Các biến thể về chủ đề truyền thông laser không gian. Giao tiếp bằng laser với người ngoài hành tinh

Chương này thảo luận về công nghệ mạng truyền thông laser, cũng như những ưu điểm của nó, chẳng hạn như hiệu quả chi phí; chi phí vận hành thấp; thông lượng và chất lượng cao của truyền thông kỹ thuật số, cũng như triển khai và thay đổi cấu hình mạng nhanh chóng.

Các thiết bị laser có thể truyền bất kỳ luồng mạng nào được phân phối tới chúng bằng cáp quang hoặc cáp đồng theo hướng thuận và ngược. Máy phát chuyển đổi tín hiệu điện thành bức xạ laser điều chế trong phạm vi hồng ngoại với bước sóng 820 nm và công suất lên tới 40 mW. Truyền thông laser sử dụng khí quyển làm môi trường truyền sóng. Sau đó, chùm tia laser chiếu tới máy thu có độ nhạy tối đa trong phạm vi bước sóng của bức xạ. Máy thu chuyển đổi bức xạ laser thành tín hiệu từ giao diện điện hoặc quang được sử dụng. Đây là cách giao tiếp được thực hiện bằng hệ thống laser.

Phạm vi quang học có nhiều tính năng đặc trưng và do bước sóng ngắn nên có thể đạt được độ định hướng bức xạ cao, giảm đáng kể kích thước của hệ thống ăng-ten, tạo thành chùm tia laser cực hẹp và thu được nồng độ bức xạ điện từ cao trong không gian.

Khi truyền thông tin bằng sóng điện từ đã điều chế thì tần số điều chế phải nhỏ hơn tần số sóng mang từ 10...100 lần. Ngoài ra, tần số điều chế chiếm một dải tần nhất định và độ rộng của nó được xác định bởi lượng thông tin được truyền trên một đơn vị thời gian. Ví dụ: việc truyền văn bản điện báo yêu cầu dải tần 10 Hz và đối với hình ảnh truyền hình, cần có dải tần 107 Hz và tần số sóng mang ít nhất 108 Hz. Dải vô tuyến chiếm dải tần 104…108 Hz và được làm chủ hoàn toàn. Dung lượng thông tin của kênh liên lạc trong dải vi sóng (109..1012 Hz) cao hơn, nhưng do đặc điểm lan truyền của bức xạ vi sóng trong khí quyển nên việc liên lạc giữa các trạm vi sóng chỉ có thể thực hiện được trong tầm nhìn trực tiếp. khoảng cách. Trong dải quang học, chỉ có vùng khả kiến chiếm dải tần từ 41014 đến 1015 Hz. Sử dụng chùm tia laze, về mặt lý thuyết có thể truyền 1015/107 = 108 kênh truyền hình, cao hơn nhiều bậc so với nhu cầu hiện đại, hoặc 1013 cuộc trò chuyện qua điện thoại. Như vậy, một trong những ưu điểm của đường truyền quang là khả năng truyền tải lượng thông tin lớn nhờ dải tần siêu rộng. Làm chủ phạm vi quang học: tạo ra nguồn sáng laser, máy thu bức xạ quang bán dẫn nhạy và phát triển đèn LED sợi quang tổn thất thấp mở ra cơ hội mới cho việc tạo ra hệ thống truyền thông.

Phạm vi quang học mở ra khả năng tạo ra các hệ thống thông tin và điều khiển với các đặc điểm mà về cơ bản không thể đạt được trong phạm vi vô tuyến. Cho đến nay, nhiều hệ thống mặt đất, hàng không và không gian đã được phát triển. truyền thông quang học, tia laze, hệ thống laze để giám sát môi trường tự nhiên trong không gian vũ trụ, hệ thống trinh sát trên không, hệ thống tránh va chạm cho các vật thể chuyển động, hệ thống laze để lắp ghép tàu vũ trụ, hệ thống dẫn đường bằng laze và điều khiển vũ khí laze.

Khả năng tiềm tàng của hệ thống thông tin laser cũng như các phương pháp truyền và xử lý thông tin quang học nói chung là rất lớn. Trong nhiều bài toán, các đặc tính tối đa có thể đạt được chỉ bị giới hạn bởi hiệu ứng lượng tử. Tuy nhiên, trên thực tế, không phải lúc nào khả năng tiềm ẩn của dải quang cũng có thể được phát huy một cách hiệu quả trong thực tế. Có nhiều lý do cho việc này.

Các đặc tính hoạt động của hệ thống laser thực bị ảnh hưởng rất lớn bởi những dao động không thể tránh khỏi của nguồn bức xạ laser và những thay đổi ngẫu nhiên của các thông số. quá trình thông tin, ảnh hưởng của các loại nhiễu khác nhau, tính chất xác suất của hoạt động phát hiện ảnh. Nhiều Hệ thông thông tin phạm vi quang học được xây dựng bằng cách sử dụng kênh mở (thường là khí quyển). Đối với bức xạ laser, kênh khí quyển là kênh có môi trường truyền không đồng nhất ngẫu nhiên. Ảnh hưởng của sự hấp thụ bức xạ quang học của khí trong khí quyển, tán xạ phân tử và khí dung, sự biến dạng của cấu trúc không gian-thời gian và sự phá vỡ sự kết hợp của bức xạ laser - tất cả những điều này có tác động rõ rệt đến tiềm năng năng lượng, nguyên tắc xử lý tín hiệu thông tin và phạm vi hành động các hệ thống đang được tạo ra. Tất cả các tính năng được liệt kê cho thấy rằng việc phân tích hệ thống thông tin laser và đánh giá các đặc điểm tiềm năng và thực tế có thể đạt được của chúng không thể được thực hiện nếu không có nghiên cứu xác suất về cấu trúc của tín hiệu thông tin và nhiễu.

Cho đến nay, nhiều kết quả đã được tích lũy dựa trên phân tích xác suất của các hệ thống laser khác nhau. Tuy nhiên, hầu hết các kết quả này dường như rất khác nhau, không dựa trên một cách tiếp cận thống nhất và khá khó sử dụng trong các bài toán thực tế. Nhu cầu nghiên cứu chi tiết bổ sung về cấu trúc xác suất của tín hiệu, nhiễu và nói chung là các quá trình thông tin trong quang học vô tuyến gắn liền với nhu cầu cải tiến các mô hình toán học, giải quyết các vấn đề tối ưu hóa cấu trúc tín hiệu và hệ thống cũng như phát triển các thuật toán mới đầy hứa hẹn. để truyền, nhận, chuyển đổi và xử lý thông tin trong hệ thống thông tin quang học.

Truyền thông laser là một giải pháp thay thế cho truyền thông vô tuyến, cáp và cáp quang. Hệ thống laser có thể tạo kênh liên lạc giữa hai tòa nhà nằm cách nhau tới 1,2 km và truyền tải lưu lượng điện thoại (tốc độ từ 2 đến 34 Mbit/s), dữ liệu (tốc độ lên tới 155 Mbit/s). ) hoặc sự kết hợp của chúng. Không giống như các hệ thống vô tuyến không dây, hệ thống liên lạc laser có khả năng chống nhiễu cao và bảo mật đường truyền, vì việc truy cập thông tin trái phép chỉ có thể được lấy trực tiếp từ bộ thu phát.

Một công ty sử dụng thông tin liên lạc bằng laser để tạo kênh liên lạc tầm ngắn chính (dự phòng) sẽ không chỉ tránh được nhu cầu đặt liên lạc bằng dây mới mà còn cần phải xin phép sử dụng tần số vô tuyến. Hơn nữa, đừng cấp độ cao chi phí tổ chức một kênh truyền thông hiệu suất cao cũng như thời gian ngắn để đưa nó vào hoạt động sẽ đảm bảo thu hồi vốn đầu tư nhanh chóng. Do đó, nhiều khả năng và lợi thế không thể nghi ngờ của thiết bị laser khiến việc sử dụng nó trở thành giải pháp tốt nhất cho vấn đề tổ chức kênh liên lạc đáng tin cậy giữa hai tòa nhà.

