Sistemas de comunicación láser. Por primera vez se transmitió información de banda ancha desde a bordo de la ISS a través de un canal láser a una estación terrestre

chico duro 4 de enero de 2015 a las 05:04

Variaciones sobre el tema de las comunicaciones láser espaciales.

• Cosas de cosmonautas

Uno de los temas de actualidad en la astronáutica comercial, y no sólo eso, es el tema de las comunicaciones láser. Se conocen sus beneficios, se han realizado pruebas y han resultado exitosas o muy exitosas. Si alguien no conoce los pros y los contras, los resumiré brevemente.

Las comunicaciones láser permiten transmitir datos a distancias mucho mayores en comparación con las comunicaciones por radio; la velocidad de transmisión, debido a la alta concentración de energía y una frecuencia portadora mucho mayor (en órdenes de magnitud), también es mayor. La eficiencia energética, el bajo peso y la compacidad también son varias veces o órdenes de magnitud mejores. Además del coste, en principio, un puntero láser chino común y corriente con una potencia de aproximadamente 1 W o más puede ser adecuado para la comunicación láser en el espacio, como pretendo demostrar a continuación.

De las desventajas, podemos mencionar, en primer lugar, la necesidad de una guía mucho más precisa de los módulos de recepción y transmisión en comparación con las comunicaciones por radio. Bueno, existen problemas atmosféricos bien conocidos con las nubes y el polvo. De hecho, todos estos problemas pueden resolverse fácilmente si los abordas de frente.

En primer lugar, veamos cómo funciona el módulo receptor. Se trata de un telescopio especializado (no siempre) que capta la radiación láser y la convierte en señales eléctricas, que luego se amplifican mediante métodos conocidos y se convierten en información útil. La comunicación, por supuesto, como ahora en todas partes, debe ser digital y, en consecuencia, full-duplex. ¿Pero debería ser láser en ambas direcciones? ¡Absolutamente no es necesario! Quedará claro por qué esto es así, solo necesitamos considerar en qué se diferencian los dispositivos receptores y transmisores para la comunicación láser, y cómo los requisitos para los parámetros de peso y tamaño de los dispositivos de comunicación en las naves espaciales orbitales (o naves espaciales del espacio profundo) y en tierra. Los complejos basados ​​​​en difieren.

Como se mencionó anteriormente, el complejo receptor es un telescopio. Con lentes y (o) reflectores, un sistema para fijarlos y orientar el telescopio. Y esto significa un diseño pesado y voluminoso, lo cual es completamente inaceptable para una nave espacial. Porque para una nave espacial cualquier dispositivo debe ser lo más ligero y compacto posible. Lo cual es bastante típico en un transmisor LI: probablemente todo el mundo ya haya visto los láseres PP modernos del tamaño y peso de una pluma estilográfica. Bueno, es cierto que la fuente de alimentación para un láser real, que no es de juguete, pesará más, pero para los sistemas de comunicación por radio digital pesará aún más debido a su eficiencia energética mucho menor.

¿Qué se sigue de todo esto? Esto significa que no es necesario transmitir datos en ambas direcciones mediante un láser; basta con transmitirlos únicamente desde el satélite en un canal óptico y al satélite (SC) en un canal de radio, como antes. Por supuesto, esto significa que todavía tendrás que utilizar una antena parabólica direccional para la recepción, lo que no es bueno para el peso de la nave espacial. Pero hay que tener en cuenta que la antena de recepción, como el propio receptor, seguirá pesando varias veces menos que la de transmisión. Porque podemos hacer que la potencia de un transmisor terrestre sea de órdenes de magnitud más poderosa que la de una nave espacial, lo que significa que no necesitamos una antena grande. En algunos casos, no será necesaria ninguna antena direccional.

Eso. Tenemos una reducción en el peso de la nave espacial casi varias veces, así como en el consumo de energía. Lo cual es un camino directo hacia la posibilidad de utilizar microsatélites universalmente para comunicaciones, exploración espacial y otras necesidades, lo que significa una fuerte reducción en el costo del espacio. Pero eso no es todo.

Primero, consideremos una forma de resolver el problema de apuntar un rayo láser desde un satélite a un receptor terrestre. A primera vista, el problema es grave y, en algunos casos, completamente irresoluble (si el satélite no se encuentra en una estación geoestacionaria). Pero la pregunta es: ¿es necesario apuntar el haz al receptor?

Existe un problema conocido: la divergencia y atenuación del rayo láser al atravesar la atmósfera. El problema se agrava especialmente cuando el haz atraviesa capas con diferentes densidades. Al pasar a través de la interfaz entre los medios, un haz de luz, incl. y el rayo láser experimenta refracciones, dispersión y atenuación especialmente fuertes. En este caso podemos observar una especie de punto de luz que se obtiene precisamente al pasar dicha interfaz entre los medios. Hay varios límites de este tipo en la atmósfera de la Tierra: a una altitud de aproximadamente 2 km (capa atmosférica meteorológica activa), a una altitud de aproximadamente 10 km y a una altitud de aproximadamente 80-100 km, es decir, ya en el límite del espacio. . Las alturas de las capas se dan para latitudes medias en verano. Para otras latitudes y otras estaciones, las alturas y el número de interfaces entre los medios pueden diferir mucho de los descritos.

