Главная База знаний "Allbest" Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника Проектирование системы атмосферной оптической связи

Проектирование системы атмосферной оптической связи

Система атмосферной оптической связи, ее внутренняя структура и элементы, принцип работы и направления использования. Высокочастотное возбуждение активной среды. Выбор конструкции излучателя. Атмосферный канал связи, расчет данной оптической линии.

Рубрика	Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид	дипломная работа
Язык	русский
Дата добавления	25.01.2014
Размер файла	1,7 M

посмотреть текст работы

скачать работу можно здесь

полная информация о работе

весь список подобных работ

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

В таблице классифицированы способы модуляции лазерного излучения (аналоговый, импульсный и цифровой). В аналоговых модуляционных системах амплитуда, частота, фаза, интенсивность или поляризация колебания несущей частоты непрерывно изменяются в соответствии с аналоговым информационным сигналом M(t). В импульсных модуляционных системах длительность сигнала несущей или момент его появления изменяются в соответствии с передаваемой информацией. В большинстве импульсных модуляционных систем информационный сигнал квантуется по времени и сохраняется однозначное соответствие между отсчетами информационного сигнала и импульсами колебания несущей частоты. Если наивысшая частота информационного сигнала равна В₀_, то согласно теореме отсчетов сигнал M(t) может быть восстановлен по значениям отсчетов M(t_n), отстоящих во времени на интервал 1/2 В₀сек. На практике многие источники сигналов не имеют четкого ограничения по полосе, поэтому квантование по времени должно осуществляться, по возможности, на наивысшей частоте в целях уменьшения ошибок при восстановлении информационного сигнала. Амплитуды информационных отсчетов часто ограничены определенной группой уровней при квантовании по амплитуде, что позволяет эффективно использовать цифровые устройства памяти и обработки. Квантование по амплитуде требуется для всех цифровых видов модуляции. В цифровых модуляционных системах каждому квантованному отсчету сопоставляется дискретная группа символов или код. Обычно кодовый набор состоит из последовательности «единиц» и «нулей»; такое кодирование информации называется кодово-импульсной модуляцией (КИМ).

Классификация методов модуляции лазерного излучения

Тип модуляции	Аналоговая	Импульсная	Цифровая
Информационный сигнал	Непрерывный во времени	Непрерывный или дискретный во времени	Дискретный во времени
Параметр колебания несущей частоты амплитуда, интенсивность, частота, фаза или поляризация)	Непрерывный	Непрерывный или квантованный	Квантованный и кодированный
Пример	Модуляция по интенсивности	Импульсная модуляция по интенсивности	Кодово-импульсная модуляция по интенсивности

Рисунок графически иллюстрирует принципы классификации методов модуляции по интенсивности. В системе аналоговой модуляции по интенсивности (ИМ), интенсивность лазерного луча прямо пропорциональна непрерывно изменяющемуся во времени информационному сигналу. Квантованные во времени отсчёты информационного сигнала показаны на рисунок. Для квантованной импульсной модуляции по интенсивности (ИМИ) характерно то, что интенсивность несущей пропорциональна квантованному значению амплитуды информационного сигнала в течение фиксированного интервала времени. На рис в показана двоичная последовательность в виде кода, соответствующая квантованным отсчетам информационного сигнала. «Единицы» «и «нули» двоично-кодированного информационного сигнала соответствуют максимуму и минимуму интенсивности колебания несущей частоты.

а) аналоговая модуляция по интенсивности (МИ);

б) импульсная модуляция по интенсивности (ИМИ);

в) цифровая модуляция по интенсивности (КИМ-МИ)

Методы модуляции оптического излучения по интенсивности

Рассмотрим методы модуляции излучения в общем виде.

