Синхронизация и фазирование в системах передачи информа­ции с врк.

Синхронизация и фазирование необходимы при пере­даче информации последовательностью дискретных элементов определенной длины, где требуется синхронизация отсчетов вре­мени в передающем и приемном устройствах, а также четкое определение места каждого элемента в сообщении.

Примером системы, требующей синхронизации и фазирования, является многоканальная система передачи информации с ВРК, где непрерывные сообщения дискретизируются и передаются по каналам, разнесенным во времени. Для правильного приема и вос­становления переданного сообщения на приемной стороне необхо­дима строгая синхронизация распределителей передачи и приема, а также полное соответствие их фазового состояния.

При передаче дискретных значений непрерывного сообщения сигналы, передаваемые в линию связи, представляют собой по­следовательности элементов определенной длительности. Отсче­ты времени в системах синхронизации принято называть тактами, а синхронизацию отсчетов времени — тактовой синхронизацией. Из синхронной последовательности отсчетов времени формируются импульсы опроса решающего устройства (устройства регистрации элементов). Последовательность отсчетов времени, как правило, задается генератором тактовых импульсов, устанавливаемым либо только на передающей стороне, либо на передающей и приемной сторонах. В первом случае тактовая частота передается на при­емную сторону по специально выделенному синхроканалу; во втором — по синхроканалу передаются лишь отдельные синхроим­пульсы для подстройки ГТИ приемника.

Лекция 24

12.3. Лазерная связь (начало)

Мазерные и лазерные линии связи. Практическое освоение радиоволн оптического диапазона для целей связи стало возмож­ным с появлением принципиально новых источников когерентных электромагнитных колебаний — квантовых генераторов. Принцип действия квантовых генераторов заключается в том, что в них в отличие от генераторов СВЧ микроволнового диапазона радиоволн, построенных на основе объемных резонаторов, генерируются электромагнитные колебания, поглощаемые и испускаемые части­цами определенного вещества, называемого рабочим телом. В за­висимости от частоты излучение порождается при изменении структуры молекул (инфракрасный диапазон) или атомов (види­мый и ультрафиолетовый диапазон). При определенных, искусст­венно созданных условиях, когда поглощение и излучение электро­магнитных колебаний отдельными частицами вещества происходит упорядоченно, квантовые системы работают в режиме вынужден­ного или индуцированного излучения, предсказанного теоретиче­ски А. Эйнштейном.

Квантовые усилители и генераторы электромагнитных колеба­ний микроволнового диапазона (частота меньше 3^.10¹¹ Гц) получили название мазеров. Слово «мазер» происходит от первых букв английских слов «Мicrowave amplification by stimulated emissior of radiation», что означает «усиление микроволн с помощью вы­нужденного излучения». Квантовые усилители и генераторы опти­ческого диапазона называются лазерами. Термин «лазер» образо­вался в результате замены буквы «М» в слове мазер на букву «Л» (от английского слова «light» — свет).

К началу 80-х годов было разработано большое количество различных мазеров и лазеров, генерирующих или усиливающих излучение с длинами волн от миллиметрового диапазона до ультра­фиолета. Однако из-за несовершенства характеристик (малого срока службы, нестабильности, малой мощности, высокой стоимости и др.) большинство из них не используется в системах связи. Практически применяемые в системах связи газовые, твердотель­ные и полупроводниковые лазеры генерируют излучение в узкой области частот и не перестраиваются, поэтому с их помощью может быть использована лишь незначительная часть оптического диапазона.

В отличие от всех существующих ранее источников света излу­чение лазера характеризуется весьма высокой степенью упорядо­ченности светового поля (высокой степенью когерентности). Это делает лазер похожим на своеобразную «оптическую радиостан­цию».

Высокие когерентные свойства позволяют применять излучение лазеров наиболее просто и эффективно для целей связи, например в космосе.

Применение лазеров для связи в атмосфере и под водой не­сколько сложнее, поскольку для этого требуются широкомасштаб­ные исследования среды распространения в зависимости от погод­ных условий района связи. Однако опыт эксплуатации эксперимен­тальных систем в СССР и за рубежом также подтвердили перспективность создания лазерных систем для связи в атмосфере и под водой.

Лазерные системы связи пригодны как для передачи обычных сигналов — телеграфных, телефонных и телевизионных, так и для передачи сигналов телеметрии с различными скоростями и данных.

