книги / Основы построения телекоммуникационных систем и сетей

уменьшения хроматической дисперсии и использовании спек­ трально-чистых лазерных диодов получаемая полоса пропускания одномодового волокна составляет величину порядка 120 ГГц/км.

3.4.3. Межспутниковые лазерные линии связи

При скоростях передачи информации порядка нескольких со­ тен мегабит в секунду лазерные терминалы, устанавливаемые на космических аппаратах, имеют меньшую массу и энергопотребле­ ние по сравнению с терминалами радиодиапазона (23 -60 ГГц).

М ощность сигнала на выходе приемной оптической антенны, поступающая на фотодетектор, определяется, как и в случае ра­ диодиапазона, выражением для свободного пространства:

D _ W n p

где г - расстояние между передатчиком и приемником; Р„ - опти­ ческая мощность сигнала, подводимая к передающей антенне; G„ — коэффициент усиления передающей антенны; 5пр — эффективная площадь приемной антенны.

Коэффициент усиления передающей оптической антенны очень велик. При высоком качестве оптической антенны, когда расходимость луча определяется дифракционным пределом, ко­ эффициент усиления передающей антенны определяется, как и для радиодиапазона, выражением G„= kHnn2(d/X)2. При круглой аперту­ ре диаметром d = 10 см и X = 1 мкм получим G„« 107 дБ и ширину диаграммы направленности в радианах 0орад * XId = 10 мкрад.

Обычно передающую антенну характеризуют расходимостью луча (шириной диаграммы направленности 0орад), которую выби­ рают исходя из решения задачи взаимного наведения передающей и приемной антенн. Используя известную зависимость между ши­ риной диаграммы направленности и коэффициентом усиления ан­ тенны, можно записать

Gn « 20 lg (л/0Орад), дБ.

Ш ирина диаграммы направленности или угол зрения прием­ ной оптической антенны определяется размером фоточувствительной площадки фотодетектора, помещаемого в фокусе прием­ ной антенны. Чем больше размер фотодетектора, тем больше угол зрения оптической антенны.

При организации связи между двумя космическими аппарата­ ми одной из сложных задач, которую необходимо решить, являет­ ся взаимное наведение приемной и передающей антенн лазерной линии связи. Если принять, что положение КА на орбите известно с погрешностью порядка 0,1°, т.е. порядка 1,7 мрад, то эта зона не-

Рис. 3.47. Взаимное положение космических аппаратов при лазерной связи

определенности во много раз превышает ширину передающего луча терминала (10-40 мкрад), поэтому лазерные терминалы дол­ жны содержать лазерные маяки с широкими лучами для наведения приемных антенн на КА, а затем и передающих антенн.

Пусть мы имеем низкоорбитальный KAi и геостационарный КАо, которые имеют тангенциальные скорости соответственно V! и v2 по отношению к линии, соединяющей два КА. Пусть условно КА2 неподвижен, a KAj движется со скоростью Vi - v2, как показа­ но на рис. 3.47, а.

Если KAi излучил импульс сигнала, когда он находился в точ­ ке 1, то приемная антенна КА2 должна быть нацелена в точку 1. Пусть импульс сигнала достиг КА2, когда KAi находился в точке 2. КА2 в этот момент времени должен для передачи сигналов на КА| нацелить передающую антенну в упрежденную точку 3. Угол уп­ реждения ф из рис. 3.47, а будет равен ф = 2(vj - v2)/c, где с - ско­ рость света. Согласно рис. 3.47, б, скорости vj и v2 могут иметь как одинаковые, так и противоположные знаки.

Полагая v, = 8 км/с и v2= 3 км/с, получаем при v, и v2 разных знаков ф « 70 мкрад и при Vi и v2 одного знака ф = 33 мкрад. Таким образом, изменения угла ф от пика до пика составят 103 мкрад, что должно учитываться в антенной конструкции лазерного космиче­ ского терминала.

