Проектирование системы атмосферной оптической связи

Система атмосферной оптической связи, ее внутренняя структура и элементы, принцип работы и направления использования. Высокочастотное возбуждение активной среды. Выбор конструкции излучателя. Атмосферный канал связи, расчет данной оптической линии.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Введение

В настоящее время на мировом рынке САОС прочно заняли определенную нишу, так как эта технология является вполне достойным конкурентом стационарной радиосвязи в корпоративных сетях передачи данных.

В большинстве подобных систем доминирующим источником оптического излучения является полупроводниковый лазер. Но когда речь идет о решении специальных задач, в которых оптическая связь должна поддерживаться на больших расстояниях и иметь повышенную скрытность, применение СО₂-лазера неоспоримо.

Влияние атмосферы сказывается в ослаблении луча метеорологическими факторами. Это дождь, снег, туман, песчаная буря, а также техногенные аэрозоли. Дополнительными факторами уменьшения мощности излучения в плоскости приема служат турбулентные образования в атмосфере и их взаимодействие с когерентным излучением лазера. Это приводит к «дрожанию» луча и к его «пятнистости» в плоскости приема. Птицы практически не пересекают трассу луча, так как они хорошо видят в этом диапазоне спектра. Основным параметром, описывающим процесс взаимодействия оптического излучения с атмосферой, является метеорологическая дальность видимости (МДВ).

Специфическими помехами являются естественные (влияние атмосферы, турбулентность, и т.п.), искусственные (распыленные аэрозоли на пути распространения луча, дым от котельных, заводов и т.п.), внутренние (собственные шумы приемника).

Целью дипломной работы является задача расчета системы атмосферной оптической связи на основе СО₂-лазера с быстрой перестройкой рабочей длины волны излучения.

Патентный поиск

В ходе этой работы был произведен патентный поиск, систем атмосферной оптической связи на основе СО₂-лазера с быстрой перестройкой рабочей длины волны излучения. В ходе патентного поиска не было найдено подобных свидетельств, что указывает на то, что использование быстрой перестройки является нововведением. Цель работы - расчёт системы атмосферной оптической связи.

1. Система атмосферной оптической связи

1.1 Структурная схема АОЛС

Обобщенная структурная схема оптической линии связи, позволяющая выявить особенности ее работы, приведена на рисунке 1. Как видно из схемы, структурный состав элементов по своему функциональному назначению почти аналогичен структурному составу классической системы радиосвязи [1].

В состав ОЛС входят: источники информации; оптический передатчик, состоящий из лазера и оптического модулятора; оптические антенны передатчика и приемника; оптический узкополосный фильтр; оптический приемник; декодирующее устройство, структура которого определяется методом приема (при посимвольном приеме это - пороговое устройство и схема принятия решения, при приеме в целом - набор корреляторов или согласованных фильтров и схемы принятия решения), и другие элементы, назначение которых следует из их наименований. Отдельные элементы схемы, показанные пунктиром, не являются обязательными и могут быть опущены в зависимости от назначения ОЛС, метода приема, числа передаваемых каналов и т.д.

Рассмотрим более подробно структуру оптического приемника. В настоящее время в практике проектирования, как правило, используются две основные схемы оптических приемников: прямого детектирования и супергетеродинная (гетеродинная и гомодинная).

Оптический приемник прямого детектирования состоит из оптического - полосового фильтра, предназначенного для ослабления фонового излучения, фотодетектора (ФД) и электрического фильтра. В принципе, «отклик» ФД в рабочем диапазоне спектра не зависит от частоты, фазы и поляризации несущей. Поэтому приемник, прямого детектирования принимает сигналы только с модуляцией по амплитуде (AM) или по интенсивности (ИМ). Для приема сигналов с другими видами модуляции перед приемником прямого детектирования устанавливается преобразователь модуляции, преобразующий любой вид модуляции в модуляцию амплитуды или интенсивности оптического сигнала.

а) передающего устройства; б) приемного устройства:

1 - лазер; 2 - оптический фильтр; 3 - полуволновая пластинка;

4 - оптическая антенная система; 5 - генератор накачки;

6 - подмодулятор; 7 - система программного управления;

8 - источник литания; 9 - источники аналоговой информации; 10 - электрические модуляторы; 11 - кодирующее устройство;

12 - источник цифровой информации; 13 - генератор поднесущей частоты; 14 - генератор кода; 15 - система поиска и автосопровождения;

16 - оптический фильтр, 17 - оптический квантовый усилитель;

18 - оптический приемник; 19 - радиоприемник,

20 - декодирующее устройство.

