Чёрный властелин 4 января 2015 в 05:04

Вариации на тему космической лазерной связи

• Космонавтика

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Теги: лазерная связь, космос

Сегодня невозможно представить себе нашу жизнь без компьютеров и сетей на их основе. Человечество стоит на пороге нового мира, в котором будет создано единое информационное пространство. В этом мире осуществлению коммуникаций больше не будут препятствовать ни физические границы, ни время, ни расстояния.

Сейчас во всем мире существует огромное количество сетей, выполняющих различные функции и решающих множество разнообразных задач. Раньше или позже, но всегда наступает момент, когда пропускная способность сети бывает исчерпана и требуется проложить новые линии связи. Внутри здания это сделать относительно легко, но уже при соединении двух соседних зданий начинаются сложности. Требуются специальные разрешения, согласования, лицензии на проведение работ, а также выполнение целого ряда сложных технических требований и удовлетворение немалых финансовых запросов организаций, распоряжающихся землей или канализацией. Как правило, сразу же выясняется, что самый короткий путь между двумя зданиями - это не прямая. И совсем необязательно, что длина этого пути будет сопоставима с расстоянием между этими зданиями.

Конечно, всем известно беспроводное решение на основе различного радиооборудования (радиомодемов, малоканальных радиорелейных линий, микроволновых цифровых передатчиков). Но количество сложностей не уменьшается. Эфир перенасыщен и получить разрешение на использование радиооборудования весьма непросто, а иногда - даже невозможно. Да и пропускная способность этого оборудования существенно зависит от его стоимости.

Мы предлагаем воспользоваться новым экономичным видом беспроводной связи, который возник совсем недавно, - лазерной связью. Наибольшее развитие эта технология получила в США, где и была разработана. Лазерная связь обеспечивает экономичное решение проблемы надежной и высокоскоростной ближней связи (1,2 км), которая может возникнуть при объединении телекоммуникационных систем разных зданий. Ее использование позволит осуществить интеграцию локальных сетей с глобальными, интеграцию удаленных друг от друга локальных сетей, а также обеспечить нужды цифровой телефонии. Лазерная связь поддерживает все необходимые для этих целей интерфейсы - от RS-232 до АТМ.

Как осуществляется связь

Лазерная связь позволяет осуществлять соединения типа "точка-точка" со скоростью передачи информации до 155 Мбит/с. В компьютерных и телефонных сетях лазерная связь обеспечивает обмен информацией в режиме полного дуплекса. Для приложений, не требующих высокой скорости передачи (например, для передачи видеосигнала и сигналов управления в системах технологического и охранного телевидения), имеется специальное экономичное решение с полудуплексным обменом. Когда требуется объединить не только компьютерные, но и телефонные сети, могут применяться модели лазерных устройств со встроенным мультиплексором для одновременной передачи трафика ЛВС и цифровых групповых потоков телефонии (Е1/ИКМ30).

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

Семейства, модели и их особенности

В этом разделе мы хотим представить Вам три семейства наиболее популярных в США лазерных систем - LOO, OmniBeam 2000 и OmniBeam 4000 (таблица 1). Семейство LOO является базовым и позволяет осуществлять передачу данных и голосовых сообщений на расстояние до 1000 м. Семейство OmniBeam 2000 имеет аналогичные возможности, но действует на большее расстояние (до 1200 м) и может передавать видеоизображения и комбинацию данных и речи. Семейство OmniBeam 4000 может осуществлять высокоскоростную передачу данных: от 34 до 52 Мбит/с на расстояние до 1200 м и от 100 до 155 Мбит/с - до 1000 м. На рынке представлены и другие семейства лазерных систем, но они либо покрывают меньшее расстояние, либо поддерживают меньшее количество протоколов.

Таблица 1.

Семейство	LOO	OmniBeam 2000	OmniBeam 4000
Ethernet (10 Мбит/с)	+	+	-
Token Ring (416 Мбит/с)	+	+	-
E1 (2 Мбит/с)	+	+	-
Видеоизображение	-	+	-
Комбинация данных и речи	-	+	-
Высокоскоростная передача данных (34-155 Мбит/с)	-	-	+
Возможность модернизации	-	+	+

Каждое из семейств включает в себя набор моделей, поддерживающих различные коммуникационные протоколы (таблица 2). В семейство LOO входят экономичные модели, которые обеспечивают передачу на расстояние до 200 м (буква "S" в конце наименования).

Таблица 2.

Несомненным достоинством лазерных устройств связи является их совместимость с большинством телекоммуникационного оборудования различного назначения (концентраторов, маршрутизаторов, повторителей, мостов, мультиплексоров и АТС).

Установка лазерных систем

Немаловажным этапом создания системы является ее инсталляция. Собственно включение занимает ничтожно малое время по сравнению с монтажом и настройкой лазерного оборудования, которые продолжаются несколько часов при условии их выполнения хорошо обученными и оснащенными специалистами. При этом от качества выполнения этих операций будет зависеть и качество работы самой системы. Поэтому перед представлением типовых вариантов включения мы хотели бы уделить некоторое внимание этим вопросам.

При наружном размещении приемопередатчики могут устанавливаться на поверхности крыш или стен. Лазер монтируется на специальной жесткой опоре, обычно металлической которая крепится к стене здания. Опора также обеспечивает возможность регулировки угла наклона и азимута луча.

В этом случае для удобства монтажа и обслуживания системы ее подключение осуществляется через распределительные коробки (РК). В качестве соединительных кабелей обычно используют оптоволокно для цепей передачи данных и медный кабель для цепей питания и контроля. Если оборудование не имеет оптического интерфейса данных, то возможно использование модели с электрическим интерфейсом или внешнего оптического модема.

Блок питания (БП) приемопередатчика всегда устанавливается внутри помещения и может крепиться на стене или в стойке, которая используется для оборудования ЛВС или кросса структурированных кабельных систем. Рядом может быть установлен и монитор состояний, который служит для дистанционного контроля функционирования приемопередатчиков семейств ОВ2000 и ОВ4000. Его использование позволяет осуществлять диагностику лазерного канала, индикацию величины сигнала, а также закольцовывание сигнала для его проверки.

При внутреннем монтаже лазерных приемопередатчиков необходимо помнить о том, что мощность лазерного излучения падает при прохождении через стекло (не менее 4% на каждом стекле). Другая проблема - капли воды, стекающие по внешней стороне стекла во время дождя. Они играют роль линз и могут привести к рассеиванию луча. Чтобы уменьшить этот эффект, рекомендуется устанавливать оборудование вблизи верхней части стекла.

Для обеспечения качественной связи необходимо учесть некоторые основные требования.

Самым главным из них, без выполнения которого связь будет невозможна, является то, что здания должны находится в пределах прямой видимости, при этом не должно быть непрозрачных препятствий на пути распространения луча. Кроме того, поскольку лазерный луч в области приемника имеет диаметр 2 м, необходимо, чтобы приемопередатчики находились над пешеходами и потоком транспорта на высоте не ниже 5 м. Это связано с обеспечением правил безопасности. Транспорт также является источником газов и пыли, которые влияют на надежность и качество передачи. Луч не должен распространяться в непосредственной близости от линий электропередач или пересекать их. Необходимо учесть возможный рост деревьев, движения их крон при порывах ветра, а также влияние атмосферных осадков и возможные сбои в работе из-за пролетающих птиц.

