2.3. Связь и различия между малыми телами Порой в великой книге тайн природы Мне удается кое-что прочесть. У. Шекспир. «Антоний и Клеопатра» Как было отмечено ранее, согласно общепринятой гипотезе, кометы являются остатками протопланетного вещества, не вошедшего в

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

Александр Лобинcкий

В прошлом номере "СР" мы поэкспериментировали с новой методой изложения новостей "с обсуждениями и комментариями" и, похоже, начинание пришлось нашим читателям по душе. На сей раз под прицел опять попадает опубликованный на небезызвестном новостном портале ZDNet материал, посвященный лазерным системам связи. А своими соображениями по данной теме с вами делится специалист белорусской компании Belana.

публикация на ZDNet:

Лазеры решают проблему полосы пропускания

Операторы связи и производители аппаратуры уже несколько месяцев испытывают технологию высокоскоростной передачи данных для предприятий, называемую "лазерами в открытом пространстве", или "оптической беспроводной связью", которая вплоть до недавнего времени оставалась предметом теоретических споров, научных разработок и опытных проектов.
В ближайшее время компании Terabeam и FSONA Communications планируют представить первые коммерческие продукты и услуги на базе этой технологии. "Уже очевидно, что она готова к широкому применению", - говорит независимый аналитик телекоммуникационной индустрии Джефф Каган (Jeff Kagan). - "Пора предложить ее рынку и посмотреть, во что это выльется. Понятно, что без проблем не обойдется. Но если это заработает, можно рассчитывать на огромный успех".

Лазеры невидимого оптического диапазона безвредны для человеческого глаза и позволяют обеспечить высокоскоростной доступ в Интернет и корпоративные сети через луч, проходящий сквозь окно офиса.
Эта технология обеспечивает более высокое быстродействие по сравнению с существующими беспроводными сетями и дешевле, чем волоконно-оптическая связь, для которой нужно прокладывать кабель через улицы. Лазеры способны решить важную проблему, стоящую перед телекоммуникационной индустрией.

Если крупные общенациональные сети уже существуют, то строительство и модернизация внутригородских сетей только начинается. Поэтому предприятиям часто приходится месяцами ждать, пока их обеспечат доступом в Интернет или связью с удаленным офисом. Однако успех лазерной технологии отнюдь не гарантирован. Во-первых, лазерный луч подвержен влиянию густого тумана, который может помешать распространению и уменьшить надежность связи. Кроме того, аналитики утверждают, что лазерная связь столкнется с такими трудностями, как скептическое отношение к ней рынка и ограниченная по сравнению со стационарной радиосвязью и прямыми волоконно-оптическими каналами область применения.

опасный конкурент

И все же руководители компаний, работающих с лазерной технологией, верят в ее готовность конкурировать с альтернативными средствами передачи данных. "Мы чувствуем, что пора выходить на рынок", - говорит СЕО компании Terabeam Дэн Гессе (Dan Hesse), который покинул высокооплачиваемую работу в AT&T Wireless, чтобы возглавить "лазерную" компанию. Terabeam предлагает в Сиэтле каналы передачи данных со скоростью до 1 Гбит/с и в ближайший месяц готовится развернуть широкую маркетинговую кампанию. Terabeam обслуживает двух местных заказчиков - агентство по цифровой рекламе Avenue A и компанию Simpson Investment, к которым в ближайшие дни присоединится третий. До конца года планируется начать реализацию услуг еще в пяти городах США. "Для других технологий требуется длительное оформление разрешения и прокладка кабелей.

Мы же можем прямо через окно пустить оптический сигнал, который обычно передается по толстым кабелям. Мы рассматриваем свою технологию как продолжение волоконно-оптической", - говорит Гессе.
Стратегия компании отличается тем, что она планирует работать и как сервис-провайдер, и как производитель лазерного оборудования. Такой же стратегии придерживалась и AT&T в первые годы своей деятельности, когда работала и как оператор связи, и как производитель телефонного оборудования. Tera-beam подписала соглашение о совместной разработке аппаратуры с Lucent Technologies. Lucent принадлежит 30% акций Terabeam Labs, совместного предприятия по разработке аппаратуры, руководители которого мечтают через несколько лет отделиться и стать самостоятельной компанией. FSONA планирует анонсировать первые лазерные продукты для операторов связи на будущей неделе.
В апреле компания начнет продавать свою лазерную систему SONAbeam 155-2, способную передавать данные со скоростью 155 Мбит/с на расстояние до 2 км по цене $20 тыс. за передающее и приемное оборудование. "Мы выпустим первый массовый продукт оптической бескабельной связи", - говорит главный инженер FSONA Стивен Мешерл (Stephen Mecherle). - "Он должен стать пробным камнем данной технологии".
Недавно FSONA втрое увеличила свои производственные мощности, освоив новый корпус в Ванкувере площадью около 27 тыс. кв. м.
Планируя расширяться и дальше, компания провела предварительные переговоры с потенциальными заокеанскими партнерами. В этом году она намерена выпустить удешевленную версию лазерной системы 155 Мбит/с, действующую на более короткие расстояния, а также систему с пропускной способностью 622 Мбит/с.