Обобщенная структурная схема ОЛС

Одной из важнейших особенностей оптического диапазона волн является то, что при очень слабых оптических полях, действующих на АОЛС, ФД может работать в режиме счета числа фотонов (фотоэлектронов). Эта особенность практически проявляется при s , где s - среднее число фотоэлектронов, покидающих фотокатод в течение времени разрешения ФД:

,

где - полоса пропускания ФД.

Оптический гетеродинный приемник состоит из полосового оптического фильтра, полупрозрачного зеркала, предназначенного для пространственного комбинирования сигналов оптической несущей и оптического гетеродина, частота которого отличается от несущей на требуемое значение промежуточной частоты, ФД смесителя и электрического полосового фильтра, настроенного на промежуточную частоту. Полученный после фильтра сигнал промежуточной частоты обрабатывается в дальнейшем обычными радиотехническими устройствами. Гетеродинный приемник обеспечивает высокую чувствительность и позволяет принимать сигналы с амплитудной, частотной и фазовой модуляцией.

Выбор типа оптического приемника в основном определяется видом модуляции передаваемого сигнала, характером и уровнем помех, действующих на ОЛС, назначением, условиями работы и конкретными требованиями, предъявляемыми к ОЛС.

Анализ помехоустойчивости при различных способах передачи и приема сигналов позволит сравнить АОЛС между собой, а также сравнить реальные системы или субоптимальные с оптимальными с целью их дальнейшего усовершенствования.

Информационный сигнал в кодирующем устройстве преобразуется в вид, удобный для модуляции, затем поступает в подмодулятор-усилитель и далее - в цепь возбуждения модулятора. С помощью внешнего или внутреннего модулятора осуществляется модуляция лазерного излучения по амплитуде, интенсивности, частоте, фазе или поляризации. Модулированный лазерный луч коллимируется оптической антенной передатчика. С помощью оптической приемной антенны сигнал фокусируется на оптический приемник. Выходным сигналом оптического приемника является электрический сигнал. Последующие электрические цепи образуют радиоприемник; в нем осуществляются операции по выделению информационного сигнала. В гетеродинной системе связи и в системе связи на поднесущей частоте в радиоприемнике должно осуществляться также частное преобразование или «перенос» сигнала в низкочастотную область [2].

Соотношение между переданной и принятой энергией сигнала описывается уравнением дальности действия системы связи. Это уравнение характеризует распространение излучения в канале связи, потери за счет естественного расхождения луча в свободном космическом пространстве и ослабление сигнала при прохождении в отдельных трактах и компонентах (составных элементах) системы связи.

Потери энергии несущей в модуляторе и оптической антенне передатчика характеризуются коэффициентом передачи передающей системы:

,

где P_L - мощность лазера и - мощность на выходе передающей системы. Такое определение коэффициента характеризует любые потери энергии, луча в модуляторе или в антенне передатчика.

1.2 Особенности функционирования (географический район, окна прозрачности, вид модуляции, способ приема, взаимонаведение)

Рассмотрим особенности функционирования системы связи.

Лазерная линия связи состоит из двух идентичных станций, устанавливаемых соосно напротив друг друга в пределах прямой видимости - на крышах или стенах домов или на других высоких подставках. При установке станций для успешной работы необходимо учитывать следующие рекомендации:

- на пути луча не должно быть препятствий, причем с учетом сезонных изменений (провисания проводов в теплое время года или при обледенении, появления на деревьях лиственного покрова, рост деревьев, снежные заносы зимой и т.д.);

- не следует устанавливать блоки АЛС на лифтовых шахтах, около вытяжных вентиляторов, обслуживающих здания машин, колебания которых могут вызывать отклонение луча;

- не следует монтировать блоки АЛС на консольных конструкциях, металлических надстройках и других сооружениях, которые могут изгибаться под действием тепловых и ветровых нагрузок;

- не следует располагать блоки АЛС вблизи локальных источников тепла, находящихся в створе проложенной линии (вентиляционных выходов, систем кондиционирования воздуха, труб промышленных предприятий и т.п.);

- при ориентации системы по...