Blíží se éra laserové komunikace: detaily od tvůrce technologie. Kosmický laserový komunikační systém

Od poloviny 20. století začal aktivní výzkum mikrovln. Americký fyzik Charles Towns se rozhodl zvýšit intenzitu mikrovlnného paprsku. Po excitaci molekul amoniaku na vysokou energetickou úroveň zahřátím nebo elektrickou stimulací vědec prošel skrz ně slabý mikrovlnný paprsek. Výsledek byl výkonný zesilovač mikrovlnné záření, které Townes v roce 1953 nazval „maser“. V roce 1958 udělali Towns a Arthur Shavlov další krok: místo mikrovln se pokusili zesílit viditelné světlo. Právě na základě těchto experimentů vytvořil Maiman v roce 1960 první laser.

Vytvoření laseru umožnilo řešit širokou škálu problémů, které přispěly k výraznému rozvoji vědy a techniky. To umožnilo na konci 20. a na začátku 21. století získat takový vývoj jako: optické komunikační linky, lékařské lasery, laserové zpracování materiálů (tepelné zpracování, svařování, řezání, rytí atd.), laserové navádění a označování cílů, laserové tiskárny, čtečky čárových kódů a další. Všechny tyto vynálezy značně zjednodušily, jako život obyčejného člověka, a umožnily vývoj nových technických řešení.

Tento článek poskytne odpovědi na následující otázky:

1) Co je bezdrátové připojení laserová komunikace? Jak se provádí?

2) Jaké jsou podmínky pro použití laserové komunikace ve vesmíru?

3) Jaké zařízení je potřeba pro laserovou komunikaci?

Definice bezdrátové laserové komunikace, způsoby její realizace.

Bezdrátová laserová komunikace je druh optické komunikace, která využívá elektromagnetické vlny v optickém rozsahu (světlo) přenášené atmosférou nebo vakuem.

Laserová komunikace mezi dvěma objekty probíhá pouze prostřednictvím spojení point-to-point. Technologie je založena na přenosu dat modulovaným zářením v infračervené části spektra atmosférou. Vysílač je výkonná polovodičová laserová dioda. Informace vstupuje do modulu transceiveru, který je zakódován různými kódy odolnými proti šumu, modulován optickým laserovým emitorem a zaostřen optickým systémem vysílače do úzkého kolimovaného laserového paprsku a vysílán do atmosféry.

Na přijímací straně se zaměřuje optický systém optický signál na vysoce citlivé fotodiodě (neboli lavinové fotodiodě), která převádí optický paprsek na elektrický signál. Zároveň platí, že čím vyšší frekvence (až 1,5 GHz), tím větší množství přenášených informací. Signál je poté demodulován a převeden na signály výstupního rozhraní.

Vlnová délka ve většině implementovaných systémů se pohybuje mezi 700-950 nm nebo 1550 nm, v závislosti na použité laserové diodě.

Z výše uvedeného vyplývá, že klíčovými přístrojovými prvky pro laserovou komunikaci jsou polovodičová laserová dioda a vysoce citlivá fotodioda (lavinová fotodioda). Pojďme se blíže podívat na to, jak fungují.

Laserová dioda - polovodičový laser postavený na bázi diody. Jeho práce je založena na vzniku inverzních populací v regionu p-n křižovatka po injekci nosičů náboje. Příklad moderní laserové diody je uveden na obrázku 1.

Lavinové fotodiody jsou vysoce citlivá polovodičová zařízení, která díky fotoelektrickému jevu přeměňují světlo na elektrický signál. Lze je považovat za fotodetektory poskytující vnitřní zesílení účinkem lavinového zmnožení. Z funkčního hlediska se jedná o polovodičové obdoby fotonásobičů. Lavinové fotodiody jsou citlivější než jiné polovodičové fotodetektory, což umožňuje jejich použití pro detekci nízkých světelných výkonů (≲ 1 nW). Příklad moderní lavinové fotodiody je uveden na obrázku 2.

Podmínky pro použití laserové komunikace ve vesmíru.

Jedním ze slibných směrů ve vývoji kosmických komunikačních systémů jsou systémy založené na přenosu informací přes laserový kanál, protože tyto systémy mohou poskytovat velké propustnost s nižší spotřebou energie, celkové rozměry a množství zařízení transceiveru než v současnosti používané radiokomunikační systémy.

Vesmírné laserové komunikační systémy mohou potenciálně poskytovat extrémně vysokou rychlost datového toku – od 10-100 Mbps do 1-10 Gbps a vyšší.

Existuje však řada technických problémů, které je třeba vyřešit, aby bylo možné implementovat laserové komunikační kanály mezi kosmickou lodí (SC) a Zemí:

• vysoká přesnost navádění a vzájemného sledování je vyžadována ve vzdálenostech od půl tisíce do desítek tisíc kilometrů a při pohybu nosičů kosmickými rychlostmi.
• Principy příjmu a přenosu informací přes laserový kanál se stávají mnohem komplikovanějšími.
• Optoelektronická zařízení jsou stále složitější: přesná optika, jemná mechanika, polovodičové a vláknové lasery a vysoce citlivé přijímače.

Experimenty na implementaci vesmírné laserové komunikace

Rusko i Spojené státy americké experimentují s implementací laserových komunikačních systémů pro přenos velkého množství informací.

RF laserový komunikační systém (SLS)

V roce 2013 byl proveden první ruský experiment na přenos informací pomocí laserové systémy ze Země do ruského segmentu Mezinárodní vesmírné stanice (ISS RS) a zpět.

Vesmírný experiment „SLS“ byl uskutečněn s cílem otestovat a předvést ruskou technologii a zařízení pro příjem a přenos informací po kosmické laserové komunikační lince.