Аналоговые методы. При аналоговой амплитудной модуляции (AM) амплитуда электрического поля оптической несущей пропорциональна амплитуде информационного сигнала. Аналоговая частотная модуляция (ЧМ) характеризуется тем, что мгновенная частота колебания пропорциональна амплитуде информационного сигнала. При аналоговой фазовой модуляции (ФМ) текущая фаза оптического колебания пропорциональна амплитуде информационного сигнала. Аналоговая модуляция по интенсивности (МИ) характеризуется тем, что интенсивность колебания несущей частоты пропорциональна амплитуде информационного сигнала. Аналоговая поляризационная модуляция (ПМ) может быть двух типов: линейная и круговая (циркулярная). При линейной ПМ угол вектора поляризации линейно-поляризованного колебания по отношению к опорному направлению пропорционален амплитуде информационного сигнала; при круговой ПМ отношение интенсивностей несущего колебания «правого» и «левого» поляризованных состояний пропорционально амплитуде информационного сигнала.

Импульсные методы. Непрерывная или квантованная амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) характеризуется тем, что амплитуда импульса электрического поля оптической частоты пропорциональна отсчету амплитуды информационного сигнала. Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) может быть непрерывная или квантованная. При этом виде модуляции частота несущей оптических импульсов пропорциональна отсчету амплитуды информационного сигнала. Импульсная модуляция по интенсивности (ИМИ) аналогична АИМ, однако, вместо амплитуды оптического сигнала изменяется его интенсивность. Непрерывная или квантованная широтно-импульсная модуляция (ШИМ) характеризуется изменением длительности оптического импульса в соответствии с отсчетом амплитуды информационного сигнала (начало импульса соответствует моменту отсчета). Непрерывная или квантованная позиционно-импульсная модуляция (ПИМ) характеризуется временной задержкой сигнального оптического импульса относительно опорного импульса; временная задержка пропорциональна отсчету амплитуды информационного сигнала. При счетно-импульсной модуляции (СИМ) число оптических импульсов короткой длительности, укладывающихся в единичный временной интервал, пропорционально амплитуде информационного сигнала.

Цифровые методы. КИМ-ИМ (КИМ-AM) - кодово-импульсная модуляция интенсивности (амплитуды) характеризуется тем, что интенсивность (амплитуда) оптического колебания максимальна, когда передается двоичный знак - «единица», или минимальна при передаче «нуля» в двоичном коде, соответствующем отсчету амплитуды информационного сигнала. КИМ-ЧМ - кодово-импульсная частотная модуляция (манипуляция) характеризуется дискретным сдвигом частоты несущего оптического колебания, одному значению частоты соответствует «единица», Другому - «нуль» двоичного кода, соответствующего отсчету амплитуды информационного сигнала. При КИМ-ФМ кодово-импульсной фазовой модуляции (манипуляции) фаза несущего оптического колебания манипулируется по отношению к опорной фазе на фазовый угол, равный нулю или рад в соответствии с «единицей» или «нулем» двоичного кода, представляющего амплитуду информационного сигнала. КИМ-ПМ - кодово-импульсная поляризационная модуляция (манипуляция) может быть осуществлена в двух вариантах: линейно-ортогональном и циркулярно-ортогональном. В первом случае: «единице» в кодовой комбинации соответствует вертикальная поляризация колебания оптической частоты, а «нулю» - горизонтальная поляризация; во втором случае «единице» соответствует правая круговая поляризация несущего колебания, а «нулю» - левая круговая поляризация.

2.4 Перестройка длины волны излучения

Электронная перестройка длины волны излучения СО₂-лазера [4].

Лазеры с перестраиваемой длиной волны излучения имеют как научное, так и прикладное значение. Известны их применения при контроле и измерении толщины слоев в интегральных схемах, в многоволновой эллипсометрии, в системах анализа газовых смесей методами линейной лазерной оптико-акустической спектроскопии, а также нелинейной спектроскопии с использованием комбинационного рассеяния. Существует несколько способов перестройки частоты излучения газовых лазеров, например путем механического поворота дисперсионного элемента, введения подвижной маски или перестраиваемого зеркала.

