2570

автоматической телефонной станции (АТС), которая также имеет все данные об абонентах в своем Опорном банке данных (ОБД).

После того, как опознанный абонент вышел на АТС, он имеет возможность подключиться к любому другому абоненту.

Обычно сотовая связь используется для передачи данных, но промежутков между передачей данных вполне достаточно для осуществления практически бесперебойной телефонной связи.

В заключении следует отметить, что в сотовых системах связи весьма эффективно используется выделенный частотный диапазон за счет повторения одних и тех же рабочих частот в различных ячейках радиостанций. Еще большему уплотнению отведенного диапазона мешают внутрисистемные помехи от ячеек с повторяющимися частотами, а также межканальные помехи. Критерием здесь служит допустимая величина защитного интервала между каналами.

Для ослабления взаимных и межканальных помех в сотовых системах связи стали применять разнесенный прием и соответствующую пространственную ориентацию антенны смежных каналов. Принятые меры позволяют повысить отношения сигнал/помеха и улучшить качество связи. Дополнительно подавить помеху можно также путем увеличения индекса частотной модуляции, но здесь нужно знать меру, так как этот метод ведет к расширению спектра частот передаваемого сигнала.

Сотовые системы подвижной связи является весьма перспективными, вот почему в России и многих других странах мира осуществляется интенсивное внедрение этих систем во все сферы деятельности общества.

51

6.СИСТЕМЫ СВЯЗИ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА

6.1.Особенности оптической связи

Возможность осуществления связи в оптическом диапазоне была показана еще в 1952 году отечественным учеными Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым, а также американским ученым Таунсом. Ими был открыт новый вид индукционного излучения в

1000 мкм), что существенно превышает всю частотную емкость уже освоенного в настоящее время радиодиапазона.

Для волн оптического диапазона характерны специфические особенности:

-хорошая способность фокусироваться в узкий луч, что

позволяет получить большой коэффициент усиления антенны при

еенезначительных размерах;

-возможность использования в качестве передающих и приемных антенн объективов, зеркал и т.п.;

-зависимость их поглощения от метеоусловий.

оптического диапазона. Так, например, в системах СВЧ, работающих на волне 3 см, для получения наибольшего выигрыша необходима антенна с диаметром 300 см, что позволяет получить угол расходимости лучей СВЧ 10 2 рад или примерно 0,60.

В системах же оптического диапазона при длине волны 0,1 мкм потребуется диаметр антенны 10 см. При этом угол расходимости

антенн можно получить выигрыш в мощности передатчика, равный

52

устойчивость связи. Потери сигнала происходят даже в атмосфере. Величина потерь зависит не только от состава атмосферы, но и от длины волны. Взвешенные частицы рассеивают, а водяные пары поглощают энергию сигнала.

Таким образом, атмосфера является избирательной средой и для повышения надежности связи необходимо знать зависимость коэффициента ее прозрачности от длины рабочей волны.

На рис. 6.1 приведен график зависимости коэффициента прозрачности атмосферы при изменении длины волны от 0,5 до 14 мкм. Полосы поглощения объясняются потерями энергии волны в парах воды и различных газах.

Рис. 6.1

Для реализации связи в оптическом диапазоне необходимо выбирать рабочие частоты в интервалах «окон» прозрачности. В

53

Р fh f ,

Ш

где f– частота излучения; h – постоянная Планка.

Из выражения (6.1) следует, что мощность шумов от источника

порожденные светом Солнца, Луны, звезд, свечением неба и облаков и т.д. Шумы от внешних источников называются фоновыми шумами. Они имеют очень широкую полосу частот. Уменьшить фоновые шумы можно путем применения узкополосных фильтров и узконаправленных приемных антенн в виде телескопов с малым углом зрения.

Таким образом, в передаваемом оптическом сигнале всегда присутствуют квантовые шумы лазера и фоновые шумы. На приемном конце к этим шумам добавляются шумы фотоприемных

которой понимается минимальная мощность излучения, создающего на нагрузке приемника сигнал, равный напряжению шумов. Это обстоятельство предъявляет определенные требования к выбору фотодетекторов при разработке конкретных систем связи в оптическом диапазоне.

6.2. Система оптической связи

Принцип построения систем связи оптического диапазона и систем радиосвязи в целом аналогичен. Функции передатчика в системе оптической связи выполняют генератор оптического диапазона (лазер), генератор накачки (ГН) и модулятор (МОД). Излучатель на передающем конце и коллектор на приемном выполняют роли передающей и приемной антенн.

55

Функции приемного устройства в системе оптической связи выполняют светофильтр (Ф), фотоприемник (фотодетектор) и приемник СВЧ.

Для совмещения оптических осей излучателя и коллектора применяется специальное устройство нацеливания на передающей и приемной стороне.

Передающее устройство В качестве генераторов оптического диапазона могут приме-

няться газовые, жидкостные, твердотельные или полупроводниковые лазеры.

У газовых лазеров активным веществом могут служить газы типа аргон, цезий, криптон, ксенон или смеси типа неон-кислород, гелий-неон и др. Диапазон рабочих волн у таких лазеров в среднем от 0,3 до 10 мкм, а излучаемая мощность составляет от единиц до сотен ватт.

