Исследование характеристик лазерной линии связи

Утверждаю. зав. каф. РЛ-2

д.т.н. проф. Козинцев В.И.

 

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ

 

Лабораторная работа № 11

Физическая модель системы связи

Рис.1.

Физическая модель системы связи показана на рис. 1. Информационный сигнал, поступающий на вход устройства 1. Преобразуется в нем в вид, удобный для модуляции, а затем направляется в подмодулятор - усилитель 2 и далее в цепь возбуждения модулятора 3. С помощью внешнего или внутреннего модулятора изменяются (модулируются) один или сразу несколько параметров излучения лазера 4 как-то: амплитуда, интенсивность, частота, фаза или поляризации. Модулированный лазерный луч коллимируется оптической антенной передатчика 5, представляющей собой, как правило, телескопическую систему, расширяющую выходящий луч. С помощью оптической приемной антенны (объектива) 6 сигнал фокусируется на оптический приемник 7. Выходным сигналом оптического приемника является электрический сигнал. Последующие электрические цепи образуют демодулятор 8, который можно рассматривать как обычный радиоприемник, в котором осуществляются операции по выделению информационного сигнала. Для получения окончательно восстановленного информационного сигнала служит
декодирующее устройство 9.

Связь 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 или атмосфере и ослабление сигнала при прохождении в отдельных трактах и компонентах (составных элементах) системы связи. Потери энергии, несущей в модуляторе и оптической антенне передатчика характеризуются их коэффициентом пропускания

,

 

определяемом как

 

где P_изл - мощность на выходе передающей системы,

- P_лаз - мощность лазера.

Типовая оптическая антенная система передатчика, представляющая собой телескопическую систему, формирует в пространстве коллимированный луч кругового сечения. Вследствие явления дифракции расхождения луча в дальней зоне обратно диаметру апертуры оптической антенны передатчика. Если приемная оптическая антенна с диаметром d_пр расположена на расстоянии

от передатчика и направления по оптической оси, то дифракционный угол равен . При большом плотность мощности в плоскости приемника почти постоянна и равна максимальному значению I₀ по апертуре приемника, максимальное значение принимаемой мощности равно

 

где

 

- - интенсивность в центре дифракционной картины,

- d_пер - апертура передатчика,

- - пропускание атмосферы,

- d_пр - апертура приемника,

- - длина волны излучения.

 

В приемной антенне имеют место потери полезного сигнала.Если

характеризовать эти потери коэффициентом пропускания (учитывающим ослабление и рассеяние в антенне), а также учесть то, что мощность полезного сигнала из-за ошибок нацеливания и влияния атмосферы составляет в среднем ½ P_{пер max}, можно написать формулу, связывающую мощность сигнала на входе фотодетектора, мощность лазерного передатчика и дальность действия системы связи, в виде

 

 

Методы модуляции

Входная часть оптических приемников может быть построена на основе одного из двух приемников приема: прямого фотодетектирования (некогерентный метод) и фотосмещения (гетеродинный и гонодинный метод). На выходе фотодетектора схемаоптического приемника не отличается от схемы обычного приемника радиодиапазона. Рассмотрим коротко основные характеристики обоих методов приема. При прямом фотодетектировании (рис. 4) сигнал на выходе фотоприемника воспроизводит изменение мощности принимаемого модулированного света, а информация о частоте и фазе несущей теряется. Выходной ток фотодетектора пропорционален усредненному по времени (за период несущей) мгновенному значению интенсивности несущей с(t), т.е.

Рис.4

D=eh/(hn) - коэффициент преобразования фотодетектора.

 

Поскольку ток фотодетектора в рабочем диапазоне спектра не зависит от частоты и фазы несущей, приемное устройство прямого детектирования само по себе может быть использовано лишь для демодуляции АМ и ИМ колебаний. Этот метод приема не позволяет различить фотоны сигнала и фона и практически не критичен и углу падения принимаемого излучения. Для спектральной селекции необходимо использовать оптические фильтры, а для пространственной – уменьшать угол зрения входной оптической системы. Достоинство некогерентного приёма – простота приемного устройства. При оценке его помехоустойчивости при приеме на ФЭУ можно пренебречь тепловыми шумами усилителя, т.к. коэффициент внутреннего усиления очень велик. Если при этом пренебречь шумами фона и темного тока, то

 

 

h - квантовая эффективность фотоприемника,

Ф - световой информационный поток,

h - постоянная Планка,

n - частота света,

Df - полоса пропускания фильтра на выходе фотоприемника.