Обобщенная функциональная схема односторонней лазерной системы связи показана на рис. 8.1. Излучение лазера Л модули­руется оптическим модулятором ОМ в соответствии с сигналами, поступающими от источника информации ИИ. С помощью пере­дающей ПА и приемной ПРА оптических систем это излучение поступает на оптический приемник ОП, где преобразуется в элект­рический сигнал. После выделения в демодуляторе ДМ информа­ция поступает в оконечное устройство ОУ для выдачи потребите­лю. Системы нацеливания СН1 и СН2 служат для совмещения оптических осей приемной и передающей оптических систем. Пункты передачи и приема разделены средой (космос, атмосфера, вода), в которой распространяется лазерное излучение.

Очевидно, что наиболее полно преимущества лазерных линий связи проявляются в космических системах связи, причем, чем больше протяженность линии связи, тем больше проявляются эти преимущества. Например, при использовании обычных систем связи радиодиапазона на космических аппаратах при первых по­летах в сторону Марса, Венеры и других планет солнечной систе­мы скорость передачи информации составляла всего несколько двоичных единиц в секунду.

Лазерная система связи, пригодная для передачи информации в район планеты Нептун, со скоростью 10⁴ бит/с при диаметре передающей и приемной антенн 0,1 и 16 м, соответственно, при длительности импульсов 1 не и частоте следования 500 Гц должна обеспечивать среднюю мощность излучения всего 0,6 Вт. Расчеты показывают, что излучение лазера в виде импульсов с энергией 10⁴ Дж и длительностью 1 не при расхождении 10^-6 рад может быть зарегистрировано на Земле на расстоянии около 10 световых лет.

Основная трудность создания лазерных систем, особенно даль­ней связи,— совмещение луча с приемной антенной и удержание его во время сеанса связи. Типовые оптические антенны способны формировать луч, угловая расходимость которого составляет доли угловой секунды. Если такой луч направляется на удаленное приемное устройство, то требуемая точность, с которой луч должен нацеливаться, составляет приблизительно половину угловой ши­рины луча. Допустим, что передатчик, расположенный на синхрон­ном искусственном спутнике Земли, высота орбиты которого составляет 35 200 км, излучает в направлении Земли. При точности нацеливания 50 мкрад на этом расстоянии размер сечения зоны неопределенности положения оси луча на земле составит (50 X 10^-6) X (35 200) ~ 1,6 км, т. е. луч передатчика достигает Земли в пределах окружности 1,6 км в диаметре. Антенны радиодиапа­зона обычно имеют ширину диаграммы направленности около 10° и при указанном расстоянии до ИСЗ «накрывают» на Земле ок­ружность диаметром около 6400 км.

Применение лазерных наземных линий связи через атмосферу считается весьма перспективным, несмотря на селективное затуха­ние оптического излучения в атмосфере.

На рис. 8.2. показана упрощенная зависимость коэффициента пропускания атмосферы К от длины волны излучения. Уменьше­ние коэффициента пропускания в диапазоне ниже 2 мкм объясняет­ся в основном влиянием рассеяния. Резкие изменения коэффициен­та пропускания (провалы) объясняются селективным характером поглощения на инфракрасных частотах. В рассматриваемом диа­пазоне длин волн имеется восемь областей относительно высоких значений коэффициента пропускания. Эти области называются атмосферными окнами прозрачности. Как видно из рисунка, с уве­личением длины волны (т. е. при переходе в инфракрасный диа­пазон) прозрачность атмосферы возрастает и оказывается макси­мальной на длине волны 10,6 мкм для лазера на углекислом газе.

Оптический диапазонспектра составляют электромагнитные колебания, длина волн которых лежит в пределах от 1 м до 1 нм^*. Внутри оптического диапазона выделяютвидимое( λ =0,38...0,78 мкм),инфракрасное(λ=0,78...1000 мкм) иультрафиолетовое(λ=0,001...0,38 мкм) излучения (рис. В.1).

Световые волны- электромагнитные волны оптического диапазона.

Монохроматическое излучение- оптическое излучение, характеризующееся какой-либо одной частотой (одной длиной волны) световых колебаний.

Квантовый усилитель- усилитель электромагнитных волн, основанный на использовании вынужденного излучения.

Квантовый генератор- источник когерентного излучения, основанный на использовании вынужденного излучения.