Nghiên cứu tích cực về vi sóng bắt đầu vào giữa thế kỷ 20. Nhà vật lý người Mỹ Charles Townes quyết định tăng cường độ của chùm tia vi sóng. Sau khi kích thích các phân tử amoniac lên mức năng lượng cao thông qua nhiệt hoặc kích thích điện, nhà khoa học sau đó truyền một chùm vi sóng yếu xuyên qua chúng. Kết quả là bộ khuếch đại mạnh mẽ bức xạ vi sóng, cái mà Townes gọi là “maser” vào năm 1953. Năm 1958, Townes và Arthur Schawlow đã thực hiện bước tiếp theo: Thay vì dùng lò vi sóng, họ cố gắng khuếch đại ánh sáng khả kiến. Dựa trên những thí nghiệm này, Maiman đã tạo ra tia laser đầu tiên vào năm 1960.

Việc tạo ra tia laser giúp giải quyết được nhiều vấn đề góp phần tạo nên sự phát triển đáng kể trong khoa học và công nghệ. Điều này đã giúp vào cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 có được những phát triển như: đường truyền cáp quang, laser y tế, xử lý vật liệu bằng laser (xử lý nhiệt, hàn, cắt, khắc, v.v.), laser hướng dẫn và chỉ định mục tiêu, Máy in laser, đầu đọc mã vạch và nhiều hơn nữa. Tất cả những phát minh này đã đơn giản hóa đáng kể cuộc sống của một người bình thường và cho phép phát triển các giải pháp kỹ thuật mới.

Bài viết này sẽ trả lời các câu hỏi sau:

1) Truyền thông laser không dây là gì? Nó đã được thực hiện như thế nào?

2) Điều kiện sử dụng là gì truyền thông laser trong không gian?

3) Cần những thiết bị gì để thực hiện truyền thông laser?

Định nghĩa về truyền thông laser không dây, phương pháp thực hiện nó.

Truyền thông laser không dây là một loại truyền thông quang học sử dụng sóng điện từ trong phạm vi quang học (ánh sáng) truyền qua khí quyển hoặc chân không.

Giao tiếp laser giữa hai đối tượng chỉ được thực hiện thông qua kết nối điểm-điểm. Công nghệ này dựa trên việc truyền dữ liệu bằng cách sử dụng bức xạ điều chế ở phần hồng ngoại của quang phổ xuyên qua khí quyển. Máy phát là một diode laser bán dẫn mạnh mẽ. Thông tin đi vào mô-đun thu phát, trong đó nó được mã hóa bằng nhiều mã chống nhiễu khác nhau, được điều chế bằng bộ phát laser quang học và tập trung hệ thống quang học máy phát thành một chùm tia laser chuẩn trực hẹp và truyền vào khí quyển.

Ở đầu nhận, hệ thống quang học tập trung tín hiệu quang vào một photodiode có độ nhạy cao (hoặc photodiode tuyết lở), chuyển đổi chùm quang thành tín hiệu điện. Hơn nữa, tần số càng cao (lên tới 1,5 GHz), khối lượng thông tin được truyền đi càng lớn. Tín hiệu sau đó được giải điều chế và chuyển đổi thành tín hiệu giao diện đầu ra.

Bước sóng trong hầu hết các hệ thống được triển khai thay đổi trong khoảng 700-950 nm hoặc 1550 nm, tùy thuộc vào ứng dụng điốt laser.

Từ những điều trên cho thấy các thành phần thiết bị chính để truyền thông bằng laser là một diode laser bán dẫn và một photodiode có độ nhạy cao (photodiode tuyết lở). Chúng ta hãy xem xét nguyên tắc hoạt động của họ chi tiết hơn một chút.

Diode laser là một laser bán dẫn được chế tạo trên cơ sở một diode. Công việc của ông dựa trên sự xuất hiện của sự đảo ngược dân số ở khu vực p-n chuyển tiếp khi tiêm các chất mang điện. Một ví dụ về diode laser hiện đại được đưa ra trong Hình 1.

Điốt quang tuyết lở là thiết bị bán dẫn có độ nhạy cao, chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện do hiệu ứng quang điện. Chúng có thể được coi là bộ tách sóng quang cung cấp khả năng khuếch đại bên trong thông qua hiệu ứng nhân tuyết lở. Từ quan điểm chức năng, chúng là chất tương tự trạng thái rắn của máy nhân quang. Điốt quang tuyết lở có độ nhạy cao hơn so với các bộ tách sóng quang bán dẫn khác, cho phép chúng được sử dụng để ghi lại năng lượng ánh sáng yếu (≲ 1 nW). Một ví dụ về photodiode tuyết lở hiện đại được cung cấp trong Hình 2.

Điều kiện sử dụng thông tin liên lạc laser trong không gian.

Một trong những lĩnh vực đầy hứa hẹn để phát triển hệ thống liên lạc không gian là các hệ thống dựa trên việc truyền thông tin qua kênh laser, vì các hệ thống này có thể cung cấp thông lượng lớn hơn với mức tiêu thụ điện năng ít hơn, kích thước tổng thể và trọng lượng của thiết bị thu phát hơn những thiết bị được sử dụng trong khoảnh khắc này các hệ thống thông tin vô tuyến.

Có khả năng, hệ thống thông tin liên lạc laser không gian có thể cung cấp đặc biệt tốc độ cao luồng thông tin – từ 10-100 Mbit/s đến 1-10 Gbit/s và cao hơn.

Tuy nhiên, có một số vấn đề kỹ thuật những vấn đề cần giải quyết để triển khai các kênh liên lạc laser giữa tàu vũ trụ (SC) và Trái đất:

cần thiết độ chính xác cao hướng dẫn và theo dõi lẫn nhau ở khoảng cách từ nửa nghìn đến hàng chục nghìn km và khi các tàu sân bay di chuyển với tốc độ vũ trụ.
Các nguyên tắc nhận và truyền thông tin qua kênh laser ngày càng trở nên phức tạp hơn nhiều.
Thiết bị quang-điện tử ngày càng trở nên phức tạp hơn: quang học chính xác, cơ khí chính xác, laser bán dẫn và sợi quang, máy thu có độ nhạy cao.

Thí nghiệm thực hiện thông tin liên lạc laser không gian

Cả Nga và Hoa Kỳ đều đang tiến hành thử nghiệm triển khai hệ thống liên lạc bằng laser để truyền lượng lớn thông tin.

Hệ thống liên lạc Laser RF (SLS)

Vào năm 2013, thí nghiệm đầu tiên của Nga đã được thực hiện để truyền thông tin bằng hệ thống laser từ Trái đất đến trạm vũ trụ quốc tế (RS ISS) của Nga và quay trở lại.

Thí nghiệm không gian SLS được thực hiện với mục đích thử nghiệm và trình diễn công nghệ và thiết bị của Nga để nhận và truyền thông tin qua đường liên lạc laser không gian.

Mục tiêu của thí nghiệm là:

thử nghiệm, trong điều kiện bay vào vũ trụ trên ISS RS, các giải pháp thiết kế và công nghệ chính được tích hợp vào thiết bị tiêu chuẩn của hệ thống truyền thông tin laser giữa các vệ tinh;
phát triển công nghệ nhận và truyền thông tin bằng đường truyền laser;
nghiên cứu khả năng và điều kiện hoạt động của đường dây liên lạc laser “trên tàu vũ trụ - điểm đất»trong các điều kiện khí quyển khác nhau.