Поиск новых способов быстрой перестройки частоты излучения СО₂-лазера дополнительно стимулируется появлением специальных помехоустойчивых алгоритмов газоанализа, обеспечивающих повышение скорости и точности распознавания газовой смеси, если сканирование по спектру проводить не последовательно от одной линии к соседней, а по специальному закону, адаптивно формируемому компьютером в процессе газоанализа и предусматривающему переходы между некоторыми характерными спектральными линиями в диапазоне перестройки. Таким требованиям удовлетворяет СО₂-лазер с внутрирезонаторной электронной перестройкой частоты.

При создании лазера с немеханическим изменением частоты излучения в качестве базовой конструкции используется излучатель лазера. Перестройка осуществляется электронным способом внутри оптического резонатора. На рисунке изображена схема оптического резонатора лазера, а на рисунке - поперечное сечение его рабочего газоразрядного зазора, в объеме которого формируются каналы генерации индуцированного излучения.

1 - плоское зеркало, 2 - сферическое зеркало, 3 - эшелетт,

4 - щелевой зазор, 5 - генерирующие каналы.

Оптический резонатор перестраиваемого лазера

Оптический резонатор построен по модификационной схеме Якоби и содержит плоское зеркало 1, а также сферическое зеркало 2, в фокальной плоскости которого расположен неподвижно закрепленный эшелетт 3.

1,2 - ВЧ электроды, 3 - дополнительные электроды,

4 - диэлектрик, 5,6 - клеммы, 7 - плазменный объем,

8 - продольный канал по длине электрода i.

Поперечное сечение рабочего канала перестраиваемого лазера

Рабочий зазор лазера образован широкими ВЧ электродами 1,2, n дополнительных электродов 3 в виде узких продольных металлических полос, изолированных от ВЧ электрода диэлектриком 4. Перестройка частоты лазера основана на управляемом подавлении ВЧ разряда (напряжение накачки подводится к клеммам 5) электростатическим полем, формируемым одним из дополнительных полосковых электродов, например электродом i, к которому с помощью клеммы 6 подводится отрицательное, относительно ВЧ электродов, постоянное электрическое напряжение. Гасящий потенциал выбирается достаточным для уменьшения скорости ионизации в области, окружающей полосковый электрод i, ниже критической. Благодаря этому в широком плазменном объеме 7 по длине полоскового электрода «выжигается» узкий продольный канал 8. При подведении гасящего напряжения ко всем дополнительным электродам, кроме электрода i, ВЧ разряд (активная среда) существует только в объеме узкого канала 8.

Подобный режим является рабочим для перестраиваемой одноволновой генерации с любым (регулярным или нерегулярным) порядком чередования спектральных линии. Конкретной волне соответствует угол падения излучения на эшелетт, что однозначно определяет положение полоскового электрода i в щелевом зазоре 4 (рисунок 9). По этой причине набору волн отвечает система n дополнительных электродов, расположенных внутри рабочего зазора в соответствии с вышеописанным правилом. Состав набора волн может быть изменен переустановкой эшелетта под новым углом .

Работая на длине волны от 9 до 11 мкм и попадая при этом в одно из окон прозрачности атмосферы и имея лазер с перестраиваемой рабочей длиной волны мы можем сохранять устойчивую связь как при случайной помехе (дым от рядом расположенных заводов, котельных) так и при неслучайной - специальной помехе (распыление аэрозоля и других средств), перестраиваясь с одной несущей на другую по заданной программе, случайному закону известному на передающей и приемной стороне соответственно (осуществив синхронизацию передатчика и приемника)

3. Атмосферный канал связи

3.1 Влияние атмосферы на распространение инфракрасного излучения

Атмосфера Земли состоит в основном из азота, кислорода, водяного пара, углекислого газа (двуокиси углерода), метана, закиси азота, окиси углерода и озона. В механической смеси этих газов находятся твердые и жидкие включения - мельчайшие частицы во взвешенном состоянии. Частицы распределены случайно и имеют различный химический состав, а размеры их колеблются от 10 ^-7 до 10 ^-1 см. Эти включения в атмосфере представляют собой частицы дыма, водяные капли, пыль земли, частицы углерода, кристаллики льда, частицы солей, а также бактерии, пыльца растений и т.д. Совокупность водяных капель и твердых частиц вызывает значительное ослабление излучения [1].