Eso. Al entrar en la atmósfera terrestre, un rayo láser, que hasta entonces había viajado tranquilamente millones de kilómetros sin ninguna pérdida (excepto quizás un ligero desenfoque), pierde la mayor parte de su potencia en unas desafortunadas decenas de kilómetros. Sin embargo, muy bien podemos aprovechar este hecho aparentemente malo. Este hecho nos permite prescindir de una orientación seria del haz hacia el receptor. Porque como tal receptor, o más bien receptor primario, podemos utilizar la propia atmósfera terrestre, o más bien estos mismos límites entre capas y entornos. Simplemente podemos apuntar el telescopio al punto de luz resultante y leer información del mismo. Por supuesto, esto aumentará significativamente la cantidad de interferencia y reducirá la velocidad de transferencia de datos. Y esto será completamente imposible durante el día por razones obvias: ¡el sol! ¡Pero cuánto podemos reducir el coste de un satélite ahorrando en el sistema de guiado! Esto es especialmente cierto para los satélites en órbitas no estacionarias, así como para las naves espaciales destinadas a la investigación del espacio profundo. Además, teniendo en cuenta que los láseres, incluso con una banda de frecuencia tan baja y no tan estrecha como los láseres chinos, se pueden filtrar de manera bastante realista para evitar interferencias mediante filtros de luz o fotodetectores de frecuencia estrecha.

No menos relevante podría ser el uso de la comunicación láser, no para el espacio, sino para la comunicación terrestre a larga distancia, de manera similar a la comunicación troposférica. Se trata de la transmisión de datos por láser utilizando también la dispersión atmosférica en las interfaces de las capas atmosféricas de un punto de la superficie de la Tierra a otro. El alcance de dicha comunicación puede alcanzar cientos y miles de kilómetros, e incluso más cuando se utiliza el principio de retransmisión.

Etiquetas: comunicación láser, espacio

Las ventajas de un canal láser sobre un canal de radio son que, en primer lugar, no crea interferencias de radio; en segundo lugar, es más confidencial; en tercer lugar, puede utilizarse en condiciones de exposición a altos niveles de radiación electromagnética.

El diagrama esquemático del transmisor se muestra en la Fig. 1. El transmisor consta de un codificador de comando fabricado en un microcontrolador ATtiny2313 (DD1), un bloque de salida en transistores BC847V (VT1, VT2) y una interfaz RS-232, que, a su vez, consta de un conector DB9-F (para cable) (XP1) y convertidor de nivel - en MAX3232 (DD3).

El circuito de reinicio del microcontrolador consta de los elementos DD2 (CD4011B), R2, C7. La unidad de salida es un interruptor electrónico hecho en el transistor VT1, en cuyo circuito colector está conectado un puntero láser a través de un limitador de corriente en el transistor VT2. El transmisor funciona con un voltaje estabilizado constante de 9 a 12 V. Los microcircuitos DD1, DD2, DD3 funcionan con un voltaje de 5 V, que está determinado por el estabilizador 78L05 (DA1).

El controlador DD1 está programado en el entorno BASCOM, lo que le permite enviar comandos desde una computadora personal (PC) a través de la interfaz RS-232, desde el terminal Bascom utilizando la función “eco”.

El microcontrolador tiene una frecuencia de reloj de 4 MHz proveniente de un oscilador interno. Se suministran al bloque de salida paquetes de pulsos con una frecuencia de aproximadamente 1,3 KHz desde la salida OS0A (PB2). El número de pulsos en un paquete está determinado por el número del comando recibido de la PC.
Para ingresar un comando, debe presionar cualquier tecla en el teclado de la PC, luego, cuando aparezcan las palabras "Escribir comando" e "Ingresar No. 1...8", ingrese un número del 1 al 8 y presione "Entrar". llave.

El programa para el microcontrolador transmisor “TXlaser” consta de un bucle principal (DO...LOOP) y dos subrutinas de procesamiento de interrupciones: para recepción (Urxc) y para desbordamiento del temporizador 0 (Timer0).

Para obtener una frecuencia de salida de 1,3 KHz, el temporizador se configura con un factor de división de frecuencia (Prescale) = 1024. Además, el conteo comienza desde el valor inferior Z = 253 (en un nivel alto en PB2) y llega a 255. Un temporizador La interrupción por desbordamiento ocurre cuando cuyo procesamiento cambia la salida de PB2, y el temporizador se configura nuevamente en el valor Z = 253. Por lo tanto, aparece una señal con una frecuencia de 1,3 KHz en la salida de PB2 (ver Fig. 2). En la misma subrutina se compara el número de pulsos en PB2 con el especificado y si son iguales el cronómetro se detiene.

En la subrutina de procesamiento de interrupción de recepción, se establece el número de pulsos que deben transmitirse (1 – 8). Si este número es mayor que 8 se muestra en el terminal el mensaje “ERROR”.

Mientras se ejecuta la subrutina, hay un nivel bajo en el pin PD6 (el LED HL1 está apagado) y el temporizador se detiene.
En el bucle principal, el pin PD6 está alto y el LED HL1 está encendido.
Texto del programa "TXlaser":

$regfile = "attiny2313a.dat"
$cristal = 1000000
$hwpila = 40
$swstack = 16
$tamaño del marco = 32

Config Pind.0 = Entrada "UART - RxD
Config Portd.1 = Salida "UART - TxD
Puerto de configuración 6 = Salida "LED HL1
Config Portb.2 = Salida "salida OC0A

"Configuración del temporizador 0-factor de división=1024:
Config Timer0 = Temporizador, Preescala = 1024
Stop Timer0 "detiene el cronómetro

Dim N As Byte "definición de variable"
Atenuar N0 como byte

Const Z = 253 "límite inferior del conteo del temporizador para frecuencia de salida = 1,3 KHz
Temporizador0 = Z

En Urxc Rxd "recibir subrutina de procesamiento de interrupciones
On Timer0 Pulse "rutina de interrupción por desbordamiento"