3.4.4. Атмосферные оптические линии связи

Атмосферные оптические линии связи находят применение для решения следующих основных задач:

О слабление оптического си гн ала в аэрозолях. Аэрозоли, под которыми понимают мелкие частицы, в первую очередь твер­ дые частицы, такие как пыль, сажа, всегда присутствуют в атмо­ сфере. Размеры этих частиц и их концентрация меняются в широ­ ких пределах. Размеры частиц также зависят от относительной влажности воздуха. Все это позволяет оценивать ослабление сиг­ нала в аэрозолях весьма приблизительно. На рис. 3.50 приведены оценочные характеристики погонного ослабления оптического сигнала в зависимости от длины волны для ясной атмосферы для горизонтальной трассы на высоте 100 м от уровня моря при отно­ сительной влажности 80%. Переменным параметром кривых явля­ ется S - метеорологическая дальность видимости на длине волны около 0,6 мкм, выражаемая в километрах. Максимальное ослабле­ ние сигнала наблюдается над морской поверхностью и обусловле­ но водяной пылью.

О слабление оптического си гн ала в облаках и тум ане. По­ гонное ослабление сигнала в тумане в зависимости от длины вол­ ны и метеорологической дальности видимости показано на рис. 3.51.

Ослабление оптического сигнала в облаках мало зависит от длины волны, но весьма велико. Погонное ослабление оптичес­ кого сигнала меняется от 0,1 дБ/м для легких кучевых облаков до 0,5 дБ/м для дождевых облаков [17].

О слабление оптического си гн ала в дожде. Ослабление сиг­ нала в дожде не зависит от длины волны, поскольку размеры ка­ пель дождя намного больше длины волны оптического сигнала. На рис. 3.52 представлена теоретическая кривая погонного ослабле­ ния оптического сигнала для видимого и инфракрасного ди­ апазонов длин волн для сферической модели капель дождя в зави­

Анализ ослабления оптических сигналов в атмосфере показы­ вает, что определенные преимущества для атмосферных оптиче­ ских линий связи имеет диапазон длин волн в окне прозрачности от 8 до 13 мкм. Однако решающую роль в выборе диапазона частот в космических и атмосферных линиях связи играет наличие соот­ ветствующей элементной базы и в первую очередь наличие лазе­ ров с высоким КПД, большим сроком службы и необходимой мощностью излучения. На сегодня построение космических и ат­ мосферных линий связи возможно в следующих основных участ­

Земли, что вызывает нагрев нижних слоев воздуха атмосферы, ко­ торый поднимается вверх и турбулентно смешивается с окружаю­ щим более холодным воздухом. Таким образом, температура воз­ духа в атмосфере меняется случайным образом от точки к точке. Поскольку коэффициент преломления воздуха зависит от темпера­ туры, то в результате турбулентных процессов атмосфера будет представлять собой совокупность неоднородностей со случайными значениями коэффициента преломления. Оптический сигнал, про­ ходя эти неоднородности со случайными значениями коэффици­ ента преломления, будет испытывать флюктуации амплитуды и фазы.

Поле коэффициентов преломления атмосферы есть случайное поле пространственных случайных переменных. Обобщением ста­ ционарности случайного процесса является понятие изотропного случайного поля. Случайное поле является изотропным, если кор­ реляционная функция между двумя точками пространства, нахо­ дящимися на векторном расстоянии друг от друга F = 7 j- F 2, зави­ сит только от модуля этого расстояния между двумя точками | F |.

Поле коэффициента преломления есть функция высоты атмо­ сферы, является нестационарным полем со стационарными при­ ращениями и называется локально-изотропным полем. Для этого случайного поля/(F ) среднее значение и корреляционная функция приращенияД 7 2) - flfi) есть функция только | F |.

Введем понятие структурной функции. Пусть fit) —нестацио­ нарная случайная функция времени со средним значением /( /) .

