Pentru prima dată, informațiile în bandă largă au fost transmise de la bordul ISS printr-un canal laser către o stație la sol. Fapte interesante și sfaturi utile
Sistemele de transmisie de date prin cablu au acum un concurent - laserul. Un fascicul laser poate transmite până la 10 Gbiți de informații pe secundă: o astfel de viteză este imposibilă în rețelele de comunicații radio. Comunicarea cu laser este complet inofensivă pentru oameni și are multe alte avantaje. Adevărat, o rază laser nu poate pătrunde în ceață.
Comunicarea cu laser are propria sa nișă - este folosită pe distanțe scurte în locurile în care există dificultăți la așezarea cablurilor. Operatorii de comunicații cu laser nu trebuie să obțină permisiunea de a importa echipamente sau de a utiliza frecvențe.
Lumină în fereastră
În Moscova și Sankt Petersburg, toate centrele de birouri sunt împărțite între diverși operatori de telecomunicații. Dacă, de exemplu, clădirea este deservită de Sovintel, atunci este extrem de dificil pentru Comstar să instaleze o linie către acest complex de birouri (doar în cazuri foarte rare o clădire este deservită de doi operatori de telecomunicații). În același timp, proprietarii de complexe de birouri, de regulă, nu permit instalarea sistemelor radio pe acoperișurile caselor lor pentru comunicarea cu alți operatori. Comunicarea cu laser ajută la depășirea acestor dificultăți. La birou, puteți instala un dispozitiv optic fără fir care va direcționa un fascicul prin fereastră către cel mai apropiat repetor al operatorului de telecomunicații „tău” și va transmite informații prin acest fascicul. Acest lucru permite utilizatorilor să se descurce fără serviciul costisitor impus de proprietar și să stabilească în mod independent comunicații mai convenabile și mai ieftine. La schimbarea birourilor, echipamentul poate fi demontat și transportat într-o nouă locație.
Laserul poate rezolva și problemele marilor întreprinderi. Stabilirea comunicării între birou și locurile de producție este o sarcină dificilă. În condiții urbane dense, este foarte dificil să așezați un cablu prin teritoriul fabricii și străzile adiacente. Dar chiar dacă cablul este așezat, asta nu înseamnă că toate problemele au trecut. Serviciile de utilități deschid continuu asfaltul pentru a repara comunicațiile orașului, deseori tăind cablurile așezate în acest proces. Cablurile suspendate sunt adesea victime ale macaralelor și vântului de furtună. Un excavator nu se teme de raza laser. În plus, fasciculul de lumină nu poate fi furat și vândut ca fier vechi, astfel încât comunicațiile cu laser nu sunt periculoase pentru hoții care își câștigă existența săpat cablurile din pământ.
Iar ascultarea cu urechea la sistemele laser este o chestiune foarte dificilă. Dacă un dispozitiv de recepție neautorizat este plasat pe calea fasciculului, conexiunea va fi întreruptă instantaneu. De asemenea, este imposibil să plasați dispozitive de ascultare în apropierea receptorului și emițătorului: acestea vor fi vizibile cu ochiul liber.
20 de ani fără corespondență științificăÎncercările de a construi comunicații fără fir folosind un fascicul laser au fost făcute la Moscova la sfârșitul anilor 1960. Emițătoarele au fost instalate în clădirea Universității de Stat din Moscova de pe Dealurile Lenin și într-una dintre casele din Piața Zubovskaya, nu departe de stația de metrou Park Kultury. Instalația de dimensiunea unei încăperi a transmis semnalul cu succes, dar numai pe vreme senină. Experții au decis că dependența de starea atmosferei este prea mare. Comunicarea folosind un fascicul infraroșu a fost recunoscută ca o direcție nepromițătoare, iar cercetarea a fost redusă timp de 20 de ani. Această pauză a costat scump știința rusă. La sfârșitul anilor 1980, cercetătorii sovietici au revenit asupra subiectului, dar nu au avut timp să-și aducă testele la mostrele comerciale. Concurenții occidentali au făcut-o pentru ei.
Sistemele de transmisie de date care utilizează fascicule infraroșii au apărut pe piața mondială la începutul anilor 1990. Unul dintre pionierii a fost canadianul A.T. Schindler. După aceasta, Jolt și SilCom și-au lansat dezvoltările. La sfârșitul anilor 1990, PAV Data Systems a devenit lider în rândul producătorilor de echipamente de comunicații cu laser din Occident, în timp ce pionierii SilCom și A.T. Schindler au fost nevoiți să facă puțin loc. În plus, în domeniul comunicațiilor cu laser, Lightpointe Communications american-german (fosta Eagle Optoelectronics), American Astroterra, LSA Photonics și Lucent Technologies au propriile lor dezvoltări.
Ploaie și ceață
La început, sistemele străine asigurau transmisie de date pe distanțe de până la 500 m și deserveau rețelele de date locale. La sfârșitul anilor 1990, au apărut sistemele de generație următoare - mai fiabile și „cu rază lungă”, făcând posibilă deservirea rețelelor la scară urbană.
La o distanta de pana la 1600 m, sistemele functioneaza perfect. Cu toate acestea, la transmiterea datelor pe o distanță mai mare, calitatea comunicației scade. În plus, sistemele laser nu sunt lipsite de dependența de vreme. Cel mai mare obstacol în calea comunicării cu laser este ceața.
La rândul lor, sistemele de relee radio „cad” în timpul ploii. În acest sens, dezvoltatorii propun să construiască canale de comunicare extrem de fiabile bazate pe două linii, dintre care una transmite informații prin radio, iar cealaltă printr-un fascicul laser. În consecință, unul „cade” în ploaie, iar celălalt în ceață. „Dacă aveți nevoie să obțineți un canal extrem de fiabil la o distanță de până la 3 km, atunci aceasta este o opțiune ideală”, spune Alexander Klokov, directorul tehnic al reprezentanței American MicroMax, un distribuitor și integrator de sisteme optice fără fir. .
Există și alte bariere naturale. De exemplu, ei spun că una dintre companiile de telefonie mobilă încă se gândește ce să facă cu un copac care a crescut în calea unui fascicul laser - fie tăiați-l, fie rearanjați dispozitivul...
Producătorii occidentali și ruși nu concurează între ei
Sursă : MicroMax Computer Intelligence, Inc.
