчиков совпадали. Основную сложность представляет собой юстировка направления оптических осей приемопередатчиков. Угол расходимости луча передатчика составляет у разных моделей от нескольких угловых минут до 0,5°, и точность юстировки должна соответствовать этим значениям.

После установки приемопередающих блоков необходимо подключить их к кабельным сетям в обоих зданиях. Существует множество моделей устройств с самыми разнообразными интерфейсами, однако, в отличие от поставщиков оборудования для радиосвязи, производители систем беспроводной оптики придерживаются следующей общей идеологии подключения: линия лазерной связи представляет собой эмуляцию отрезка кабеля (две витые пары или две жилы оптического кабеля). Связанные при помощи беспроводной оптики локальные сети функционируют так, как если бы их соединили выделенным кабелем. Некоторые модели лазерных модемов имеют совмещенные интерфейсы к сети Ethernet и потокам Е1. В результате одна атмосферная линия связи может соединить LAN и телефонные сети зданий без использования мультиплексора.

Вот так выглядит установленная система атмосферной лазерной связи. Пропускная способность системы - 100Mbit/sec на расстояние до 3! километров. фото:

Некоторые беспроводные удаленные мосты применяют для передачи данных инфракрасное излучение лазера. Обычно такое устройство содержит традиционный проводной Ethernet-мост и лазерный модем, обеспечивающий физическую связь. Другими словами, лазерное устройство только посылает биты данных, а всю остальную работу выполняет обычный мост. Лазерные модемы генерируют излучение с длиной волны 820 нм, которое не может быть обнаружено без специальных приборов. Очевидно, что для лазерных мостов излучатель и приемник должны располагаться на линии прямой видимости. Типичное расстояние между мостами составляет немногим больше 1 км и ограничивается мощностью лазера.
Одним из основных преимуществ таких систем является их большая пропускная способность. Второе преимущество - достаточная помехозащищенность, поскольку инфракрасное излучение не взаимодействует с радиоволнами. Подобно оптоволоконным системам лазерные мосты обеспечивают высокий уровень безопасности. Для перехвата информации необходимо поместить соответствующий прибор на линии луча, что, во-первых, легко может быть обнаружено, а во-вторых, это весьма сложно осуществить, так как такие системы устанавливаются на крышах высотных зданий. Недостатками лазер-базированных систем является влияние на устойчивость связи погодных условий. Сильный дождь, снег или туман приводят к значительному рассеянию луча и ослаблению сигнала. На связь может повлиять также солнечный восход или заход, если канал ориентирован с востока на запад.
Беспроводные мосты используются для постоянного соединения сетей, в качестве запасного канала или как временное средство. Их производством занимаются множество компаний. Цены в зависимости от пропускной способности и расстояния связи составляют от 5 до 75 тыс. долл. за канал. Дорого, однако со временем такое решение может окупиться.

2,5 Гбит/с по лазерному лучу

Компания fSONA Communications представила новую систему беспроводной оптической связи SONAbeam 2500-M, позволяющую достичь скорости передачи данных порядка 2,5 Гбит/с. Основа системы – четыре избыточных передатчика, работающих на длине волны 1550 нм с выходной мощностью лазерного сигнала 560 мВт. На пятикилометровом испытательном полигоне в ясную погоду, система отработала на максимальной скорости и практически без ошибок.

Контрольные вопросы

1. Какие технологии применяются для создания беспроводных сетей?

2. Перечислить основные технологии радиосетей.

3. Что такое точка доступа (access point)?

4. Охарактеризовать технологию 802.11.Что такое направленная и всенаправленная антенна?

5. Что такое роумингом (roaming).?

6. Перечислить технологии, альтернативные стандарту IEEE 802.11;

7. Охарактеризовать технологию Bluetooth .

8. Охарактеризовать технологию HiperLAN .

9. Что такое оптические сети?

10. Что такое микроволновые системы?

11. Охарактеризовать стандарт IEEE 802.16 (WiMAX)?