Habilitar Urxc
Habilitar temporizador0

Hacer "bucle principal
Configure Portd.6 "encienda el LED HL1
Bucle

Rxd: "recibir subrutina de procesamiento de interrupción
Detener temporizador0
M1:
Imprimir "Escribir comando"
Entrada "Ingrese No. 1...8:" , N0 "entrada de comando
Si N0 > 8 Entonces "limite el número de comandos
Imprimir "Error"
Ir a M1
Terminar si
N0 = N0 * 2
N0 = N0 - 1 "valor establecido del número de pulsos en un paquete
Alternar puerto 2
Iniciar temporizador0 "iniciar el temporizador
Devolver

Pulso: "rutina de procesamiento de interrupción por desbordamiento"
Detener temporizador0
Alternar puerto 2
Restablecer Portd.6 "apagar el LED
Temporizador0 = Z
N = N + 1 "incremento en el número de pulsos
Si N = N0 Entonces "si el número de pulsos = especificado
norte=0
N0 = 0
Esperams 500" retardo 0,5s
Demás
Start Timer0 "de lo contrario, continúa contando
Terminar si
Devolver
Fin "finalizar programa

El transmisor está realizado sobre una placa de circuito impreso de 46x62 mm (ver Fig. 3). Todos los elementos, excepto el microcontrolador, son de tipo SMD. El microcontrolador ATtiny2313 se utiliza en un paquete DIP. Se recomienda colocarlo en el panel para chips DIP TRS (SCS) - 20 para poder reprogramarlo “sin dolor”.

La placa del transmisor TXD.PCB se encuentra en la carpeta "FILE PCAD".
El diagrama esquemático del receptor del canal láser se muestra en la Fig. 4. A la entrada del primer amplificador DA3.1 (LM358N), un filtro de paso bajo formado por los elementos CE3, R8, R9 y con una frecuencia de corte de 1 KHz atenúa el ruido de fondo de 50-100 KHz procedente de los dispositivos de iluminación. Los amplificadores DA3.2 y DA4.2 amplifican y aumentan la duración de los pulsos recibidos de la señal útil. El comparador en DA4.1 genera una señal de salida (una), que se suministra a través de los inversores del chip CD4011D (DD2): DD2.1, DD2. La señal llega sincrónicamente a los contactos del microcontrolador ATtiny2313 (DD1) – T0 (PB4) y PB3. Por lo tanto, el Timer0, que opera en el modo de contar pulsos externos, y el Timer1, que mide el tiempo de este conteo, se inician sincrónicamente. El controlador DD1, que actúa como decodificador, muestra los comandos recibidos 1…8 configurando log.1 en los pines PORTB, respectivamente РВ0…РВ7, mientras que la llegada de un comando posterior restablece el anterior. Cuando llega el comando “8” a PB7, aparece el log.1 que, mediante un interruptor electrónico en el transistor VT1, enciende el relé K1.

El receptor se alimenta con un voltaje constante de 9 -12V. Las partes analógicas y digitales funcionan con voltajes de 5V, que están determinados por estabilizadores de tipo 78L05 DA5 y DA2.

En el programa RXlaser se configura Timer0 como contador de pulsos externos, y Timer1 como temporizador que cuenta el periodo de paso del máximo número posible de pulsos (comando 8).

En el ciclo principal (DO...LOOP), el Timer1 se enciende cuando se recibe el primer pulso de comando (K=0), se restablece la condición para permitir la inclusión del temporizador Z=1.
En la subrutina de procesamiento de interrupciones, cuando el conteo del Timer1 coincide con el valor del conteo máximo posible, el número de comando se lee y se configura en PORTB. También se establece la condición para habilitar la inclusión del Temporizador1: Z=0.
Texto del programa RXlaser:

$regfile = "attiny2313a.dat"
$cristal = 4000000
$hwpila = 40
$swstack = 16
$tamaño del marco = 32

Ddrb = 255 "PORTB - todas las salidas
Puertob = 0
Ddrd = 0 "entrada PORTD
Portd = PORTD pull-up de 255"
Config Timer0 = Contador, Preescala = 1, Borde = Caída "como contador de pulsos
Config Timer1 = Temporizador, Preescala = 1024, Borrar temporizador = 1" como temporizador
Detener temporizador1
Temporizador1 = 0
Contador0 = 0

"definición de variable:
Atenuar X como byte
Comunicación tenue como byte
Dim Z como un poco
Dim K como un poco

X=80
Compare1a = X "número de pulsos en el registro de coincidencias
Z=0

En Compare1a Pulse "interrumpe la rutina por coincidencia

Habilitar interrupciones
Habilitar Comparar1a

Hacer "bucle principal
Si Z = 0 Entonces "primera condición para encender el temporizador
K = Puerto 3
Si K = 0 Entonces "segunda condición para encender el temporizador
Iniciar temporizador1
Z=1
Terminar si
Terminar si
Bucle

Pulso: "procesamiento de interrupción de subrutina por coincidencia
Detener temporizador1
Comm = Counter0 "lectura del contador de pulso externo
Comm = Comm - 1 "definición del número de bit en el puerto
Portb = 0 "puerto de puesta a cero
Establecer Portb.comm "establece el bit correspondiente al número de comando
Z=0
Contador0 = 0
Temporizador1 = 0
Devolver
Fin "finalizar programa

Los programas "TXlaser" y "RXlaser" se encuentran en la carpeta Lazer_prog.

El receptor está ubicado sobre un tablero de 46x62 mm (ver Fig. 5). Todos los componentes son tipo SMD, a excepción del microcontrolador, que debe colocarse en un panel para chips DIP de tipo TRS(SCS) - 20.