Scuipă în fântână
Transtelecom a apreciat avantajele fasciculului laser. Această companie are dificultăți cu Rostelecom și Elektrosvyazy locale: concurenții care dețin infrastructura de comunicații nu permit Transtelecom să acceseze puțurile de cablu. Drept urmare, Transtelecom a renunțat la puțuri și va conecta clienții corporativi la autostrăzile sale folosind un fascicul laser.
În plus, operatorii de telefonie celulară folosesc fasciculul laser ca canal de transmisie a semnalului. Ei folosesc laserul în zonele în care există multe interferențe în aerul radio - de exemplu, în aeroporturi.
Director tehnic adjunct al companiei Sonic Duo (rețeaua MegaFon) Igor Parfenov
i-a spus lui Ko că în rețeaua MegaFon din Moscova funcționează peste 10 sisteme optice. Compania intenționează să monitorizeze funcționarea acestora în cursul anului 2003 și, pe baza rezultatelor observațiilor, să ia o decizie cu privire la oportunitatea utilizării în masă a acestui echipament. Până acum, Sonic Duo nu are nicio plângere cu privire la performanța echipamentului.
La rândul său, șeful grupului de instalare a echipamentelor de relee radio VimpelCom, Georgy Pavlenko, a spus că compania sa folosește sisteme laser exclusiv pentru muncă temporară până când se primește permisiunea de a instala echipamente de relee radio. „În mod constant, aceste sisteme sunt utilizate cel mai bine la o distanță de până la 500 m. Pe lângă ceață, lumina soarelui este un obstacol pentru ele, așa că este necesar să se instaleze filtre speciale”, spune Pavlenko.
La MTS, corespondentului Ko i sa spus că dispozitivele laser asigură acum comunicații în zone a căror lungime totală nu depășește 1% din lungimea totală a rețelei. Cel mai probabil, comunicarea cu laser nu va depăși acest prag. „Rețelele optice sunt bune pentru construirea de microrețele; utilizarea unui laser nu necesită permisiunea Autorității de Supraveghere a Comunicațiilor de Stat. Dar, din păcate, practica companiei noastre a arătat că laserul oferă încă o comunicare fiabilă la o distanță de cel mult 500 de metri.”
În Rusia, echipamentele pentru comunicații fără fir bazate pe un fascicul infraroșu sunt produse de Institutul de Cercetare pentru Instrumente de Precizie, compania Catharsis din Sankt Petersburg, Uzina de instrumente de stat Ryazan, companiile NTC din Novosibirsk și Sceptor (acesta din urmă creată pe baza al Institutului Energetic din Moscova) și, de asemenea, Institutul de Comunicații Voronezh.
Niciunul dintre producători, cu excepția Catharsis, nu a avansat dincolo de producția pilot. În Rusia există ingineri buni care creează echipamentul potrivit, dar nu știu să-l vândă deloc. „De exemplu, cel mai simplu conector ar trebui să fie standard. Și dispozitivele casnice au conectori multi-pini. Acesta este, desigur, un conector bun, dar este mai potrivit pentru rachete”, spune Alexander Klokov. „Instalarea sistemelor rusești necesită dezlipirea cablului la fața locului, dar ce operator sănătos și-ar trimite muncitorii să lipe ceva pe acoperiș?”
Sistemele interne și străine nu concurează încă unul cu celălalt, deoarece sunt în „categorii de greutate” diferite (a se vedea tabelul). Potrivit lui Alexander Klokov, în 2002 vor fi vândute în total aproximativ 400 de sisteme de comunicații laser în Rusia.
Acest capitol discută tehnologia rețelelor de comunicații cu laser, precum și avantajele acesteia, cum ar fi rentabilitatea; costuri de operare reduse; randament ridicat și calitatea comunicațiilor digitale, precum și implementarea și modificarea rapidă a configurației rețelei.
Dispozitivele laser pot transmite orice flux de rețea care le este livrat utilizând fibră optică sau cablu de cupru în direcțiile înainte și invers. Transmițătorul convertește semnalele electrice în radiații laser modulate în domeniul infraroșu, cu o lungime de undă de 820 nm și o putere de până la 40 mW. Comunicarea cu laser folosește atmosfera ca mediu de propagare. Raza laser lovește apoi un receptor care are o sensibilitate maximă în intervalul de lungimi de undă a radiației. Receptorul convertește radiația laser în semnale de la interfața electrică sau optică utilizată. Așa se realizează comunicarea folosind sisteme laser.
Gama optică are multe trăsături caracteristice și, datorită lungimii de undă scurte, face posibilă obținerea unei directivitati ridicate a radiațiilor, reducerea semnificativă a dimensiunii sistemelor de antene, formarea de fascicule laser extrem de înguste și obținerea unei concentrații ridicate de radiații electromagnetice în spațiu.
La transmiterea informațiilor prin unde electromagnetice modulate, este necesar ca frecvența de modulație să fie de 10...100 de ori mai mică decât frecvența purtătoare. În plus, frecvențele de modulație ocupă o anumită bandă de frecvență, iar lățimea acesteia este determinată de cantitatea de informații transmise pe unitatea de timp. De exemplu, transmiterea textului telegrafic necesită o bandă de frecvență de 10 Hz, iar pentru imaginile de televiziune sunt necesare o bandă de frecvență de 107 Hz și o frecvență purtătoare de cel puțin 108 Hz. Gama radio ocupă banda de frecvență 104…108 Hz și este pe deplin stăpânită. Capacitatea de informare a canalului de comunicație în domeniul microundelor (109..1012 Hz) este mai mare, dar datorită caracteristicilor de propagare a radiației cu microunde în atmosferă, comunicarea între stațiile de microunde este posibilă doar la o linie de vedere. distanţă. În domeniul optic, doar regiunea vizibilă ocupă banda de frecvență de la 41014 la 1015 Hz. Folosind un fascicul laser, teoretic este posibil să se transmită 1015/107 = 108 canale de televiziune, ceea ce este cu câteva ordine de mărime mai mare decât nevoile moderne, sau 1013 conversații telefonice. Astfel, unul dintre avantajele liniilor optice de comunicație este capacitatea de a transmite cantități mari de informații datorită benzii de frecvență ultra-large. Stăpânirea gamei optice: crearea de surse de lumină laser, receptoare sensibile de radiații optice semiconductoare și dezvoltarea de LED-uri cu fibre cu pierderi reduse deschide noi oportunități pentru crearea de sisteme de comunicații.