Thí nghiệm dự kiến sẽ được thực hiện trong hai giai đoạn.

Ở giai đoạn đầu tiên, hệ thống truyền-tiếp nhận được xây dựng luồng thông tin thông qua các dòng “trên tàu RS ISS–Trái đất” (3, 125, 622 Mbit/s) và “Trái đất–trên tàu RS ISS” (3 Mbit/s).

Ở giai đoạn thứ hai, người ta dự định phát triển hệ thống dẫn đường có độ chính xác cao và hệ thống truyền thông tin dọc tuyến “trên vệ tinh chuyển tiếp ISS RS”.

Hệ thống liên lạc laser ở giai đoạn đầu tiên của thí nghiệm SLS bao gồm hai hệ thống con chính:

thiết bị đầu cuối liên lạc laser trên tàu (BTLS), được lắp đặt trên đoạn Trạm vũ trụ quốc tế của Nga (Hình 3);
thiết bị đầu cuối laser mặt đất (GLT) được lắp đặt tại trạm quan sát quang học Arkhyz ở Bắc Kavkaz (Hình 4).

Đối tượng nghiên cứu giai đoạn 1 của FE:

thiết bị đầu cuối liên lạc laser trên tàu (BTLN);
thiết bị đầu cuối liên lạc laser mặt đất (GLT);
kênh truyền bức xạ khí quyển

Hình 4. Thiết bị đầu cuối laser mặt đất: gian hàng thiên văn với bộ phận cơ-quang và kính thiên văn căn chỉnh

Hệ thống liên lạc Laser (LCS) - giai đoạn 2.

Giai đoạn thứ hai của thử nghiệm sẽ được thực hiện sau khi hoàn thành thành công giai đoạn đầu tiên và sự sẵn sàng của tàu vũ trụ chuyên dụng loại “Luch” trên GEO với thiết bị đầu cuối trên tàu của hệ thống truyền thông tin laser giữa các vệ tinh. Thật không may, không thể tìm thấy thông tin về việc giai đoạn thứ hai có được thực hiện hay không trong các nguồn mở. Có lẽ kết quả thí nghiệm đã được giữ bí mật, hoặc giai đoạn thứ hai chưa bao giờ được thực hiện. Sơ đồ truyền thông tin được thể hiện trong Hình 5.

Dự án OPALS USA

Gần như đồng thời, cơ quan vũ trụ Mỹ NASA bắt đầu triển khai hệ thống laser OPALS (Tải trọng quang học cho Khoa học Lasercomm).

Michael Kokorowski, giám đốc dự án OPALS và là thành viên của Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA (JPL), cho biết: “OPALS đại diện cho địa điểm thử nghiệm đầu tiên để phát triển công nghệ liên lạc không gian bằng laser và Trạm Vũ trụ Quốc tế sẽ đóng vai trò là địa điểm thử nghiệm OPALS”. Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực, JPL) - "Các hệ thống liên lạc laser trong tương lai sẽ được phát triển dựa trên công nghệ OPALS sẽ có thể trao đổi khối lượng lớn thông tin, loại bỏ nút thắt mà trong một số trường hợp đang cản trở hoạt động nghiên cứu khoa học và doanh nghiệp thương mại."

Hệ thống OPALS là một hộp kín chứa các thiết bị điện tử được kết nối qua cáp quang với thiết bị truyền và nhận laser (Hình 6). Thiết bị này bao gồm máy chuẩn trực laser và camera theo dõi được gắn trên bệ chuyển động. Việc cài đặt OPALS sẽ được gửi tới ISS trên tàu vũ trụ Dragon, tàu sẽ phóng lên vũ trụ vào tháng 12 năm nay. Sau khi được giao, thùng chứa và máy phát sẽ được lắp đặt bên ngoài nhà ga và chương trình 90 ngày sẽ bắt đầu. kiểm tra hiện trường hệ thống.

Nguyên lý hoạt động của OPALS:

Từ Trái đất, các chuyên gia từ Phòng thí nghiệm Kính viễn vọng Truyền thông Quang học sẽ gửi một chùm ánh sáng laser về phía trạm vũ trụ, trạm này sẽ hoạt động như một đèn hiệu. Thiết bị của hệ thống OPALS, sau khi bắt được tín hiệu này, sử dụng các bộ truyền động đặc biệt, sẽ hướng máy phát của nó vào kính viễn vọng trên mặt đất, kính này sẽ đóng vai trò là máy thu và truyền tín hiệu phản hồi. Nếu không có sự can thiệp vào đường đi của chùm tia laser kênh thông tin liên lạc sẽ được cài đặt và quá trình truyền video và thông tin đo từ xa sẽ bắt đầu, lần đầu tiên sẽ kéo dài khoảng 100 giây.

Hệ thống chuyển tiếp dữ liệu châu Âu viết tắt EDRS.

Hệ thống chuyển tiếp dữ liệu châu Âu (EDRS) là một dự án do Cơ quan Vũ trụ châu Âu lên kế hoạch nhằm tạo ra một chùm vệ tinh địa tĩnh hiện đại sẽ truyền thông tin giữa các vệ tinh, tàu vũ trụ, máy bay không người lái (UAV) và các trạm mặt đất, cung cấp tốc độ nhanh hơn phương pháp truyền thống tốc độ truyền dữ liệu, ngay cả trong điều kiện thiên tai và thảm họa do con người gây ra.

EDRS sẽ sử dụng công nghệ mới truyền thông laser Thiết bị đầu cuối truyền thông laser (LCT). Thiết bị đầu cuối laser sẽ cho phép truyền thông tin với tốc độ 1,8 Gbit/s. Công nghệ LCT sẽ cho phép các vệ tinh EDRS truyền và nhận khoảng 50 terabyte dữ liệu mỗi ngày trong thời gian gần như thực.

Vệ tinh liên lạc EDRS đầu tiên dự kiến sẽ phóng vào quỹ đạo địa tĩnh vào đầu năm 2016 từ Sân bay vũ trụ Baikonur trên xe phóng Proton của Nga. Khi ở trên quỹ đạo địa không đồng bộ trên khắp châu Âu, vệ tinh sẽ tiến hành liên kết liên lạc bằng laser giữa bốn vệ tinh không người lái Sentinel-1 và Sentinel-2 hoạt động như một phần của chương trình không gian quan sát Trái đất Copernicus. phi cơ, cũng như các trạm mặt đất ở Châu Âu, Châu Phi, Châu Mỹ Latinh, Trung Đông và bờ biển phía đông bắc Hoa Kỳ.

Một vệ tinh tương tự thứ hai sẽ được phóng vào năm 2017 và việc phóng vệ tinh thứ ba được lên kế hoạch vào năm 2020. Cùng với nhau, ba vệ tinh này sẽ có thể bao phủ toàn bộ hành tinh bằng liên lạc laser.

Triển vọng phát triển thông tin liên lạc laser trong không gian.

Ưu điểm của thông tin laser so với thông tin vô tuyến:

truyền tải thông tin trên khoảng cách xa
tốc độ truyền cao
sự nhỏ gọn và nhẹ nhàng của thiết bị truyền dữ liệu
hiệu suất năng lượng

Nhược điểm của truyền thông laser:

nhu cầu định vị chính xác các thiết bị thu và truyền
các vấn đề về khí quyển (mây, bụi, v.v.)