Многие аналитики одобряют достоинства этой технологии, но не уверены в ее надежности. По оценке FSONA, вероятность бесперебойной работы составляет 99%, что недостаточно по стандартам телекоммуникационной индустрии. Но компания намерена предложить дополнительные резервные системы, позволяющие довести надежность до 99,9%.
Руководители Terabeam уверены, что их сеть способна обеспечить бесперебойную работу в 99,9% случаев, что в совокупности эквивалентно примерно одному дню простоя в год.
Возможностей лазерной технологии и ее надежности оказалось достаточно, чтобы заинтересовать Lucent. Avenue A тоже пока довольна сервисом Terabeam, особенно тем, как быстро - по сравнению со временем ожидания подключения к службам телефонных компаний и других сетевых сервисов, таких как WorldCom и Sprint, - компания его получила. "Каналов приходится ждать вечно", - говорит директор по информационным технологиям Avenue A Джеми Марра (Jamie Marra). - "Как услышишь о сроке в 90 дней, охота обращаться к этим сервис-провайдерам отпадает". Вместо них Avenue A обратилась к Terabeam. "С момента, как мы спросили: "Что вы можете предложить?" и до окончания установки оборудования прошло всего три недели", - говорит Марра. - "Нас обслужили быстро и по цене, сопоставимой с ценами телефонных компаний".
Terabeam и FSONA не одиноки в своем стремлении на рынок телекоммуникаций. В числе других поставщиков услуг лазерной связи - компания AirFiber, подписавшая соглашения с Nortel Networks, Optical Access (о решениях этой компании подробно рассказывалось в предыдущем номере "СР" - прим. ред.) и LightPointe Communications.

Все эти компании могут стать серьезной угрозой для поставщиков услуг стационарной радиосвязи и гигабитных сетей Ethernet. Благодаря возможности пропускать лазерный луч прямо через окно сервис-провайдеры могут обходиться без приобретения дорогостоящих лицензий на радиочастоты и переговоров с владельцами недвижимости о правах доступа на крышу. "Такая степень свободы конкурента вполне может заставить нервничать Teligent, Winstar и других поставщиков услуг стационарной радиосвязи", - говорит заместитель директора аналитической фирмы The Precursor Group Пэт Броуган (Pat Brogan).
Это мнение разделяют и другие аналитики. Технология лазерных сетей, считают они, может стать популярной при условии, что эти первые примеры ее применения окажутся надежными и понравятся заказчикам. "Если эта технология работает так, как обещают, она, возможно, придется ко двору", - говорит Каган. - "При высоких скоростях передачи данных, коротких сроках установки, отсутствии необходимости возиться с разрешениями это вполне реально".
Кори Грайс, ZDNet

Обсуждение статьи: мнение специалиста компании Веlana

"Идея передачи информации при помощи лазерного луча отнюдь не нова. Я сам в конце 80-х, еще будучи школьником, видел опытную установку в БГУИР (тогда еще МРТИ), в которой луч лазера использовался для передачи голоса. Попытки использовать подобные системы (т.н. "атмосферный лазер") для передачи данных продолжаются столько, сколько существуют сети передачи данных. Результаты многочисленных экспериментов, часть из которых даже заканчивалась выпуском коммерческих продуктов, оказались весьма противоречивыми. Мнения специалистов и пользователей разделились.
Одни утверждают, что "атмосферная" технология весьма перспективна, но требует доработки, другие говорят, что это пустая трата времени и денег. Вот типичный пример скептического отношения: "Ага... Очень круто. Канал упал.
Возможные причины - ветер листву гонит, смог на дворе (КРАЗ под окном проехал), дождик, снег, уборщица окно давно не мыла, пролетающий за окном самоубийца пересек луч:), плакат на улице вывесили, птички летают. Отличная, надежная связь, нечего добавить. Мне, уж пожалуйста, кабель "прокладите".