Cíle experimentu jsou:

• vývoj v podmínkách kosmických letů na ISS RS hlavních technologických a konstrukčních řešení začleněných do standardního vybavení mezidružicového systému přenosu laserových dat;
• Vývoj technologie pro příjem a přenos informací pomocí laserové komunikační linky;
• studium možnosti a provozních podmínek laserových komunikačních linek "deska kosmické lodi - pozemní bod" v různých atmosférických podmínkách.

Experiment je plánován na dvě etapy.

V první fázi se pracuje na systému příjmu a vysílání. informační toky přes linky „ISS RS-Earth“ (3, 125, 622 Mbit/s) a „Earth-ISS RS board“ (3 Mbit/s).

Ve druhé fázi je plánován vývoj vysoce přesného naváděcího systému a systému pro přenos informací po linii „ISS RS - reléový satelit“.

Laserový komunikační systém v první fázi experimentu SLS zahrnuje dva hlavní subsystémy:

• palubní laserový komunikační terminál (BTLS) instalovaný na ruském segmentu Mezinárodní vesmírné stanice (obrázek 3);
• pozemní laserový terminál (LLT) instalovaný na optické pozorovací stanici Arkhyz na severním Kavkaze (obrázek 4).

Předměty studia ve fázi 1 CE:

• vybavení palubního laserového komunikačního terminálu (BTLN);
• zařízení pozemního laserového komunikačního terminálu (LLT);
• atmosférický kanál šíření záření.

Obrázek 4. Pozemní laserový terminál: astropavilion s opticko-mechanickou jednotkou a nastavovacím dalekohledem

Laserový komunikační systém (SLS) – stupeň 2.

Druhá etapa experimentu bude provedena po úspěšném dokončení první etapy a připravenosti specializované kosmické lodi typu „Luch“ pro GSO s palubním terminálem mezidružicového laserového systému přenosu informací. Bohužel informace o tom, zda se druhá etapa konala nebo ne, nebyla v otevřených zdrojích nalezena. Možná byly výsledky experimentu klasifikovány nebo druhá fáze nebyla nikdy provedena. Schéma přenosu informací je znázorněno na obrázku 5.

Projekt OPALS USA

Téměř současně americká vesmírná agentura NASA zahajuje nasazení laserového systému OPALS (Optical Payload for Lasercomm Science).

„OPALS představuje první experimentální místo pro vývoj laserových vesmírných komunikačních technologií a Mezinárodní vesmírná stanice bude fungovat jako testovací místo pro systém OPALS,“ říká Michael Kokorowski, projektový manažer OPALS a NASA Jet Propulsion Laboratory (Jet Propulsion Laboratory, JPL) - "Budoucí laserové komunikační systémy, které budou vyvinuty na základě technologií OPALS, budou schopny zajistit výměnu velkého množství informací, což odstraní úzké hrdlo, které v některých případech brzdí vědecký výzkum a komerční podniky."

Systém OPALS je uzavřený kontejner, který obsahuje elektroniku připojenou k laserovému transceiveru pomocí optického kabelu (obrázek 6). Toto zařízení obsahuje laserový kolimátor a sledovací kameru namontovanou na pohyblivé plošině. Zařízení OPALS bude na ISS posláno na palubě kosmické lodi Dragon, která do vesmíru odstartuje letos v prosinci. Po dodání budou kontejner a vysílač instalovány mimo stanici a bude zahájen 90denní program testování systému v terénu.

Jak OPALS funguje:

Ze Země pošlou specialisté z Optical Communications Telescope Laboratory směrem k vesmírné stanici paprsek laserového světla, který bude fungovat jako maják. Zařízení systému OPALS, které tento signál zachytí pomocí speciálních pohonů, zaměří svůj vysílač na pozemní dalekohled, který bude sloužit jako přijímač, a vyšle signál odezvy. Při absenci interference v cestě šíření laserových světelných paprsků bude vytvořen komunikační kanál a začne přes něj přenos video a telemetrických informací, který bude poprvé trvat asi 100 sekund.

Evropský systém přenosu dat (European Data Relay System, zkratka EDRS).

European Data Relay System (EDRS) je projekt plánovaný Evropskou kosmickou agenturou k vytvoření konstelace pokročilých geostacionárních družic, které budou přenášet informace mezi družicemi, kosmickými loděmi, bezpilotními vzdušnými prostředky (UAV) a pozemními stanicemi, a to rychleji než tradiční způsoby přenosu. rychlost dat, a to i tváří v tvář přírodním a člověkem způsobeným katastrofám.

EDRS bude využívat novou laserovou komunikační technologii Laser Communication Terminal (LCT). Laserový terminál umožní přenos informací rychlostí 1,8 Gbps. Technologie LCT umožní satelitům EDRS vysílat a přijímat přibližně 50 terabajtů dat denně v téměř reálném čase.

První komunikační satelit EDRS má jít do geostacionární oběžná dráha na začátku roku 2016 z kosmodromu Bajkonur na ruské nosné raketě Proton. Jakmile bude satelit na geosynchronní oběžné dráze nad Evropou, vytvoří laserové spojení mezi čtyřmi družicemi Sentinel-1 a ​​Sentinel-2 vesmírného programu Copernicus Earth Observation Space Program, bezpilotními vzdušnými prostředky a pozemními stanicemi v Evropě, Africe, Latinské Americe a na Středozemí Východní a severovýchodní pobřeží USA.

Druhý podobný satelit bude vypuštěn v roce 2017 a třetí satelit bude vypuštěn v roce 2020. Stručně řečeno, tyto tři satelity budou schopny pokrýt celou planetu laserovou komunikací.

Perspektivy rozvoje laserové komunikace ve vesmíru.

Výhody laserové komunikace ve srovnání s rádiovou komunikací:

• přenos informací na velké vzdálenosti
• vysoká přenosová rychlost
• kompaktnost a lehkost zařízení pro přenos dat
• energetická účinnost

Nevýhody laserové komunikace:

• nutnost přesného zaměření přijímacích a vysílacích zařízení
• problémy s atmosférou (zataženo, prach atd.)