Правильный выбор приемопередатчика гарантирует устойчивую работу канала во всем диапазоне климатических условий России. Например, при большом диаметре луча уменьшается вероятность сбоев, связанных с атмосферными осадками.

Лазерное оборудование не является источником электромагнитного излучения (ЭМИ). Однако если разместить его вблизи приборов с ЭМИ, то электронное оборудование лазера будет улавливать это излучение, что может вызвать изменение сигнала как в приемнике, так и в передатчике. Это повлияет на качество связи, поэтому не рекомендуется размещать лазерное оборудование вблизи таких источников ЭМИ, как мощные радиостанции, антенны и т.п.

При установке лазера желательно избегать ориентации лазерных приемопередатчиков в направлении восток-запад, так как несколько дней в году солнечные лучи могут на несколько минут перекрыть лазерное излучение, и передача станет невозможной, даже при наличии специальных оптических фильтров в приемнике. Зная, как движется солнце по небосклону в конкретном районе, можно легко решить эту проблему.

Вибрация может вызвать сдвиг лазерного приемопередатчика. Во избежание этого не рекомендуется устанавливать лазерные системы вблизи моторов, компрессоров и т.п.

Рисунок 1.
Размещение и подключение лазерных приемопередатчиков.

Несколько типовых способов включения

Лазерная связь поможет решить проблему ближней связи при соединении типа "точка-точка". В качестве примеров рассмотрим несколько типовых вариантов или способов включения. Итак, у вас есть центральный офис (ЦО) и филиал (Ф), в каждом из которых функционирует компьютерная сеть.

На рисунке 2 представлен вариант организации канала связи для случая, в котором требуется объединить Ф и ЦО, использующие в качестве сетевого протокола Ethernet, а в качестве физической среды - коаксиальный кабель (толстый или тонкий). В ЦО находится сервер ЛВС, а в Ф - компьютеры, которые требуется подключить к этому серверу. С помощью лазерных систем, например моделей LOO-28/LOO-28S или ОВ2000Е, вы легко решите эту проблему. Мост устанавливается в ЦО, а повторитель в Ф. Если мост или повторитель имеет оптический интерфейс, то оптический минимодем не потребуется. Лазерные приемопередатчики подключаются посредством сдвоенного оптоволокна. Модель LOO-28S позволит вам осуществлять связь на расстоянии до 213 м, а LOO-28 - до 1000 м при угле "уверенного" приема 3 мрад. Модель ОВ2000Е покрывает расстояние до 1200 м при угле "уверенного" приема 5 мрад. Все эти модели работают в режиме полного дуплекса и обеспечивают скорость передачи 10 Мбит/с.

Рисунок 2.
Подключение удаленного сегмента ЛВС Ethernet на основе коаксиального кабеля.

Подобный же вариант объединения двух сетей Ethernet, использующих в качестве физической среды витую пару (10BaseT) приведен на рисунке 3. Его отличие заключается в том, что вместо моста и повторителя используются концентраторы (хабы), имеющие необходимое число разъемов 10BaseT и один интерфейс AUI или FOIRL для подключения лазерных приемопередатчиков. В этом случае необходимо установить лазерный приемопередатчик LOO-38 или LOO-38S, который обеспечивает требуемую скорость передачи в режиме полного дуплекса. Модель LOO-38 может поддерживать связь на расстоянии до 1000 м, а модель LOO-38S - до 213 м.

Рисунок 3.
Подключение удаленного сегмента ЛВС Ethernet на основе витой пары.

На рисунке 4 представлен вариант комбинированной передачи данных между двумя ЛВС (Ethernet) и группового цифрового потока E1 (ИКМ30) между двумя УАТС (в ЦО и Ф). Для решения этой проблемы подходит модель ОВ2846, которая обеспечивает передачу данных и речи со скоростью 12 (10+2) Мбит/с на расстояние до 1200 м. ЛВС подключается к приемопередатчику при помощи сдвоенного оптоволокна через стандартный SMA-разъем, а телефонный трафик передается посредством коаксиального кабеля 75 Ом через BNC-разъем. Необходимо отметить тот факт, что мультиплексирование потоков данных и речи не требует дополнительного оборудования и выполняется приемопередатчиками без снижения пропускной способности каждого из них в отдельности.

Рисунок 4.
Объединение вычислительных и телефонных сетей.

Вариант осуществления высокоскоростной передачи данных между двумя ЛВС (LAN "A" в ЦО и LAN "B" в Ф) с использованием коммутаторов АТМ и лазерных приемопередатчиков представлен на рисунке 5. Модель ОВ4000 позволит решить проблему высокоскоростной ближней связи оптимальным образом. Вы получите возможность передавать потоки Е3, ОС1, SONET1 и ATM52 с требуемыми скоростями на расстояние до 1200 м, а потоки 100 Base-VG или VG ANYLAN (802.12), 100 Base-FX или Fast Ethernet (802.3), FDDI, TAXI 100/140, OC3, SONET3 и ATM155 с требуемыми скоростями - на расстояние до 1000 м. Передаваемые данные доставляются на лазерный приемопередатчик при помощи стандартного сдвоенного оптоволокна, подключаемого через SMA-разъем.

Рисунок 5.
Объединение высокоскоростных телекоммуникационных сетей.

Приведенные примеры не исчерпывают всех возможных вариантов применения лазерного оборудования.

Что выгодней?

Попробуем определить место лазерной связи среди остальных проводных и беспроводных решений, кратко оценив их достоинства и недостатки (таблица 3).

Таблица 3.

Ориентировочная стоимость	Медный кабель	Оптоволокно	Радиоканал	Лазерный канал
	от 3 до 7 тыс. дол. за 1 км	до 10 тыс. дол. за 1 км	от 7 до 100 тыс. дол. за комплект	12-22 тыс. дол. за комплект
Время на подготовку и выполнение монтажа	Подготовка работ и прокладка - до 1 месяца; установка HDSL-модемов - несколько часов	Подготовка работ и прокладка 1-2 месяца	Подготовка работ 2-3 месяца, установка - несколько часов	Подготовка работ 1-2 недели, установка - несколько часов
Максимальная пропускная способность	До 2 Мбит/с при использованием HDSL	До 155 Мбит/с	До 155 Мбит/с	До 155 Мбит/с
Максимальная дальность связи без повторителей	До 20 км при использовании HDSL	Не менее 50-70 км	До 80 км (зависит от мощности сигнала)	До 1,2 км
BER	>1E-7		1E-10	1E-10...1E-9

Начнем со всем известного обычного медного кабеля. Некоторые его характеристики позволяют практически точно рассчитать параметры создаваемого канала связи. Для такого канала неважно, каково направление передачи и нахоятся ли объекты в прямой видимости, не нужно думать о влиянии осадков и многих других факторов. Однако качество и скорость передачи, обеспечиваемые этим кабелем, оставляют желать лучшего. Частота появления ошибочных битов (BER) составляет величину порядка 1Е-7 и выше, что значительно больше величины этого показателя у оптоволокна или беспроводной связи. Медные кабели относятся к низкоскоростным каналам связи, поэтому прежде чем прокладывать новые кабели, подумайте о том, стоит ли их использовать. Если кабель уже имеется, то вам стоит задуматься о том, как повысить его пропускную способность на основе технологии HDSL. Однако следует учитывать, что она может не обеспечить требуемого качества связи из-за неудовлетворительного состояния кабельных линий.