Лазер^* (оптический квантовый генератор)- квантовый генератор (усилитель) оптического излучения.

Мазер- квантовый генератор (усилитель) электромагнитного излучения радиодиапазона.

Вынужденное излучение- когерентное электромагнитное излучение, возникающее в результате вынужденного испускания.

Вынужденное испускание- когерентное испускание фотона при квантовом переходе системы в результате взаимодействия с внешним электромагнитным полем.

Когерентность- согласованное протекание во времени и в пространстве колебательных или волновых процессов. Электромагнитная волна называется когерентной, если её амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация постоянны или изменяются по определенному закону (упорядочению).

В качестве основных свойств лазерных систем связи, на основе которых обеспечивается весьма существенное повышение безопасности и надежности информационного обмена, можно выделить:

• практически абсолютную защищенность канала от несанкционированного доступа и, как следствие, высокий уровень помехоустойчивости и помехозащищенности, за счет возможности концентрации всей энергии сигнала в углах от долей угловых минут (в лазерных космических системах связи) до десятков градусов (полнодоступные системы связи в помещениях);

• высокие информационные емкости каналов (до десятков Гбит/с), что обеспечивает возможность устойчивого криптографирования с высоким уровнем избыточности;

• отсутствие ярко выраженных демаскирующих признаков (в основном побочных электромагнитных излучений) и возможность дополнительной маскировки, позволяющей скрыть не только передаваемую информацию, но и сам факт информационного обмена.

Кроме того, многие специалисты отмечают биологическую безопасность этих систем, так как средняя плотность мощности излучения в лазерных системах различного назначения примерно в 10 ³ - 10 ⁶раз меньше облученности, создаваемой Солнцем, а также простоту принципов их построения и функционирования, относительно малую стоимость по сравнению с традиционными средствами передачи информации аналогичного назначения.

Одним из основных факторов, определяющих возможность применения этих линий является устойчивость работы при воздействии помех различного происхождения как естественного, так и искусственного, в частности, туманов, дымов, смога и других аналогичных явлений. Теоретически оценить воздействие таких помех на эффективность работы линии в конкретных условиях (природно-климатической зоне) крайне затруднительно из-за большой степени неопределенности исходных данных. Такие результаты получаются, главным образом, экспериментально.

Теоретически дальность связи определяется простым соотношением

где P_t и P_r - мощность лазерного излучателя и пороговая мощность фотоприемного устройства, S_r - площадь апертуры фотоприемного устройства, a - угол расходимости лазерного излучения t - суммарный коэффициент потерь лазерного излучения за счет поглощения и рассеяния в атмосфере, оптических системах и других элементах канала.

Анализ полученных в ходе проведения экспериментальных работ данных, а также других результатов опытной эксплуатации показал, что на расстоянии до 2 - 3 км влияние естественных помех практически не ощущается, то есть линия функционирует при любых погодных условиях. Увеличение дальности связи приводит к возрастанию уровня помех и на дальности 10 км общее время неблагоприятных для связи условий составляло 1.5 - 2 % от общего времени работы.

Среди воздействующих факторов по интенсивности воздействия при дальности связи 10.2 км можно выделить:

• снегопад - (более 50 % ошибок);

• туман - (около 30 % ошибок);

• смог, дым труб и т.п. - (примерно 20 % ошибок).

При этом необходимо отметить, что, как показал анализ типовых условий применения таких линий в городских условиях,  дальность связи, в основном, лежит в диапазоне от 1 - 2 до 4 - 5 км. При таких дальностях связи можно ожидать уменьшение времени неблагоприятных для связи погодных условий до 0.01 - 0.001 % от общего времени работы. Необходимо также отметить, что не во всех случаях неблагоприятных для связи условий происходит полная потеря связи, в ряде случаев наблюдается лишь уменьшение скорости информационного обмена за счет повторной передачи информации.

Также необходимо отметить, что применение лазерных средств для организации информационного обмена снимает один из наиболее сложных вопросов, характерных для систем связи радиодиапазона - необходимость согласования и получения разрешения на их эксплуатацию в органах Государственного контроля и надзора за электросвязью. Это обусловлено тем, что, во-первых, частота излучения лазерных систем связи выходит за пределы диапазона, в котором необходимо согласование (в России), во-вторых, из-за отсутствия практических возможностей их обнаружения и идентификации как средств информационного обмена.