Gama optică deschide posibilitatea creării de sisteme de informare și control cu caracteristici care sunt fundamental de neatins în domeniul radio. Până în prezent, o varietate de sisteme terestre, aviatice și spațiale pentru comunicații optice, telemetrie laser, sisteme laser pentru monitorizarea aerospațială a mediului natural, sisteme de recunoaștere aeriană, sisteme de evitare a coliziunilor pentru obiecte în mișcare, sisteme laser pentru andocare nave spațiale, ghidare laser și laser au fost dezvoltate sisteme de control al armelor.
Capacitățile potențiale ale sistemelor de informații cu laser, precum și metodele optice de transmitere și procesare a informațiilor în general, sunt foarte mari. În multe probleme, caracteristicile maxime realizabile sunt limitate doar de efecte cuantice. Cu toate acestea, în realitate, capabilitățile potențiale ale gamei optice nu pot fi întotdeauna realizate efectiv în practică. Există multe motive pentru aceasta.
Caracteristicile de performanță ale sistemelor laser reale sunt foarte influențate de fluctuațiile inevitabile ale surselor de radiații laser, modificări aleatorii ale parametrilor proceselor de informare, efectele diferitelor interferențe și natura probabilistică a operațiunii de detecție foto. Multe sisteme informatice optice sunt construite folosind un canal deschis (cel mai adesea atmosferic). Pentru radiația laser, canalul atmosferic este un canal cu un mediu de propagare neomogen aleatoriu. Efectele absorbției radiațiilor optice de către gazele atmosferice, împrăștierea moleculară și aerosolă, distorsiunile structurii spațio-temporale și perturbarea coerenței radiațiilor laser - toate acestea au un impact vizibil asupra potențialului energetic, principiilor procesării semnalelor informaționale și asupra gama sistemelor create. Toate caracteristicile enumerate arată că analiza sistemelor informaționale laser și evaluarea potențialului și a caracteristicilor efectiv realizabile ale acestora nu pot fi efectuate fără un studiu probabilistic al structurii semnalelor și interferențelor informaționale.
Până în prezent, s-au acumulat numeroase rezultate privind analiza probabilistică a diferitelor sisteme laser. Cu toate acestea, majoritatea acestor rezultate par a fi foarte disparate, nu se bazează pe o abordare unificată și sunt destul de greu de utilizat în probleme practice. Necesitatea unor studii suplimentare detaliate ale structurii probabilistice a semnalelor, interferențelor și, în general, a proceselor informaționale din optică radio este asociată cu necesitatea de a îmbunătăți modelele matematice, de a rezolva problemele de optimizare a structurii semnalelor și sistemelor și de a dezvolta noi algoritmi promițători. pentru transmiterea, primirea, convertirea și procesarea informațiilor în sisteme informatice optice.
Comunicarea cu laser este o alternativă la comunicațiile prin radio, cablu și fibră optică. Sistemele laser fac posibilă crearea unui canal de comunicație între două clădiri situate la o distanță de până la 1,2 km una de cealaltă și transmiterea traficului telefonic (viteză de la 2 la 34 Mbit/s), date (viteză până la 155 Mbit/s). ) sau combinarea lor. Spre deosebire de sistemele radio fără fir, sistemele de comunicații cu laser oferă imunitate ridicată la zgomot și secret de transmisie, deoarece accesul neautorizat la informații poate fi obținut doar direct de la transceiver.
O companie care folosește comunicații laser pentru a crea un canal de comunicație principal (de rezervă) pe distanță scurtă nu numai că va evita necesitatea de a stabili noi comunicații prin cablu, ci și nevoia de a obține permisiunea de a utiliza frecvența radio. În plus, nivelul scăzut al costurilor pentru organizarea unui canal de comunicare performant, precum și timpul scurt de punere în funcțiune a acestuia, vor asigura o rentabilitate rapidă a investiției. Astfel, o gamă largă de capabilități și avantajele indubitabile ale echipamentului laser fac din utilizarea acestuia cea mai bună soluție la problema organizării unui canal de comunicație fiabil între două clădiri.
P uită-te la radioul tău. Veți vedea că în domeniul lungimii de undă „se potrivesc” transmisiile a două sau trei posturi de radio; pe unde mai scurte (se numesc medii) puteți auzi deja cinci până la zece dintre ele. Și, în cele din urmă, în regiunea undelor scurte, literalmente fiecare milimetru al scalei radio sună: prin rotirea butonului de acord, auziți scârțâitul codului Morse, semnale de far, vorbire multilingvă și muzică. Există atât de multe stații încât scara undelor scurte trebuie extinsă; este făcută de câteva ori mai mult decât toate celelalte game de receptor. Acesta nu este un accident, ci un model: cu cât undele electromagnetice sunt mai scurte, cu atât mai multe dintre ele se pot potrivi, fără a interfera unele cu altele, pe o secțiune a scalei.
Dar lumina este aceleași vibrații electromagnetice ca undele radio, doar că mult mai scurte. Prin urmare, raza optică este de cincizeci de mii de ori mai largă decât raza radio. Asta înseamnă că dacă folosești lumina pentru comunicare așa cum o facem cu radioul, poți obține o densitate fără precedent a mesajelor transmise! Pentru a face acest lucru, este necesar ca emițătoarele să nu interfereze între ele. Acest lucru poate fi realizat dacă fiecare transmisie este efectuată la o lungime de undă strict definită.
Cu undele radio, totul este simplu: emițătorul poate emite unde electromagnetice de orice lungime. Este foarte ușor să „încarci” un mesaj pe ele. O undă care transportă un fel de semnal - vorbire, muzică - se numește modulată. Modulația este de două tipuri: frecvență (când se modifică lungimea de undă a radiației) și amplitudine (când se modifică intensitatea acesteia). Ar fi posibil să se moduleze lumina în același mod, dacă nu ar fi un amestec de unde electromagnetice diferite, ci dacă ar fi o undă de intensitate suficientă. Pe scurt, aveam nevoie de un laser. Și de îndată ce a apărut, semnalizatorii l-au apucat imediat. Deja în 1962, o linie de comunicație cu laser a început să funcționeze între districtul Kalininsky al capitalei și orașul Krasnogorsk, lângă Moscova. Comunicarea se făcea printr-un fascicul deschis: laserul stătea pe unul dintre turnurile clădirii înalte a Universității de Stat din Moscova de pe Dealurile Lenin.