Оптоволоконные кабели имеют значительные преимущества перед медными. Высокие пропускная способность и качество передачи (BER

Сейчас широкое применение находит радиосвязь, особенно радиорелейные линии и радиомодемы. Им также присущ свой набор преимуществ и недостатков. Существующие технологии радиосвязи при создании канала для передачи данных обеспечат вам более высокие качество (BER

Лазерная связь - быстро и качественно, надежно и эффективно решает проблему ближней связи между двумя зданиями, находящимися на расстоянии до 1200 м и в прямой видимости. Без выполнения этих условий лазерная связь невозможна. Ее несомненными преимуществами являются:

• "прозрачность" для большинства сетевых протоколов (Ethernet, Token Ring, Sonet/OC, ATM, FDDI и др.);
• высокая скорость передачи данных (до 155 Мбит/с сегодня, до 1 Гбит/с у анонсированного производителями оборудования);
• высокое качество связи с BER=1Е-10...1Е-9;
• подведение сетевого трафика к лазерному приемопередатчику при помощи кабельных и/или оптоволоконных устройств сопряжения;
• отсутствие необходимости получения разрешений на использование;
• относительно низкая стоимость лазерного оборудования, по сравнению с радиосистемами.

Лазерные приемопередатчики, из-за низкой мощности их излучения, не представляют опасности для здоровья. Следует отметить, что хотя луч безопасен, птицы его видят и стараются уклониться, что существенно уменьшает вероятность сбоев. Если передаваемая информация доставляется к лазерному приемопередатчику и от него по стандартному многомодовому оптоволоконному кабелю, то гарантируется передача данных без радиоволнового и электромагнитного излучения. Это не только обеспечивает отсутствие воздействия на работающее рядом оборудование, но и делает невозможным несанкционированный доступ к информации (получить его можно, только подобравшись непосредственно к приемопередатчику).

Лазерные системы передачи данных предназначены для организации односторонней и дуплексной связи между объектами, находящимися в пределах прямой видимости.
Free Space Optics - Технология FSO, в которую входит - атмосферная оптическая связь, (АОЛС) и беспроводный оптический канал связи (БОКС) – это способ беспроводной передачи информации в коротковолновой части электромагнитного спектра. В ее основе лежит принцип передачи цифрового сигнала через атмосферу (или космическое пространство) путем модуляции излучения (инфракрасном или видимом) и его последующим детектированием оптическим фотоприемным устройством.
Современное состояние беспроводной оптической связи позволяет создавать надежные каналы связи на расстояниях от 100 до 1500-2000 м в условиях атмосферы и до 100 000 км в открытом космосе, например для связи между спутниками. Являясь альтернативным решением по отношению к оптоволокну, атмосферные оптические линии передачи данных (АОЛП) позволяют сверхоперативно сформировать беспроводный оптический канал связи.

1. Атмосферная оптическая линия связи

Бурное развитие телекоммуникационного рынка требует высокоскоростных линий передачи данных. Однако прокладка оптического волокна подразумевает солидные инвестиции, да и в принципе не всегда возможна.
Естественной альтернативой в этом случае являются беспроводные линии связи СВЧ-диапазона, но проблема оперативного получения частотных разрешений резко ограничивает перспективы их применения, особенно в крупных городах.
Другим способом беспроводной связи являются оптические линии связи (лазерная или оптическая связь), использующие топологию «точка–точка» (point-to-point) или в режиме многоточечного доступа (point-to-multipoint). Оптическая связь осуществляется путем передачи информации с помощью электромагнитных волн оптического диапазона. В качестве примера оптической связи можно привести применявшуюся в прошлом передачу сообщений с помощью костров или семафорной азбуки. В 60-е годы XX века были созданы лазеры и появилась возможность построения широкополосных систем оптической связи. Первая атмосферная линии связи (АЛС) в Москве появилась в конце 60-х годов: была пущена телефонная линия между зданием МГУ на Ленинских горах и Зубовской площадью протяженностью более 5 км. Качество передаваемого сигнала полностью соответствовало нормам. В те же годы опыты с АЛС проводились в Ленинграде, Горьком, Тбилиси и Ереване. В целом, испытания были успешными, но на тот момент специалисты посчитали, что плохие погодные условия делают лазерную связь ненадёжной, и она была признана неперспективной.
Использование сигналов с непрерывной (аналоговой) модуляцией, применявшейся в те годы, приводило к ненормированному затуханию оптического сигнала из-за влияния атмосферы.
Современное широкое распространение АЛС во многих странах мира началось в 1998 году, когда были созданы недорогие полупроводниковые лазеры мощностью в 100 мВт и более, а применение цифровой обработки сигнала позволило избежать ненормированного затухания сигнала и выполнять повторную передачу пакета информации при обнаружении ошибки.
В это же время возникла потребность в лазерной связи, так как стали стремительно развиваться информационные технологии. Резко увеличивается число абонентов, требующих предоставления таких телекоммуникационных услуг, как Интернет, IP-телефония, кабельное телевидение с большим числом каналов, компьютерные сети и т. д. В результате возникла проблема "последней мили" (подключение широкополосного канала связи к конечному пользователю). Прокладка новых кабельных сетей требует крупных капиталовложений, а в ряде случаев, особенно в условиях плотной городской застройки, очень трудна или даже невозможна.
Оптимальным решением проблемы последнего участка является использование беспроводных линий передачи.
Преимущества беспроводных линий связи очевидны: это экономичность (не требуется рыть траншеи для укладки кабеля и арендовать землю); низкие эксплуатационные расходы; высокая пропускная способность и качество цифровой связи; быстрое развертывание и изменение конфигурации сети; легкое преодоление препятствий - железных дорог, рек, гор и т.д.
Беспроводная связь в радиодиапазоне ограничена перегруженностью и дефицитом частотного диапазона, недостаточной скрытностью, подверженностью помехам, в том числе и преднамеренным, и с соседних каналов, повышенным энергопотреблением. Кроме того, для радиосвязи необходимо длительное согласование и регистрация с назначением частот органами Госсвязьнадзора РФ, арендная плата за канал, обязательная сертификация радиооборудования Государственной комиссией по радиочастотам. Применение лазерных средств снимает этот сложный вопрос. Это обусловлено тем, что, во-первых, частота излучения лазерных систем связи выходит за пределы диапазона, в котором необходимо согласование (в России), во-вторых, отсутствием практических возможностей их обнаружения и идентификации как средств информационного обмена.
Основные свойства лазерных систем:
практически абсолютная защищенность канала от несанкционированного доступа и, как следствие, высокий уровень помехоустойчивости и помехозащищенности за счет возможности концентрации всей энергии сигнала в углах от долей угловых минут (в лазерных космических системах связи) до десятков градусов (полнодоступные системы связи в помещениях);
высокие информационные емкости каналов (до десятков Гбит/с)
отсутствуют задержки при передаче информации (ping<1ms) как у радиолиний
отсутствие ярко выраженных демаскирующих признаков (в основном, побочных электромагнитных излучений) и возможность дополнительной маскировки, позволяющей скрыть не только передаваемую информацию, но и сам факт информационного обмена.
Кроме того, многие специалисты отмечают биологическую безопасность этих систем, так как средняя плотность мощности излучения в лазерных системах различного назначения примерно в 3 - 6 раз меньше облученности, создаваемой Солнцем, а также простоту принципов их построения и функционирования, относительно малую стоимость по сравнению с традиционными средствами передачи информации аналогичного назначения.
Конструкция:
Лазерная линия связи состоит из двух идентичных станций, устанавливаемых напротив друг друга в пределах прямой видимости (рис. 1).