Процентный состав основных газов атмосферы остается почти постоянным до высот 25…30 км. Однако в атмосфере, содержащей водяной пар, процентное содержание газов меняется в зависимости от его количества. В диапазоне высот до 12 км основную роль в поглощении излучения играют молекулы углекислого газа и водяных паров. Концентрация водяных паров в зависимости от температуры и влажности воздуха в атмосфере колеблется в пределах 10^-3 - 4% (по объему). Концентрация водяного пара зависит также от географического расположения, высоты, времени года и местных метеорологических условий. С увеличением высоты процентное содержание водяного пара резко убывает из-за влияния низких температур и процессов конденсации, а также вследствие удаления поверхности, из которой происходит испарение.

Концентрация углекислого газа изменяется от 0,03 до 0,05%. Причем меньший предел соответствует незагрязненному сельскому воздуху, а верхний - атмосфере над городами. Этот газ, являясь продуктом жизнедеятельности органической природы, имеет более высокую концентрацию над массивами, покрытыми растительностью, чем, например, над океаном. На больших высотах (до 25…30 км) концентрация более равномерная вследствие более полного вертикального перемешивания атмосферы.

Концентрация метана в атмосфере колеблется от до % и равномерно изменяется с изменением высоты. Закись азота (N₂O) имеет концентрацию …^%, окись углерода - ^%. Эти две составляющие атмосферы оказывают влияние на поглощение излучения на больших расстояниях. Концентрация озона (О₃) на высоте около 30 км более %, в нижних слоях атмосферы - от до %, а на высоте 65 …70 км озон почти отсутствует.

Твердые и жидкие включения замутняют атмосферу и участвуют в образовании облаков и тумана, являясь ядрами конденсации водяных паров. На больших высотах главной причиной помутнения атмосферы являются наземная пыль, дым, бактерии, соли и гидрометеоры. В относительно прозрачном сельском воздухе содержится до 0,00025 г. пыли в 1 см³. В сухую ясную погоду в 1 см³воздуха содержится до 130000 пылинок, после дождя их количество уменьшается до 32 000…30 000, а над водной поверхностью еще более, достигая 1200…800 на расстояниях 19…20 км от берега. В городах пыль и дым промышленных предприятий сильнее замутняют атмосферу, однако эти включения, как правило, располагаются на высотах не выше 700…500 м.

Присутствие пылевых частиц в атмосфере, гидрометеоров и водяного пара значительно ослабляют интенсивность излучения в приземном слое. Причиной образования гидрометеоров является наличие в воздухе гигроскопических примесей - ядер конденсации. Ядра конденсации состоят из скоплений солей и окислов, а также частично из твердых включений. Скопления солей или окислов очень гигроскопичны и интенсивно способствуют начальному образованию капель. Дальнейший рост капель зависит от целого ряда факторов, например: скорости восходящих потоков воздуха, его температуры и скорости изменения температуры с высотой, коэффициента преобразования тепла на поверхности капли, скорости диффузии молекул растворенного вещества при непрерывной конденсации и т.д. Известно, что в водных туманах встречаются капли размером от 0,1 до 50 - 60 мкм. Большинство капель имеют размер 7 - 15 мкм при положительных температурах и 2 - 5 мкм при отрицательных. Число капель в 1 см³ воздуха равно примерно 50 - 100 для слабого тумана и 50 - 600 для сильного. Капли в облаках имеют размеры 2 - 30 мкм, а концентрация их может изменяться от 50 до 1500 на 1 см³. В дымке (очень слабом тумане) размер капель менее 1 мкм, а их число достигает 10 - 40 на 1 см³. Пропускание тумана сходно с пропусканием облаков, в частности, от туманов и облаков хорошо отражается солнечный свет. Туман и облака обладают избирательным поглощением.