Giao tiếp bằng laser cho phép truyền dữ liệu qua khoảng cách lớn hơn nhiều so với liên lạc vô tuyến, tốc độ truyền do nồng độ năng lượng cao và hơn thế nữa Tân sô cao sóng mang (theo bậc độ lớn) cũng cao hơn. Hiệu quả năng lượng, trọng lượng thấp và độ nén cũng tốt hơn nhiều lần hoặc thậm chí nhiều hơn. Những khó khăn về nhu cầu hướng dẫn chính xác của các thiết bị thu và truyền có thể được giải quyết bằng các phương pháp hiện đại. phương tiện kỹ thuật. Ngoài ra, các thiết bị thu trên mặt đất có thể được đặt ở những khu vực trên Trái đất nơi có số ngày mây ít.

Ngoài các vấn đề đã trình bày ở trên, còn có một vấn đề khác - sự phân kỳ và suy giảm của chùm tia laser khi đi qua bầu khí quyển. Vấn đề càng trầm trọng hơn khi chùm tia xuyên qua các lớp có mật độ khác nhau. Khi đi qua mặt phân cách giữa các môi trường, một chùm ánh sáng, bao gồm cả chùm tia laser, chịu sự khúc xạ, tán xạ và suy giảm đặc biệt mạnh. Trong trường hợp này, chúng ta có thể quan sát thấy một loại điểm sáng chính xác là do việc truyền giao diện như vậy giữa các phương tiện. Có một số ranh giới như vậy trong bầu khí quyển Trái đất - ở độ cao khoảng 2 km (lớp khí quyển thời tiết hoạt động), ở độ cao khoảng 10 km và ở độ cao khoảng 80-100 km, tức là đã ở ranh giới của không gian. . Chiều cao của các lớp được đưa ra cho các vĩ độ trung bình vào mùa hè. Đối với các vĩ độ khác và các mùa khác, độ cao và số lượng giao diện giữa các phương tiện có thể khác rất nhiều so với mô tả.

Do đó, khi đi vào bầu khí quyển Trái đất, một chùm tia laze, vốn trước đó đã di chuyển bình tĩnh hàng triệu km mà không bị tổn thất gì (có lẽ ngoại trừ một chút lệch tiêu điểm), sẽ mất đi phần sức mạnh của sư tử trong vòng vài chục km đáng tiếc. Tuy nhiên, chúng ta có thể biến thực tế này, thoạt nhìn có vẻ tồi tệ, thành lợi thế của mình. Vì thực tế này cho phép chúng ta thực hiện mà không cần bất kỳ mục tiêu nghiêm túc nào của chùm tia vào máy thu. Bởi vì với tư cách là một bộ thu như vậy, hay đúng hơn là một bộ thu chính, chúng ta có thể sử dụng chính xác những ranh giới này giữa các lớp và phương tiện. Chúng ta có thể hướng kính viễn vọng vào điểm sáng thu được và đọc thông tin từ nó. Tất nhiên, điều này sẽ làm tăng đáng kể lượng nhiễu và giảm tốc độ truyền dữ liệu. Và nó sẽ khiến điều đó hoàn toàn không thể thực hiện được vào ban ngày. Nhưng điều này sẽ giúp giảm giá thành của tàu vũ trụ bằng cách tiết kiệm hệ thống dẫn đường. Điều này đặc biệt đúng đối với các vệ tinh có quỹ đạo không cố định, cũng như đối với tàu vũ trụ để nghiên cứu không gian sâu.

Hiện tại, nếu chúng ta xem xét mối liên hệ “Trái đất - tàu vũ trụ và tàu vũ trụ - Trái đất”, giải pháp tối ưu là sự kết hợp của truyền thông laser và vô tuyến. Việc truyền dữ liệu từ tàu vũ trụ đến Trái đất bằng liên lạc laser và từ Trái đất đến tàu vũ trụ bằng liên lạc vô tuyến là khá thuận tiện và hứa hẹn. Điều này là do mô-đun thu laser là một hệ thống khá cồng kềnh (thường là kính thiên văn), thu giữ bức xạ laser và chuyển nó thành tín hiệu điện, sau đó được khuếch đại bằng các phương pháp đã biết và chuyển đổi thành tín hiệu điện. thông tin hữu ích. Một hệ thống như vậy không dễ cài đặt trên tàu vũ trụ, vì hầu hết các yêu cầu đều là sự nhỏ gọn và trọng lượng thấp. Đồng thời, bộ phát tín hiệu laser có kích thước và trọng lượng nhỏ so với ăng-ten để truyền tín hiệu vô tuyến.

Chúa tể đen Tháng Giêng 4, 2015 lúc 05:04

Các biến thể về chủ đề truyền thông laser không gian

du hành vũ trụ

Một trong những chủ đề hiện nay về du hành vũ trụ thương mại, và không chỉ vậy, là chủ đề về truyền thông laser. Lợi ích của nó đã được biết đến, các thử nghiệm đã được thực hiện và thành công hoặc rất thành công. Nếu ai chưa biết ưu nhược điểm thì mình sẽ tóm tắt ngắn gọn.

Truyền thông bằng laser cho phép truyền dữ liệu ở khoảng cách xa hơn nhiều so với truyền thông vô tuyến; do mức độ tập trung năng lượng cao và tần số sóng mang cao hơn nhiều (theo bậc độ lớn), tốc độ truyền cũng cao hơn. Hiệu quả năng lượng, trọng lượng thấp và độ nén cũng tốt hơn nhiều lần hoặc thậm chí nhiều hơn. Cũng như chi phí - về nguyên tắc, một con trỏ laser thông thường của Trung Quốc có công suất khoảng 1 W trở lên cũng có thể phù hợp để liên lạc bằng laser trong không gian, điều mà tôi dự định chứng minh dưới đây.

Trong số những điểm hạn chế, trước hết chúng ta có thể đề cập đến nhu cầu hướng dẫn chính xác hơn nhiều về các mô-đun thu và phát liên quan đến liên lạc vô tuyến. Vâng, có những vấn đề khí quyển nổi tiếng với mây và bụi. Trên thực tế, tất cả những vấn đề này có thể được giải quyết dễ dàng nếu bạn tiếp cận chúng một cách trực tiếp.

Trước hết, hãy xem mô-đun nhận hoạt động như thế nào. Nó là một kính thiên văn chuyên dụng (không phải luôn luôn) có chức năng thu bức xạ laser và biến nó thành tín hiệu điện, sau đó được khuếch đại bằng các phương pháp đã biết và chuyển đổi thành thông tin hữu ích. Truyền thông, tất nhiên, giống như mọi nơi khác hiện nay, phải là kỹ thuật số và theo đó là song công hoàn toàn. Nhưng nó có nên là tia laser theo cả hai hướng? Hoàn toàn không cần thiết! Tại sao điều này lại như vậy sẽ trở nên rõ ràng với chúng ta, chúng ta chỉ cần xem xét các thiết bị thu và phát để liên lạc bằng laser khác nhau như thế nào cũng như các yêu cầu về thông số trọng lượng và kích thước của các thiết bị liên lạc trên tàu vũ trụ quỹ đạo (hoặc tàu vũ trụ không gian sâu) và mặt đất. các phức hợp dựa trên khác nhau.

Như đã đề cập trước đó, tổ hợp tiếp nhận là kính thiên văn. Với thấu kính và (hoặc) gương phản xạ, một hệ thống để gắn chúng và hướng kính thiên văn. Và điều này có nghĩa là một thiết kế nặng nề và cồng kềnh - điều hoàn toàn không thể chấp nhận được đối với một con tàu vũ trụ. Bởi vì đối với tàu vũ trụ, bất kỳ thiết bị nào cũng phải nhẹ và gọn nhất có thể. Điều này khá điển hình đối với máy phát LI - mọi người có lẽ đã từng nhìn thấy tia laser PP hiện đại có kích thước và trọng lượng bằng một chiếc bút máy. Đúng là nguồn cấp năng lượng cho một tia laze thực sự, không phải đồ chơi sẽ nặng hơn, nhưng đối với các hệ thống liên lạc kỹ thuật số vô tuyến, nó sẽ còn nặng hơn nhiều do hiệu suất sử dụng năng lượng thấp hơn nhiều.