Рис. 1. Конструкция АЛС

Построение всех станций АЛС практически одинаково: интерфейсный модуль, модулятор, лазер, оптическая система передатчика, оптическая система приемника, демодулятор и интерфейсный модуль приемника. Передатчик представляет собой излучатель на основе импульсного полупроводникового лазерного диода (иногда обычного светодиода). Приемник в большинстве случаев имеет в своей основе скоростной pin фотодиод или лавинный фотодиод.
Передаваемый поток данных от аппаратуры пользователя поступает на интерфейсный модуль и затем на модулятор излучателя. Затем сигнал преобразуется высокоэффективным инжекционным лазером в оптическое излучение ИК-диапазона, оптикой коллимируется в узкий пучок и передается через атмосферу к приемнику. На противоположном пункте принимаемое оптическое излучение фокусируется приемным объективом на площадку высокочувствительного быстродействующего фотоприемника (лавинные или pin-фотодиоды), где детектируется. После дальнейшего усиления и обработки сигнал поступает на интерфейс приемника, а оттуда на аппаратуру пользователя. Аналогичным образом в дуплексном режиме одновременно и независимо идет встречный поток данных.
Так как лазерный луч передается между пунктами связи в атмосфере, то его распространение сильно зависит от метеоусловий, от наличия дыма, пыли и других загрязнений воздуха. Однако, несмотря на указанные проблемы, атмосферная лазерная связь оказалась вполне надежной на расстояниях нескольких километров и особенно перспективной для решения проблемы "последней мили".
Рассмотрим влияние атмосферы на качество беспроводной инфракрасной связи. Распространение лазерного излучения в атмосфере сопровождается целым рядом явлений линейного и нелинейного взаимодействия света со средой. По чисто качественным признакам указанные явления можно разделить на три основные группы:
1. поглощение (непосредственное взаимодействием луча фотонов с молекулами атмосферы);
2. рассеяние на аэрозолях (пыль, дождь, снег, туман);
3. флуктуации излучения на турбулентностях атмосферы.

Связь по лазерному лучу через атмосферу в настоящее время стала реальной. Она обеспечивает передачу большого количества информации с высокой надежностью на расстояниях до 5 км и решает многие труднопоставимые задачи. Поэтому в последнее время возрастает интерес к этому виду связи.

¹Флуктуации (от лат. fluctuatio - колебание), случайные отклонения физических величин от их средних значений.
²Интернет-источник: http://laseritc.ru/?id=93

2. Беспроводной оптический канал связи

Беспроводной оптический канал связи (БОКС) – устройство, осуществляющее передачу данных через атмосферу. Оно предназначено для создания канала передачи данных стандарта Ethernet. БОКС состоит из двух одинаковых приемопередатчиков (оптических труб), устанавливаемых на обеих сторонах канала связи. Каждый блок состоит из приемопередающего модуля, козырька, интерфейсного кабеля (длиной 5 м), системы наведения, кронштейна, блока питания и блока доступа.
Приемопередающий модуль включает передатчик остронаправленного оптического излучения ИК-диапазона (состоящий из инфракрасного полупроводникового светодиода) и приемник - высокочувствительный светодиод. Светодиоды работают на длине волны 0,87 мкм. Несколько примеров отечественных производителей систем БОКС и их характеристики описаны в таблице 1.
Таблица 1. Устройства для создания оптических каналов связи

Название устройства	Производитель	Стандарты сигналов	Дистанция	Тип излучателя	Цена, долл.
ЛАЛ2+	ИТЦ, Новосибирск	G.703, IEEE802.3	от 1000 м до 5000 м	Лазер	7030 9230
МОСТ 100/500	Рязанский приборостроительный завод	G.703, IEEE802.3, IEEE802.3u	1200-1400 м	Лазер	4890
БОКС-10М	"Катарсис"	IEEE802.3	500 м	Светодиод	2450
БОКС-10МПД	"Катарсис"	G.703, IEEE802.3	1000 м	Светодиод	4344

На рисунке 2 наглядно показан БОКС-10М.

Рис. 2. БОКС-10М

Принцип работы:
Рассмотрим процесс передачи данных с использованием оптического канала (рис. 3). Электрический сигнал с порта Ethernet поступает по интерфейсному кабелю на передатчик, где светодиод преобразует его в ИК-излучение, которое проходит через светоделительное устройство и фокусируется объективом в узконаправленный луч. Пройдя через атмосферу, часть излучения попадает на объектив другого приемопередатчика, фокусируется и светоделительным устройством подается на приемник. Приемник преобразует ИК-излучение в электрический сигнал, который по интерфейсному кабелю поступает на порт Ethernet. Источник питания обеспечивает работу передатчика, приемника, блока индикации и системы предотвращения запотевания/обледенения объектива.

Рис. 3. Общий принцип работы устройства семейства БОКС.