Bineînțeles că nu, trebuie să excludeți toate influențele meteorologice dăunătoare prin trimiterea luminii printr-un ghid de lumină cu fibră.
Raza laser intră în modulator - un dispozitiv care „suprapune” semnalul transmis (vorbire, muzică, imagine de televiziune) pe acesta - și intră în cablul de fibră. După ce a fost reflectat de nenumărate ori de pereții săi și a parcurs sute și sute de metri în el, fasciculul modulat intră într-un dispozitiv care îl transformă din nou într-un semnal electric familiar.
Același ghid de lumină poate fi folosit pentru a direcționa radiația de la un al doilea laser, cu o lungime de undă diferită, un al treilea, al patrulea. Fiecare dintre ele poate transporta propriul său semnal. O fibră, un fir de sticlă puțin mai subțire decât un păr, poate transmite simultan 32.000 de convorbiri telefonice sau 60 de programe de televiziune color! În zilele noastre au fost deja create ghidaje de lumină care pot funcționa în aceleași condiții ca firele convenționale. Ele pot rezista la fluctuații mari de temperatură, gheață și rafale de vânt. Ele pot fi așezate în pământ și întinse pe stâlpi. Capacitatea enormă a ghidurilor de lumină va face posibilă crearea unei rețele de televiziune prin cablu care să funcționeze fără interferențe și distorsiuni, la fel cum funcționează astăzi emisiunile radio. Ghidurile de lumină cu fibre și firele electrice convenționale sunt adesea combinate într-un singur pachet.
Există un alt aspect foarte important de care se ține cont atunci când se creează comunicații prin fibră optică. Două fire electrice situate unul lângă celălalt pot interfera unul cu celălalt. Curentul alternativ care curge într-un fir determină același curent, doar mai slab, în celălalt. Apare un semnal fals - zgomot, trosnet sau chiar muzică sau vorbire care interferează cu transmisia prin celălalt fir. Astfel de semnale de interferență se numesc interferență. Scânteile electrice și fulgerele produc interferențe primite de receptorul radio.
Interferența este deosebit de periculoasă pentru funcționarea computerelor electronice. A existat un caz în SUA când o rachetă spațială uriașă a trebuit să fie aruncată în aer la câteva secunde după lansare: din cauza unei singure erori de calcul, aceasta a ieșit din traiectorie și a amenințat că va cădea asupra orașului. Ancheta a arătat că micul releu a fost de vină: contactul său defectuos a declanșat, scânteia a provocat interferențe și asta, la rândul său, a provocat o defecțiune a mașinii. O mică scânteie i-a costat pe americani câteva milioane de dolari...
Pentru a evita blana, sârma este îmbrăcată într-un „ecran” sau „armură” - un ciorap țesut din fire de cupru. Toate cablurile de înaltă frecvență trebuie să fie blindate; așa este proiectat cablul care merge de la antenă la televizor. Dar acest lucru, după cum am văzut deja, nu ajută întotdeauna.
Astfel de probleme nu se vor întâmpla cu un ghidaj de lumină cu fibre; un strat de vopsea opac pe suprafața sa este toată izolația. Prin urmare, se crede că laserele semiconductoare miniaturale și fibra optică vor înlocui în curând dispozitivele electronice și cablurile din tehnologia computerizată.
Laserele pot fi deja stinse, aprinse și modificate luminozitatea folosind un alt laser, așa cum tuburile și tranzistoarele electronice pornesc, se opresc și amplifică curentul electric. Lumina înlocuiește electricitatea!
Și iată ce este interesant: natura a reușit să creeze chiar și un dispozitiv atât de complex precum un ghid de lumină cu fibre și chiar a fost reglat la o anumită lungime de undă. „Autorul” designului și proprietarul acestui dispozitiv este un urs polar. Oamenii de știință americani au reușit să stabilească că fiecare păr al pielii sale funcționează ca o fibră optică. Lumina soarelui încălzește blana, iar razele de căldură călătoresc de-a lungul blănii până la piele și încălzesc animalul.
Cablurile de fibră optică s-au dovedit adăugări atât de convenabile la fasciculul laser, încât au fost adaptate rapid pentru a transmite fascicule puternice de lumină, cum ar fi cele utilizate în industrie. Nu a fost ușor, dar, în cele din urmă, nu cu mult timp în urmă a fost creat un ghid de lumină prin care este posibilă „pomparea” energiei de la un puternic laser pulsat sau continuu, de exemplu, cel situat în atelierul lui Likhachev. plantă.
În prezent, tehnologia laser deschide noi oportunități pentru îmbunătățirea sistemelor de comunicație, localizare și control radio. Aceste capabilități sunt asociate cu câștigul enorm al antenelor optice de transmisie, care permite un raport semnal-zgomot ridicat la receptor pe o bandă largă de frecvență cu transmițătoare de putere redusă și capacitatea de a utiliza benzi de frecvență foarte largi la transmitere și recepție. semnale optice.
Sistemele de transmitere a informațiilor cu laser au următoarele avantaje față de sistemele radio.
Capacitatea de a transmite informații la o viteză foarte mare cu o putere relativ scăzută a transmițătorului și dimensiuni de ansamblu reduse ale antenei. Astăzi, liniile de comunicație cu laser pot oferi transmisie de informații la viteze de până la 102 Gbit/s sau mai mult. Odată cu multiplexarea în timp a canalelor, este posibil într-o linie de comunicație multicanal să se obțină o rată de repetiție a impulsului rezultată de peste 100 GHz, care depășește întreaga lățime de bandă a spectrului de frecvență radio utilizat astăzi.
Secretul transmiterii informațiilor și protecția împotriva interferențelor organizate (datorită modelelor de radiație foarte înguste ale antenelor de transmisie și recepție, în valoare de unități de secunde de arc).
Există însă și dezavantaje, dintre care principalele sunt: dependența operațiunii de condițiile meteorologice și necesitatea folosirii ghidurilor de lumină (cuarț, fibre de sticlă).