Điều gì xảy ra sau tất cả những điều này? Điều này có nghĩa là hoàn toàn không cần phải truyền dữ liệu theo cả hai hướng bằng tia laser; chỉ cần truyền dữ liệu từ vệ tinh trong kênh quang và đến vệ tinh (SC) trong kênh vô tuyến, như trước đây. Tất nhiên, điều này có nghĩa là bạn vẫn sẽ phải sử dụng tính năng định hướng anten parabolđể lấy, điều này không tốt cho trọng lượng của tàu vũ trụ. Nhưng cần lưu ý rằng ăng-ten để thu sóng, giống như bản thân máy thu, vẫn sẽ nặng hơn nhiều lần so với ăng-ten để truyền. Bởi vì chúng ta có thể làm cho công suất của máy phát trên mặt đất có cường độ lớn hơn sức mạnh của tàu vũ trụ, điều đó có nghĩa là chúng ta không cần ăng-ten lớn. Trong một số trường hợp, ăng-ten định hướng hoàn toàn không cần thiết.

Cái đó. chúng tôi đã giảm trọng lượng của tàu vũ trụ gần như nhiều lần, cũng như mức tiêu thụ năng lượng. Đây là con đường trực tiếp dẫn tới khả năng sử dụng rộng rãi các vệ tinh vi mô cho mục đích liên lạc, thám hiểm không gian và các nhu cầu khác, đồng nghĩa với việc giảm đáng kể chi phí không gian. Nhưng đó không phải là tất cả.

Đầu tiên, chúng ta hãy xem xét một cách giải quyết vấn đề hướng chùm tia laser từ vệ tinh đến máy thu trên mặt đất. Thoạt nhìn, vấn đề rất nghiêm trọng và trong một số trường hợp, hoàn toàn không thể giải quyết được (nếu vệ tinh không ở trạm địa tĩnh). Nhưng câu hỏi đặt ra là: có cần thiết phải hướng chùm tia vào máy thu hay không?

Ăn vấn đề được biết- đây là độ phân kỳ và độ suy giảm của chùm tia laser khi truyền qua khí quyển. Vấn đề càng trầm trọng hơn khi chùm tia xuyên qua các lớp có mật độ khác nhau. Khi đi qua giao diện giữa các phương tiện, một chùm ánh sáng, bao gồm. và chùm tia laser chịu sự khúc xạ, tán xạ và suy giảm đặc biệt mạnh. Trong trường hợp này, chúng ta có thể quan sát thấy một loại điểm sáng chính xác là do việc truyền giao diện như vậy giữa các phương tiện. Có một số ranh giới như vậy trong bầu khí quyển Trái đất - ở độ cao khoảng 2 km (lớp khí quyển thời tiết hoạt động), ở độ cao khoảng 10 km và ở độ cao khoảng 80-100 km, tức là đã ở ranh giới của không gian. . Chiều cao của các lớp được đưa ra cho các vĩ độ trung bình vào mùa hè. Đối với các vĩ độ khác và các mùa khác, độ cao và số lượng giao diện giữa các phương tiện có thể khác rất nhiều so với mô tả.

Cái đó. Khi đi vào bầu khí quyển Trái đất, một chùm tia laser, vốn trước đó đã di chuyển bình tĩnh hàng triệu km mà không bị tổn thất gì (có lẽ ngoại trừ một chút lệch tiêu điểm), sẽ mất đi phần sức mạnh lớn nhất của nó trong khoảng vài chục km đáng tiếc. Tuy nhiên, chúng ta rất có thể biến thực tế có vẻ tồi tệ này thành lợi thế của mình. Vì thực tế này cho phép chúng ta thực hiện mà không cần bất kỳ mục tiêu nghiêm túc nào của chùm tia vào máy thu. Đối với một bộ thu như vậy, hay đúng hơn là một bộ thu chính, chúng ta có thể sử dụng chính bầu khí quyển của Trái đất, hay đúng hơn là chính những ranh giới giữa các lớp và môi trường. Chúng ta có thể chỉ cần hướng kính thiên văn vào điểm sáng thu được và đọc thông tin từ đó. Tất nhiên, điều này sẽ làm tăng đáng kể lượng nhiễu và giảm tốc độ truyền dữ liệu. Và nó sẽ hoàn toàn không thể thực hiện được vào ban ngày vì những lý do hiển nhiên - mặt trời! Nhưng chúng ta có thể giảm chi phí của vệ tinh đến mức nào bằng cách tiết kiệm hệ thống dẫn đường! Điều này đặc biệt đúng đối với các vệ tinh có quỹ đạo không cố định, cũng như đối với tàu vũ trụ để nghiên cứu không gian sâu. Ngoài ra, hãy xem xét rằng tia laser, ngay cả với dải tần chất lượng thấp, không hẹp như tia laser của Trung Quốc, trên thực tế có thể được lọc khỏi nhiễu bằng cách sử dụng bộ lọc ánh sáng hoặc bộ tách sóng quang tần số hẹp.

Không kém phần phù hợp có thể là việc sử dụng liên lạc bằng laser không phải cho không gian mà cho liên lạc đường dài trên mặt đất theo cách tương tự như liên lạc ở tầng đối lưu. Điều này đề cập đến việc truyền dữ liệu bằng tia laser cũng sử dụng sự tán xạ khí quyển tại các giao diện của các lớp khí quyển từ điểm này đến điểm khác trên bề mặt Trái đất. Phạm vi liên lạc như vậy có thể lên tới hàng trăm, hàng nghìn km, thậm chí còn hơn thế khi sử dụng nguyên lý chuyển tiếp.

Tags: liên lạc laser, không gian

Ưu điểm của kênh laser so với kênh vô tuyến là trước hết nó không tạo ra nhiễu sóng vô tuyến; thứ hai, nó bí mật hơn; thứ ba, nó có thể được sử dụng trong điều kiện tiếp xúc với mức bức xạ điện từ cao.

Sơ đồ nguyên lý của máy phát được hiển thị trong Hình 1. Bộ phát bao gồm một bộ mã hóa lệnh được chế tạo trên vi điều khiển ATtiny2313 (DD1), khối đầu ra trên các bóng bán dẫn BC847V (VT1, VT2) và giao diện RS-232, lần lượt bao gồm một đầu nối DB9-F (dành cho cáp) (XP1) và bộ chuyển đổi mức - trên MAX3232 (DD3).

Mạch reset vi điều khiển gồm các phần tử DD2 (CD4011B), R2, C7. Bộ đầu ra là một công tắc điện tử được chế tạo trên bóng bán dẫn VT1, trong mạch thu trong đó con trỏ laser được kết nối thông qua bộ giới hạn dòng điện trên bóng bán dẫn VT2. Máy phát được cấp nguồn bằng điện áp ổn định không đổi 9 - 12 V. Các vi mạch DD1, DD2, DD3 được cấp nguồn bằng điện áp 5V, được xác định bởi bộ ổn định 78L05 (DA1).

Bộ điều khiển DD1 được lập trình trong môi trường BASCOM, cho phép nó gửi lệnh từ máy tính cá nhân(PC) qua giao diện RS-232, từ thiết bị đầu cuối Bascom, sử dụng chức năng “echo”.