Надежность передачи достигается в первую очередь за счет правильного наведения и энергетического запаса. При правильном наведении энергетический запас системы должен быть четырехкратным для моделей БОКС-10МЛ и БОКС-10М (иными словами, закрывая 4/5 линзы объектива, мы имеем надежный 100%-ный канал при хорошей погоде). Модель БОКС-10МПД имеет 16-кратный энергетический запас. В этом случае доступность канала в течение года будет составлять 99,7-99,9%. Чем выше энергетический запас системы, тем выше надежность канала, которая в идеальном случае достигает 99,99%.
Кроме того, надежная работа системы обусловлена методом доступа к среде передачи CSMA/CD, используемым в сетях Ethernet. Любая коллизия - ухудшение погодных условий или появление кратковременной преграды приводит к повторной передаче пакета на физическом уровне, но даже если случится так, что коллизия не будет услышана (это возможно, например, в моделях БОКС-10МЛ и БОКС-10М из-за того, что время переключения с приема на передачу, конечно, и равно 4 мкс) и пакет будет потерян, то протоколы более высокого уровня, работающие с гарантией доставки, отследят это происшествие, и запрос будет повторен.
Соединение через атмосферу никогда не дает 100%-ной гарантии наличия связи, поэтому возможно, что, например, в плохих погодных условиях (сильный снегопад, очень плотный туман, мощный ливень и т.д.) канал не будет работать. Но в этом случае прекращение связи будет временным, и после улучшения условий связь сама восстановится. Чтобы уменьшить вероятность потери связи по метеоусловиям, необходимо ставить модели с большей рабочей дистанцией, что повышает энергетику светового потока и, как следствие, надежность системы в целом.
Еще одно условие надежной и стабильной работы системы - совпадение центра геометрического пятна освещенности передатчика с центром объектива приемника. Ветровые нагрузки, а также механические и сезонные колебания опоры могут вывести систему из зоны пятна освещенности, в результате чего связь исчезнет. Вся конструкция систем и размер пятна освещенности от передатчика согласованы таким образом, чтобы вероятность потери связи из-за вышеперечисленных причин была сведена к минимуму. При наведении решается следующая геометрическая задача: из точки, полученной при грубом наведении, требуется переместить систему в геометрический центр пятна освещенности от светового потока излучателя, окончательно зафиксировав систему наведения в этом положении. С помощью стандартной системы наведения эта задача решается за 35 итераций.
Монтаж:
Приемопередатчики можно устанавливать на поверхности крыш или стен. БОКС монтируется на металлической опоре, которая позволяет регулировать угол наклона по горизонтали и вертикали (рис. 4). Приемопередатчик подключается через специальный блок доступа, в качестве соединительных кабелей обычно используют витую пару категории 5 (UTP). Со стороны оптического канала блок доступа соединяется с приемопередатчиком интерфейсным кабелем, в качестве которого используется обычная витая пара, снабженная специальными разъемами. С другой стороны блок доступа соединяется с компьютером или сетевым устройством (маршрутизатором или коммутатором).
Блок доступа и блок питания приемопередатчика всегда устанавливают внутри помещения рядом друг с другом. Их можно крепить на стене или размещать в таких же стойках, какие используются для оборудования ЛВС.
Для надежной работы необходимо учесть следующие рекомендации:
здания должны находиться в пределах прямой видимости (на всем пути луч не должен встречать непрозрачных препятствий);
лучше, если устройство будет находиться как можно выше над землей и в труднодоступном месте;
при установке системы следует избегать ориентации приемопередатчиков в направлении восток - запад (такое специфическое требование объясняется достаточно просто: солнечные лучи на восходе или закате могут на несколько минут перекрыть излучение, и передача прекратится);
вблизи от места крепления не должно быть моторов, компрессоров и т.д., поскольку вибрация может привести к сдвигу трубы и разрыву соединения.

Рис. 4. Схема системы наведения

Типы соединений:
На рисунке 5 показаны возможные типы соединений БОКС.

Рис. 5. Типы соединений БОКС

В разных источниках встречается большое количество названий оборудования беспроводной передачи данных в инфракрасном диапазоне длин волн. За рубежом данный класс систем принято называть FSO – Free Space Optics, на постсоветском пространстве существует целый ряд обозначений систем беспроводной оптической связи. За основу следует принять аббревиатуру БОКС – беспроводной оптический канал связи, как отраженную в сертификате системы «Связь» (ССС).

С момента возникновения жизни на Земле возможность передачи друг другу сообщения (или, как теперь принято говорить, информации) занимало одно из главных мест в человеческом общении. В Древней Греции, например, информация передавалась с помощью световых волн, для чего на специальных башнях разжигали костры, оповещавшие жителей о каком-либо важном событии. Во Франции был изобретен оптический телеграф. Русский ученый Шеллинг предложил электрический проводной телеграф, впоследствии усовершенствованный американцем Морзе. Электрический кабель соединил Европу с Америкой. Т. Эдиссон удвоил пропускную способность телеграфной линии. А. Попов открыл возможность передачи телеграфных сообщений без проводов - с помощью электромагнитных колебаний. Радиотехника получила бурное развитие. Стали вести передачи на различных длинах волн: длинных, средних, коротких. В эфире стало тесно.

С чем же связана скорость и количество передаваемой информации? Известно, что предельная скорость передачи определяется длительностью одного периода колебаний используемых волн. Чем короче период, тем больше скорость передачи сообщений. Это справедливо и для передачи сообщений с помощью азбуки Морзе, с помощью телефонной связи, радиосвязи, с помощью телевидения. Таким образом, канал связи (передатчик, приемник и связывающая их линия) может передавать сообщения со скоростью не больше, чем частота собственных колебаний всего канала. Но это еще не достаточное условие. Для характеристики канала связи требуется еще один параметр - ширина полосы канала, т. е. диапазон частот, который используется в этом канале связи. Чем больше скорость передачи, тем шире полоса частот, на которых следует передавать. Оба этих параметра вынуждают осваивать все более высокие частоты электромагнитных колебаний. Ведь с увеличением частоты увеличивается не только скорость передачи по одному каналу, но и число каналов связи.

Техника связи стала забираться во все более коротковолновую область, используя сначала дециметровые, потом метровые и, наконец, сантиметровые волны. А дальше произошла остановка из-за того, что не было

подходящего источника несущих электромагнитных колебаний. Ранее существовавшие источники давали широкий спектр с очень малой мощностью, приходящейся на отдельные частоты колебаний. Световые волны не были когерентными, а это исключало использование их для передачи сложных сигналов, требующих модуляции излучения. Положение резко изменилось с появлением лазеров. Когерентность и монохроматичность лазерного излучения позволяют модулировать и детектировать луч таким образом, что используется вся ширина оптического диапазона. Оптический участок спектра гораздо шире и вместительнее, чем радноволновой. Покажем это простым расчетом. Подсчитаем, какое количество информации можно передать одновременно по оптическому каналу связи с длиной волны 0,5 мкм (соответствует Гц). Для примера возьмем такой город, как Москва. Пусть в ней имеется 1500 000 телефонов, 100 передающих широковещательных радиостанций и 5 телевизионных каналов. Для расчетов примем, что полоса частот телефонного канала составляет Гц, радиоканала , телевизионного канала - Гц. Возьмем коэффициент запаса, равный 100. Вычисления произведем по формуле

где с - скорость света, К - длина волны электромагнитного колебания, полоса частот, занимаемая одним телевизионным каналом, полоса частот одной радиовещательной станции, полоса частот одного телефонного канала, количество телевизионных каналов, количество радиоканалов, количество телефонов, к - коэффициент запаса.

Подставляя значения для нашего примера, получим Отсюда можно сделать вывод, что высокочастотная составляющая электромагнитного колебания, равная примерно Гц, позволяет (принципиально) в одном луче лазера одновременно обеспечить передачу информации тысяче таких городов, как Москва. Однако для реализации этой принципиальной возможности необходимо решить ряд проблем. Они связаны с модуляцией, демодуляцией и с прохожением излучения в атмосфере. Чтобы в этом разобраться, рассмотрим оптическую линию связи (рис. 27).