Configurar el receptor se reduce a configurar el coeficiente de transmisión de un extremo a otro y el umbral de respuesta del comparador. Para resolver el primer problema, debe conectar un osciloscopio al pin 7 de DA4.2 y, seleccionando el valor de R18, establecer el coeficiente de transmisión de extremo a extremo en el que no se alcanzará la amplitud máxima de las emisiones de ruido observadas en la pantalla. exceder los 100 mV. Luego, el osciloscopio cambia al pin 1 de DA4.1 y al seleccionar una resistencia (R21) se establece el nivel cero del comparador. Al encender el transmisor y dirigir el rayo láser al fotodiodo, debe asegurarse de que aparezcan pulsos rectangulares en la salida del comparador.
La placa de circuito del receptor RXD.PCB también se encuentra en la carpeta FILE PCAD.

Es posible aumentar la inmunidad al ruido del canal láser modulando la señal con una frecuencia subportadora de 30 – 36 KHz. La modulación de los trenes de impulsos se produce en el transmisor, mientras que el receptor contiene un filtro de paso de banda y un detector de amplitud.

El diagrama de dicho transmisor (transmisor 2) se muestra en la Fig. 6. A diferencia del transmisor 1 discutido anteriormente, el transmisor 2 tiene un generador de subportadora sintonizado a una frecuencia de 30 KHz y ensamblado en las ranuras DD2.1, DD2.4... El generador proporciona modulación de ráfagas de pulsos positivos.

El receptor de canal láser con frecuencia subportadora (receptor 2) está ensamblado en un chip doméstico K1056UP1 (DA1). El circuito receptor se muestra en la Fig. 7. Para aislar los pulsos de comando, se conecta un detector de amplitud con un filtro de paso bajo y un normalizador de pulsos, ensamblado en los elementos lógicos DD3.1, DD3.2, un conjunto de diodos DA3 y C9, R24, a la salida del microcircuito DA1 10. . En caso contrario, el circuito del receptor 2 coincide con el circuito del receptor 1.

E. N. Chepusov, S. G. Sharonin

Hoy es imposible imaginar nuestra vida sin ordenadores y redes basadas en ellos. La humanidad está en el umbral de un nuevo mundo en el que se creará un espacio único de información. En este mundo, las comunicaciones ya no se verán obstaculizadas por fronteras físicas, tiempo o distancia.

Hoy en día existe una gran cantidad de redes en todo el mundo que realizan diversas funciones y resuelven muchos problemas diferentes. Tarde o temprano, siempre llega un momento en el que la capacidad de la red se agota y es necesario tender nuevas líneas de comunicación. Esto es relativamente fácil de hacer dentro de un edificio, pero las dificultades comienzan cuando se conectan dos edificios adyacentes. Se requieren permisos especiales, aprobaciones y licencias para realizar trabajos, así como el cumplimiento de una serie de requisitos técnicos complejos y la satisfacción de importantes solicitudes financieras de organizaciones que administran tierras o alcantarillado. Como regla general, inmediatamente queda claro que el camino más corto entre dos edificios no es una línea recta. Y no es en absoluto necesario que la longitud de este camino sea comparable a la distancia entre estos edificios.

Por supuesto, todo el mundo conoce una solución inalámbrica basada en diversos equipos de radio (módems de radio, líneas de retransmisión de radio de canales pequeños, transmisores digitales de microondas). Pero el número de dificultades no disminuye. Las ondas de radio están saturadas y obtener permiso para utilizar equipos de radio es muy difícil y, a veces, incluso imposible. Y el rendimiento de este equipo depende significativamente de su costo.

Proponemos utilizar un tipo nuevo y económico de comunicación inalámbrica que ha surgido recientemente: la comunicación láser. Esta tecnología recibió el mayor desarrollo en los EE. UU., donde se desarrolló. Las comunicaciones por láser proporcionan una solución rentable al problema de las comunicaciones fiables, de alta velocidad y de corto alcance (1,2 km) que pueden surgir al conectar sistemas de telecomunicaciones de diferentes edificios. Su uso permitirá la integración de redes locales con las globales, la integración de redes locales remotas entre sí y también satisfacer las necesidades de la telefonía digital. La comunicación láser admite todas las interfaces necesarias para estos fines, desde RS-232 hasta ATM.

¿Cómo se logra la comunicación láser?

La comunicación láser, a diferencia de la comunicación GSM, permite conexiones punto a punto con velocidades de transferencia de información de hasta 155 Mbit/s. En las redes informáticas y telefónicas, la comunicación láser garantiza el intercambio de información en modo full duplex. Para aplicaciones que no requieren altas velocidades de transmisión (por ejemplo, señales de video y control en procesos y sistemas de televisión de circuito cerrado), está disponible una solución semidúplex especial y rentable. Cuando es necesario combinar no sólo redes informáticas sino también telefónicas, se pueden utilizar modelos de dispositivos láser con un multiplexor incorporado para transmitir simultáneamente tráfico LAN y flujos de telefonía grupal digital (E1/ICM30).

Los dispositivos láser pueden transmitir cualquier flujo de red que se les entregue mediante fibra óptica o cable de cobre en dirección directa e inversa. El transmisor convierte señales eléctricas en radiación láser modulada en el rango de infrarrojos con una longitud de onda de 820 nm y una potencia de hasta 40 mW. La comunicación láser utiliza la atmósfera como medio de propagación. Luego, el rayo láser incide en un receptor que tiene la máxima sensibilidad dentro del rango de longitud de onda de la radiación. El receptor convierte la radiación láser en señales procedentes de la interfaz eléctrica u óptica utilizada. Así se realiza la comunicación mediante sistemas láser.

