3.4. Структура безпроводної оптичної системи зв’язку

На рисунку 3.2 наведена узагальнена структурна схема приймально-передавального модуля БОСП (дуплексна версія).

По суті, БОСП містить функціональні вузли, які притаманні будь-яким електричним системам зв’язку. Більше того, при формуванні сигналів, у принципі, можливе використання різноманітних способів кодування і типів модуляції, що відомі для традиційних систем передавання.

Рис. 3.2

1 – інтерфейсний блок, 2 – блок кодування-декодування сигналу, 3 – модулятор, 4 – ЛД, 5 – передавальна оптична антена, 6 – приймальна оптична антена, 7 – ФП, 8 – підсилювач, 9 – блок контролю та живлення модулю.

Сигнал (оптичний, або електричний) поступає на інтерфейсний модуль. Який трансформує сигнал в електричний, в відповідному цифровому коді. Цей модуль також забезпечує трансформацію прийнятого сигналу в сигнал в лінійному коді. Далі сигнал відповідним чином кодується, як правило, з надлишковістю (часто з великою надлишковістю). Такого типу трансформація необхідна для забезпечення підвищеної заводостійкості системи зв’язку. Необхідно зауважити, що ступень надлишковості може бути дуже значним, і, він мало пов’язаний (або практично не обмежується) протокольною швидкістю передавання. Це пов’язано, з тим, що при застосуванні БОСП-систем, таке явище як дисперсія сигналів за швидкостями розповсюдження практично відсутнє. А як відомо, саме дисперсія обмежує швидкість передавання у ВОСП. Отже передавання сигналу між передавачем і приймачем може вестися на швидкості, яка значно перевищує протокольну швидкість передавання системи. Як наслідок, велика кількість додаткових бітів може бути передана, і, практично будь-які за складністю алгоритми можуть бути реалізовані.

Далі сигнал поступає на модулятор. Відзначимо, що у більшості випадків, для тих швидкостей, які реалізуються в БОСП-системах достатньо прямої модуляції. Отже модулятор – блок, який формує інформаційний сигнал у вигляді електричного сигналу, що передається безпосередньо в ланку накачування лазера. Приймальна ланка містить: оптичну приймальну антену, ФП та підсилювач.

В якості передавача використовують ЛД, якій працює в одному з вікон прозорості ВОСП. Приймач – PIN, або лавинний фотодіод.

Рис.3.3. Схематичне зображення типової оптичної антени

Декілька слів про передавальну або приймальну антени. Така антена є не чим іншим як деякою оптичною системою „оптимізованою на нескінченість”. Інакше кажучи, така антена є колімаційною системою типу телескоп з великим вихідним (вхідним) отвором. Такий телескоп може бути побудований на основі як рефракційної так і відбивальної оптики. Треба відзначити, що другий варіант є більш привабливим, оскільки елементи антени складаються з меншої кількості оптичних поверхонь. Це пов’язане з тим, що на сьогодні добре розвинута технологія виготовлення відбиваючих поверхонь асферичної форми. Застосування таких асферичних дзеркал дозволяє суттєво зменшити кількість оптичних поверхонь (не менш ніж вдвічі). Приклад такою антени наведений на рисунку 3.3.

Оцінимо поле зору приймального блоку.

Рис. 3.4. Геометричні діаграми приймальних оптичних антен:

а) фокусуюча антена; б) колімуюча антена.

Для простоти оцінку проведемо для антен, побудованих на основі рефракційних елементів. Результати для дзеркальної оптики будуть абсолютно ті самі.

В антені фокусуючого типу (рис. 3.4а) фотодетектор встановлюється в фокальній площині вхідного об’єктиву; відповідно поле зору визначається виразом

, (3.1)

де – фокусна відстань вхідного об’єктива; – діаметр фотодетектора; – діаметр сфокусованої плями у фокусі об’єктиву.

Якщо приймальна антена проектується для роботи на дифракційній межі, то розміри сфокусованої плями дорівнюють

. (3.2)

Якщо розміри дифракційної плями набагато менше, ніж діаметр чутливої площинки фотодетектора, то

. (3.3)

Поле зору приймального блоку з антеною колімуючого типу (рис. 3.4б) визначається таким чином

, (3.4)

де і – фокусні відстані колімуючих лінз.

3.5. Фізична модель системи зв’язку

Розглянемо моделі зв’язку з використанням лазерів в якості випромінювачів.

Часова та просторова когерентність оптичного випромінювання лазера дозволяє зформувати пучок з мінімальною розбіжністю, яка практично визначається дифракційною межею:

, (3.5)

де λ – довжина хвилі, – діаметр вихідної зіниці передавального блоку, θ₀ – кут розбіжності випромінювання, або просто розбіжність.

З 3.5 випливає, що розбіжність у випадку використання лазера складає величину близьку до кутової секунди і менше. Разом з тим при досить довгих оптичних трасах збільшення перерізу пучка може бути відносно великим.

Фізична модель лазерної системи зв’язку може бути представлена у вигляді:

Модульований лазерний пучок колімується оптичною антеною передавача. Оптичний сигнал поступаючи на вхідну антену приймального блоку, фокусується на вхідному торці приймача, де відбувається перетворення оптичного сигналу в електричний. Електричний сигнал поступає на декодер і перетворюється на вихідний сигнал приймача.

Оскільки в FSO-системі відсутній влив дисперсії, то успішна роботи системи залежить від балансу між переданою та прийнятою енергією.

Такий зв’язок між переданою і прийнятою енергією сигналу будемо називати рівнянням дальності дії системи зв’язку, або просто рівнянням системи зв’язку.