Телекомунікаційні системи та мережі. Том 1. Структура й основні функції.  /  Зміст  /  Розділ 4. Лінії зв’язку   /  Тема 4.10. Атмосферний лазерний зв’язок

Зміст:

4.10.1. Атмосферний лазерний зв’язок

Лінія оптичної атмосферної системи зв’язку між двома пунктами складається з двох приймально-передавальних пристроїв, розташованих у межах прямої видимості на обох кінцях лінії і спрямованих один на одного. У передавачі знаходиться генератор-лазер і модулятор його оптичного випромінювання переданим сигналом. Модульований лазерний промінь оптичної системи спрямовується у бік приймача. У приймачі випромінювання фокусується на фотоприймач, де виконується його детектування і виділення переданої інформації.

Схему одного з варіантів приймально-передавального пристрою атмосферної системи зв’язку з напівпровідниковим лазером подано на рис. 4.10.1.

Рис. 4.10.1. Схема приймально-передавального пристрою атмосферної системи зв’язку

Передавальна частина системи містить підсилювач електричних сигналів ЕП, генератор струму накачування ГСН, що виконує роль перетворювача напруги в струм і каскаду джерела випромінювання (лазера) ДВ. Оптичне випромінювання фокусується за допомогою антени.

Приймальна частина містить антену, фокусуючу випромінювання на приймальну площадку фотодіода. Каскад з фотодіодом ФД через погоджувальний каскад ПК підключений до підсилювачів ЕП1, ЕП2.

Живлення передавального і приймального пристрою здійснюється від блоку живлення БЖ.

Реальних схем таких систем існує багато.

Як джерела випромінювання можуть використовуватися лазери газові, на основі твердого тіла і напівпровідникові.

Детектування оптичного сигналу може здійснюватися за допомогою звичайних і лавинних фотодіодів, а також фотоелектронних перемножувачів.

В оптичних системах може застосовуватися стабілізація потужності оптичного випромінювання. Цифрові системи зв’язку містять також, як правило, порогові пристрої для регенерації прямокутних імпульсів з метою відновлення форми імпульсів.

Окрім зазначених основних вузлів, станція атмосферного лазерного зв’язку (АЛЗ) може бути забезпечена монокуляром — цілевказівником і пристроєм автоматизованого юстування. Разом з цим можуть бути передбачені системи термостабилізації, самодіагностики, індикації робочих параметрів тощо.

Поширення лазерного променя в атмосфері значною мірою залежить від метеоумов, від наявності диму, пилу й інших забруднень повітря. Крім того, в атмосфері спостерігаються турбулентні явища, що приводять до флуктуації показника переломлення середовища, коливань променя і перекручень прийнятого сигналу. Однак, незважаючи на зазначені проблеми, атмосферний лазерний зв’язок виявився цілком надійним на відстанях декількох кілометрів і особливо перспективним для розв’язання проблеми «останньої милі».

У перших АЛЗ використовувався гелій-неоновий лазер з довжиною хвилі випромінювання 0,63 мкм і потужністю декілька десятків міліват. Амплітудна модуляція здійснювалася модулятором на базі ефекту Поккельса, а фотоприймачем служив фотоперемножувач.

Сучасне значне поширення АЛЗ у багатьох країнах світу почалося, коли були створені недорогі напівпровідникові лазери потужністю в 100 мВт і більше. У цей же час виникла потреба в лазерному зв’язку, оскільки почали стрімко розвиватися інформаційні технології. Різко збільшується кількість абонентів, що вимагають надання таких телекомунікаційних послуг, як Інтернет, IP-телефонія, кабельне телебачення з великою кількістю каналів, комп’ютерні мережі тощо.

Переваги безпроводових ліній зв’язку очевидні: це економічність, не вимагаються земляні роботи; низькі експлуатаційні витрати; висока пропускна здатність і якість цифрового зв’язку; швидке розгортання і зміна конфігурації мережі; легке подолання перешкод — залізниць, річок, гір тощо.

На відміну від НВЧ оптичний діапазон цілком вільний, і його використання не вимагає узгодження частот. Він дозволяє забезпечити високу швидкість передачі інформації, її захист від несанкціонованого доступу, завадостійкість, низьке енергоспоживання. Тому найбільш повним розв’язанням проблеми «останньої милі» є передача інформації лазерним променем.