Laserová komunikace umožňuje přenášet data na mnohem větší vzdálenosti oproti rádiové komunikaci, přenosovou rychlost díky vysoké koncentraci energie a mnohem více vysoká frekvence nosič (řádově) je také vyšší. Energetická účinnost, nízká hmotnost a kompaktnost jsou také mnohonásobně či řádově lepší. Potíže v podobě nutnosti přesného zaměřování přijímacích a vysílacích zařízení lze řešit moderními technickými prostředky. Kromě toho mohou být přijímací pozemní zařízení umístěna v oblastech Země, kde je počet zamračených dnů minimální.

Kromě výše uvedených problémů je zde ještě jeden problém – tím je divergence a útlum laserového paprsku při průchodu atmosférou. Problém se zvláště zhoršuje, když paprsek prochází vrstvami s různou hustotou. Při průchodu hranicemi mezi médii zažívá paprsek světla, včetně laserového paprsku, zvláště silný lom, rozptyl a útlum. V tomto případě můžeme pozorovat jakousi světelnou skvrnu, která se získá právě při průchodu takovým rozhraním mezi médii. Takových hranic je v zemské atmosféře několik – ve výšce kolem 2 km (aktivní vrstva počasí), ve výšce kolem 10 km a ve výšce kolem 80–100 km, tedy již na hranici vesmíru. . Výšky vrstev jsou uvedeny pro střední zeměpisné šířky pro letní období. Pro jiné zeměpisné šířky a jiná roční období se výšky a samotný počet mediálních rozhraní mohou od popsaných značně lišit.

Při vstupu do zemské atmosféry tak laserový paprsek, který předtím v poklidu ujel miliony kilometrů bez jakékoli ztráty (možná mírného rozostření), na nějakých nešťastných desítkách kilometrů ztrácí lví podíl na své síle. Tuto na první pohled špatnou skutečnost však můžeme obrátit ve svůj prospěch. Protože tato skutečnost nám umožňuje obejít se bez vážného nasměrování paprsku na přijímač. Protože jako takový přijímač, nebo spíše primární přijímač, můžeme použít právě tato rozhraní mezi vrstvami a prostředími. Můžeme nasměrovat dalekohled na výsledný světelný bod a číst z něj informace. To samozřejmě znatelně přidá množství rušení a sníží rychlost přenosu dat. A obecně to ve dne znemožnit. To však umožní snížit náklady na kosmickou loď úsporou na naváděcím systému. To platí zejména pro satelity na nestacionárních drahách, stejně jako pro kosmické lodě pro výzkum hlubokého vesmíru.

V tuto chvíli, pokud uvažujeme o spojení „Země – SC a SC-Země“, je optimálním řešením synergie laserové a radiové komunikace. Docela pohodlný a slibný je přenos dat z kosmické lodi na Zemi pomocí laserové komunikace a ze Země do kosmické lodi pomocí radiové komunikace. Je to dáno tím, že modul pro příjem laseru je poměrně objemný systém (nejčastěji jde o dalekohled), který laserové záření zachycuje a převádí na elektrické signály, které jsou následně známými metodami zesilovány a převáděny na užitečné informace. Není snadné nainstalovat takový systém na kosmickou loď, protože nejčastěji existují požadavky na kompaktnost a nízkou hmotnost. Vysílač laserového signálu má přitom oproti anténám pro vysílání rádiového signálu malé rozměry a hmotnost.

Výhody laserového kanálu oproti rádiovému kanálu spočívají v tom, že za prvé nevytváří rádiové rušení; za druhé je důvěrnější; za třetí, může být použit v podmínkách vystavení vysoké úrovni elektromagnetického záření.

Schematické schéma vysílače je na obr.1. Vysílač se skládá z povelového kodéru založeného na mikrokontroléru ATtiny2313 (DD1), výstupní jednotky založené na tranzistorech BC847V (VT1, VT2) a rozhraní RS-232, které se skládá z konektoru DB9-F (na kabelu ) (XP1) a převodník úrovně na MAX3232 (DD3).

Resetovací obvod mikrokontroléru se skládá z prvků DD2 (CD4011B), R2, C7. Výstupní jednotka je elektronický klíč vyrobený na tranzistoru VT1, v jehož kolektorovém obvodu je připojeno laserové ukazovátko přes omezovač proudu na tranzistoru VT2. Vysílač je napájen konstantním stabilizovaným napětím 9 - 12 V. Mikroobvody DD1, DD2, DD3 jsou napájeny napětím 5V, které je určeno stabilizátorem 78L05 (DA1).

Ovladač DD1 je naprogramován v prostředí BASCOM, které umožňuje posílat do něj příkazy osobní počítač(PC) přes rozhraní RS-232, z terminálu Bascom pomocí funkce "echo".

Mikrokontrolér má hodinová frekvence 4MHz z interního oscilátoru. Do výstupní jednotky jsou přiváděny pakety pulsů o frekvenci asi 1,3 kHz z výstupu OS0A (PB2). Počet impulsů v sadě je určen počtem příkazů přijatých z PC.
Chcete-li zadat příkaz, musíte stisknout libovolnou klávesu na klávesnici počítače a poté, když se objeví slova „Write command“ a „Enter No. 1 ... 8“, zadejte číslo od 1 do 8 a stiskněte klávesu „Enter“. .

Program pro mikrokontrolér vysílače "TXlaser" se skládá z hlavní smyčky (DO ... LOOP) a dvou podprogramů pro obsluhu přerušení: při příjmu (Urxc) a při přetečení časovače 0 (Timer0).

Pro získání výstupní frekvence 1,3 kHz je časovač nakonfigurován s frekvenčním dělicím faktorem (Prescale) = 1024. Navíc počítání začíná od nízké hodnoty Z = 253 (na vysoké úrovni na PB2) a pokračuje až do 255. Při jeho zpracování, při kterém je sepnut výstup PB2, dojde k přerušení přetečení časovače a časovač je opět nastaven na hodnotu Z = 253. Na výstupu PB2 se tak objeví signál o frekvenci 1,3 kHz (viz obr. 2 ). Ve stejném podprogramu se porovnává počet impulzů na PB2 se zadaným, a pokud jsou stejné, časovač se zastaví.