Familias, modelos y sus características.

En esta sección, nos gustaría presentarle las tres familias de sistemas láser más populares en EE. UU.: LOO, OmniBeam 2000 y OmniBeam 4000 (Tabla 1). La familia LOO es básica y puede transmitir datos y mensajes de voz a distancias de hasta 1000 m. La familia OmniBeam 2000 tiene capacidades similares, pero opera a una distancia mayor (hasta 1200 m) y puede transmitir imágenes de video y una combinación de datos. y voz. La familia OmniBeam 4000 puede proporcionar transferencia de datos de alta velocidad: de 34 a 52 Mbit/s en distancias de hasta 1200 m y de 100 a 155 Mbit/s hasta 1000 m. Existen otras familias de sistemas láser en el mercado, pero. cubren distancias más cortas o admiten menos protocolos.

Tabla 1.

Familia
Ethernet (10 Mbps)
Anillo token (416 Mbps)
E1 (2 Mbit/s)
Imagen de vídeo
Combinación de datos y voz.
Transferencia de datos de alta velocidad (34-155 Mbps)
Posibilidad de modernización.

Cada familia incluye un conjunto de modelos que soportan diferentes protocolos de comunicación (Tabla 2). La familia LOO incluye modelos económicos que proporcionan distancias de transmisión de hasta 200 m (la letra "S" al final del nombre).

Tabla 2.

Una ventaja indudable de los dispositivos de comunicación láser es su compatibilidad con la mayoría de los equipos de telecomunicaciones para diversos fines (concentradores, enrutadores, repetidores, puentes, multiplexores y PBX).

Instalación de sistemas láser.

Una etapa importante en la creación de un sistema es su instalación. El encendido real requiere una cantidad de tiempo insignificante en comparación con la instalación y configuración de equipos láser, que lleva varias horas si la realizan especialistas bien capacitados y equipados. Al mismo tiempo, la calidad del funcionamiento del propio sistema dependerá de la calidad de estas operaciones. Por lo tanto, antes de presentar opciones típicas de inclusión, nos gustaría prestar cierta atención a estas cuestiones.

Cuando se colocan al aire libre, los transceptores se pueden instalar en superficies de techos o paredes. El láser se monta sobre un soporte rígido especial, normalmente metálico, que se fija a la pared del edificio. El soporte también ofrece la posibilidad de ajustar el ángulo de inclinación y el azimut del haz.

En este caso, para facilitar la instalación y mantenimiento del sistema, su conexión se realiza a través de cajas de distribución (RB). Los cables de conexión suelen ser de fibra óptica para circuitos de transmisión de datos y cables de cobre para circuitos de potencia y control. Si el equipo no tiene una interfaz óptica de datos, entonces es posible utilizar un modelo con interfaz eléctrica o un módem óptico externo.

La unidad de fuente de alimentación (PSU) del transceptor siempre se instala en interiores y se puede montar en una pared o en un bastidor que se utiliza para equipos LAN o sistemas de cableado estructurado. También se puede instalar cerca un monitor de estado que sirve para controlar de forma remota el funcionamiento de los transceptores de las familias OB2000 y OB4000. Su uso permite el diagnóstico del canal láser, la indicación de la magnitud de la señal, así como realizar un bucle de la señal para comprobarla.

Al instalar transceptores láser en el interior, debe recordarse que la potencia de la radiación láser disminuye al atravesar un vidrio (al menos un 4% en cada vidrio). Otro problema son las gotas de agua que caen por el exterior del cristal cuando llueve. Actúan como lentes y pueden provocar dispersión del haz. Para reducir este efecto, se recomienda instalar el equipo cerca de la parte superior del vidrio.

Para garantizar una comunicación de alta calidad, es necesario tener en cuenta algunos requisitos básicos.

El más importante de ellos, sin el cual la comunicación sería imposible, es que los edificios deben estar dentro del campo visual y no deben haber obstáculos opacos en el camino de propagación del haz. Además, dado que el rayo láser en la zona del receptor tiene un diámetro de 2 m, es necesario que los transceptores se encuentren por encima de los peatones y del tráfico a una altura de al menos 5 m. Esto se debe a las normas de seguridad. El transporte también es una fuente de gases y polvo, que afectan a la fiabilidad y calidad de la transmisión. El haz no debe proyectarse cerca ni cruzar líneas eléctricas. Es necesario tener en cuenta el posible crecimiento de los árboles, el movimiento de sus copas durante las ráfagas de viento, así como la influencia de las precipitaciones y posibles perturbaciones por aves voladoras.

La elección correcta del transceptor garantiza un funcionamiento estable del canal en todas las condiciones climáticas de Rusia. Por ejemplo, un diámetro de haz mayor reduce la probabilidad de fallas relacionadas con las precipitaciones.

Los equipos láser no son una fuente de radiación electromagnética (EMR). Sin embargo, si se coloca cerca de dispositivos con EMR, la electrónica del láser captará esta radiación, lo que puede provocar un cambio en la señal tanto en el receptor como en el transmisor. Esto afectará la calidad de la comunicación, por lo que no se recomienda colocar equipos láser cerca de fuentes EMR, como estaciones de radio potentes, antenas, etc.

Al instalar un láser, es aconsejable evitar transceptores láser orientados en dirección este-oeste, ya que varios días al año los rayos del sol pueden bloquear la radiación láser durante varios minutos y la transmisión será imposible, incluso con filtros ópticos especiales en el receptor. Sabiendo cómo se mueve el sol por el cielo en un área específica, puedes resolver fácilmente este problema.