Затухании оптического сигнала при распространении в различных погодных условиях

Погодные условия	Затухание, дБ/км
Ясная погода	0 - 3
Слабый дождь	3 - 6
Сильный дождь	6 - 17
Снег	6 - 26
Легкий туман	20 - 30
Густой туман	50 - 100

3.2 Ослабление излучения СО₂-лазера в атмосфере

Атмосферное затухание [1].

Затухание излучения в атмосфере может быть описано с помощью экспоненциального закона. Коэффициент пропускания атмосферы равен:

где L - протяженность среды, в которой распространяется излучение; - коэффициент ослабления среды, равный сумме коэффициентов поглощения и рассеяния .

Таким образом, коэффициент пропускания атмосферы может быть представлен в виде произведения:

где - коэффициент пропускания атмосферы, учитывающий только поглощение; - коэффициент пропускания атмосферы, учитывающий только рассеяние.

Поглощение в атмосфере обусловлено в основном наличием молекул водяного пара, двуокиси углерода и озона. На рисунке приведены графики коэффициентов пропускания этих компонент. Кривые были сняты с относительно низкой спектральной разрешающей способностью. В действительности же поглощение в атмосфере резко изменяется при изменении длины волны, поскольку молекулярное поглощение имеет линейчатый спектр, а не полосовой.

На основе этих графиков можно правильно выбрать несущую частоту лазера и сделать вывод о необходимости ее стабилизации в областях с минимальным поглощением. Грубые оценки поглощения в атмосфере могут быть получены путем подсчета количества молекул поглощающих веществ и а пути прохождения лазерного луча. Получить такие оценки трудно, поскольку концентрация молекул в атмосфере определяется температурой и давлением, изменяющимися с географической широтой, высотой и зависящими от состояния погоды.

а) поглощение двуокисью углерода; б) поглощение озоном;

в) поглощение влагой

Кривые пропускания компонентами атмосферы

Атмосферное рассеяние, происходящее на частицах, размеры которых соизмеримы с размерами молекул, называется рэлеевским рассеянием; атмосферное рассеяние на частицах, размеры которых велики по сравнению с длиной волны, называется Ми-рассеянием (этот вид рассеяния наблюдается в тумане и дымах).

Коэффициент ослабления при рэлеевском рассеянии определяется выражением:

где N - число частиц, приходящихся на единицу объема трассы распространения; А_р - площадь поперечного сечения рассеивающей частицы.

Площадь частицы и длину волны в формуле необходимо брать в сантиметрах. Поскольку коэффициент рэлеевского рассеяния обратно пропорционален ⁴, излучение коротких длин волн рассеивается сильнее, чем излучение более длинных волн. Этим, например, объясняется голубой цвет дневного неба. Компоненты солнечного света более коротких длин волн рассеиваются на пути к земле больше, чем компоненты более длинных волн. В большинстве случаев рэлеевское рассеяние во много раз меньше, чем Ми-рассеяние, и им практически можно пренебречь. Ми-рассеяние описывается с помощью следующего эмпирического соотношения:

где - коэффициент Mи-рассеяния; - метеорологическая дальность видимости в километрах (длина волны и дальность пути выражаются соответственно в микронах и в километрах).

Значения метеорологической дальности видимости для многих районов ежедневно сообщаются бюро погоды метеорологической службы. В качестве примера использования формулы при Ми-рассеянии произведем расчет ослабления лазерного излучения с длиной волны , проходящего путь в атмосфере протяженностью в 1 км, при дальности видимости, равной 5 км.