Perspective reale pentru sistemele de comunicații cu laser se deschid în sistemele de comunicații spațiale satelit-satelit din cauza absenței unei atmosfere. În astfel de sisteme, informațiile în bandă largă și în bandă îngustă de la navele spațiale pe orbită joasă vor fi transmise prin linii de comunicație laser către sateliții staționari și de la aceștia către stațiile terestre. Sistemele de comunicații prin satelit Pământ-Pământ printr-un repetor de satelit cu linii de comunicație cu laser vor fi importante.
Calculele arată că într-un astfel de canal de comunicație se poate realiza o viteză de transmitere a informațiilor de peste 1 Mbit/s din regiunea Marte. Pentru comparație, putem spune că în legăturile radio de telemetrie existente pentru comunicarea cu navele spațiale din regiunea Marte, viteza de transmitere a informațiilor nu depășește 10 biți/s.
Înainte de a discuta problema alegerii unui sistem pentru comunicații spațiale, să evaluăm avantajele și dezavantajele sistemelor utilizate:
cu detecție directă (Fig. 8, a);
cu un receptor heterodin (Fig. 8, b).
Orez. 8
Rețineți că imunitatea la zgomot a ambelor sisteme este aproximativ aceeași, iar pentru aceeași frecvență și același nivel de dezvoltare a tehnologiei laser, primul sistem are avantaje clare, care sunt următoarele:
Are un dispozitiv de recepție mai simplu;
Insensibil la schimbarea frecvenței Doppler, care elimină necesitatea căutării unui semnal după frecvență în receptor (cum este cazul celui de-al doilea sistem);
Insensibil la distorsiunea frontului de undă a semnalului (care are loc în atmosfere turbulente), deci sunt posibile antene simple la sol cu deschidere mare. Într-un receptor heterodin, turbulența atmosferică limitează dimensiunea antenei de recepție și pentru a o mări (zona antenei), este necesar să se utilizeze o matrice de antene formată din multe antene cu un dispozitiv de combinare a semnalelor de ieșire;
Are o antenă de recepție care nu necesită o calitate optică înaltă, ceea ce face posibilă implementarea de antene la bord mai ușoare și mai ieftine;
Vă permite să implementați metode mai eficiente de ghidare reciprocă a antenelor de transmisie și recepție (comparativ cu scanarea raster într-o singură etapă din cel de-al doilea sistem).
Singurul avantaj al sistemelor cu un receptor heterodin este o suprimare mai eficientă a fundalului în receptor (comparativ cu primul).
Să analizăm adecvarea frecvenței laserelor pentru comunicațiile spațiale.
Datorită razei mari de comunicare, sunt necesare transmițătoare cu o putere medie de fracțiuni până la câțiva wați. Astfel de lasere cu eficiență acceptabilă sunt disponibile în trei game principale:
10 µm - Laser cu gaz CO 2 s = 10,6 µm, în modul monomod la P = 1 W = 10%, t slave = 10 mii de ore de funcționare continuă (potrivit pentru echipamentele de bord și datorită stabilității de înaltă frecvență) poate funcționa într-un sistem cu un receptor heterodin);
1 µm - laser cu stare solidă pe granat de ytriu-aluminiu (YAG) activat de niodim (J-Al/Nd) = 1,06 µm, = 1,5 2%, P max = n0,1 W (un astfel de laser poate funcționa cu succes pe staționar sateliți, deoarece pomparea se realizează prin rețele de LED-uri sau dispozitive de pompare solară.În acest din urmă caz, un colector de energie solară, printr-un filtru optic, concentrează energia pompei pe tija laser, furnizând excitația acesteia.Lămpile cu pompă cu potasiu-rubidiu asigură t funcționează până la 5 mii de ore la = 10%.Rezultat = 10 LED-uri au o durată de viață mai lungă, dar puterea lor este mică și, prin urmare, sunt potrivite doar pentru emițătoare de putere redusă de până la 0,1 W);
0,5 µm - un laser Nd:YAG promițător care funcționează în modul de dublare a frecvenței = 0,53 µm (culoare verde strălucitoare), cu o eficiență a convertorului aproape de unitate, este promițător aici.
Laserele cu gaz cu vapori metalici pulsați sunt promițătoare pentru liniile de comunicație cu laser de viteză redusă. În modul pulsat, un laser cu vapori de cupru are = 0,5106 și 0,5782 μm și = = 5% (în modul Q-switching) cu o putere medie de un watt.
Capacitățile de recepție a echipamentelor din aceste trei game sunt următoarele:
10,6 microni - există fotodetectoare cu eficiență cuantică ridicată (40-50%) când sunt răcite la 77.100 K, dar din moment ce fotodetectoarele nu au amplificare internă și nu sunt potrivite pentru sistemele de detecție directă;
1,06 µm - pentru sistemele cu detecție directă, pot fi utilizate PMT-uri sau fotodiode de avalanșă. Dar eficiența cuantică a fotomultiplicatorului la această lungime de undă este de numai 0,008, deci acest interval este semnificativ inferior celui dintâi;
0,53 µm se dovedește a fi o gamă mai acceptabilă în modul de detectare directă, deoarece performanța sa este semnificativ mai mare datorită creșterii eficienței fotomultiplicatoarelor.
Deci, există două sisteme de comunicații spațiale:
Cu detecție directă a semnalului la o lungime de undă de 0,53 µm;
Cu un receptor heterodin în domeniul IR la 10,6 microni.
Mai mult, sistemul cu = 10,6 μm are:
Nivel mai scăzut de zgomot cuantic (deoarece densitatea spectrală a zgomotului cuantic este proporțională cu valoarea hf, atunci la = 10,6 µm este de 20 de ori mai mică decât la = 0,53 µm);
Eficiența transmițătorului laser pentru intervalul = 10,6 µm este mai mare decât pentru = 0,53 µm.
Primele două proprietăți ale sistemului permit utilizarea unor modele de emițător mai largi în comparație cu sistemul de rază vizibilă, ceea ce simplifică sistemul de ghidare.
Dezavantajele aici sunt aceleași cu cele ale metodei heterodine.