La vibración puede hacer que el transceptor láser se desplace. Para evitarlo, no se recomienda instalar sistemas láser cerca de motores, compresores, etc.

Figura 1. Colocación y conexión de transceptores láser.

Varios métodos de inclusión típicos.

La comunicación láser ayudará a resolver el problema de la comunicación de corto alcance en conexiones punto a punto. Como ejemplos, veamos varias opciones o métodos de inclusión típicos. Entonces, tiene una oficina central (CO) y una sucursal (F), cada una de las cuales tiene una red informática.

La Figura 2 muestra una variante de organización de un canal de comunicación para el caso en el que sea necesario combinar F y DSO, utilizando Ethernet como protocolo de red y cable coaxial (grueso o delgado) como medio físico. En CO hay un servidor LAN y en F hay computadoras que deben conectarse a este servidor. Con sistemas láser como los modelos LOO-28/LOO-28S u OB2000E, puede resolver este problema fácilmente. El puente se instala en el centro central y el repetidor en F. Si el puente o repetidor tiene una interfaz óptica, entonces no se requiere un minimódem óptico. Los transceptores láser están conectados mediante fibra óptica dual. El modelo LOO-28S le permitirá comunicarse a una distancia de hasta 213 m, y el LOO-28, hasta 1000 m con un ángulo de recepción "confiado" de 3 mrad. El modelo OB2000E cubre una distancia de hasta 1200 m con un ángulo de recepción "seguro" de 5 mrad. Todos estos modelos funcionan en modo full duplex y proporcionan una velocidad de transferencia de 10 Mbit/s.

Figura 2. Conexión de un segmento LAN Ethernet remoto mediante un cable coaxial.

En la Figura 3 se muestra una opción similar para combinar dos redes Ethernet utilizando un cable de par trenzado (10BaseT) como medio físico. Su diferencia es que en lugar de un puente y un repetidor, se utilizan concentradores (hubs) que tienen la cantidad requerida de 10BaseT. conectores y una interfaz AUI o FOIRL para conectar transceptores láser. En este caso, es necesario instalar un transceptor láser LOO-38 o LOO-38S, que proporciona la velocidad de transmisión requerida en modo full duplex. El modelo LOO-38 puede admitir distancias de comunicación de hasta 1000 m y el modelo LOO-38S puede comunicarse hasta 213 m.

Figura 3. Conexión de un segmento LAN Ethernet remoto basado en par trenzado.

La Figura 4 muestra una variante de transmisión de datos combinada entre dos LAN (Ethernet) y un flujo digital grupal E1 (PCM30) entre dos PBX (en CO y F). Para solucionar este problema es adecuado el modelo OB2846, que proporciona transmisión de datos y voz a una velocidad de 12 (10+2) Mbit/s en una distancia de hasta 1200 m. La LAN se conecta al transceptor mediante fibra óptica dual. a través de un conector SMA estándar, y el tráfico telefónico se transmite mediante cable coaxial de 75 Ohm mediante conector BNC. Cabe señalar que la multiplexación de flujos de datos y voz no requiere equipo adicional y se realiza mediante transceptores sin reducir el rendimiento de cada uno de ellos por separado.

Figura 4. Integración de redes informáticas y telefónicas.

En la Figura 5 se presenta una opción para la transferencia de datos de alta velocidad entre dos LAN (LAN "A" en el centro central y LAN "B" en F) utilizando conmutadores ATM y transceptores láser. El modelo OB4000 resolverá el problema de alta velocidad. -acelerar la comunicación de corto alcance de forma óptima. Tendrá la oportunidad de transmitir flujos E3, OC1, SONET1 y ATM52 a las velocidades requeridas a una distancia de hasta 1200 m, y 100 Base-VG o VG ANYLAN (802.12), 100 Base-FX o Fast Ethernet (802.3) , FDDI, TAXI 100/ 140, OC3, SONET3 y ATM155 con las velocidades requeridas, en una distancia de hasta 1000 m. Los datos transmitidos se entregan al transceptor láser mediante una fibra óptica dual estándar conectada a través de un conector SMA.

Figura 5. Consolidación de redes de telecomunicaciones de alta velocidad.

Los ejemplos dados no agotan todas las posibles aplicaciones de los equipos láser.

¿Cuál es más rentable?

Intentemos determinar el lugar de la comunicación láser entre otras soluciones cableadas e inalámbricas, evaluando brevemente sus ventajas y desventajas (Tabla 3).

Tabla 3.

Costo estimado	cable de cobre	Fibra óptica	canal de radio	canal láser
	de 3 a 7 mil dólares. durante 1 kilómetro	hasta 10 mil dolares durante 1 kilómetro	de 7 a 100 mil dólares. por juego	12-22 mil dólares. por juego
Tiempo de preparación e instalación.	Preparación del trabajo e instalación - hasta 1 mes; instalación de módems HDSL - unas pocas horas