Кроме того, "лазеры невидимого оптического диапазона безвредны для человеческого глаза" - это чушь. То, что глазные колбочки не реагируют на излучение ниже определенной частоты, еще не значит, что ткани глаза не поглощают излучение.
Наоборот, невидимое излучение тем и опасно, что проходит некоторое время, прежде чем человек чувствует, что что-то не так. Можно спокойно глаза лишиться. Что касается настройки, - на расстоянии 100 метров (10 000 см) для отклонения луча на 10 см достаточно углового возмущения 10/10 000 = 0,001 рад. Не вполне представляю, как такую стабильность обеспечить."
В принципе, представленное мнение не лишено логики, равно как и то оптимистичное, что представлено в обсуждаемой статье.
Давайте, однако, попробуем разобраться. Тот факт, что беспроводные оптические системы до сих пор не получили массового признания (отсутствие необходимости прокладки дорогостоящих ВОЛС делает их весьма привлекательными в экономическом отношении), объясняется рядом причин. Попытаемся их проанализировать.

1. Рассматриваемая технология эффективна только при передаче данных на большие расстояния. При малых расстояниях (десятки метров) используется, и весьма эффективно, ненаправленная инфракрасная технология. Лазерная система ей проигрывает на порядок как по стоимости, так и по гибкости. На больших расстояниях у лазерной технологии возникают сложности со средой передачи данных - атмосферой, которая, к сожалению, далеко не всегда оказывается прозрачной, особенно в городских условиях. Преодоление этой проблемы заключается в увеличении мощности лазера.
Несколько лет назад это решение приводило к созданию устройств, потреблявших уйму энергии, стоивших огромные деньги и выглядевших, как турболазерные пушки из "Звездных войн". Сегодня эта проблема во многом решена, так как изобретены новые виды компактных, мощных и недорогих лазерных излучателей.

2. Пучок может прерываться всякими подвижными объектами, как то: птицы, низко летящие самолеты, листья, капли и проч. На заре сетевых технологий даже кратковременное прерывание пучка вызывало обрыв канала передачи данных, что и поспособствовало присуждению лазерной связи звания "крайне неустойчивой". На заре, но не сегодня.
С тех пор были разработаны целые серии протоколов канального уровня, предназначенные для беспроводных средств связи и способные автоматически восстанавливать канал после кратковременного обрыва. А непрерывность потоков данных обеспечивается протоколами более высокого уровня (например TCP/IP).
Таким образом, миф о неустойчивости лазерной связи сегодня может быть опровергнут.

3. Лазерная система связи сложна в настройке. Действительно, при диаметре пучка в несколько миллиметров (а то и долей миллиметра), колебания светового пятна с амплитудой в несколько сантиметров могут серьезно осложнить всю процедуру наведения на приемник. На сегодняшний день это одна из самых серьезных технических проблем атмосферной лазерной связи. Правда, в последнее время стали появляться сообщения о разработке высокочувствительных оптических сенсоров, работающих в узких спектральных диапазонах, что позволяет создать относительно дешевые панели площадью несколько десятков квадратных сантиметров, нечувствительные к дневной засветке, а потому позволяющие обеспечить устойчивый прием луча.

Сомневаюсь, что технология атмосферной лазерной связи в ближайшее время окажется достаточно дешевой, чтобы ее можно было использовать в домашних условиях (да и не все живут в высотных домах, где можно обеспечить прямую видимость).
Однако эта технология может стать вполне достойным конкурентом стационарной радиосвязи в корпоративных сетях передачи данных. При примерно равной стоимости оборудования лазерная технология не потребует проведения мучительных (и весьма дорогостоящих) процедур выделения радиочастотных каналов, проведения работ по высотному монтажу тяжелого и громоздкого оборудования и, как было сказано ранее, оказывается менее вредной для здоровья окружающих.

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.