Un sistem de rază vizibilă = 0,53 µm, având un nivel de zgomot cuantic mai mare, eficiență mai scăzută a transmițătorului, poate avea modele de antenă de transmisie reduse semnificativ. Deci, dacă deschiderile antenelor de transmisie sunt aceleași (la = 0,53 și 10,6 µm), atunci antena de transmisie la = 0,53 µm va avea un câștig de 400 de ori mai mare decât la = 10,6 µm, ceea ce compensează cu o marjă dezavantajele menționate. de mai sus. Fasciculele mai înguste ale antenelor de transmisie complică sistemul de ghidare reciprocă a antenelor de transmisie și recepție, cu toate acestea, utilizarea unor metode eficiente de căutare în mai multe etape poate reduce semnificativ timpul de stabilire a comunicării. Mai mult, într-un receptor heterodin, doar scanarea raster simplă este posibilă atunci când se caută un semnal, iar timpul de căutare crește semnificativ datorită necesității de a căuta simultan un semnal după frecvență.
Un avantaj important al antenei cu rază vizibilă este capacitatea de a construi un sistem de comunicații cu acces multiplu prin satelit. În acest caz, la bordul satelitului RRS sunt amplasate mai multe (în funcție de numărul de linii de comunicație) receptoare simple de detectare directă. Pentru sistemele în intervalul de 10,6 µm, acest lucru este practic imposibil din cauza complexității receptoarelor heterodine cu dispozitive de răcire voluminoase pentru fotomixer.
Astfel, la nivelul tehnic actual, sistemele cu detecție directă (= 0,53 µm) prezintă avantaje semnificative:
pentru comunicarea spațială la distanță lungă „SC-Pământ” prin atmosferă;
pentru sistem de acces multiplu prin satelit.
Pentru un sistem de comunicații prin satelit, atunci când fasciculul de recepție (sau de transmisie) al unui repetor de satelit este „aruncat” de la un abonat la altul conform programului, un sistem de comunicații cu debit mare la = 0,53 și 10,6 μm are caracteristici comparabile la transmiterea informațiilor viteze de până la câteva sute de megabiți pe secundă. Rate mai mari de transmitere a informațiilor (mai mult de 10 Gbit/s) într-un sistem cu = 10,6 μm sunt greu de implementat, în timp ce în domeniul vizibil pot fi realizate pur și simplu prin multiplexarea în timp a canalelor.
Un exemplu de implementare a unui sistem de comunicații pentru trei sateliți sincroni (Fig. 9):
lungime de undă emițător = 0,53 µm (detecție directă);
modulația este efectuată de un modulator electro-optic, iar semnalul de modulație este un subpurtător de microunde cu o frecvență centrală m = 3 GHz și o bandă laterală de la min = 2,5 10 9 până la max = 3,5 10 9 Hz (adică = 10 9 Hz ) ;
Orez. 9
Modulatorul electro-optic (cristal) funcționează în mod transversal cu un coeficient electro-optic r 4·10 -11 la o constantă dielectrică de microunde = 55 0 . Adâncimea maximă de modulare - Г m = /3;
lentilele colimatoare și receptoare măsoară 10 cm;
raportul semnal-zgomot la ieșirea amplificatorului după PMT este 10
Să determinăm puterea totală a sursei de curent continuu cu care trebuie să fie alimentat satelitul pentru a satisface cerințele specificației de proiectare (vom determina mai întâi nivelul de putere optică a radiației transmise, apoi puterea de modulație necesară pentru funcționare).
Soluţie: Un satelit sincron are o perioadă orbitală de 24 de ore. Distanța de la Pământ la satelit este determinată din egalitatea forțelor centrifuge și gravitaționale
mV 2 /R ES = mg(R Pământ) 2 /(R ES) 2,
unde V este viteza satelitului; m masa sa; g - accelerația gravitațională la suprafața Pământului; R ES - distanta de la centrul Pamantului la satelit; R Pământ - raza Pământului.
Frecvența de rotație orbitală sincronă (24 de ore) vă permite să determinați
V/R ES = 2/(246060), apoi R ES = 42.222 km.
Distanța dintre sateliți este R = 73 12 km cu o separare de 120 O. Dacă un semnal optic cu putere P T este transmis în unghi T solid și deschiderea recepționată furnizează unghi R solid, atunci puterea recepționată.
P R = P T (R / T).
Fasciculul optic transmis (Fig. 35) difractează cu un unghi de divergență a fasciculului, care este legat de raza minimă a fasciculului 0 prin expresie
ciorchine = / 0 .
Unghiul solid corespunzător este T = (fascicul)2.
Dacă luăm 0 egal cu raza dt a lentilei de transmisie, atunci
Unghiul solid al receptorului este
R = d2 R/R2,
R este distanța dintre emițător și receptor.
Din (42), (44), (45) avem
P T = P R R 22 / 22 T 2 R .
Să notăm raportul semnal-zgomot la ieșirea unui fotomultiplicator care funcționează în modul de limitare cuantică (adică, atunci când sursa principală de zgomot este zgomotul de împușcare al semnalului însuși):
s/w = 2 (P R e/h) 2 G 2 /G 2 ei d = P R /h,
unde P R este puterea optică, G este câștigul de curent, i d este curentul de întuneric. La = 0,53 µm, = 0,2 - randamentul conversiei puterii, = 10 9 Hz s/w = 10 3 se obține Р R 2·10 -6. În acest caz, puterea necesară în conformitate cu (46) la R = 7,5·10 4 m va fi Р t 3 W.
Undele radio nu sunt singurele mijloace de comunicare cu civilizațiile extraterestre. Există și alte moduri, cum ar fi semnalele luminoase. Deoarece semnalul luminos va trebui să parcurgă o distanță uriașă, trebuie să aibă proprietățile necesare: să aibă suficientă energie pentru a depăși această cale. Este ușor de observat că proiectoarele optice nu sunt potrivite pentru transmiterea unor astfel de semnale luminoase. Ele creează raze de lumină divergente. Prin urmare, cu cât mai departe de lumina reflectoarelor, cu atât fasciculul devine mai larg. Pe distanțe mari, este și foarte mare. Aceasta înseamnă că energia pe unitatea de suprafață este foarte mică.