Поширення лазерного випромінювання в атмосфері супроводжується цілою низкою явищ лінійної і нелінійної взаємодії світла із середовищем. При цьому жодне з цих явищ не виявляється окремо. За суто якісними ознаками зазначені явища можна поділити на три основні групи: поглинання і розсіювання молекулами газів повітря, ослаблення на аерозолях (пил, дощ, сніг, туман) і флуктуації випромінювання на турбулентностях атмосфери. Коротко зупинимося на кожному з цих явищ.

Поглинання світлового потоку видимого й інфрачервоного діапазонів визначається, насамперед, молекулярним поглинанням, украй нерівномірним за частотою. Воно максимальне на резонансних частотах молекул повітря, води, вуглекислого газу, озону й інших компонентів атмосфери.

Існують ділянки спектра, де поглинання незначне. Вони називаються вікнами прозорості.

Якщо лазерне випромінювання потрапляє в центр сильної лінії спектра, то воно поглинається атмосферою на 100 % навіть на невеликій відстані. Тому для АЛЗ слід брати лазери з випромінюванням, що знаходиться на ділянках спектра атмосфери, зайнятих широкими вікнами прозорості чи в проміжках між слабкими лініями поглинання, у мікровікнах прозорості.

Окрім молекулярного поглинання поширенню променя заважає молекулярне розсіювання променистої енергії мікрозгустками молекул повітря, що мають різну щільність і різні показники заломлення.

Атмосфера являє собою механічну суміш з газів, пару, крапель рідини і твердих частинок. У ній завжди в змінній кількості присутні пил, дим, кришталики льоду. Тому атмосфера є аерозолем, склад якого безупинно змінюється через перемішування.

Усі типи атмосферних аерозолей можна об’єднати в такі основні класи: хмари, тумани, димки, наморозь і опади — дощ чи сніг. У хмарах і туманах найбільш імовірне значення радіуса частинок складає 5—6 мкм, а в димках на 1—2 порядки менше. Тому ослаблення мікронного випромінювання в димках нижче. При цьому характерно, що ослаблення оптичного сигналу при дощі та снігопаді менше, ніж при тумані (табл. 4.10.1).

Таблиця 4.10.1 Приклад ослаблень випромінювання в діапазоні 0,85 мкм залежно від погодних умов

Погодні умови
Загасання, дБ/км
Ясна погода 0—3
Слабкий дощ 3—6
Сильний дощ 6—17
Сніг 6—26
Легкий туман 20—30
Густий туман 50—100

Головними обмежувачами дальності АЛЗ є густий сніг і густий туман, для яких аерозольне ослаблення максимальне. На поширення лазерного променя значний вплив чинить також турбулентність атмосфери, тобто випадкові просторово-часові зміни показника заломлення, викликані пересуванням повітря, флуктуаціями його температури та щільності. Тому світлові хвилі, що поширюються в атмосфері, піддаються не тільки поглинанню, але і флуктуації переданої потужності.

Найпростішим способом боротьби із завмираннями є збільшення розміру приймальної оптичної антени чи використання декількох приймальних антен. При цьому відбувається усереднення флуктуацій випромінювання, прийнятого окремими елементами, і вирівнювання сигналу. Інший спосіб полягає в некогерентному додаванні в одному каналі випромінювання декількох лазерів.

При практичному використанні лазерів у системах атмосферного зв’язку необхідно враховувати сукупний вплив взаємодії випромінювання з атмосферою — одночасно поглинаючою, розсіюючою з випадково неоднорідним середовищем. Цей вплив може змінюватися в надзвичайно широкому діапазоні. Тому для забезпечення працездатності АЛЗ на заданій дистанції з визначеним рівнем надійності (чи доступності каналу) необхідно мати достатній динамічний запас енергетичного потенціалу.

Для характеристики взаємодії оптичної хвилі на основі аналізу зміни енергії випромінювання, що проходить крізь середовище, вводиться об’ємний коефіцієнт ослаблення αλ.

Коефіцієнт ослаблення можна представити як

αλ = σλ + kλ(4.10.1)

де σλ і kλ — об’ємні коефіцієнти розсіювання і поглинання відповідно. Ці коефіцієнти залежать від довжини (частоти) хвилі і розташування точки спостереження, але не залежать від напрямку випромінювання в ізотропному середовищі.