V obsluze přerušení příjmu se nastavuje počet vysílaných impulsů (1 - 8). Pokud je toto číslo větší než 8, je terminálu vydáno hlášení „ERROR“.

Během činnosti podprogramu je přítomen výstup PD6 nízká úroveň(LED HL1 nesvítí) a časovač se zastaví.
V hlavní smyčce na výstupu PD6 - vysoká úroveň a LED HL1 svítí.
Text programu "TXlaser":

$regfile = "attiny2313a.dat"
$krystal = 1000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$framesize = 32

Config Pind.0 = Vstup "UART - RxD
Konfigurace Portd.1 = Výstup "UART - TxD
Config Portd.6 = Výstup "LED HL1
Config Portb.2 = Output "output OC0A

"timer config0-division ratio=1024:
Config Timer0 = časovač, předškála = 1024
Stop Timer0 "zastavte časovač

Dim N As Byte "definování proměnných"
Dim N0 As Byte

Const Z \u003d 253" spodní limit počtu časovačů pro výstupní frekvenci \u003d 1,3 kHz
Časovač0=Z

Na Urxc Rxd "přijmout rutinu přerušení
On Timer0 Pulse "Rutina přerušení přetečení

Povolit Urxc
Povolit časovač0

Proveďte „hlavní smyčku
Nastavte Portd.6" zapněte LED HL1
smyčka

Rxd: "Příjem rutiny zpracování přerušení
Stop Timer0
M1:
Tisk "Zapsat příkaz"
Vstup "Zadejte č. 1...8:" , N0 "příkazový vstup
Pokud N0 > 8 Pak "limit počtu příkazů
Tisk "Chyba"
Přejít na M1
Konec, pokud
N0 = N0 * 2
N0 \u003d N0 - 1 "nastavená hodnota pro počet pulzů v dávce
Přepnout Portb.2
Start Timer0 "start timer
vrátit se

Pulse: "přetečení zrušit rutinu
Stop Timer0
Přepnout Portb.2
Reset Portd.6 "Turn off LED
Časovač0=Z
N \u003d N + 1 "přírůstek počtu pulzů
Je-li N = N0 Pak „pokud je počet pulzů = dán
N=0
N0 = 0
Waitms 500" zpoždění 0,5s
Jiný
Spusťte časovač 0 "jinak pokračujte v počítání
Konec, pokud
vrátit se
Konec "ukončit program

Vysílač je vyroben na desce plošných spojů o rozměrech 46x62 mm (viz obr. 3). Všechny prvky kromě mikrokontroléru jsou typu SMD. Mikrokontrolér ATtiny2313 je použit v pouzdře DIP. Doporučuje se umístit do panelu pro DIP mikroobvody TRS (SCS) - 20, aby bylo možné "bezbolestně" přeprogramovat.

Deska plošných spojů vysílače TXD.PCB se nachází ve složce "FILE PCAD".
Schematické schéma přijímače laserového kanálu je na obr.4. Na vstupu prvního zesilovače DA3.1 (LM358N) tlumí nízkofrekvenční filtr tvořený prvky CE3, R8, R9 a mající mezní kmitočet 1 kHz hluk pozadí 50 -100 kHz ze svítidel. Zesilovače DA3.2 a DA4.2 zesilují a prodlužují dobu trvání přijímaných pulzů užitečného signálu. Komparátor na DA4.1 generuje výstupní signál (jeden), který je přiváděn přes invertory čipu CD4011D (DD2) - DD2.1, DD2. Signál synchronně přichází na kontakty mikrokontroléru ATtiny2313 (DD1) - T0 (PB4) a PB3. Časovač 0, který pracuje v režimu externího počítání pulzů, a časovač1, který měří čas tohoto počítání, jsou tedy spouštěny synchronně. Ovladač DD1, který plní funkci dekodéru, zobrazuje přijaté příkazy 1 ... 8 nastavením log.1 na pinech PORTB, respektive PB0 ... PB7, přičemž příchod dalšího příkazu vynuluje předchozí. . Při příchodu příkazu "8" na PB7 se objeví log.1, který pomocí elektronický klíč na tranzistoru VT1 sepne relé K1.

Přijímač je napájen konstantní napětí 9-12V. Analogové a digitální části jsou napájeny napětím 5V, které je určeno stabilizátory 78L05 DA5 a DA2.

V programu RXlaser je Timer0 nakonfigurován jako čítač externích impulsů a Timer1 jako časovač, který počítá dobu průchodu maximálního možného počtu impulsů (příkaz 8).

V hlavní smyčce (DO…LOOP) je časovač 1 zapnut, když je přijat první impuls příkazu (K=0), podmínka povolení časovače Z=1 je resetována.
V obslužné rutině přerušení, když počet Timer1 odpovídá hodnotě maximálního možného počtu, je načteno číslo instrukce a nastaveno na PORTB. Je také nastavena podmínka pro povolení zahrnutí Timer1-Z=0.
Text programu "RXlaser":

$regfile = "attiny2313a.dat"
$krystal = 4000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$framesize = 32

Ddrb = 255" PORTB - všechny výstupy
portb = 0
Ddrd = 0 "vstup PORTD
Portd = 255" PORTD pullup
Config Timer0 = Counter , Prescale = 1 , Edge = Falling "jako počítadlo pulzů
Config Timer1 = Timer , Prescale = 1024 , Clear Timer = 1" jako časovač
Stop Timer1
Časovač 1 = 0
Počítadlo 0 = 0

"definování proměnných:
Dim X jako Byte
Dim Comm As Byte
Dim Z As Bit
Dim K As Bit