Коэффициенты Ми-рассеяния и коэффициенты пропускания атмосферы для некоторых длин волн приведены в таблице.

Таблица 4 - Коэффициенты Ми-рассеяния и коэффициенты пропускания атмосферы для некоторых длин волн

, мкм	, км^-1
0,5	0,860	0,42
1,0	0,430	0,65
2,0	0,215	0,81
5,0	0,086	0,92
10,0	0,043	0,96

На рисунке показана зависимость коэффициента пропускания атмосферы от длины волны (учитывалось поглощение и рассеяние). Уменьшение коэффициента пропускания в диапазоне ниже двух микрон 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 (окна прозрачности).

Зависимость коэффициента пропускания атмосферы от длины волны

Турбулентность атмосферы [2].

Часть солнечной энергии, падающая на земную поверхность поглощается, вызывая нагревание воздушного слоя над поверхностью земли. Этот слой нагретого воздуха, являясь менее плотным, поднимается, турбулентно смешиваясь с окружающим холодным воздухом. Благодаря этому температура воздуха изменяется от точки к точке в атмосфере по случайному закону. Температурные флуктуации являются функцией высоты и скорости ветра.

Показатель преломления воздуха зависит от его температуры. Когда световой луч проходит слой воздуха, в котором имеется перепад температур, он частично или полностью отклоняется. Степень отклонения зависит от относительных размеров луча и температурной неоднородности. Взаимодействие лазерного луча с турбулентной средой приводит к случайным изменениям амплитуды и фазы несущего колебания. Ниже приводятся возможные последствия воздействия атмосферной турбулентности на качество лазерной связи.

Изменение траектории луча (флуктуации углов прихода) - угловое отклонение луча от линии прямой видимости, приводящее к прохождению луча мимо приемника.

«Пляска» (дрожание) изображения - изменение угла прихода луча, вызывающее движение точки фокуса в плоскости изображения.

Расширение (размытие) луча - небольшие угловые отклонения, увеличивающие угловое расхождение лазерного луча и приводящие к уменьшению пространственной плотности мощности на входе приемника.

Сцинтилляция луча - маломасштабные интерференционные явления в пределах поперечного сечения луча, вызывающие изменения пространственной плотности мощности на входе приемника.

Ухудшение пространственной когерентности - нарушение фазовой когерентности в сечении фазового фронта пучка, приводящее к уменьшению эффективности супергетеродинного метода приема.

Поляризационные флуктуации - вариации состояния поляризации луча.

Практически удобно представлять турбулентную среду, состоящей из отдельных однородных объемов, отличающихся коэффициентом преломления. Размер неоднородности, связанный с каждым объемом, обозначим через l. Наибольшее и наименьшее значения неоднородностей обозначим соответственно и .

Степень влияния турбулентности атмосферы зависит от относительных размеров диаметра пучка d_B и размера неоднородности l. Если << 1, то основное действие турбулентности сводится к отклонению пучка в целом. В результате этого на больших дальностях луч перемещается по случайному закону в двух направлениях в плоскости приема. При неоднородности действуют как линзы, т.е. фокусируют или рассеивают весь луч или его часть; при этом поперечное сечение луча приобретает зернистую структуру. Если >> 1, небольшие области луча дифрагируют независимо друг от друга, искажая фазовый фронт луча.

3.3 Деполяризация лазерного излучения в атмосфере

Методика определения степени деполяризации эллиптически поляризованного излучения основана на выделении из него слабой компоненты в линейно поляризованную и ее устранению с помощью поляризатора [6].

Представим эллиптически поляризованное излучение, распространяющееся вдоль оси z, в виде суперпозиции линейно поляризованных волн:

где e_j - единичный вектор, направленный вдоль оси j (j=x, y); А_j - комплексная амплитуда. Статистическое состояние поляризации описывается с помощью матрицы когерентности:

где B_XY= - взаимная корреляционная функция.