Оптическая связь осуществляется путем передачи информации с помощью электромагнитных волн оптического диапазона. В качестве примера оптической связи можно привести применяемую в прошлом передачу сообщений с помощью костров или семафорной азбуки. В 60-е годы XX века были созданы лазеры и появилась возможность построения широкополосных систем оптической связи, передающих не только телефонные, но и телевизионные и компьютерные сигналы.
Оптические системы связи делятся на открытые, где сигнал передается в атмосфере или космосе, и закрытые, то есть использующие световоды . Далее рассматриваются только открытые атмосферные линии связи.
Оптическая атмосферная система связи между двумя пунктами состоит из двух спаренных приемопередающих устройств, расположенных в пределах прямой видимости на обоих концах линии и направленных друг на друга. В передатчике находится генератор-лазер и модулятор его оптического излучения передаваемым сигналом. Модулированный лазерный луч коллимируется оптической системой и направляется в сторону приемника. В приемнике излучение фокусируется на фотоприемник, где производится его детектирование и выделение передаваемой информации. Так как лазерный луч передается между пунктами связи в атмосфере, то его распространение сильно зависит от метеоусловий, от наличия дыма, пыли и других загрязнений воздуха. Кроме того, в атмосфере наблюдаются турбулентные явления, которые приводят к флуктуации показателя преломления среды, колебаниям луча и искажениям принимаемого сигнала. Однако, несмотря на указанные проблемы, атмосферная лазерная связь оказалась вполне надежной на расстояниях нескольких километров и особенно перспективной для решения проблемы "последней миРаспространение лазерного излучения в атмосфере сопровождается целым рядом явлений линейного и нелинейного взаимодействия света со средой. При этом ни одно из этих явлений не проявляется в отдельности. По чисто качественным признакам указанные явления можно разделить на три основные группы: поглощение и рассеяние молекулами газов воздуха, ослабление на аэрозолях (пыль, дождь, снег, туман) и флуктуации излучения на турбулентностях атмосферы. Главными ограничителями дальности АЛС являются густой снег и густой туман, для которых аэрозольное ослабление максимально. На распространение лазерного луча сильное влияние оказывает также турбулентность атмосферы, то есть случайные пространственно-временные изменения показателя преломления, вызванные перемещением воздуха, флуктуациями его температуры и плотности. Поэтому световые волны, распространяющиеся в атмосфере, испытывают не только поглощение, но и флуктуации передаваемой мощности.
Турбулентность атмосферы приводит к искажениям волнового фронта и, следовательно, к колебаниям и уширению лазерного пучка и перераспределению энергии в его поперечном сечении. В плоскости приемной антенны это проявляется в хаотическом чередовании темных и ярких пятен с частотой от долей герца до нескольких килогерц. При этом иногда возникают замирания сигнала (термин заимствован из радиосвязи) и связь становится неустойчивой. Замирание наиболее сильно проявляется в ясную солнечную погоду, особенно в летние жаркие месяцы, в часы восхода и захода солнца, при сильном ветреСистемы АЛС могут использоваться не только на "последней миле" каналов связи, но также и в качестве вставок в волоконно-оптические линии на отдельных труднопроходимых участках; для связи в горных условиях, в аэропортах, между отдельными зданиями одной организации (органы управления, торговые центры, промышленные предприятия, университетские городки, больничные комплексы, стройплощадки и т. д.); при создании разнесенных в пространстве локальных компьютерных сетей; при организации связи между центрами коммутации и базовыми станциями сотовых сетей; для оперативной прокладки линии при ограниченном времени на монтаж. Поэтому в последнее время возрастает интерес отечественных производителей к этому новому и перспективному сектору

Функциональная схема системы лазерной связи очень проста:

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

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

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

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

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

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

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

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

2,5 Гбит/с по лазерному лучу

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

Контрольные вопросы

1. Какие технологии применяются для создания беспроводных сетей?

2. Перечислить основные технологии радиосетей.

3. Что такое точка доступа (access point)?

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

5. Что такое роумингом (roaming).?

6. Перечислить технологии, альтернативные стандарту IEEE 802.11;

7. Охарактеризовать технологию Bluetooth .

8. Охарактеризовать технологию HiperLAN .

9. Что такое оптические сети?

10. Что такое микроволновые системы?

11. Охарактеризовать стандарт IEEE 802.16 (WiMAX)?

12. Что такое беспроводные сети на базе низкоорбитальных спутников Земли?

13. Какие устройства входят в состав инфракрасной системы?

14. Что такое ИК-излучение?

15. Что такое атмосферная лазерная связь?

16. Как происходит прием и передача при атмосферной лазерной связи?