La comunicación óptica se lleva a cabo mediante la transmisión de información mediante ondas electromagnéticas en el rango óptico. Un ejemplo de comunicación óptica es la transmisión de mensajes utilizados antiguamente mediante fuegos o alfabeto semáforo. En los años 60 del siglo XX, se crearon los láseres y fue posible construir sistemas de comunicación óptica de banda ancha que transmiten no solo señales telefónicas, sino también de televisión y de computadora.
Los sistemas de comunicación óptica se dividen en abiertos, donde la señal se transmite en la atmósfera o el espacio, y cerrados, es decir, que utilizan guías de luz. . A continuación, solo se consideran líneas de comunicación atmosféricas abiertas.
Un sistema óptico de comunicación atmosférica entre dos puntos consta de dos dispositivos transceptores emparejados ubicados dentro de la línea de visión en ambos extremos de la línea y dirigidos entre sí. El transmisor contiene un generador láser y un modulador de su radiación óptica mediante la señal transmitida. El rayo láser modulado es colimado por el sistema óptico y dirigido hacia el receptor. En el receptor, la radiación se concentra en un fotodetector, donde se detecta y se aísla la información transmitida. Dado que el rayo láser se transmite entre puntos de comunicación en la atmósfera, su distribución depende en gran medida de las condiciones climáticas, la presencia de humo, polvo y otros contaminantes del aire. Además, en la atmósfera se observan fenómenos turbulentos que provocan fluctuaciones en el índice de refracción del medio, oscilaciones del haz y distorsiones de la señal recibida. Sin embargo, a pesar de estos problemas, la comunicación láser atmosférica resultó ser bastante fiable a distancias de varios kilómetros y es especialmente prometedora para resolver el problema de "el último". La propagación de la radiación láser en la atmósfera va acompañada de una serie de fenómenos. de interacción lineal y no lineal de la luz con el medio. Sin embargo, ninguno de estos fenómenos se manifiesta por separado. Según características puramente cualitativas, estos fenómenos se pueden dividir en tres grupos principales: absorción y dispersión por moléculas de gas en el aire, atenuación por aerosoles (polvo). , lluvia, nieve, niebla) y las fluctuaciones de la radiación debido a las turbulencias atmosféricas. Los principales limitadores del alcance del ALS son la nieve espesa y la niebla densa, en las que la atenuación de los aerosoles es máxima. La propagación del rayo láser también se ve fuertemente influenciada por las turbulencias atmosféricas. , es decir, cambios espaciotemporales aleatorios en el índice de refracción provocados por el movimiento del aire, fluctuaciones en su temperatura y densidad. Por lo tanto, las ondas de luz que se propagan en la atmósfera experimentan no sólo absorción, sino también fluctuaciones en la potencia transmitida.
Las turbulencias atmosféricas provocan distorsiones del frente de onda y, en consecuencia, oscilaciones y ensanchamiento del rayo láser y redistribución de energía en su sección transversal. En el plano de la antena receptora, esto se manifiesta en una alternancia caótica de puntos oscuros y brillantes con una frecuencia que va desde fracciones de hercio hasta varios kilohercios. En este caso, a veces se produce un desvanecimiento de la señal (el término se toma prestado de las comunicaciones por radio) y la conexión se vuelve inestable. El desvanecimiento es más pronunciado en climas claros y soleados, especialmente en los calurosos meses de verano, durante las horas de salida y puesta del sol, y con vientos fuertes los sistemas ALS se pueden utilizar no solo en la "última milla" de los canales de comunicación, sino también como inserciones. en líneas de fibra óptica en algunas zonas difíciles; para la comunicación en condiciones montañosas, en aeropuertos, entre edificios individuales de una organización (organismos gubernamentales, centros comerciales, empresas industriales, campus universitarios, complejos hospitalarios, obras de construcción, etc.); al crear redes informáticas locales espacialmente dispersas; al organizar las comunicaciones entre centros de conmutación y estaciones base de redes celulares; para tender rápidamente una línea con un tiempo de instalación limitado. Por lo tanto, recientemente ha aumentado el interés de los fabricantes nacionales en este nuevo y prometedor sector.

El diagrama funcional de un sistema de comunicación láser es muy sencillo:

· la unidad de procesamiento recibe señales de varios dispositivos estándar (teléfono, fax, PBX digital, red informática local) y las convierte a una forma aceptable para su transmisión mediante un módem láser;

· la señal convertida es transmitida por la unidad electroóptica en forma de radiación infrarroja;

· en el lado receptor, la luz recogida por el sistema óptico incide sobre un fotodetector, donde se convierte nuevamente en señales eléctricas;

· La señal eléctrica amplificada y procesada se envía a una unidad de procesamiento de señales, donde se restaura a su forma original.

La transmisión y recepción se realizan mediante cada uno de los módems emparejados de forma simultánea e independiente entre sí. Los módems láser se instalan de tal manera que coincidan los ejes ópticos de los transceptores. La principal dificultad es ajustar la dirección de los ejes ópticos de los transceptores. El ángulo de divergencia del haz del transmisor varía desde varios minutos de arco hasta 0,5° para diferentes modelos, y la precisión del ajuste debe corresponder a estos valores.

Después de instalar las unidades transceptoras, deberá conectarlas a las redes de cable de ambos edificios. Existen muchos modelos de dispositivos con una amplia variedad de interfaces; sin embargo, a diferencia de los proveedores de equipos de comunicación por radio, los fabricantes de sistemas ópticos inalámbricos se adhieren a la siguiente ideología general de conexión: una línea de comunicación láser es una emulación de un trozo de cable (dos trenzados pares o dos núcleos de un cable óptico). Las redes locales conectadas mediante óptica inalámbrica funcionan como si estuvieran conectadas mediante un cable dedicado. Algunos modelos de módems láser tienen interfaces combinadas para la red Ethernet y flujos E1. Como resultado, un enlace atmosférico puede conectar las redes LAN y telefónicas de edificios sin el uso de un multiplexor.