Bộ vi điều khiển có tần số đồng hồ 4 MHz từ bộ dao động bên trong. Các gói xung có tần số khoảng 1,3 KHz từ đầu ra OS0A (PB2) được cung cấp cho khối đầu ra. Số lượng xung trong một gói được xác định bởi số lượng lệnh nhận được từ PC.
Để nhập lệnh, bạn cần nhấn phím bất kỳ trên bàn phím PC, sau đó khi xuất hiện dòng chữ “Write command” và “Enter No. 1...8” thì nhập một số từ 1 đến 8 rồi nhấn “Enter”. chìa khóa.

Chương trình dành cho bộ vi điều khiển máy phát “TXlaser” bao gồm một vòng lặp chính (DO...LOOP) và hai quy trình xử lý ngắt: để nhận (Urxc) và để tràn bộ định thời 0 (Timer0).

Để có được tần số đầu ra là 1,3 KHz, bộ hẹn giờ được cấu hình với hệ số phân chia tần số (Prescale) = 1024. Ngoài ra, việc đếm bắt đầu từ giá trị thấp hơn Z = 253 (ở mức cao trên PB2) và đạt tới 255. Bộ hẹn giờ ngắt tràn xảy ra khi quá trình xử lý chuyển đổi đầu ra của PB2 và bộ hẹn giờ lại được đặt thành giá trị Z = 253. Do đó, tín hiệu có tần số 1,3 KHz xuất hiện ở đầu ra của PB2 (xem Hình 2). Trong cùng một chương trình con, số xung trên PB2 được so sánh với xung đã chỉ định và nếu chúng bằng nhau thì bộ đếm thời gian sẽ dừng.

Trong chương trình con xử lý ngắt thu, số xung cần truyền được đặt (1 – 8). Nếu con số này lớn hơn 8, thông báo “ERROR” sẽ được hiển thị trong thiết bị đầu cuối.

Trong quá trình hoạt động của chương trình con, chân PD6 xuất hiện cấp thấp(Đèn LED HL1 tắt) và bộ hẹn giờ dừng lại.
Trong vòng lặp chính, chân PD6 ở mức cao và đèn LED HL1 được bật.
Nội dung chương trình "TXlaser":

$regfile = "attiny2313a.dat"
$pha lê = 1000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$kích thước khung hình = 32

Config Pind.0 = Nhập "UART - RxD
Config Portd.1 = Đầu ra "UART - TxD
Config Portd.6 = Đầu ra "LED HL1
Config Portb.2 = Đầu ra "đầu ra OC0A

"cấu hình bộ định thời hệ số chia 0 = 1024:
Cấu hình Hẹn giờ0 = Hẹn giờ, Đặt tỷ lệ = 1024
Dừng bộ hẹn giờ0 "dừng bộ hẹn giờ

Dim N As Byte "định nghĩa biến"
Dim N0 dưới dạng Byte

Const Z = 253 "giới hạn dưới của bộ đếm thời gian cho tần số đầu ra = 1,3 KHz
Hẹn giờ0 = Z

Trên Urxc Rxd "chương trình con xử lý ngắt tiếp nhận
Bật xung Hẹn giờ 0 "thói quen ngắt tràn"

Kích hoạt Urxc
Kích hoạt bộ hẹn giờ0

Thực hiện "vòng lặp chính
Đặt Portd.6"bật đèn LED HL1
Vòng

Rxd: "nhận chương trình con xử lý ngắt
Dừng bộ hẹn giờ0
M1:
In "Viết lệnh"
Nhập lệnh "Nhập số 1...8:" , N0 "
Nếu N0 > 8 Thì "giới hạn số lượng lệnh
In "Lỗi"
Goto M1
Kết thúc nếu
N0 = N0 * 2
N0 = N0 - 1" giá trị cài đặt của số lượng xung trong một gói
Chuyển đổi cổngb.2
Bắt đầu hẹn giờ0 "bắt đầu hẹn giờ
Trở lại

Xung: "thói quen xử lý ngắt tràn"
Dừng bộ hẹn giờ0
Chuyển đổi cổngb.2
Reset Portd.6"tắt đèn LED
Hẹn giờ0 = Z
N = N + 1" tăng số xung
Nếu N = N0 Thì "nếu số xung = được chỉ định
N=0
N0 = 0
Chờ 500" độ trễ 0,5 giây
Khác
Bắt đầu hẹn giờ 0" nếu không thì tiếp tục đếm
Kết thúc nếu
Trở lại
Kết thúc "kết thúc chương trình

Bộ phát được chế tạo trên bảng mạch in có kích thước 46x62 mm (xem Hình 3). Tất cả các phần tử, ngoại trừ bộ vi điều khiển, đều là loại SMD. Bộ vi điều khiển ATtiny2313 được sử dụng trong gói DIP. Nên đặt nó trong bảng điều khiển dành cho chip DIP TRS (SCS) - 20 để có thể lập trình lại nó một cách “không đau đớn”.

Bảng mạch in Bộ phát TXD.PCB được đặt trong thư mục “FILE PCAD”.
Sơ đồ nguyên lý của bộ thu kênh laser được hiển thị trong Hình 4. Ở đầu vào của bộ khuếch đại thứ nhất DA3.1 (LM358N), bộ lọc thông thấp được hình thành bởi các phần tử CE3, R8, R9 và có tần số cắt là 1 KHz làm giảm nhiễu nền 50 -100 KHz từ thiết bị chiếu sáng. Bộ khuếch đại DA3.2 và DA4.2 khuếch đại và tăng thời lượng xung nhận được của tín hiệu hữu ích. Bộ so sánh trên DA4.1 tạo ra tín hiệu đầu ra (một), được cung cấp thông qua bộ biến tần của chip CD4011D (DD2) - DD2.1, DD2. Tín hiệu đồng bộ đến các tiếp điểm của vi điều khiển ATtiny2313 (DD1) – T0 (PB4) và PB3. Do đó, Bộ định thời 0, hoạt động ở chế độ đếm xung bên ngoài và Bộ định thời 1, đo thời gian của bộ đếm này, được khởi chạy đồng bộ. Bộ điều khiển DD1, thực hiện chức năng của bộ giải mã, hiển thị các lệnh đã nhận 1...8 bằng cách cài đặt log.1 trên các chân PORTB, tương ứng là PB0...PB7, trong khi lệnh tiếp theo đến sẽ đặt lại lệnh trước đó. Khi lệnh “8” đến PB7, log.1 xuất hiện, với sự trợ giúp của chìa khóa điện tử trên bóng bán dẫn VT1, bật rơle K1.

Máy thu được cấp nguồn điện áp không đổi 9 -12V. Các bộ phận analog và kỹ thuật số được cấp nguồn bằng điện áp 5V, được xác định bởi các bộ ổn định loại 78L05 DA5 và DA2.

Trong chương trình RXlaser, Bộ hẹn giờ 0 được cấu hình như một bộ đếm các xung bên ngoài và Bộ hẹn giờ 1 là bộ hẹn giờ đếm khoảng thời gian truyền qua số xung tối đa có thể (lệnh 8).