X = 80
Compare1a = X "počet pulzů v zápasovém registru
Z = 0

Na Compare1a Pulse "přerušte rutinu náhodou

Enable Interrupts "povolit přerušení
Povolit porovnání1a

Proveďte „hlavní smyčku
Pokud Z = 0 Pak „první podmínka pro povolení časovače
K=Port.3
Pokud K = 0 Pak „druhá podmínka pro povolení časovače
Spustit časovač 1
Z = 1
Konec, pokud
Konec, pokud
smyčka

Pulse: "shodou okolností přerušit podprogram
Stop Timer1
Comm = Counter0" čtení z čítače externích impulsů
Comm = Comm - 1 "určující číslo bitu v portu
Portb = 0 "nulový port
Set Portb.comm "nastaví bit odpovídající číslu příkazu
Z = 0
Počítadlo 0 = 0
Časovač 1 = 0
vrátit se
Konec "ukončit program

Programy "TXlaser" a "RXlaser" jsou umístěny ve složce Lazer_prog.

Přijímač je umístěn na desce o rozměrech 46x62 mm (viz obr. 5). Všechny komponenty - Typ SMD, kromě mikrokontroléru, který musí být umístěn v DIP desce typu TRS(SCS)-20.

Nastavení přijímače spočívá v nastavení koeficientu přenosu mezi koncovými body a prahové hodnoty komparátoru. K vyřešení prvního problému je nutné připojit osciloskop na pin 7 DA4.2 a volbou hodnoty R18 nastavit takový koeficient průchozího přenosu, při kterém maximální amplituda emisí hluku pozorovaná na obrazovce nepřekročí 100 mV. Poté se osciloskop přepne na pin 1 DA4.1 a volbou odporu (R21) se nastaví nulová úroveň komparátoru. Zapnutím vysílače a nasměrováním laserového paprsku na fotodiodu se musíte ujistit, že se na výstupu komparátoru objeví obdélníkové impulsy.
Deska plošných spojů přijímače RXD.PCB je také umístěna ve složce FILE PCAD.

Je možné zvýšit odolnost laserového kanálu proti šumu modulací signálu s frekvencí pomocné nosné 30 - 36 kHz. K modulaci shluků pulsů dochází ve vysílači, zatímco přijímač obsahuje pásmový filtr a amplitudový detektor.

Schéma takového vysílače (vysílač 2) je na obr.6. Na rozdíl od výše popsaného vysílače 1 má vysílač 2 generátor pomocné nosné naladěný na frekvenci 30 kHz a namontovaný na slotech DD2.1, DD2.4. Generátor poskytuje modulaci shluků kladných pulzů.

Přijímač laserového kanálu se subnosnou frekvencí (přijímač 2) je namontován na domácím čipu K1056UP1 (DA1). Obvod přijímače je na obr.7. Pro izolaci příkazových impulsů je k výstupu mikroobvodu DA1 10 připojen amplitudový detektor s nízkofrekvenčním filtrem a normalizátor impulsů, shromážděný na logických prvcích DD3.1, DD3.2, sestavě diod DA3 a C9, R24. Zbytek obvodu 2 přijímače je stejný jako obvod 1 přijímače.

E. N. Čepusov, S. G. Šaronin

Dnes si již nelze představit náš život bez počítačů a sítí na nich založených. Lidstvo stojí na prahu nového světa, ve kterém je singl informační prostor. V tomto světě již komunikace nebude omezována fyzickými hranicemi, časem nebo vzdáleností.

Nyní existuje po celém světě obrovské množství sítí, které fungují různé funkce a řešení mnoha různých problémů. Dříve nebo později, ale vždy přijde okamžik, kdy se vyčerpá pásmo sítě a je třeba položit nové komunikační linky. Uvnitř budovy je to relativně snadné, ale už když jsou spojeny dvě sousední budovy, začínají potíže. Jsou nutná zvláštní povolení, souhlasy, licence k provádění prací, ale i splnění řady složitých technických požadavků a uspokojení nemalých finančních požadavků od organizací spravujících pozemky nebo kanalizaci. Zpravidla se hned ukáže, že nejkratší cesta mezi dvěma budovami není přímka. A vůbec není nutné, aby délka této cesty byla srovnatelná se vzdáleností mezi těmito budovami.

Každý samozřejmě zná bezdrátové řešení založené na různých rádiových zařízeních (rádiové modemy, nízkokanálové radioreléové linky, mikrovlnné digitální vysílače). Složitost se ale nesnižuje. Vzduch je přesycený a získat povolení k použití rádiových zařízení je velmi obtížné a někdy dokonce nemožné. A propustnost tohoto zařízení výrazně závisí na jeho ceně.

Navrhujeme využít výhod nového ekonomického typu bezdrátová komunikace, která vznikla poměrně nedávno - laserová komunikace. Tato technologie byla nejvíce vyvinuta v USA, kde byla vyvinuta. Laserová komunikace poskytuje nákladově efektivní řešení problému spolehlivé, vysokorychlostní komunikace na krátkou vzdálenost (1,2 km), která může nastat při propojování telekomunikačních systémů v budovách. Jeho použití umožní integraci lokální sítě s globální integrací lokálních sítí vzdálených od sebe, stejně jako zajištění potřeb digitální telefonie. Laserová komunikace podporuje všechna rozhraní nezbytná pro tyto účely - od RS-232 až po ATM.

Jak probíhá laserová komunikace?

Laserová komunikace na rozdíl od GSM komunikace umožňuje připojení typu point-to-point s rychlostí přenosu dat až 155 Mbps. V počítačových a telefonních sítích laserová komunikace zajišťuje výměnu informací v plně duplexním režimu. Pro aplikace, které nevyžadují vysoké přenosové rychlosti (například pro přenos video a řídicích signálů v technologických a CCTV systémech), existuje speciální cenově výhodné řešení s poloduplexní ústřednou. Když je potřeba kombinovat nejen počítač, ale i telefonní sítě, modely laserových zařízení s vestavěným multiplexerem lze použít pro simultánní přenos LAN provozu a multicast streamů digitální telefonie (E1 / PCM30).