Степень поляризации излучения определяется соотношением:

где I_tot - полная интенсивность излучения; I_P - интенсивность поляризованной компоненты излучения; и - определитель и след матрицы . Очевидно, что степень деполяризации излучения D = 1 - P.

При измерении степени деполяризации эллиптически поляризованного излучения с анизотропным распределением флуктуаций, что характерно для лазеров с анизотропным резонатором, возникает систематическая погрешность, которая зависит от типа поляризации анализируемого излучения.

4. Расчет атмосферной оптической линии связи

4.1 Выбор стандарта связи

излучатель атмосферный оптический связь

При выборе стандарта связи в котором будет функционировать система атмосферной оптической связи на основе СО₂-лазера необходимо учитывать тот факт, что система будет использоваться для связи компьютеров, создания локальных сетей и т.п.

Выбор цифрового виды связи более удобен для обеспечения связи между компьютерной техникой.

На данный момент разработаны целые серии протоколов канального уровня, предназначенные для беспроводных средств связи и способные автоматически восстанавливать канал после кратковременного обрыва. А непрерывность потоков данных обеспечивается протоколами более высокого уровня (например TCP/IP). Некоторые модели лазерных модемов имеют совмещенные интерфейсы к сети Ethernet и потокам Е1. В результате одна атмосферная линия связи может соединить LAN и телефонные сети зданий без использования мультиплексора.

Скорость передачи информации

При выборе скорости передачи данных необходимо учитывать следующее - какие скорости передачи информации уже используются в подобных системах и какое значение скорости удовлетворит пользователя для обеспечения той или иной пропускной способности канала связи. Основываясь на том, что в компьютерных сетях использующих в качестве линии проводной связи «витую пару», скорость передачи данных в которой 10/100 Мбит/с, зададимся скоростью передачи информации равной 100 Мбит/с.

Максимально допустимая ошибка

При выборе значения максимально допустимой ошибки связи будем учитывать тот факт, что для различных способов связи (радиорелейный, волоконнооптический, атмосферный и т.д.) эта величина, по понятным причинам, будет иметь различные значения.

Зададимся значением максимально допустимой ошибки .

4.2 Энергетический расчет линии связи

Прямой расчет энергетического потенциала

Для прямого расчета энергетического потенциала (от передатчика к приемнику) необходимо, задавшись определенной мощностью передатчика и величиной затухания излучения при его распространении в соответствующих погодных условиях, найти мощность сигнала которая будет поступать на вход приемника. При этом также следует помнить о минимальном (пороговом) значении мощности сигнала, который приемник способен принять на фоне шумов, а также о динамическом диапазоне приемника возможность перегрузки входного каскада приемника из-за избыточной величины сигнала.

Затухание излучения в атмосфере описывается с помощью формулы [1]:

где L - протяженность среды, в которой распространяется излучение; - коэффициент ослабления среды, равный сумме коэффициентов поглощения и рассеяния , а коэффициент пропускания атмосферы может быть представлен в виде:

С учетом выше изложенного и, взяв передатчик с выходной мощностью 35 Вт, получим:

Вт,

где L - длинна трассы по которой осуществляется связь, l - участок на трассе с большим затуханием, вызванным возможной помехой (дымом от недалеко расположенных предприятий и т.п.)

Обратный расчет энергетического потенциала

Для упрощения расчетов введем ряд упрощений:

- Расчет ведется для систем передачи информации по атмосферному каналу с использованием лазера;

- Рэлеевским рассеянием можно пренебречь;

- Нелинейными эффектами можно пренебречь;

- Мультипликативными помехами рассеяния вперед можно пренебречь;

- Затухание сигнала на наклонной трассе для высот до 10 км всегда меньше, чем на горизонтальной трассе той же протяженности на высоте 0 км над уровнем земли;

- Максимальное отклонение луча из-за турбулентности атмосферы - 1 мрад;

- В выбранном окне прозрачности отсутствуют сильные полосы молекулярного поглощения.