Así es como se ve un sistema de comunicación láser atmosférico instalado. ¡El rendimiento del sistema es de 100 Mbit/s a una distancia de hasta 3! kilómetros. foto:

Algunos puentes remotos inalámbricos utilizan luz láser infrarroja para transmitir datos. Normalmente, un dispositivo de este tipo contiene un puente Ethernet cableado tradicional y un módem láser que proporciona comunicación física. En otras palabras, el dispositivo láser solo envía bits de datos y el resto del trabajo lo realiza un puente convencional. Los módems láser generan radiación con una longitud de onda de 820 nm, que no puede detectarse sin instrumentos especiales. Evidentemente, para los puentes láser, el emisor y el receptor deben estar situados en línea recta. visibilidad. La distancia típica entre puentes es de poco más de 1 km y está limitada por la potencia del láser.
Una de las principales ventajas de estos sistemas es su alto rendimiento. Segundo la ventaja es una suficiente inmunidad al ruido, ya que la radiación infrarroja no interactúa con las ondas de radio. Al igual que los sistemas de fibra óptica, los puentes láser proporcionan un alto nivel de seguridad. Para interceptar información, es necesario colocar un dispositivo adecuado en la línea del haz, que, en primer lugar, se puede detectar fácilmente y, en segundo lugar, es muy difícil de implementar, ya que dichos sistemas se instalan en los techos de edificios de gran altura. Las desventajas de los sistemas láser son la influencia de las condiciones climáticas en la estabilidad de las comunicaciones. Las fuertes lluvias, la nieve o la niebla provocarán una importante dispersión del haz y debilitamiento de la señal. La conexión también puede verse afectada por el amanecer o el atardecer si el canal está orientado de este a oeste.
Los puentes inalámbricos se utilizan para conectar redes permanentemente, como enlace de respaldo o como solución temporal. Muchas empresas participan en su producción. Los precios, dependiendo del ancho de banda y la distancia de comunicación, oscilan entre 5 y 75 mil dólares por canal. Caro, pero con el tiempo esta decisión puede dar sus frutos.

2,5 Gbit/s mediante rayo láser

fSONA Communications ha introducido un nuevo sistema de comunicación óptica inalámbrica, SONBeam 2500-M, que permite velocidades de transferencia de datos de aproximadamente 2,5 Gbit/s. El sistema se basa en cuatro transmisores redundantes que funcionan a una longitud de onda de 1550 nm con una potencia de salida de señal láser de 560 mW. En un campo de pruebas de cinco kilómetros con tiempo despejado, el sistema funcionó a máxima velocidad y prácticamente sin errores.

Preguntas de seguridad

1. ¿Qué tecnologías se utilizan para crear redes inalámbricas?

2. Enumerar las principales tecnologías de las redes de radio.

3. ¿Qué es? puntos de acceso(punto de acceso)?

4. Describe la tecnología 802.11 ¿Qué es una antena direccional y omnidireccional?

5. ¿Qué es? itinerancia(itinerancia).?

6. Enumerar tecnologías alternativas al estándar IEEE 802.11;

7. Caracterizar la tecnología bluetooth.

8. Caracterizar la tecnología HiperLAN.

9. ¿Qué son las redes ópticas?

10. ¿Qué son los sistemas de microondas?

11. Describa el estándar IEEE 802.16 (WiMAX).

12. ¿Qué son las redes inalámbricas basadas en satélites de órbita baja?

13. ¿Qué dispositivos están incluidos en el sistema de infrarrojos?

14. ¿Qué es la radiación IR?

15. ¿Qué es la comunicación láser atmosférica?

16. ¿Cómo se produce la recepción y transmisión durante la comunicación láser atmosférica?

Esta semana se conocieron los resultados de una especie de comunicación láser lunar. La prueba se llevó a cabo durante 30 días en condiciones difíciles debido al polvo lunar. Estaba trabajando un conductor especial, que actualmente se encuentra en la órbita de la luna. Esta prueba demostró que el sistema de comunicación está en pleno funcionamiento a pesar de la distancia. Se comunica con tanta eficacia como cualquier señal de radio de la NASA.

Esta tecnología demuestra el uso práctico de láseres de banda ancha para interconexión y comunicaciones. Esta conexión, o más bien su carga, es mucho más rápida que una conexión de radio similar. Este método permite recibir una señal en la Tierra a una velocidad de 622 Mbit y enviarla a 20 Mbit. Esta velocidad se registró el 20 de octubre. Fue transmitido de la Luna a la Tierra mediante un rayo láser pulsado. La señal fue recibida por una estación en Nuevo México, que forma parte de un esfuerzo conjunto entre Estados Unidos y España.

Los láseres tienen una gran ventaja sobre las señales de radio. Son ellos los que tienen mayor rendimiento. También es importante transmitir datos utilizando un haz coherente específico. Esto contribuye a un menor consumo de energía al transmitir señales a largas distancias.

Los investigadores de la NASA dicen que la prueba del programa fue un gran éxito. No esperaban este tipo de resultados. El mensaje láser fue recibido y transmitido de vuelta a la órbita incluso en las condiciones más difíciles. Esto confirma la teoría de que, por muy interferencia que haya, la señal llegará a la Tierra. Ni el polvo cósmico ni la distancia son un obstáculo para la señal láser. Incluso en los momentos en que la capa de atmósfera aumentaba, la transmisión de la señal se realizaba sin problemas, lo que indica la eficacia de este dispositivo. No hubo ni rastro de desconfianza entre los escépticos de la NASA cuando ni siquiera las nubes se convirtieron en un obstáculo para la transmisión de señales.

Sorprendentemente no hubo ni un solo error en la señal. El procedimiento recuerda a la comunicación por teléfono móvil. Además, funciona sin intervención humana. El sistema puede incluso bloquearse si no se recibe señal de las estaciones terrestres durante un período prolongado.