З огляду на наявність у спектрах молекулярного поглинання великої кількості окремих ліній поглинання, що виникають при переходах молекул з одного енергетичного стану в інший, сумарний коефіцієнт поглинання для конкретної молекули можна записати як

(4.10.2)

де ki(ν) — коефіцієнт поглинання окремої i-ї спектральної лінії. Слід зазначити, що співвідношення, яке здається очевидним, насправді є наближеним. В основу співвідношення покладено припущення, що окремі спектральні лінії поглинання формуються незалежно одна від одної. Іншими словами, переходи молекул між різними енергетичними станами здійснюються незалежно. Насправді, як випливає із загальної теорії молекулярного поглинання в газах, це не зовсім так. Принцип адитивності особливо явно порушується, якщо відповідні лінії поглинання істотно перетинаються. Цей ефект у молекулярній спектроскопії називається інтерференцією спектральних ліній. В більшості випадків (для простоти) слід користуватися співвідношенням (4.10.2), не забуваючи, однак, про його приблизність, і використовувати більш строгий вираз для поглинання сукупності близько розташованих спектральних ліній в особливих випадках.

Якщо врахувати, що в атмосфері Землі присутня велика кількість різних атмосферних газів, то коефіцієнт молекулярного поглинання повітря слід записати як

(4.10.3)

де індекс підсумовування k відповідає різним газам, що входять до складу повітря, а індекс i — окремим лініям кожного газу. Таким чином, загальний коефіцієнт молекулярного поглинання в атмосфері являє собою, у першому наближенні, суму коефіцієнтів поглинання в окремих лініях поглинання різних атмосферних газів.

Доступність лінії АЛЗ залежить від припустимого ослаблення потужності сигналу між передавачем і приймачем на заданій відстані між терміналами і від статистики розподілу максимальної видимості у місці установки лінії. Чим більший запас потужності системи, тим менше погодні умови впливають на працездатність лінії.

Системи АЛЗ можуть використовуватися не тільки на «останній милі» каналів зв’язку, але також як вставки у волоконно-оптичні лінії на окремих важкопрохідних ділянках; для зв’язку в гірських умовах, в аеропортах, між окремими будинками (органи керування, торгові центри, промислові підприємства, університетські містечка, лікарняні комплекси, будмайданчики тощо); при створенні рознесених у просторі локальних комп’ютерних мереж; при організації зв’язку між центрами комутації і базових станцій стільникових мереж; для оперативної прокладки лінії при обмеженому часі на монтаж. Тому останнім часом зростає інтерес виробників до цього нового і перспективного сектора ринку.

Технічні характеристики атмосферних ліній зв’язку наведені в табл. 4.10.2, 4.10.3.

Таблиця 4.10.2 Параметри сучасних багатоканальних АЛЗ

Виробник
Модель
Початкова потужність, мВт
Тип джерела випромінювання
Дальність зв'язку (при МДВ = 250 м), м
Примітка
PAV Data Systems SkyCell 4E1-4000
300
Лазер
716
3 лазери
PAV Data Systems SkyCell 4E1-2000
100
Лазер
592
НИИПП (Квантово-оптичні системи) КС-300 (500) 4Е1
200
Лазер
614
4 лазери
НИИПП (Квантово-оптичні системи) КС-210 4Е1
30
Лазер
468
Катарсис БОКС Е2-ОС3
500
Світлодіод
544
Катарсис БОКС Е2-700
250
Світлодіод
480
Державний Рязанський приладовий завод МІСТ 100/500
160
Лазер
522
Вбудований
мультиплексор 4хЕ1
LaserBit Comms LB 2500E2
280
Лазер
500
LaserBit Comms LB 1200E2
140
Лазер
438
MRV Comms TS-940/4E1
22
Лазер
480
MRV Comms TS-707/4E1
8
Лазер
294
Sceptre (ОКБ МЕІ) EasyLink 4
100
Світлодіод
424
ISONA Comms Sonabeam 52M
640
Лазер
776
ISONA Comms Sonabeam 8E
100
Лазер
580
LightPointe FST 52/4000
16
Лазер
568
LightPointe FST 52/1000
4
Лазер
342

Таблиця 4.10.3 Європейська космічна АЛЗ

Параметр
Значення
Робочі довжини хвиль, мкм
0,81—0,87
Середня випромінювана потужність, мВт
50
Швидкість передачі інформації, Мбіт/с/канал
1—120
Діаметр антени геостаціонарного супутника, см
35
Діаметр антени низькоорбітального супутника, см
20
Динамічна помилка наведення, мкрад
20
Статична помилка наведення, мкрад
0,5
Імовірність помилкового прийому символу
10−6
Розрахункова дальність зв'язку, км
45000

Таким чином, зв’язок по лазерному променю через атмосферу на сьогодні забезпечує передачу великих обсягів інформації з високою надійністю на відстанях в одиниці кілометрів у земних умовах, а у космічному просторі на десятки тисяч кілометрів.