Рис. 27. Оптическая линия связи с использованием лазера

Линия связи состоит из передающего и приемного устройств. В передающее устройство входят лазер, вырабатывающий высокочастотную несущую; модулятор, обеспечивающий наложение передаваемой информации на световую несущую; оптическая система, необходимая для фокусирования излучения в узкий пучок, что обеспечивает большую дальность и высокую помехозащищенность; микрофон с усилителем и устройство нацеливания. Приемное устройство состоит из входной оптической системы, приемника излучения, демодулятора, усилителя, громкоговорителя и устройства прицеливания (привязки) приемника к передатчику. Линия связи работает таким образом. Сигнал в виде звуковой частоты поступает на микрофон. Здесь он преобразуется в электрический и поступает на модулятор, через который проходит излучение лазера. Оно оказывается промодулированным в соответствии с речевым сообщением. Промодулированный пучок поступает на оптическую систему. Этим излучением с помощью визирного (прицельного) устройства осуществляется облучение того места, где расположена приемная система. Приемная оптическая система собирает лазерный лучистый поток и направляет его на приемник и на усилитель. После чего он попадает на демодулятор, задачей которого является выделение из несущей частоты первоначальной звуковой частоты. Она проходит усилитель звуковой частоты и поступает на громкоговоритель.

Таблица 15 (см. скан) Характеристики модуляторов

Поскольку частота модуляции при передаче звукового сигнала не превышает 104 Гц, то для ее реализации подходит большинство модуляторов и демодуляторов, разработанных к настоящему времени. Наиболее широко используется амплитудная модуляция. Для ее реализации подходят оптические элементы, которые меняют свою прозрачность под воздействием прикладываемого к ним напряжения. К такого типа модуляторам относится и ячейка Керра, состоящая из жидкого диэлектрика и металлических пластин. При приложении к пластинам электрического поля жидкий диэлектрик становится двоякопреломляющим. В результате плоскость поляризации проходящей световой волны повернется на угол

где В - постоянная Керра, - длина пути, напряженность поля. При этом плоскополяризованное поле,

проходя через анализатор, изменяет свою интенсивность в соответствии с законом электрического поля. Таким образом, с помощью модулятора в луч лазера вводится звуковая частота. Посмотрим на таблицу, в которой представлены характеристики различных типов модуляторов, и попробуем выбрать тот, который подходит для нашей связной системы.

Пусть у нас в качестве источника излучения используется газовый гелий-неоновый лазер. Для передачи звукового сообщения требуется модуляция в пределах до 20 кГц. Этому лучше всего удовлетворяет кристалл германия (табл. 15). У него хорошая глубина модуляции - 50%. Однако этот модулятор не может быть использован, поскольку его спектральная прозрачность лежит в диапазоне 1,8...25 мкм, т. е. он непрозрачен для излучения в 0,6328 мкм, которое излучает гелий-неоновый лазер. Кристалл АДП или КДП подойдет по спектральному диапазону и у него хороший запас по частоте модуляции. С таким модулятором можно промодулировать оптическое излучение на нескольких участках частот, что дает принципиальную возможность ввести в один луч несколько телефонных каналов. Но вот ввести в луч лазера с помощью такого модулятора несколько телевизионных каналов невозможно, поскольку для передачи телевизионного изображения необходима полоса частот Гц. Можно передать только одну телевизионную программу. Нужны модуляторы с очень большим диапазоном частот модуляции. Смотрим в таблицу. Модулятор на ультразвуковой волне имеет диапазон от 5 до 30 МГц. Его верхний предел самый большой, других модуляторов нет. Сравним этот диапазон в Гц с диапазоном частот газового лазера . Видно, что они отличаются на семь порядков, т. е. в десять миллионов раз. Следовательно, высокочастотная несущая лазера не используется в полную силу своих возможностей. И не используется потому, что нет пока еще модуляторов с диапазоном частот до Гц. Аналогичная картина имеет место и для приемников излучения. Их тоже следует выбирать, исходя из того спектрального диапазона, на котором они работают. И исходя из того диапазона частот, который они способны воспринять. Наиболее предпочтительны ФЭУ, имеющие полосу частот порядка 100 МГц , но не более. Следовательно, и здесь имеется проблема, которая требует своего решения.

Рис. 28. Функциональная схема первой лазерной телевизионной установки

Проще всего было построить телефонную линию связи, ибо для нее имелись все необходимые элементы: источник излучения, модулятор и приемник излучения. Такие линии были созданы с тем, чтобы оценить эффективность их функционирования. Одна из них связывала АТС, находящуюся на площади Шолохова, со зданием МГУ на Ленинских горах. По лазерному лучу, связывающему телефонные станции, можно было одновременно вести несколько десятков телефонных разговоров. Другая линия была создана в Армении. Она связала Ереван и Бюроканскую астрофизическую обсерваторию, находящуюся на расстоянии 50 км на горе Арагац .

Применение лазеров в телевидении

В последнее время разработано несколько систем, в которых телевизионное изображение передается по оптическому каналу. Простейшая телевизионная система была выполнена из готовых узлов и деталей. Функциональная схема этой системы представлена на рис. 28. Она включала в себя лазер промышленного прозводства, два промышленных телевизора, стандартный усилитель и видеоусилитель. Кроме того, использовались приемная и передающая оптические системы, модулятор оптического излучения и оптический фильтр. Телевизионные сигналы, получаемые от первого телевизора, усиливаются и поступают на модулятор (видеосигналы снимаются с одного из каскадов видеоканала телевизионного приемника). Модулятор, стоящий на выходе излучения

лазера, обеспечивает амплитудную модуляцию лучистого потока. Это излучение формируется в узкий луч с помощью оптической системы и направляется в сторону приемного устройства. Оно также имеет приемную оптическую систему зеркального типа (с двумя зеркалами), узкополосный оптический фильтр и диафрагму. Затем излучение поступает на ФЭУ. Такое сочетание последних трех элементов обеспечивает хорошую селекцию приемного сигнала, что позволяет использовать систему в условиях Солнечного освещения. Сигнал на ФЭУ превращается из оптического в электрический, проходит видеоусилитель и подается на кинескоп второго телевизора. Несмотря на наличие шумов, вносимых лазером и интенсивным дневным фоном при работе телевизионной установки в условиях солнечного освещения, изображение на экране второго телевизора было вполне удовлетворительным. Более того, четкость изображения была высокой, что позволяло сделать вывод о хорошей передаточной характеристике модулятора и связанных с ним электронных устройств. В системе не обнаруживался «снегопад», а это говорит о достаточном отношении сигнал/шум.

Мы отмечали ранее, что модулятор является главным элементом системы телевизионной связи. Здесь использовалась ячейка Покельса, в которой напряжение модуляции подается на кристалл в направлении светового потока. Данный модулятор обеспечивает хорошую глубину модуляции и имеет достаточную полосу, но ему присущи два существенных недостатка: первый заключается в том, что для управления модуляцией требуется напряжение, доходящее до нескольких киловольт, и второй обусловлен тем, что ячейку необходимо охлаждать.