Рассмотрим разность

F fit)= fit + T ) - f i о

для некоторого интервала времени Т. Если Т не слишком велико, может оказаться, что функция Fr(t) будет стационарной. В этом случае fit) называется случайной функцией со стационарными

где горизонтальная черта, как и ранее, означает операцию усред­

Структурная функция есть основная характеристика случай­ ного процесса со стационарными приращениями. Для стационар­ ного процесса с нулевым средним структурная функция равна

О Д = [ / ( О Д - / ( 0 ] 2 = [ / ( О Д ] 2+ [ д о ? - 2 Д О Д Д 0 =

=2[ЛГ(0) -ЛГ(т)],

где К(т) = f(t + 'c)f(i) ~ корреляционная функция стационарного

процесса fit); [ /(/)]2= [ /( / + т)]2= К(0) — дисперсия случайного процесса. Так как ЛТ(<ю) = 0, то D(0 0 ) = 2К(0). Отсюда

^(x)=I[Z)(co)-Z>(x)].

2

Для локально-изотропного поля коэффициента преломления атмосферы структурная функция подчиняется закону двух третей Колмогорова-Обухова:

A ,(r) = Cl,г213, /0« г « А ,

где г - расстояние между двумя точками; /0 - наименьший мас­ штаб (размер) неоднородностей коэффициента преломления; А — наибольший масштаб (размер) неоднородностей коэффициента преломления; С„ —структурная константа коэффициента прелом­ ления, определяющая силу (величину) атмосферной турбулентно­ сти. /0 и А имеют типовые значения 3 мм и Ю м соответственно.

Величина С;, обычно характеризуется тремя величинами: для сла­

Ф лю ктуации ам п ли туды оптического сигнала. При прохо­ ждении оптического сигнала от передатчика к точечному прием­ нику могут возникать отраженные лучи от неоднородностей ди­ электрической проницаемости атмосферы. Однако эксперимен­ тальные данные показывают, что запаздывание отраженных лучей не превышает 0,01 пс и флюктуации амплитуды принимаемого сигнала определяются флюктуациями прямого луча. Таким обра­ зом, влиянием многолучевого распространения оптических сигна­ лов на характеристики принимаемого сигнала можно пренебречь.

Неоднородности диэлектрической проницаемости (или коэф­ фициента преломления) атмосферы, через которые проходит луч света, можно рассматривать как слабые собирающие или рассеи­ вающие линзы, которые приводят к изменению амплитуды сигна­ ла на входе оптической антенны приемника. Перемещения этих неоднородностей под действием ветра поперек трассы распро­ странения сигнала приводят к флюктуациям амплитуды сигнала в приемнике во времени.

Наибольшие фокусирующее и дефокусирующее воздействия на луч сигнала оказывают линзы с наибольшей кривизной, т.е. не­ однородности наименьших размеров порядка /0 — внутреннего масштаба турбулентности. С другой стороны, линза с апертурой /0 вызывает дифракционную расходимость луча, равную 7Jl0 радиан. Если на некотором расстоянии L от линзы ширина расходящегося пучка света (XIIQ)L много больше /0, то эффект фокусировки и де­ фокусировки света линзами мало влияет на ширину пучка, по­ скольку эта ширина пучка определяется его дифракционной рас­ ходимостью. Вследствие этого при увеличении L до величины, при которой (Х/10)Ь у?>1о или ЯХ »/о, фокусирующее действие линз про­ падает и наступает насыщение амплитуды флюктуаций сигнала, что и наблюдается на практике.

Разобьем трассу распространения оптического сигнала на участки, каждый из которых включает одну неоднородность ко­ эффициента преломления. Коэффициент передачи такого участка (линзы) обозначим через А',. Коэффициент передачи всей трассы

распространения можно записать как к = П^/> поскольку коэф-

/

фициент передачи к: определяет не только коэффициент передачи своего участка, но и всех последующих участков, примыкающих к приемнику; i = 1, 2, 3, - нумерация начинается от последнего участка, примыкающего к приемнику. Логарифм коэффициента