Laserová zařízení mohou přenášet jakýkoli síťový tok, který je jim dodáván pomocí optického nebo měděného kabelu v dopředném a zpětném směru. Vysílač převádí elektrické signály na modulované laserové záření v infračervené oblasti s vlnovou délkou 820 nm a výkonem až 40 mW. Laserová komunikace využívá atmosféru jako médium šíření. Poté laserový paprsek vstupuje do přijímače, který má maximální citlivost v rozsahu vlnové délky záření. Přijímač převádí laserové záření na signály použitého elektrického nebo optického rozhraní. Takto probíhá komunikace pomocí laserových systémů.

Rodiny, modely a jejich vlastnosti

V této sekci vám chceme představit tři rodiny nejoblíbenějších laserových systémů v USA – LOO, OmniBeam 2000 a OmniBeam 4000 (tabulka 1). Rodina LOO je základní a umožňuje datovou a hlasovou komunikaci na vzdálenost až 1000 m. Rodina OmniBeam 2000 má podobné možnosti, ale funguje na větší vzdálenost(až 1200 m) a dokáže přenášet video obrazy a kombinaci dat a řeči. Rodina OmniBeam 4000 dokáže poskytovat vysokorychlostní datové přenosy: 34 až 52 Mbps do 1200 m a 100 až 155 Mbps do 1000 m. Na trhu jsou i jiné rodiny laserových systémů, ale ty buď pokrývají kratší vzdálenost, popř. podporují méně protokolů.

Stůl 1.

Každá z rodin obsahuje sadu modelů, které podporují různé komunikační protokoly (tabulka 2). Řada LOO zahrnuje ekonomické modely, které poskytují přenosovou vzdálenost až 200 m (písmeno "S" na konci názvu).

Tabulka 2

Nespornou výhodou laserových komunikačních zařízení je jejich kompatibilita s většinou telekomunikačních zařízení. pro různé účely(huby, routery, opakovače, mosty, multiplexery a PBX).

Instalace laserových systémů

Důležitým krokem při vytváření systému je jeho instalace. Vlastní spuštění zabere zanedbatelné množství času ve srovnání s instalací a nastavením laserového zařízení, které trvá několik hodin, pokud je prováděno dobře vyškolenými a vybavenými specialisty. Na kvalitě těchto operací bude přitom záviset i kvalita samotného systému. Než tedy představíme typické možnosti začlenění, rádi bychom těmto otázkám věnovali určitou pozornost.

Při umístění venku mohou být transceivery instalovány na povrchu střech nebo stěn. Laser je upevněn na speciální pevné podpěře, obvykle kovové, která je připevněna ke stěně budovy. Podpora také poskytuje možnost nastavení úhlu sklonu a azimutu paprsku.

V tomto případě se pro snadnou instalaci a údržbu systému jeho připojení provádí pomocí spojovacích krabic (RK). Jako propojovací kabely se obvykle používá optické vlákno pro obvody přenosu dat a měděný kabel pro napájecí a řídicí obvody. Pokud zařízení nemá optické datové rozhraní, lze použít model s elektrickým rozhraním nebo externím optickým modemem.

Napájecí jednotka (PSU) transceiveru je vždy instalována uvnitř a může být namontována na stěnu nebo do racku, který se používá pro LAN zařízení nebo rozvody strukturované kabeláže. V blízkosti může být instalován i stavový monitor, který slouží pro dálkové ovládání provozu transceiverů řady OB2000 a OV4000. Jeho použití umožňuje diagnostiku laserového kanálu, indikaci hodnoty signálu, stejně jako smyčkování signálu pro jeho kontrolu.

Při vnitřní instalaci laserových transceiverů je třeba pamatovat na to, že výkon laserového záření klesá při průchodu sklem (nejméně 4 % na každém skle). Dalším problémem jsou kapky vody stékající po vnější straně skla, když prší. Hrají roli čoček a mohou vést k rozptylu paprsku. Pro snížení tohoto efektu se doporučuje instalovat zařízení blízko horní části skla.

Pro zajištění kvalitní komunikace je nutné vzít v úvahu některé základní požadavky.

Nejdůležitější z nich, bez které nebude komunikace možná, je, že budovy musí být v přímé viditelnosti, přičemž v dráze paprsku by neměly být žádné neprůhledné překážky. Navíc, protože laserový paprsek v oblasti přijímače má průměr 2 m, je nutné, aby byly transceivery nad chodci a provozem ve výšce minimálně 5 m. Je to z důvodu bezpečnostních předpisů. Doprava je také zdrojem plynů a prachu, které ovlivňují spolehlivost a kvalitu přenosu. Paprsek by se neměl šířit v bezprostřední blízkosti elektrického vedení nebo je křížit. Je třeba počítat s možným růstem stromů, pohybem jejich korun při poryvech větru, ale i s vlivem srážek a případnými poruchami v důsledku poletujícího ptactva.

Správná volba transceiveru zaručuje stabilní provoz kanálu v celém rozsahu klimatických podmínek v Rusku. Například s velkým průměrem nosníku se snižuje pravděpodobnost poruch spojených s precipitací.

Laserové zařízení není zdrojem elektromagnetická radiace(AMY). Pokud je však umístěn v blízkosti zařízení s EMI, pak elektronické zařízení laseru toto záření zachytí, což může způsobit změnu signálu v přijímači i ve vysílači. To bude mít vliv na kvalitu komunikace, proto se nedoporučuje umísťovat laserová zařízení do blízkosti zdrojů EMI, jako jsou výkonné rádiové stanice, antény atd.

