3.7. Втрати і завади в атмосферному каналі зв’язку

3.7.1. Вібраційні завади

Розглянемо наслідки, до яких приводять так звані механічні ефекти. Будівлям, особливо високим, властиво «дихати» на протязі доби. Це проявляється (див. рис. 3.6) у відхиленні будівлі від середнього положення та кутові відхилення в поперечній площині (кручення). Іноді відхилення споруди від вертикалі під впливом, наприклад вітру, може досягати десятків сантиметрів і навіть метрів. Для прикладу, амплітуда відхилення Ейфелевої вежі складає величину близьку до 10 м.

Рис. 3.6

Відповідно кут на який змінюється напрямок розповсюдження оптичного сигналу близький до 0.01 рад. Приблизно таку саму величину має кут кручення . Як наслідок, лінійне зміщення пучка на відстані близький до 1 км складає величину порядку 10 м. Насправді ця величина трохи менша, але достатня, для того щоб пучок потрапив за межі приймального отвору приймальної антени.

Отже вібраційні завади суттєво знижують величину дистанції зв’язку.

Проте «тактова» частота вібрацій значно менша тактової частоти сигналу. Цей факт, при дуплексному зв’язку дозволяє застосовувати, так звані адаптивні технології, передаючи поруч з основним сигналом дані про орієнтацію передавального і приймального блоків, що дає можливість своєчасно вводити кутову корекцію блоків.

Для динамічного наведення пучків і мінімізації втрат використовують різноманітні схеми. Найбільш оптимальні пристрої можуть містити два контури компенсацій кутових зміщень: один – для повільних змін другий – для відслідковування змін, дрібних і швидкісних (вібрацій, які викликані проїхавшим трамваєм або прошедшою поблизу людиною).

Згідно інформації фірми Canon, застосування таких систем дозволяє забезпечити надійний зв’язок навіть під час ураганних вітрових навантажень і польових бурь.

3.7.2. Вплив турбулентності на характеристики оптичного каналу

Насамперед, введемо поняття (дещо спекулятивно, та дуже не строго) масштабу турбулентності. Під масштабом турбулентності будемо розуміти поперечні розміри неоднорідності, яка утворюється в наслідок деякого фізичного збурення (температурного розподілу земля-повітря, вітер, тощо). При цьому будемо вважати, що в межах неоднорідності оптичні характеристики можна вважати сталими.

Розглянемо 3 випадки (див. Рис. 3.7):

• Масштаб турбулентності близький за розмірами з діаметром світлового пучка .

• Масштаб турбулентності значно перевищує діаметр світлового пучка .

• Масштаб турбулентності значно менше діаметра світлового пучка .

В першому випадку збурення атмосфери приводить до відповідного викривлення хвильового фронту (внесенню додаткових аберацій). Це в свою чергу приводить до:

• додаткового розширення світлового пучка, як наслідок погіршення енергетичних характеристик системи (частина світлового пучка не потрапляє до вхідного отвору оптичної приймальної антени)

• розширення плями розсіювання в площині фотоприймача. Додаткові енергетичні втрати (при відповідних розмірах площинки ФП) та зниження поля зору системи (зниження адаптованості системи до механічних завад.

Рис. 3.7

Проте, впливом турбулентностей такого типу в принципі можна нехтувати.

З літератури (Лаз. Навиг. Устройства) відоме співвідношення, яке описує збільшення розмірів пучка при проходженні через турбулентну атмосферу:

(3.14)

При довжині траси м 3 мм.

Збільшенням розмірів плями розсіяння в площині ФП також можна нехтувати. Дійсно, навіть розширена пляма має розміри в межах долів мм. Якщо поперечні розміри площинки ФП порядку 10 мм, то таке збільшення не преведе до значного погіршення характеристик системи.

Вплив другого типу турбулентності (див. Рис. 3.8).

Рис. 3.8.

Пучок світла, який утворює канал зв’язку проходе „комірки” простору, коефіцієнт заломлення яких змінюється випадковим чином. Природно, що кут також випадкова величина. Знак відхилення рівноімовірний. Середнє значення . Отже можна вважати, що відхилення пучка від початкового напрямку розповсюдження зумовлене проходженням пучка через останні метри траси.

З рисунку випливає, що:

. (3.15)

Оцінено величину .

З літератури (Лаз. Навиг. Устройства) відомо, що зміни показника заломлення, зумовлені вологістю повітря (значно більші ніж за рахунок турбулентності) не перевищують 0.5%. Нехай , що є також значною величиною. Тоді . На справді ця величина значно менша. Отже, якщо зсув пучка відбувається на останніх 10 м траси, то зміщення пучка не перевищує величини близької до 3 мм.

Отже впливом цього типу турбулентності також можна нехтувати. Це підтверджується літературними даними (Лаз. Навиг. Устройства) де наведена величина кутового зсуву ~ 8-15 кут.с.

Вплив третього типу турбулентності є найбільш серйозним. Фактично відбувається розсіяння (дифракція) пучка на достатньо малих за розміром неоднорідностях. В решті решт це приводить до утворення в площині вхідного отвору приймальної антени спекл-картини.

При цьому, ця картина змінюється в часі за рахунок пульсації атмосфери вібраційних завад, тощо. Це відповідно приводить до збільшення шумової компоненти. Не дивлячись на те, що максимум частотної характеристики пульсації атмосфери лежить в області декількох Гц, це не виключає можливості випадкових флуктуацій атмосфери на протязі досить малих інтервалів часу. Враховуючи значення коефіцієнта BER= , навіть „поодинокі” флуктуації можуть привести до зриву сеансу зв’язку.

Методи корекції помилок такого типу:

• Використання декількох випромінювачів

• Застосування завадостійких алгоритмів, з високим рівнем надлишковості.