Это выражение определяет предельную чувствительность приемника, в котором шумы определяются дробовым шумом. При приеме на фотодиод без внутреннего усиления тепловой шум значительно больше дробового.

При гетеродинном методе приема можно представить напряженность поля излучения на фоточувствительной поверхности в виде суммы полей сигнала и гетеродина

 

где

A_c, w_c, j_c, A_г, w_г, j_г - соответственно амплитуда, частота и фаза полей сигнала и гетеродина,

v_x - скорость перемещения волны вдоль фоточувствительной поверхности.

Предполагаем, что плоскость падения лучей сигнала и гетеродина перпендикулярна плоскости фоточувствительной поверхности. Для определения сигнала промежуточной частоты необходимо провести усреднение интенсивности света по времени и по поверхности фотодетектора.

 

 

е - заряд электрона.

Т.к. v _x=c/siny (c - скорость света, y - угол между направлениями распространения излучений сигнала и гетеродина), то сигнал промежуточной частоты зависит от точности юстировки приемника.

Если Ф_г>>Ф_0иФ_ф и то на выходе детектора промежуточной частоты

 

Фотосмещение ослабляет фон, т.к. создает для него спектральную и пространственную фильтрацию. Спектральная фильтрация обусловлена тем, что усиливаются только те шумовые компоненты, которые оказываются в полосе частот фильтра промежуточной частоты Df. Т.к. Df_пр<<Df_опт; Df_опт - полоса частот оптического фильтра, то получается значительный выигрыш в снижении фона (в при Ф_г >>Ф_ф). Пространственная фильтрация фона обеспечивается тщательным согласованием гетеродинного и сигнального световых потоков. Если направления распространения полей сигнала и фона не совпадают, то фон будет ослабляться или совсем отсутствовать.

Сравнивая указанные методы, можно отметить, что отношение сигнал/шум в полосе полезного сигнала гетеродинного приемника в 2 раза больше, чем у приемника прямого фотодетектирования.

Особенность фотосмещения – наличие гетеродина. Если в некоторых локационных системах передатчик и приемник находятся в одном месте, и можно использовать в качестве гетеродина ОКГ передатчика, то в связных системах они находятся всегда в разных местах и в качестве гетеродина используется специальный ОКГ. Это обстоятельство предъявляет высокие требования к стабильности параметров излучения передающего и гетеродинного ОКГ, что достигается, в частности, автоматической подстройкой частоты, резко усложняющей аппаратуру. Кроме того, необходимо использовать ОКГ, обладающие монохроматичностью излучения, а, как известно, не все ОКГ обладают этим свойством.

Существенным условием фотосмещения является пространственное фазирование излучений гетеродина и передающего ОКГ на поверхности фотоприемника. Это условие ограничивает допустимые размеры входной апертуры приемника, т.к. при разности хода лучей от различных точек приемной антенны до фотокатода, сравнимой с длиной волны света, теряется пространственная фазировка. Естественно, что требования к оптической настройке при использовании фотосмещения снижаются с переходом к более длинным оптическим волнам. Так, в настоящее время успешно проводятся эксперименты по гетеродинному методу приема на длине волны 10,6 мкм. Учитывая сказанное, можно заключить, что вплоть до ближней инфракрасной области использование фотосмещения в качестве метода приема представляет серьезные трудности.

 

 

Утверждаю. зав. каф. РЛ-2

д.т.н. проф. Козинцев В.И.

 

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ

 

Лабораторная работа № 11

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ

г.Москва 1998г.

 

ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ

 

ВВЕДЕНИЕ

Загруженность радиодиапазона, сильные взаимные помехи, а также необходимость создания широкополосных протяженных линий связи заставляют специалистов исследовать новые диапазоны частот, искать скоростные надежные способы передачи информации. Наиболее перспективным решением данных проблем является использование световых колебаний для целей связи.

С созданием ОКГ появилась возможность использовать несущие частоты вплоть до значений 10¹⁴ - 10¹⁵ Гц, что позволяет передавать информацию в чрезвычайно широкой полосе (полоса канала связи принципиально может быть увеличена в сотни тысяч раз по сравнению с самой широкополосной системой связи радиодиапазона).