Při instalaci laseru je žádoucí vyhnout se orientaci laserových transceiverů ve směru východ-západ, protože několik dní v roce sluneční paprsky může blokovat laserové záření na několik minut a přenos bude nemožný, dokonce i se speciálními optickými filtry v přijímači. Když víte, jak se slunce pohybuje po obloze v určité oblasti, můžete tento problém snadno vyřešit.

Vibrace mohou způsobit posunutí laserového transceiveru. Abyste tomu zabránili, nedoporučuje se instalovat laserové systémy v blízkosti motorů, kompresorů atd.

Obrázek 1. Umístění a připojení laserových transceiverů.

Několik typických způsobů zapnutí

Laserová komunikace pomůže vyřešit problém komunikace na krátkou vzdálenost ve spojení bod-bod. Jako příklady zvažte několik typických možností nebo metod zahrnutí. Máte tedy centrálu (CO) a pobočku (F), z nichž každá má počítačovou síť.

Obrázek 2 ukazuje variantu organizace komunikačního kanálu pro případ, kdy je potřeba kombinovat F a CO, s použitím Ethernetu jako síťového protokolu a fyzické prostředí- koaxiální kabel (silný nebo tenký). CO hostí LAN server a PC hostí počítače, které je třeba k tomuto serveru připojit. Pomocí laserových systémů, například modelů LOO-28/LOO-28S nebo OB2000E, můžete tento problém snadno vyřešit. Most je instalován v CO a opakovač v F. Pokud má můstek nebo opakovač optické rozhraní, pak není vyžadován optický minimodem. Laserové transceivery jsou propojeny duálním optickým vláknem. Model LOO-28S vám umožní komunikovat na vzdálenost až 213 m a LOO-28 - až 1000 m s "sebevědomým" úhlem příjmu 3 mrad. Model OB2000E pokrývá vzdálenosti až 1200 m při „dobrém“ úhlu příjmu 5 mrad. Všechny tyto modely pracují v plně duplexním režimu a poskytují přenosovou rychlost 10 Mbps.

Obrázek 2 Připojení vzdáleného ethernetového LAN segmentu Na základě koaxiál.

Podobná kombinace dvou Ethernetové sítě, který se používá jako fyzické médium kroucený pár(10BaseT) je na obrázku 3. Jeho rozdíl spočívá v tom, že místo můstku a opakovače jsou použity rozbočovače, které mají potřebný počet konektorů 10BaseT a jedno rozhraní AUI nebo FOIRL pro připojení laserových transceiverů. V tomto případě je nutné nainstalovat laserový transceiver LOO-38 nebo LOO-38S, který zajišťuje požadovanou přenosovou rychlost v plně duplexním režimu. Model LOO-38 dokáže komunikovat na vzdálenost až 1000 m a model LOO-38S až 213 m.

Obrázek 3. Připojení vzdáleného segmentu sítě Ethernet s kroucenou dvojlinkou.

Obrázek 4 ukazuje variantu kombinovaného přenosu dat mezi dvěma LAN (Ethernet) a multicast digitálního toku E1 (PCM30) mezi dvěma PBX (v CO a F). Pro vyřešení tohoto problému je vhodný model OB2846, který poskytuje přenos dat a hlasu rychlostí 12 (10 + 2) Mbps na vzdálenost až 1200 m. 75 ohmový koaxiální kabel přes BNC konektor. Je třeba poznamenat, že multiplexování datových a řečových toků nevyžaduje doplňkové vybavení a je prováděno transceivery bez snížení propustnosti každého z nich jednotlivě.

Obrázek 4. Sjednocení počítačových a telefonních sítí.

Ztělesnění vysokorychlostní přenos data mezi dvěma LAN (LAN "A" v CO a LAN "B" v F) pomocí ATM přepínačů a laserových transceiverů jsou znázorněna na obrázku 5. Model OB4000 vyřeší problém vysokorychlostní komunikace na krátké vzdálenosti v optimální způsob. Budete moci přenášet streamy E3, OS1, SONET1 a ATM52 požadovanou rychlostí na vzdálenost až 1200 m a 100 Base-VG nebo VG ANYLAN (802.12), 100 Base-FX nebo Fast Ethernet (802.3), FDDI, TAXI 100/ 140, OC3, SONET3 a ATM155 při požadovaných rychlostech až 1000 m. Přenášená data jsou dodávána do laserového transceiveru pomocí standardního duálního optického vlákna připojeného přes SMA konektor.

Obrázek 5. Agregace vysokorychlostních telekomunikačních sítí.

Uvedené příklady nejsou vyčerpávající. možnosti použití laserového zařízení.

Co je výnosnější?

Pokusme se určit místo laserové komunikace mezi ostatními drátovými a bezdrátovými řešeními, stručně zhodnotíme jejich výhody a nevýhody (tabulka 3).

Tabulka 3

30. ledna byla na oběžnou dráhu vypuštěna družice Eutelsat 9B. Stal se prvním satelitem vybaveným systémem EDRS (European Data Communication System). Chcete se dozvědět více o nová technologie, šel korespondent Mediasatu do kanceláře vývojáře modulu EDRS, společnosti Tesat, která se nachází v malém německém městečku Backnang. Matias Motsigemba, vedoucí oddělení laserových technologií, nám provedl prohlídku společnosti a pohovořil o laserové komunikační technologii, která je ve světě stále málo známá.

S podporou Německé kosmické agentury Tesat vyvinul laserový komunikační terminál (LCT), který poskytuje podporu pro vysokorychlostní přenos dat mezi družicemi na nízké oběžné dráze (LEO) a geostacionárními (GEO) satelity. Terminál vyrábí možný převod data rychlostí 1,8 Gbps na vzdálenost až 45 000 kilometrů. Tyto LCT terminály by se měly stát základem hlavních kanálů přenosu dat v systému EDRS, který by měl zajišťovat přenos dat mezi družicemi LEO a GEO.