Dacă utilizați cel mai modern reflector optic, care creează un fascicul de lumină (fascicul) lățime de doar o jumătate de grad, atunci deja la o distanță de 50 de kilometri punctul de lumină creat de reflector va fi de 450 de metri. Un astfel de reflector instalat pe Pământ va crea un punct luminos cu un diametru de 3000 de kilometri pe Lună! Este clar că în acest caz energia luminoasă este împrăștiată pe o suprafață mare, iar iluminarea suprafeței devine mult mai mică decât dacă acest punct ar fi de doar 10 sau 100 de metri. Pata formată de reflectorul pământului pe suprafața Lunii nu poate fi detectată. Dar Luna este lângă noi. Ce rămâne din densitatea de energie la distanțe de sute de ani lumină? Aproape nimic. Prin urmare, nu are rost să luăm în considerare mai departe o astfel de sursă trivială de semnale luminoase. Dar semnalele optice necesare pot fi create folosind lasere, care au fost întruchiparea ideilor lui Alexei Tolstoi (hiperboloidul inginerului Garin) și H. Wells (raza de căldură a marțienilor).
În ceea ce privește radiația laser ca mijloc de comunicare cu extratereștrii, două dintre proprietățile sale sunt importante aici. Prima este capacitatea de a emite un fascicul de lumină practic nedivergent (fascicul), care, după cum am văzut, nu poate fi realizat folosind reflectoare convenționale. A doua este capacitatea de a crea semnale luminoase puternice care pot ajunge la stelele aflate la sute și mii de ani lumină distanță.
O proprietate importantă a radiației laser este monocromaticitatea sa (literal „o singură culoare”). Din punct de vedere fizic, aceasta înseamnă că radiația are o lungime de undă strict constantă și, prin urmare, culoare. În același timp, există lasere care emit o lungime de undă strict definită, a cărei valoare este determinată de „substanța de lucru” a laserului. O astfel de substanță poate fi gazoasă, lichidă sau solidă. La început, a fost folosit în principal cristal de rubin sintetic. Când se utilizează sticlă activată cu neodim, lungimea de undă a radiației este de 1,06 microni. Substanța de lucru folosită este, în special, dioxid de carbon CO2 și multe alte substanțe. Laserele lichide permit emiterea la diferite lungimi de undă (într-un interval dat). Radiația are loc alternativ, în fiecare moment de timp este emisă o lungime de undă strict definită.
De asemenea, este important ca sistemele laser să permită emiterea de impulsuri foarte scurte de lumină. Acest lucru este foarte important pentru transmiterea informațiilor (prin secvențe de impulsuri). Lungimea impulsului poate fi atât de mică încât până la o mie de miliarde de impulsuri pot fi „stivuite” într-o secundă. În timpul emisiei, impulsurile se succed cu o anumită întârziere. Laserele moderne fac posibilă producerea de impulsuri de mare putere. Așadar, chiar și impulsurile atât de scurte precum cele prezentate mai sus pot avea o energie mai mare de 10 jouli! Cu cât pulsul este mai lung, cu atât este mai mare energia pe care o conține. În modul „generare liberă”, când laserul însuși reglează lungimea impulsurilor emise și este de ordinul unei miimi de secundă, energia fiecărui impuls poate ajunge la câteva mii de jouli. Laserele fac posibilă emiterea nu numai de impulsuri scurte de lumină, ci și în mod continuu. De exemplu, laserele cu gaz alimentate cu dioxid de carbon pot funcționa în modul laser continuu. În acest caz, radiația este caracterizată nu de energia fiecărui impuls (deoarece nu există impulsuri individuale), ci de energia pe unitatea de timp sau, cu alte cuvinte, puterea. Astfel, puterea laserelor care funcționează pe dioxid de carbon ajunge la câteva zeci de kilowați.
Radiația laser este, de asemenea, împrăștiată, dar mult mai puțin decât cea a spoturilor. Acest lucru este determinat de dimensiunea substanței de lucru. Radiația de la suprafața substanței de lucru are loc strict cu aceeași fază (în fază) pe întreaga sa suprafață. Prin urmare, lățimea fasciculului trimis de laser depinde de dimensiunea blocului „substanță de lucru”, adică cu cât suprafața este mai mare, cu atât fasciculul de lumină emis este mai îngust. Dependența lățimii fasciculului de lungimea de undă este directă: cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât fasciculul transmis de laser este mai larg. Dar chiar și cu laserele obișnuite, în care dimensiunea substanței de lucru este de aproximativ 1 centimetru, unghiul fasciculului de lumină este de 200 de ori mai mic decât cel al unui reflector. Este de 10 secunde de arc. Există, desigur, lasere cu unghiuri semnificativ mai mici de emisie de lumină.
Pentru a scăpa de divergența fasciculelor, este necesar să folosiți un sistem optic, cum ar fi un telescop, care direcționează traseul fasciculelor. Dacă un fascicul de radiație laser este trecut printr-o lentilă a cărei distanță focală este egală cu diametrul său, atunci imaginea reală a fasciculului în planul focal va avea dimensiuni egale cu lungimea de undă. Apoi, în locul în care a fost obținută această imagine reală a fasciculului, plasăm focalizarea unei alte lentile (sau oglinzi), al cărei diametru este mult mai mare decât primul. Pentru al doilea obiectiv, distanța focală poate fi mai mare decât diametrul său, dar poate fi și egală cu aceasta (ca și în cazul primului obiectiv). Această combinație de două lentile duce la faptul că din a doua lentilă mare (oglindă) va ieși un fascicul al cărui unghi de divergență va scădea (comparativ cu cel inițial care intră în telescop) de atâtea ori cât diametrul celui de-al doilea obiectiv. (oglindă) este mai mare decât lungimea undei emise. Astfel, este foarte posibil să se reducă unghiul de divergență al fasciculului laser cât se dorește.
Pentru a comunica cu extratereștrii, pot fi folosite atât sistemele de comunicații construite pe un singur laser, cât și cele construite pe un întreg sistem (baterie) de lasere. Dacă utilizați un laser cu emisie continuă cu o putere de 10 kilowați și o oglindă suplimentară mare cu un diametru de 5 metri, puteți îngusta unghiul fasciculului la 0,02 arcsec.
Puteți folosi nu o oglindă mare, ci un anumit număr de oglinzi cu un diametru mic (să zicem, 10 centimetri). Atunci sistemul trebuie să conțină atâtea lasere câte oglinzi există. Toate acestea trebuie să fie foarte rigid orientate. Dacă luați 25 de lasere, puteți obține un unghi de fascicul egal cu o secundă de arc.