Лазерные системы связи ведут свое начала от существующих систем радиосвязи. Они связаны между собой не только полной общностью физических процессов, основанных на излучении и приема электромагнитных колебаний, но и общностью методов проектирования и реализации. Оптические линии связи вобрали лучшие черты присущие радиоканалам, как-то:

- быстрота создания канала связи,

- малые затраты сил и средств на изготовление и установку аппаратуры,

- возможность связи через естественные преграды,

- большая мобильность канала связи.

Но в то же время особенностью оптических линий связи (ОЛС) является потенциально сверхширокая полоса частот и, следовательно, возможность передачи больших объемов информации в кратчайший срок. В этом спектральном диапазоне излучений полоса частот модулирующего сигнала в 10¹² Гц будет

Занимать всего лишь около 0,1% используемого спектра. Вторым достоинством лазеров можно считать малую угловую расходимость излучаемого пучка при практически полном отсутствии боковых лепестков. Это позволяет не только концентрировать энергию излучения в строго заданных направлениях (что очень важно, например, для космических применений ОЛС), но и обеспечить пространственную скрытность и высокую энергетическую помехоустойчивость передачи информации по каналам связи. Поэтому лазерные приемопередатчики имеют прекрасную электромагнитную совместимость, т.е. не создают помех в окружающем пространстве при своей работе и безвредны в эксплуатации для окружающих людей, что нельзя сказать об устройствах СВЧ диапазона. Эти свойства особенно важны в условиях большой плотности совместно работающих информационных линий связи, например, в условиях больших промышленных центров с мощными коммуникациями и большим населением или на борту аэро-космических аппаратов с их насыщенностью электронной информационной техникой.

Наконец, третьим важным преимуществом оптических устройств является возможность резкого снижения габаритов и мощности приемо-передающих устройств. При использовании оптического диапазона те же коэффициенты усиления антенн и скорости передачи информации, что и для СВЧ, достигаются с помощью несравненно меньших антенн и аппаратуры, т.к. при данном размере апертуры антенны (объектива) передатчика угловая расходимость луча передатчика обратно-пропорциональна частоте несущей, а пространственная плотность мощности на приемной стороне пропорциональна квадрату частоты .

Однако сверхузкие диаграммы направленности, которые реализуются в лазерных системах связи, налагают жесткие требования на системы нацеливания и сопровождения. Эти системы нацеливания узких лучей передающих устройств на объект и слежение за подвижным объектом должны обладать исключительно высокой угловой точностью наведения и высокой стабильностью удержания луча на заданном направлении, что создает значительные трудности при практическом использовании ОЛС. Другой проблемой является сильное ослабление светового луча в облаках и тумане. Атмосферный канал, кроме того, характеризуется сильными турбулентными явлениями, приводящими к флуктуациям коэффициента преломления среды и, следовательно, к искажениям лазерного луча и флуктуациям угла прихода. Проблема обеспечения высоконадежной оптической связи через атмосферу пока еще полностью не решена.

Следует отметить также то обстоятельство, что стоимость составных компонент и элементов оптических систем связи еще очень высока, технология изготовления модуляторов, приемников, отклоняющих устройств, световодов и других элементов еще очень сложна, и качество этих элементов требует улучшения. Но эти недостатки, как говорится, вопрос времени и бурный прогресс в разработке лазерной техники позволяет делать оптимистические прогнозы. Уже существующая практика позволяет наметить некоторые из областей применения лазерной связи. Так, например, потребность в лазерных системах возникает при конструировании систем связи для дальних космических полетов. При использовании обычных систем связи радиодиапазона на космических аппаратах, направляемых в сторону Марса, Венеры скорость передачи информации исчисляется в нескольких двоичных единиц в секунду. Применение лазерных систем связи позволит передавать достаточно большой объем информации в реальном масштабе времени. Считается также целесообразным применение лазеров в спутниковых системах связи.

Следующей областью применения лазерной связи является многоканальная телефония. Высокая информативность лазерных каналов связи в полной мере будет использована при создании массовых многоканальных видеотелефонных сетей.

Разработка оптических линий обмена информацией между ЭВМ, создание малогабаритных портативных речевых систем небольшой дальности и т.п. – вот далеко неполный перечень применения лазерной связи. Таким образом, анализ показывает, что уже на данном этапе развития лазерной техники системы связи оптического диапазона могут заменять и удачно дополнять радиосистемы.