Matthias Motsigemba: „Nyní máme možnost poskytovat služby Vysoká kvalita v režimu blízkém reálnému času. Na tom hodně záleží! Satelit LEO pořídí snímek a odešle jej družici GEO, která jej následně pošle k zemi v rozsahu rádiových frekvencí. Laserový paprsek je výborným řešením ve vakuu, nicméně v atmosférických podmínkách to není nejlepší volba, protože mraky mohou rušit. Pro stráž televizní signál Můžeš použít vysoké rychlosti přenos dat a optická technologie odolná proti rušení v napájecím vedení. Nástup laserové komunikační technologie lze přirovnat k začátku používání optických vláken místo mědi.“

Teleport systému pozorování Země by mohl být zahraniční službou využívající nezabezpečené pozemní linky.
Servis optický přenos data (z LEO do GEO a z GEO do vysílací pozemní stanice).
Pozemní stanice může být umístěna ve vlastní zemi v zorném poli družice GEO.
S/C je suverenita vašich informačních aktiv.

Potřeba vývoje této technologie byla diktována rostoucí poptávkou po kapacitách přenosu dat pro civilní a vojenské sledovací satelity, mise HALE. Myšlenku vytvoření systému EDRS předložila Evropská komise, která se již angažuje v konstelaci satelitů Sentinel, programu Copernicus. Dalším krokem by mělo být vytvoření mezidružicových komunikačních kanálů. Eutelsat nabídl kapacity pro komunikační modul na satelit Eutelsat 9b. Po sedmi letech vývoje první a druhé generace LCT byl v červenci 2013 spuštěn systém LCT na Alphasatu. Systém LCT na družici Sentinel-1A byl úspěšně integrován v prosinci 2013. V prosinci 2014 byla vypuštěna a uvedena do provozu družice Sentinel 1A. V listopadu 2014 Evropská kosmická agentura a Tesat uspořádaly společnou živou prezentaci, během níž byl radarový snímek z družice Sentinel-1A téměř v reálném čase odeslán přes Alphasat na vzdálenost 41 700 kilometrů na pozemní stanici.

„Technicky není žádný rozdíl mezi laserovým komunikačním zařízením nainstalovaným na Alphasatu a stejným zařízením na Eutelsatu 9B. Alphasat předvedl technické možnosti projekt, zatímco systém EDRS na satelitu Eutelsat 9 B je komerční služba nabízená společností Airbus Defense and Space. Satelit pro pozorování Země má obvykle 10 minut na navázání kontaktu s pozemní stanicí a 90 minut na oblet Země. To znamená, že můžete využít pouze 10 % vesmírného majetku a v případě nouze nebo přírodní katastrofy trvá příliš dlouho čekat na kontakt s pozemní pozorovací stanicí. Nyní můžete například při pozorování námořních plavidel detekovat problém do 15 minut. , říká Matthias Motsigemba.

Klíčovým prvkem produktové řady je LCT-135 (135mm paprskový dalekohled) pro mezisatelitní spojení GEO/LEO. Stejně jako v případě předchozího modelu LCT-125 zařízení kombinuje všechny optické, mechanické a elektrické submoduly terminálu do jednoho celku, jako je systém rozvodu energie, palubní procesor, sledovací moduly a moduly sběru dat a systém zpracování dat. Data ze senzorů AOCS satelitu se snadno přenášejí do LCT přes standardní rozhraní – LIAU (Laser Interface Adaptation Unit).

LCT parametry:

• Dojezd - 45 000 km.
• Hmotnost: 53 kg.
• Rychlost přenosu dat (plný duplex):
  pro EDRS - 1,8 Gbps, pro ostatní mise - 5,65 Gbps.
• Vysílací výkon: 2,2W
• Maximální spotřeba: 160W
• Rozměry: 0,6 x 0,6 x 0,7m.

Tento týden vešly ve známost výsledky jakési lunární laserové komunikace. Test probíhal 30 dní za obtížných podmínek kvůli měsíčnímu prachu. Fungoval speciální dirigent, který je momentálně na oběžné dráze Měsíce. Tento test ukázal, že komunikační systém je plně funkční navzdory vzdálenosti. Úspěšně také komunikuje, jako každý rádiový signál z NASA.

Tato technologie demonstruje praktické využití širokopásmových laserů pro spojení a komunikaci. Toto spojení, respektive jeho načítání, se provádí mnohem rychleji než podobné rádiové spojení. Tato metoda umožňuje přijímat signál na Zemi rychlostí 622 Mbps a odesílat rychlostí 20 Mbps. Tato rychlost byla zaznamenána 20. října. Byl přenášen z Měsíce na Zemi pomocí pulzního laserového paprsku. Tento signál byl přijat stanicí v Novém Mexiku, která je součástí společná práce USA a Španělska.

Lasery mají oproti rádiovým signálům velkou výhodu. Jsou to ty s nejvyšší propustností. Důležitý je přenos dat specifickým koherentním paprskem. To přispívá k menší spotřebě energie při přenosu signálu na velké vzdálenosti.

Výzkumníci z NASA tvrdí, že testovací program byl velkým úspěchem. Takové výsledky nečekali. Laserová zpráva byla přijata a přenesena zpět na oběžnou dráhu i za nejtěžších podmínek. To potvrzuje teorii, že bez ohledu na to, o jaké rušení jde, signál na Zemi přijde. Ani kosmický prach, ani vzdálenost nejsou překážkou pro laserový signál. I v dobách, kdy se vrstva atmosféry zvětšovala, probíhal přenos signálu bez problémů, což svědčí o účinnosti toto zařízení. Mezi skeptiky v NASA nebylo ani stopy po nedůvěře, když se ani mraky nestaly překážkou přenosu signálu.

Kupodivu nebyla jediná chyba v signálu. Postup je podobný jako při hovoru na mobilním telefonu. Navíc funguje bez lidského zásahu. Systém je dokonce schopen uzamknout, když na dlouhou dobu není žádný signál z pozemních stanic.