Уже в последующих модификациях аппаратуры были применены решения, позволяющие устранить эти недостатки. Ячейка Покельса была заменена на кристалл КДП, который обладает хорошей оптической прозрачностью в данном интервале длин волн, а для снижения модулирующего напряжения применялось дополнительное сужение луча с помощью коллимирующей системы. Это позволило сузить луч до 1 мм. Для обеспечения механической прочности кристалл был помещен в металлический корпус. Эти усовершенствования позволили снизить потребляемый уровень мощности на два порядка. Модулятор работал при напряжении 18 В и потреблял ток 50 мА .

Рис. 29. Схема лазерной передающей камеры

Через некоторое время появились образцы телевизионных систем, в которых по лазерному лучу передавалось пять различных телевизионных изображений. В этих системах в качестве источника излучения использовался газовый лазер, работающий на волне 0,6328 мкм при излучаемой мощности всего в 8 мВт. В приемном устройстве применялся кремниевый фотодиод. Передача изображения велась на каналах 66...7Б, 76...82, 182... 186, 198..204, 210...216 МГц .

Функциональная схема третьего варианта лазерной передающей ТВ-камеры представлена на рис. 29. Эта система обеспечивала передачу по лучу лазера телевизионной программы, а также музыкальной программы и цифровой информации. Основными элементами устройства являлись: газовый аргоновый лазер с системой развертки луча в пространстве, приемник, состоящий из узкополосного фильтра, с полосой пропускания в 90 ангстрем, фотоумножителя и предварительного усилителя. Третьим составным блоком была система строчной и кадровой синхронизации. Своеобразие состоит в том, что используется быстросканирующий лазерный луч, а вместо телевизионной камеры - фотоумножитель. Телевизионное изображение получается при облучении объекта непрерывным излучением лазера, которое разворачивается в пространстве по двум перпендикулярным осям с помощью вращающихся призм. Горизонтальная развертка обеспечивается 16-гранной призмой, вращающейся со

скоростью 60 000 об/мин. При этом скорость движения луча по вертикали обеспечивается 26-гранной призмой, вращающейся со скоростью 150 об/мин. Эти две развертки дают 60 кадров в секунду. Излучение лазера, отраженное предметом, изображение которого должно быть получено, попадает на приемное устройство, с выхода которого усиленный сигнал подводится к контрольному телевизору и на его экране воссоздается изображение предмета. Для синхронизации развертки контрольного телевизора с разверткой луча лазера в пространстве предусмотрены два элемента. Один из них осуществляет строчную, а другой - кадровую синхронизацию. Фотоэлементы цепей строчной и кадровой синхронизации установлены соответственно на пути развертки лазерного луча по горизонтали и вертикали. Выходные сигналы фотоэлементов, усиленные до требуемой величины, обеспечивают необходимую синхронизацию. Положительным качеством такой лазерной телевизионной камеры является высокое качество изображения. Кроме того, она может работать в темноте и способна передавать изображение через туман гораздо лучше какого-либо другого устройства аналогичного назначения. К недостаткам системы относятся значительные потери энергии при развертке луча в пространстве и наличие быстровращающихся элементов.

В настоящее время лазерная техника открывает новые возможности для совершенствования систем связи, локации и радиоуправления. Эти возможности связаны с огромным коэффициентом усиления передающих оптических антенн, что позволяет получить большое отношение сигнал/шум в приемнике в широкой полосе частот при маломощных передатчиках и с возможностью использовать очень широкие полосы частот при передаче и приеме оптических сигналов.

Лазерные системы передачи информации имеют следующие преимущества по сравнению с радиосистемами.

Возможность передачи информации с очень высокой скоростью при относительно малой мощности передатчика и малых габаритных размерах антенны. Сегодня лазерные линии связи могут обеспечить передачу информации со скоростью до 102 Гбит/с и более. При временном уплотнении каналов можно в многоканальной линии связи получить результирующую частоту следования импульсов более 100 ГГц, что превышает всю полосу радиочастотного спектра, используемого сегодня.

Скрытность передачи информации и защищенность от организованных помех (из-за очень узких ДН передающих и приемных антенн, составляющих единицы угловых секунд).

Однако имеются и недостатки, основными из которых являются: зависимость работы от метеоусловий и необходимость использовать световоды (кварцевые, стеклянные волокна).

Реальные перспективы для лазерных систем связи открываются в системах космической связи «ИСЗ-ИСЗ» ввиду отсутствия атмосферы. В таких системах широкополосная и узкополосная информация от низкоорбитальных КА будет передаваться по лазерным линиям связи на стационарные ИСЗ и с них на наземные станции. Важное значение будут иметь спутниковые системы связи «Земля-Земля» через ИСЗ-ретранслятор с лазерными линиями связи.

Расчеты показывают, что в таком канале связи реализуема скорость передачи информации более 1 Мбит/с из района Марса. Для сравнения можно сказать, что в существующих телеметрических радиолиниях для связи с КА в районе Марса скорость передачи информации не превышает 10 бит/с.

Прежде чем обсуждать вопрос выбора системы для космической связи, оценим достоинства и недостатки используемых систем:

с прямым детектированием (рис. 8, а);

с гетеродинным приемником (рис. 8, б).

Рис. 8

Отметим, что помехоустойчивость обеих систем примерно одинакова и для одной и той же частоты и одинакового уровня развития лазерной техники имеются явные преимущества у первой системы, которые заключаются в следующем:

Имеет более простое приемное устройство;

Нечувствительна к доплеровскому сдвигу частоты, что исключает необходимость поиска сигнала по частоте в приемнике (как это имеет место во второй системе);

Нечувствительна к искажению волнового фронта сигнала (возникающего в турбулентной атмосфере), поэтому возможны простые наземные антенны с большой апертурой. В гетеродинном приемнике турбулентность атмосферы ограничивает размеры приемной антенны и для ее увеличения (площади антенны) необходимо применять антенную решетку, состоящую из множества антенн с устройством сложения выходных сигналов;

Имеет приемную антенну, к которой не предъявляются требования высокого оптического качества, что позволяет реализовать более легкие и дешевые бортовые антенны;

Позволяет реализовать более эффективные методы взаимного наведения передающих и приемных антенн (по сравнению с одноэтапным растровым сканированием во второй системе).

Единственным преимуществом систем с гетеродинным приемником является более эффективное подавление фона в приемнике (по сравнению с первым).

Проведем анализ частотной пригодности лазеров для космической связи.

Из-за большой дальности связи требуются передатчики со средней мощностью от долей до единиц ватт. Такие лазеры с приемлемым КПД имеются в трех основных диапазонах:

10 мкм - газовый лазер на СО 2 с = 10,6 мкм, в одномодовом режиме при Р = 1 Вт = 10%, t раб = 10 тыс. ч. непрерывной работы (пригоден для бортовой аппаратуры и из-за высокой стабильности частоты вполне может работать в системе с гетеродинным приемником);

1 мкм - твердотельный лазер на итрий-алюминиевом гранате (ИАГ), активированном ниодимом (J-Al/Nd) = 1,06 мкм, = 1,5 2%, Р макс = n0,1 Вт (такой лазер может с успехом работать на стационарных ИСЗ, т.к. накачка осуществляется решетками светодиодов или устройствами солнечной накачки. В последнем случае коллектор солнечной энергии через оптический фильтр фокусирует энергию накачки на лазерном стержне, обеспечивая его возбуждение. Калий-рубидиевые лампы накачки обеспечивают t раб до 5 тыс. ч при = 10%. Результирующий = 10 Светодиоды имеют больший ресурс, но их мощность мала и поэтому они пригодны только для маломощных передатчиков до 0,1 Вт);

0,5 мкм - перспективным здесь является Nd:ИАГ-лазер, работающий в режиме удвоения частоты = 0,53 мкм (ярко-зеленый цвет), с эффективностью преобразователя близкой к единице.