Avantajul sistemelor laser (baterii) pentru comunicațiile spațiale este că în timpul funcționării acestuia poate fi exclusă influența atmosferei terestre. Dacă lucrați cu un laser, atunci din cauza perturbărilor atmosferice, unghiul fasciculului devine semnificativ mai mare decât în absența unei astfel de influențe. Această influență poate fi ocolită dacă sistemul laser este plasat astfel încât fasciculul laser să nu treacă prin atmosferă, adică este plasat pe o platformă de satelit artificială. În acest caz, nu este nevoie să folosiți o baterie de sisteme laser.
Pentru prima dată, posibilitatea comunicării cu civilizațiile extraterestre folosind un fascicul laser a fost analizată științific în 1961 de către laureatul Premiului Nobel C.H. Townsom și R.I. Schwartz. De atunci, tehnologia laser din lume s-a îmbunătățit și condițiile pentru comunicarea cu laser au devenit mai favorabile. Principalul lucru pe care trebuie să-l ofere această tehnică este puterea de radiație suficientă și capacitatea de a separa radiația laser trimisă nouă de extratereștri de radiația stelelor. Cum separă lumina laser de lumina stelelor? Această întrebare nu este deloc simplă și poate fi rezolvată numai datorită proprietății speciale a radiației laser - monocromaticitatea sa ridicată. O stea (cum ar fi Soarele) emite lumină la diferite lungimi de undă. Laserul emite doar la o lungime de undă strict definită, să zicem 0,5 microni. La această lungime de undă Soarele emite cea mai mare energie. Cu toate acestea, radiația laser este de 25 de ori mai mare decât cea a Soarelui sau a unei alte stele similare. Desigur, acest lucru se aplică numai la acea lungime de undă specială. La alte lungimi de undă (cum ar fi regiunile ultraviolete și infraroșii ale spectrului) acest raport ar fi și mai mare, deoarece la aceste lungimi de undă Soarele emite mai puțin de aproximativ lumină verde (0,5 µm).
Astfel, chiar și tehnologia laser modernă face posibilă crearea de radiații a căror intensitate la o lungime de undă dată este suficientă pentru a fi izolată de toate radiațiile stelare. Pentru a obține o eliberare și mai bună a radiației laser, trebuie să „lucrați” în apropierea liniilor de absorbție ale Soarelui (sau a unei alte stele), adică în domeniul în care o parte din radiația solară este absorbită și interferează mai puțin cu eliberarea radiației laser. . Dacă laserul funcționează la o lungime de undă de 0,15 microni, atunci intensitatea sa spectrală poate fi de zeci de mii de ori mai mare decât intensitatea radiației solare la această lungime de undă, deoarece se află în regiunea de absorbție a radiației solare. Desigur, o astfel de instalație laser trebuie să fie amplasată în afara atmosferei pământului, altfel radiația laser va fi absorbită de gazul atmosferic. Astfel, atunci când înregistrăm și analizăm lumina de la stelele îndepărtate, trebuie să ținem cont de faptul că radiațiile laser trimise de civilizațiile extraterestre pot fi detectate pe fondul acestei radiații. Va apărea ca o linie îngustă. Dar pentru aceasta este necesar să se analizeze radiația stelelor folosind spectrografe de înaltă calitate. Pot fi folosite și filtre cu bandă foarte îngustă. Desigur, aceste dispozitive optice trebuie să fie de foarte înaltă calitate: rezoluția spectrografului trebuie să fie de 0,03 A pentru a obține un contrast de 10% al liniei laser deasupra fundalului. Tehnologia optică modernă permite acest lucru. Prin urmare, acum putem începe să surprindem linii de radiație aparținând dispozitivelor laser ale civilizațiilor extraterestre folosind cele mai puternice telescoape.
Am discutat în mod repetat diverse aspecte ale efectului Doppler asupra radiației unei surse în mișcare. În acest caz, trebuie luat în considerare și acest efect, deoarece datorită mișcării receptorilor de radiație în direcția radiației în sine, ar trebui să apară o schimbare (deplasare Doppler) a frecvenței radiației într-o direcție sau alta. Pentru a detecta această radiație cu o frecvență decalată, este necesar să existe spectrografe cu rezoluția corespunzătoare.
Astfel, chiar și nivelul modern al tehnologiei laser face posibilă primirea semnalelor laser de la stelele din apropiere și trimiterea lor înapoi. Dar încă o întrebare, poate cea mai importantă, rămâne: unde să trimiți semnale și unde să le primești? În ambele cazuri, trebuie să ne îndreptăm telescoapele undeva și cu o precizie foarte mare. Același lucru se cere corespondenților noștri din spațiu. Dacă se află pe cele mai apropiate stele (planetele lor), atunci vor observa orbita pământului la un unghi de o secundă de arc. Pentru ca raza lor laser să lovească Pământul, ei trebuie să îl îndrepte cu o rezoluție unghiulară de 0,02 secunde de arc. O astfel de precizie este acum disponibilă astronomilor noștri. Prin urmare, credem că este realizabil și pentru civilizațiile extraterestre care caută comunicare cu noi.
Este logic să ne imaginăm că extratereștrii, în căutarea comunicării cu noi, vor „fășura” cu o rază laser în Sistemul Solar. Dacă măresc lățimea fasciculului laser (razei), atunci acesta va ilumina Pământul tot timpul și poate fi înregistrat relativ ușor. Dar cu cât fasciculul este mai larg, cu atât trebuie emisă mai multă energie, astfel încât să fie suficientă pentru a acoperi întreaga suprafață pe care o luminează, pentru a putea fi înregistrată. Dar s-ar putea crede că această dificultate pentru extratereștri nu va fi insolubilă. Cel puțin în laboratoarele terestre, creșterea puterii radiației laser are loc foarte rapid.
Comunicarea cu laser poate fi folosită în mod deosebit de eficient în cadrul Sistemului Solar. Folosind un fascicul laser, este posibil să se creeze un punct pe Marte cu un diametru de 5-7 kilometri, care va străluci de aproximativ 10 ori mai luminos decât Venus atunci când este observat de pe Pământ. Un fascicul laser poate transporta orice informație: intensitatea sa poate fi modificată în timp conform oricărei legi (cu alte cuvinte, radiația laser poate fi modulată în consecință). Suprafața Lunii a fost iluminată de un fascicul laser. Pe partea neluminată a Lunii de Soare se obține o pată luminoasă cu diametrul de 40 de metri. Este iluminat de 100 de ori mai puțin decât în cazul razelor directe ale soarelui.