Trong chu kỳ chính (DO...LOOP), Bộ hẹn giờ 1 được bật khi nhận được xung lệnh đầu tiên (K=0), điều kiện cho phép đưa bộ hẹn giờ Z=1 vào được đặt lại.
Trong chương trình con xử lý ngắt, khi số đếm của Bộ định thời1 trùng với giá trị của số đếm tối đa có thể, số lệnh sẽ được đọc và đặt trong PORTB. Điều kiện để bật Bộ hẹn giờ 1 cũng được đặt - Z=0.
Nội dung của chương trình RXlaser:

$regfile = "attiny2313a.dat"
$pha lê = 4000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$kích thước khung hình = 32

Ddrb = 255 "PORTB - tất cả đầu ra
Cổng = 0
Ddrd = 0 "đầu vào PORTD
Portd = PORTD kéo lên 255"
Config Time0 = Counter , Prescale = 1 , Edge = Falling "dưới dạng bộ đếm xung
Cấu hình Bộ hẹn giờ1 = Hẹn giờ, Đặt tỷ lệ = 1024, Xóa bộ hẹn giờ = 1" làm bộ hẹn giờ
Dừng bộ hẹn giờ1
Bộ hẹn giờ1 = 0
Bộ đếm0 = 0

"định nghĩa biến:
Dim X dưới dạng byte
Dim Comm dưới dạng byte
Dim Z Như Bit
Dim K Như Bit

X =80
Compare1a = X" số xung trong thanh ghi so khớp
Z=0

Trên Compare1a Pulse "ngắt thói quen do trùng hợp ngẫu nhiên

Kích hoạt ngắt
Bật So sánh1a

Thực hiện "vòng lặp chính
Nếu Z = 0 thì "điều kiện đầu tiên để bật bộ hẹn giờ
K = Portd.3
Nếu K = 0 thì "điều kiện thứ hai để bật bộ hẹn giờ
Bắt đầu hẹn giờ1
Z=1
Kết thúc nếu
Kết thúc nếu
Vòng

Xung: "xử lý ngắt chương trình con do trùng hợp ngẫu nhiên
Dừng bộ hẹn giờ1
Comm = Counter0"đọc từ bộ đếm xung bên ngoài
Comm = Comm - 1" định nghĩa số bit trong cổng
Portb = 0 "port zeroing
Set Portb.comm "đặt bit tương ứng với số lệnh
Z=0
Bộ đếm0 = 0
Bộ hẹn giờ1 = 0
Trở lại
Kết thúc "kết thúc chương trình

Các chương trình "TXlaser" và "RXlaser" được đặt trong thư mục Lazer_prog.

Bộ thu được đặt trên một tấm bảng có kích thước 46x62 mm (xem Hình 5). Tất cả các thành phần đều là loại SMD, ngoại trừ bộ vi điều khiển, phải được đặt trong bảng điều khiển dành cho chip DIP loại TRS(SCS) - 20.

Việc thiết lập bộ thu bao gồm việc thiết lập hệ số truyền từ đầu đến cuối và ngưỡng phản hồi của bộ so sánh. Để giải quyết vấn đề đầu tiên, cần kết nối máy hiện sóng với chân 7 của DA4.2 và bằng cách chọn giá trị R18 để đặt hệ số truyền từ đầu đến cuối sao cho biên độ phát ra nhiễu tối đa quan sát được trên màn hình. không vượt quá 100mV. Sau đó, máy hiện sóng chuyển sang chân 1 của DA4.1 và chọn điện trở (R21) sẽ đặt mức 0 của bộ so sánh. Bằng cách bật máy phát và hướng chùm tia laser tới photodiode, bạn cần đảm bảo rằng các xung hình chữ nhật xuất hiện ở đầu ra của bộ so sánh.
Bảng mạch máy thu RXD.PCB cũng nằm trong thư mục FILE PCAD.

Có thể tăng khả năng chống nhiễu của kênh laser bằng cách điều chế tín hiệu với tần số sóng mang phụ là 30 – 36 KHz. Việc điều chế các chuỗi xung xảy ra trong máy phát, trong khi máy thu chứa bộ lọc thông dải và bộ dò biên độ.

Sơ đồ của máy phát như vậy (máy phát 2) được hiển thị trong Hình 6. Không giống như máy phát 1 đã thảo luận ở trên, máy phát 2 có một bộ tạo sóng mang phụ được điều chỉnh ở tần số 30 KHz và được lắp ráp trên các khe DD2.1, DD2.4.. Bộ tạo này cung cấp khả năng điều chế các chùm xung dương.

Bộ thu kênh laser có tần số sóng mang phụ (bộ thu 2) được lắp ráp trên vi mạch trong nước K1056UP1 (DA1). Mạch thu được hiển thị trong Hình 7. Để cách ly các xung lệnh, một bộ dò biên độ với bộ lọc thông thấp và bộ chuẩn hóa xung, được lắp ráp trên các phần tử logic DD3.1, DD3.2, cụm diode DA3 và C9, R24, được kết nối với đầu ra của vi mạch DA1 10 . Ngược lại mạch của máy thu 2 trùng với mạch của máy thu 1.

Truyền thông quang học được thực hiện bằng cách truyền thông tin bằng sóng điện từ phạm vi quang học. Một ví dụ về truyền thông quang học là việc truyền tải các thông điệp được sử dụng trước đây bằng cách sử dụng bảng chữ cái fire hoặc semaphore. Vào những năm 60 của thế kỷ 20, tia laser đã được tạo ra và người ta có thể xây dựng các hệ thống liên lạc quang học băng thông rộng để truyền không chỉ tín hiệu điện thoại mà còn cả tín hiệu truyền hình và máy tính.
Hệ thống thông tin quang học được chia thành mở, trong đó tín hiệu được truyền trong khí quyển hoặc không gian và đóng, nghĩa là sử dụng các ống dẫn ánh sáng. . Dưới đây chỉ xem xét các đường dây liên lạc trong khí quyển mở.
Một hệ thống liên lạc khí quyển quang học giữa hai điểm bao gồm hai thiết bị thu phát được ghép nối nằm trong tầm nhìn ở cả hai đầu của đường dây và hướng về phía nhau. Máy phát chứa một máy phát laser và bộ điều biến bức xạ quang của nó bằng tín hiệu truyền đi. Chùm tia laser đã điều chế được hệ thống quang học chuẩn trực và hướng về phía máy thu. Trong máy thu, bức xạ được tập trung vào bộ tách sóng quang, nơi nó được phát hiện và thông tin truyền đi được cách ly. Do chùm tia laser được truyền giữa các điểm liên lạc trong khí quyển nên sự phân bố của nó phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết, sự hiện diện của khói, bụi và các chất gây ô nhiễm không khí khác. Ngoài ra, hiện tượng nhiễu loạn được quan sát thấy trong khí quyển, dẫn đến sự dao động chiết suất của môi trường, dao động chùm tia và biến dạng tín hiệu thu được. Tuy nhiên, mặc dù vấn đề được đề cập, liên lạc bằng laser trong khí quyển hóa ra khá đáng tin cậy ở khoảng cách vài km và đặc biệt hứa hẹn giải quyết vấn đề mới nhất là sự lan truyền của bức xạ laser trong khí quyển đi kèm với một số hiện tượng tương tác tuyến tính và phi tuyến của ánh sáng. Hơn nữa, không có hiện tượng nào trong số này biểu hiện riêng biệt. Về mặt định tính, những hiện tượng này có thể được chia thành ba nhóm chính: sự hấp thụ và tán xạ bởi các phân tử khí trong không khí, sự suy giảm bởi các sol khí (bụi, mưa, tuyết, sương mù) và dao động bức xạ. do nhiễu loạn khí quyển. Các hạn chế chính của phạm vi ALS là tuyết dày và sương mù dày, do đó sự truyền của chùm tia laser cũng bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi nhiễu loạn khí quyển, tức là những thay đổi không gian ngẫu nhiên trong khúc xạ. chỉ số gây ra bởi sự chuyển động của không khí, sự dao động về nhiệt độ và mật độ của nó. Do đó, sóng ánh sáng truyền trong khí quyển không chỉ bị hấp thụ mà còn có sự dao động của công suất truyền đi.
Sự nhiễu loạn của khí quyển dẫn đến sự biến dạng của mặt sóng và do đó dẫn đến sự dao động và giãn nở của chùm tia laser cũng như sự phân phối lại năng lượng trong mặt cắt ngang của nó. Trong mặt phẳng của ăng-ten thu, điều này thể hiện ở sự xen kẽ hỗn loạn của các điểm tối và sáng với tần số từ một phần hertz đến vài kilohertz. Trong trường hợp này, hiện tượng mất tín hiệu đôi khi xảy ra (thuật ngữ này được mượn từ liên lạc vô tuyến) và kết nối trở nên không ổn định. Sự mờ dần rõ rệt nhất khi thời tiết nắng trong, đặc biệt là trong những tháng hè nóng nực, trong những giờ bình minh và hoàng hôn và khi có gió mạnh, hệ thống ALS không chỉ có thể được sử dụng ở “dặm cuối” của các kênh liên lạc mà còn như các thiết bị chèn. đường cáp quang ở một số vùng khó khăn; để liên lạc trong điều kiện miền núi, tại sân bay, giữa các tòa nhà riêng lẻ của một tổ chức (cơ quan chính phủ, trung tâm mua sắm, doanh nghiệp công nghiệp, khuôn viên trường đại học, khu liên hợp bệnh viện, công trường, v.v.); khi tạo các mạng máy tính cục bộ phân tán về mặt không gian; khi tổ chức liên lạc giữa các trung tâm chuyển mạch và trạm gốc mạng di động; để nhanh chóng đặt đường dây với thời gian lắp đặt hạn chế. Vì vậy, trong Gần đây sự quan tâm của các nhà sản xuất trong nước đối với lĩnh vực mới và đầy hứa hẹn này ngày càng tăng

