Оптические системы связи

Как известно, с увеличением частоты генерации уменьшается спектральная плотность мощности всех видов помех. Поэтому-то и осваиваются все более высокие частоты.

Электромагнитные колебания оптического диапазона обладают малой длиной волны в сравнении с радиоволнами, (длина волны оптического диапазона измеряется в 1 мкм=10^{-6 м и 1нм=10-9}м).

Оптическим диапазоном называется участок спектра электромагнитного излучения соответствующий длинам волн от 0,01 до 100 мкм или частотный диапазон 3*10¹²…3*10¹⁶ Гц, при этом (где в мкм).

Таким образом, оптический диапазон лежит между радиодиапазоном (3000 Гц) и рентгеновским диапазоном (300 000 000 Гц).

Часто оптический диапазон делят на 3 поддиапазона: ультрафиолетовые волны 0,01…0,38 мкм; видимые волны 0,38…0,74 мкм и инфракрасные волны 0,74…100 мкм.

Считается, что для целей связи перспективны волны длиной 0,3…30 мкм.

В настоящее время используются ничтожная доля оптического диапазона – узкие полоски: 0,53 мкм; 0,63 мкм; 0,8-0,9 мкм; 1,06 мкм; 1,3-1,5 мкм; 10,6 мкм.

Объясняется это, во-первых, высокими техническими параметрами (мощность, излучение, КПД, полоса частот модуляции, срок службы и др.) источников света (лазеров, светодиодов), а во-вторых – наличием соответствующих полос пропускания («окон прозрачности») у используемых сред, в которых распространяется оптическое излучение (атмосфера, кварцевое стекло и др.).

Достоинства оптического диапазона:

· громадная пропускная способность (так на волне 1 мкм при относительной полосе частот в 1% соответствует полосе передаваемых частот 3*10¹² Гц, а это равно полосе частот всего радиодиапазона). Практически сейчас с созданным в настоящее время модуляторами достигнута полоса 10⁹ Гц.

· возможность создания малогабаритных оптических антенны с огромным коэффициентом усиления. Поэтому оптические антенны с апертурой диаметром 10 см на волне 1 мкм позволяет достичь коэффициента усиления около 10⁷ дБ.

Для получения такого усиления в радиодиапазоне на волне 3 см потребовалось бы антенна диаметром около 3 км. Это достоинство играет первоначальную роль для связи в космическом пространстве на больших расстояниях.

· в оптическом диапазоне принципиально возможно осуществить передачу сигналов в полосе частот до нескольких гигагерц по волоконным световодам без промежуточной ретрансляции на расстоянии до нескольких сотен километров.

· в оптическом диапазоне гораздо проще, чем в радиодиапазоне, решается проблема электромагнитной совместимости средств передачи информации ввиду острой направленности оптических антенн, слабой «заселенности» диапазона и большей его ширине.

· существенным достоинством является также возможность миниатюризации всех элементов ОСС, включая антенны.

Наряду с этим ОСС свойственны и серьезные недостатки. Так, отмеченная выше возможность большого усиления антенн приводит к серьезной проблеме их наведения на корреспондента и сопровождения в процессе связи, что обусловлено малой шириной диаграммы направленности (так при диаметре апертуре 10 см и длине волны 1 мкм она может иметь значение около 3⁴).

В спутниковых ОСС, обеспечивающих наземную связь и в наземно-космических ОСС распространение света частично происходит в атмосфере Земли, что существенно снижает надежность связи между ЗС и космическим летательным аппаратом (КЛА). Поэтому эти системы не получили пока широкого распространения.

Для уменьшения влияния атмосферы необходимо размещать ЗС высоко в горах, отсюда трудности эксплуатации таких станций.

В космических ОСС – свет распространяется в пространстве, что позволяет достичь высокого качества передачи. ОСС этого типа интенсивно развиваются и весьма перспективны благодаря громадному энергетическому выигрышу оптических антенн и компактности оборудования. Главная трудность – обеспечение чрезвычайно высокой точности ориентирования оптических антенн (единицы угловых секунд).\

Обобщенные структурные схемы ОСС.

В виду того, что оптические и радиоволны значительно отличаются по длине волны (3-6 порядков), существенно отличаются и физические принципы реализации, и параметры основных элементов систем связи (антенн, передатчиков, преемников). Но общие принципы построения систем передачи остаются одни и те же (цифровое преобразование сигналов, цифровое разделение каналов, цифровые методы передачи и приёма). Все типы оптических систем можно разделить, а две группы: это системы с ретрансляцией и системы без ретрансляции. Обобщенная структурная схема выглядит следующим образом:

Рис. 1.15. Системы с ретрансляцией

ИИ - источник информации (на передающей и приёмной стороне)

ОП – оптический передатчик

ОА – оптическая антенна

УНА – устройство наведения и слежения антенны (на передающей и приёмной стороне)

СР – среда распространения

ОПр – оптический приёмник

ПИ – приёмник информации

Рис. 1.16. УВС - устройство восстановления сигналов по уровню и форме.

Для достижения заданного качества связи следует выполнить 2 требования:

обеспечить необходимое повышение мощности сигнала над уровнем флюктуационных шума в оптическом приемнике;

обеспечить допустимую степень искажения сигнала, возникающих при передаче через среду распространения света.

Первое условие выполняется путем выбора энергетических параметров аппаратуры ОСС (мощность передатчика, коэффициент усиления антенн, чувствительность передатчика и т.д.). Этот выбор осуществляется на основе соотношения:

Отсюда мощность передатчика будет равна:

(4.1)

L_oc – потери мощности в оптической среде

L_ср – потери мощности в среде распространения

(4.2)

1-ое уравнение оптической связи.

- определяется в основном отражением света на оптических элементах (линзы, пластины, клинья и т.д.). в волоконных световодах еще и потери на элементах ввода-вывода, потери в разъемных соединениях (и неразъемных).

Потери мощности в оптической среде – это, в основном, потери отражения света на оптических элементах (Лизы, пластины, клинья и т.д.). Эти потери не должны превышать 20 дБ. Величина же потерь в среде распространения зависит от расстояния между пунктами передачи и приёма. Необходимо также учитывать искажение при передаче. При этом характер искажений следующий: при передаче в атмосфере наблюдается удлинение передаваемых импульсов. В волоконных средах это удлинение ещё больше и, кроме того, наблюдается увеличение длины передаваемых импульсов и уменьшение крутизны фронтов за счёт дисперсии фазовой скорости (графики).

Рис1.17.

Дата добавления: 2014-01-06