Активными веществами в жидкостных лазерах являются нитробензол, ортонитротолуол и жидкости с примесью самария, гадолиния и др. Эти лазеры позволяют получить значительную мощность излучения, но работают в диапазоне волн от 0,51 до 0,58 мкм.

Рис. 6.2

В твердотельных лазерах активным веществом обычно служит рубин, вольфромат кальция, интрий-алюминиевый гранат и специальные стекла, активированные примесью редкоземельных элементов. Они могут работать на волнах от 0,53 до 1,06мкм главным образом в импульсных режимах. Длительность импульсов излучения

56

— от 2·10-5 до 0,5 мс при частоте следования от 0,015 до 100 Гц. При этом в импульсном режиме можно получить мощность излучения от 25 мВт до 100 кВт. В непрерывном режиме максимальная мощность излучения не превышает 0,1 Вт.

У полупроводниковых лазеров активной средой может служить арсенид галлия, арсенид индия и ряд других полупроводниковых материалов. Они позволяют работать на волнах от 0,8 до 0,91мкм.На практике полупроводниковые лазеры в основном применяются для работы в импульсном режиме. Длительность импульсов излучения — от 0,07 до 3 мкс при частоте их следования от сотен герц до десяти килогерц. Мощность излучения в импульсном режиме — от 1 до 10 Вт.

Генераторы, которые предназначены для возбуждения лазеров, могут быть либо оптической, либо электрической накачки. По режиму работы генераторы накачки делятся на импульсные и непрерывные.

Схема модулятора определяется видом модуляции и способом ее осуществления, а также типом лазера.

Для исключения флуктуации амплитуды сигнала, прошедшего через неоднородности атмосферы, в системах оптической связи может применяться частотная модуляция световой несущей и амплитудная модуляция поднесущей. В этом случае модулятор представляет собой генератор сверхвысоких частот, колебания которого промодулированы по амплитуде передаваемым сигналом.

При работе в импульсном режиме чаще всего применяется непосредственная импульсная модуляция световой несущей в сочетании с импульсно-кодовой или другой импульсной модуляции поднесущей.

Интересно отметить, что малоэффективная внутренняя модуляция в непрерывных режимах дает значительный эффект в импульсных режимах, поскольку излучение здесь осуществляется лишь во время действия импульса.

В целом применение в системах оптической связи импульсных видов модуляции дает ряд преимуществ по сравнению с непрерывными видами модуляции. Эти преимущества состоят в

57

повышении глубины модуляции, в снижении требований к линейности модуляционной характеристики, в уменьшении фоновых помех, в уменьшении влияния неоднородностей атмосферы, а также в уменьшении искажений сигналов при детектировании.

Приемное устройство

Всистемах оптической связи приемник может быть либо прямого усиления, либо супергетеродинного типа. Независимо от вида приемника главным его элементом является фотодетектор, тип которого выбирается исходя из длины волны излучения, вида модуляции, полосы модулирующих частот и т. д.

Детектирование сигналов в приемниках прямого усиления и в приемниках супергетеродинного типа имеет некоторое отличие.

Вприемниках прямого усиления обычно применяются фотоэлектронные умножители, фотоэлементы и полупроводниковые фотодиоды. Для повышения чувствительности приемника перед фотодетектором устанавливается квантовый усилитель и полосовой оптический фильтр.

Схема приемника прямого фотодетектирования сигналов, модулированных по интенсивности. Принятое оптическое колебание для ослабления фонового излучения проходит через полосовой оптический фильтр (ПОФ) и поступает на фотодетектор (ФД). Выделенный на выходе ФД информационный (модулирующий) сигнал через электрический фильтр (ЭФ) подается на радиоприемное устройство. В случае приема сигналов с другой модуляцией на входе приемника перед ПОФ должен быть установлен преобразователь параметра модуляции.

Вприемниках супергетеродинного типа легче получить большее усиление при преобразованиях сигнала, уменьшить фоновые шумы и осуществить частотную селекцию даже без применения оптического фильтра. В супергетеродинных приемниках на выходе смесителя сигнал разностной частоты должен превышать мощность теплового шума. Для этого мощность сигнала гетеродина должна быть достаточной величины, а сам гетеродин должен генерировать

58

монохроматические колебания, синфазные с принимаемым сигналом по всей поверхности фотоэлемента.

Рис. 6.3

Угол падения потоков фотонов сигнала колебаний гетеродина на фотокатод не должен быть более, чем 10-6-10-5 рад. Это можно достичь лишь путем предъявления высоких требований к изготовлению линз или параболических отражателей.

На рис.6.4 показана схема супергетеродинного фотоприемника. Сигнал с ПОФ подается на расщепительное зеркало (РЗ), на которое поступает сигнал от местного оптического квантового генератора (МОКГ).

Рис. 6.4

Посредством РЗ эти лучи подаются на поверхность фотодетектора (ФД). Выходной ток ФД будет пропорционален квадрату суммы электрических полей сигнала и сигнала МОКГ. Разностные колебания на ФД выделяются электрическим фильтром (ЭФ), в результате чего на его выходе будет получен исходный модулирующий сигнал. Далее этот сигнал следует на радиоприемник, где осуществляется его демодуляция. В приемниках супергетеродинного типа применяется автоподстройка МОКГ и они могут использоваться для приема оптических колебаний, модулированных по любому параметру.

59