Sơ đồ chức năng của hệ thống liên lạc laser rất đơn giản:

· bộ xử lý nhận tín hiệu từ nhiều nguồn khác nhau thiết bị tiêu chuẩn(Fax Điện thoại, tổng đài kỹ thuật số, mạng máy tính cục bộ) và chuyển đổi chúng thành dạng có thể chấp nhận được để truyền bằng modem laser;

· tín hiệu đã chuyển đổi được truyền đi bởi thiết bị quang điện dưới dạng bức xạ hồng ngoại;

· về phía thu, ánh sáng do hệ thống quang học thu được sẽ rơi vào bộ tách sóng quang, tại đây nó được chuyển đổi trở lại thành tín hiệu điện;

· Tín hiệu điện được khuếch đại và xử lý được gửi đến bộ phận xử lý tín hiệu, nơi nó được khôi phục về dạng ban đầu.

Việc truyền và nhận được thực hiện bởi mỗi modem được ghép nối đồng thời và độc lập với nhau. Modem laser được lắp đặt sao cho trục quang của bộ thu phát trùng nhau. Khó khăn chính là điều chỉnh hướng trục quang của bộ thu phát. Góc phân kỳ của chùm tia phát dao động từ vài phút cung đến 0,5° đối với các kiểu máy khác nhau và độ chính xác điều chỉnh phải tương ứng với các giá trị này.

Sau khi cài đặt các bộ thu phát, bạn cần kết nối chúng với mạng cápở cả hai tòa nhà. Có nhiều mẫu thiết bị với nhiều giao diện khác nhau, tuy nhiên, không giống như các nhà cung cấp thiết bị liên lạc vô tuyến, các nhà sản xuất hệ thống quang học không dây tuân thủ hệ tư tưởng kết nối chung sau: đường dây liên lạc laser là sự mô phỏng của một đoạn cáp (hai cặp xoắn hoặc hai sợi cáp quang). Kết nối thông qua quang học không dây mạng cục bộ hoạt động như thể chúng được kết nối bằng cáp chuyên dụng. Một số mẫu modem laser có giao diện kết hợp để Mạng Ethernet và luồng E1. Kết quả là, một liên kết khí quyển có thể kết nối mạng LAN và mạng điện thoại các tòa nhà mà không cần sử dụng bộ ghép kênh.

Đây là hình dáng của một hệ thống liên lạc laser khí quyển được lắp đặt. Thông lượng hệ thống là 100Mbit/giây ở khoảng cách lên tới 3! km. hình chụp:

Một số cầu nối từ xa không dây được sử dụng để truyền dữ liệu bức xạ hồng ngoại laze. Thông thường, một thiết bị như vậy chứa cầu nối Ethernet có dây truyền thống và modem laser cung cấp khả năng liên lạc vật lý. Nói cách khác, thiết bị laser chỉ gửi các bit dữ liệu và phần còn lại của công việc được thực hiện bởi một cầu nối thông thường. Modem laser tạo ra bức xạ có bước sóng 820 nm, không thể phát hiện được nếu không có dụng cụ đặc biệt. Rõ ràng, đối với cầu laser, bộ phát và bộ thu phải nằm trên một đường thẳng hiển thị. Khoảng cách điển hình giữa các cây cầu là hơn 1 km một chút và bị giới hạn bởi năng lượng laser.
Một trong những ưu điểm chính của các hệ thống như vậy là thông lượng cao. Thứ hai Ưu điểm là có đủ khả năng chống ồn vì bức xạ hồng ngoại không tương tác với sóng vô tuyến. Giống như hệ thống cáp quang, cầu laser cung cấp mức độ bảo mật cao. Để chặn thông tin, cần đặt thiết bị thích hợp trên đường truyền tia, thứ nhất, thiết bị này có thể dễ dàng phát hiện và thứ hai, điều này rất khó thực hiện vì các hệ thống như vậy được lắp đặt trên mái của các tòa nhà cao tầng. Nhược điểm của hệ thống dựa trên laser là ảnh hưởng của điều kiện thời tiết đến sự ổn định của thông tin liên lạc. Mưa lớn, tuyết hoặc sương mù sẽ gây ra sự tán xạ chùm tia đáng kể và làm suy yếu tín hiệu. Kết nối cũng có thể bị ảnh hưởng bởi bình minh hoặc hoàng hôn nếu kênh hướng từ đông sang tây.
Cầu nối không dây được sử dụng để kết nối mạng vĩnh viễn, như một liên kết dự phòng hoặc như một giải pháp tạm thời. Nhiều công ty tham gia vào quá trình sản xuất của họ. Giá cả tùy theo băng thông và khoảng cách liên lạc dao động từ 5 đến 75 nghìn đô la cho mỗi kênh. Đắt tiền, nhưng theo thời gian, giải pháp này có thể mang lại hiệu quả.

2,5 Gbit/s trên chùm tia laze

fSONA Communications đã giới thiệu hệ thống liên lạc quang học không dây mới, SONAbeam 2500-M, cho phép tốc độ truyền dữ liệu khoảng 2,5 Gbit/s. Hệ thống này dựa trên bốn máy phát dự phòng hoạt động ở bước sóng 1550 nm với công suất đầu ra tín hiệu laser là 560 mW. Trên địa điểm thử nghiệm dài 5 km trong thời tiết quang đãng, hệ thống hoạt động ở tốc độ tối đa và hầu như không có lỗi.

Câu hỏi kiểm soát

1. Những công nghệ nào được sử dụng để tạo ra mạng không dây?

2. Liệt kê các công nghệ chính của mạng vô tuyến.

3. T là gì các điểm truy cập(điểm truy cập)?

4. Mô tả công nghệ 802.11 là gì? Ăng-ten định hướng và đa hướng là gì?

5. Là gì chuyển vùng(chuyển vùng).?

6. Liệt kê các công nghệ thay thế chuẩn IEEE 802.11;

7. Đặc điểm công nghệ Bluetooth.

8. Đặc điểm công nghệ HiperLAN.

9. Mạng quang là gì?

10. Hệ thống vi sóng là gì?

11. Mô tả chuẩn IEEE 802.16 (WiMAX)?