Для низкоскоростных лазерных линий связи перспективными являются импульсные газовые лазеры на парах металлов. В импульсном режиме лазер на парах меди имеет = 0,5106 и 0,5782 мкм и = =5% (в режиме модуляции добротности) при средней мощности единицы ватт.

Возможности приемной техники в этих трех диапазонах следующие:

10,6 мкм - имеются фотодетекторы с высокой квантовой эффективностью (40 50%) при охлаждении до 77 100 К, но т.к. фотодетекторы не обладают внутренним усилением, они не пригодны для систем с прямым детектированием;

1,06 мкм - для систем с прямым детектированием можно использовать ФЭУ или лавинные фотодиоды. Но квантовая эффективность ФЭУ на этой длине волны составляет всего 0,008, поэтому этот диапазон значительно уступает первому;

0,53 мкм оказывается более приемлемым диапазоном в режиме прямого детектирования, т.к. показатели его из-за увеличения эффективности ФЭУ существенно выше.

Итак, имеются две системы космической связи:

С прямым детектированием сигнала на длине волны 0,53 мкм;

С гетеродинным приемником в ИК-диапазоне на 10,6 мкм.

Причем система с = 10,6 мкм имеет:

Более низкий уровень квантового шума (т.к. спектральная плотность квантового шума пропорциональна величине hf, то на = =10,6 мкм она в 20 раз меньше, чем на = 0,53 мкм);

КПД лазерного передатчика диапазона =10,6 мкм выше, чем на = 0,53 мкм.

Первые два свойства системы позволяют использовать более широкие диаграммы направленности передатчиков по сравнению с системой видимого диапазона, что упрощает систему наведения.

Недостатки здесь те же, что и у гетеродинного метода.

Система видимого диапазона = 0,53 мкм, имея более высокий уровень квантового шума, более низкий КПД передатчика, может иметь значительно уменьшенные ДН передающей антенны. Так, если апертуры передающих антенн одинаковы (на = 0,53 и 10,6 мкм), то передающая антенна на = 0,53 мкм будет иметь коэффициент усиления в 400 раз больший, чем на = 10,6 мкм, что с запасом компенсирует названные выше недостатки. Более узкие лучи передающих антенн усложняют систему взаимного наведения передающих и приемных антенн, однако использование эффективных многоэтапных методов поиска позволяет существенно сократить время вхождения в связь. Причем в гетеродинном приемнике возможно только простое растровое сканирование при поиске сигнала и время поиска существенно увеличивается за счет необходимости одновременного поиска сигнала по частоте.

Важным преимуществом антенны видимого диапазона является возможность построения спутниковой системы связи многостанционного доступа. В этом случае на борту ИСЗ-РРС размещаются несколько (по числу линий связи) простых приемников прямого детектирования. Для систем диапазона 10,6 мкм это практически невыполнимо из-за сложности гетеродинных приемников с громоздкими устройствами охлаждения фотосмесителей.

Таким образом, по существующему техническому уровню системы с прямым детектированием (= 0,53 мкм) имеют существенные преимущества:

для дальней космической связи «КА-Земля» через атмосферу;

для спутниковой системы с многостанционным доступом.

Для спутниковой системы связи, когда приемный (или передающий) луч ИСЗ-ретранслятора «перекидывается» с одного абонента на другой по программе, система связи с высокой пропускной способностью на = 0,53 и 10,6 мкм имеют сравнимые характеристики при скоростях передачи информации до нескольких сотен мегабит в секунду. Более высокие скорости передачи информации (более 10 Гбит/с) в системе с = 10,6 мкм трудно реализуемы, в то время как в видимом диапазоне они могут быть просто обеспечены за счет временного уплотнения каналов.

Пример реализации системы связи трех синхронных спутников (рис. 9):

длина волны передатчика = 0,53 мкм (детектирование прямое);

модуляция осуществляется электрооптическим модулятором, а сигналом модуляции является СВЧ-поднесущая с центральной частотой m = 3 ГГц и боковой полосой от мин = 2,5·10 9 до макс = 3,5·10 9 Гц (т.е. = 10 9 Гц);

Рис. 9

электрооптический модулятор (кристалл) работает в поперечном режиме с электрооптическим коэффициентом r 4·10 -11 при микроволновой диэлектрической проницаемости = 55 0 . Максимальная глубина модуляции - Г m = /3;

коллимирующая и принимающая линзы имеют размеры 10 см;

соотношение сигнал/шум на выходе усилителя, следующего за ФЭУ, равен 10

Определим общую мощность источника постоянного тока, которым спутник должен снабжаться, чтобы удовлетворить требованиям задания на проектирование (определим сначала уровень оптической мощности передаваемого излучения, а затем мощность модуляции, необходимую для работы).

Решение : Синхронный спутник имеет период обращения 24 часа. Расстояние от Земли до спутника определяем из равенства центробежной и гравитационной сил

mV 2 /R ES = mg(R Зем) 2 /(R ES) 2 ,

где V скорость спутника; m его масса; g - гравитационное ускорение у поверхности Земли; R ES - расстояние от центра Земли до спутника; R Зем - радиус Земли.

Синхронная орбитальная частота вращения (24 часа) позволяет определить

V/R ES = 2/(246060), тогда R ES = 42 222 км.

Расстояние между спутниками R = 73 12 км при разносе в 120 О. Если оптический сигнал мощностью Р Т передается в телесном угле T и принимаемая апертура обеспечивает телесный угол R , то принимаемая мощность

P R = P T (R / T).

Передаваемый оптический пучок (рис. 35) дифрагирует с углом расходимости пучка, который связан с минимальным радиусом пучка 0 выражением

пучка = / 0 .

Соответствующий телесный угол T = (пучка) 2 .

Если принять 0 равным радиусу d т передающей линзы, то

Телесный угол приемника равен

R = d 2 R /R 2 ,

R расстояние между передатчиком и приемником.

Из (42), (44), (45) имеем

P T = P R R 22 / 22 T 2 R .

Запишем соотношение сигнал/шум на выходе ФЭУ, работающем в режиме квантового ограничения (т.е. когда основной источник шума - дробовый шум самого сигнала):

с/ш = 2 (P R e/h) 2 G 2 /G 2 ei d = P R /h,

где Р R оптическая мощность, G - коэффициент усиления по току, i d - темновой ток. При = 0,53 мкм, = 0,2 - эффективность преобразования мощности, = 10 9 Гц с/ш = 10 3 получим Р R 2·10 -6 . При этом требуемая мощность в соответствии с (46) при R = 7,5·10 4 м составит Р т 3 Вт.