Учет влияния погодных условий.

Для оценки ослабления оптического сигнала в атмосфере, введено такое понятие, как видимость, это такое расстояние (в км), на котором видимое излучение источника света уменьшается в 50 раз по отношению к первоначальной величине. С точностью достаточной для инженерных расчетов можно использовать формулу [7]:

где S - затухание дБ/км; - дальность видимости.

В таблице приведены типичные потери в зависимости от погодных условий для связи по атмосферному каналу.

Примем для расчета затухание минус 6 дБ/км, что соответствует сильному дождю.

Учет фонового излучения [8].

Шум на фотоприемнике состоит из 3-х составляющих: атмосферные оптические помехи, дробовые шумы, собственные шумы фотоэлемента и усилителя.

Для расчета уровня оптических помех, примем, что фоновая помеха днем не более Вт/см^2.ср^.мкм, фоновая помеха ночью не более

10^-6 Вт/см^2.ср^.мкм. В данном случае основной шум будет вноситься фоновым излучением, всеми остальными шумами можно пренебречь:

где - площадь приемника (см²), - угол зрения приемника (ср), - диапазон длин волн принимаемый фотоприемником (мкм).

В зависимости от используемого способа модуляции оптического сигнала, меняется и минимально допустимое отношение сигнал/шум, при котором информация будет принята правильно.

Таким образом минимальная мощность оптического сигнала будет:

где - минимально возможное отношение сигнал/шум (в разах) для выбранного вида модуляции оптического сигнала.

Оптическая система [9].

Величина полного светового потока характеризует излучающий элемент, и ее нельзя увеличивать никакими оптическими системами. Действие этих систем может лишь сводиться к перераспределению светового потока, например, большей концентрации его по некоторым направлениям. Таким способом достигается увеличение силы света по данным направлениям при соответствующем уменьшении ее по другим направлениям. Таково, например, действие сигнальных аппаратов или прожекторов, позволяющих при помощи источников обладающих средней сферической силой света в несколько сот кандел, создавать на оси прожектора силу света в миллионы кандел.

Для оценки потерь мощности можно использовать:

где - угол расходимости луча, рад; - расстояние до приемника, м; - диаметр приемника, м.

Так же необходимо учесть, что оптическая система также вносит затухание оптического сигнала, примем величину пропускания линзы 0,95 (две линзы, одна в приемнике, другая в передатчике), тогда мощность оптического сигнала необходимо будет увеличить еще на 0,5 дБ.

Рассчитаем мощность оптических шумов по формуле:

Мощность оптических шумов составляет Вт.

Рассчитаем потери за счет погодных условий для заданной дальности:

Потери при густом тумане на трассе 5000 метров составят 30 дБ.

Рассчитаем потери оптического сигнала за счет расхождения луча:

Потери за счет расхождения луча составили 22 дБ.

Найдем величину сигнал/шум (в дБ), учтя при этом все потери:

Величина минимального отношения сигнал/шум будет 55,5 дБ.

Минимальная мощность оптического сигнала будет рассчитываться по формуле:

Минимальная излучаемая мощность оптического сигнала составляет 30,2 Вт.

Надежность работы лазерной линии связи

Поэтому с использованием лазера с перестраиваемой длиной волны повышается надежность работы системы.

5. Взаимонаведение оптических передатчика и приемника

5.1 Алгоритм наведения

В системах лазерной связи в свободном пространстве приходиться иметь дело с чрезвычайно узкими пучками выходного излучения, угловая величина которых измеряется десятками и даже единицами секунд. При столь малой расходимости лазерные пучки даже на значительном удалении корреспондентов линии связи друг от друга имеют в поперечном сечении пятно малой площади. Например, лазер с расходимостью излучения 10» засвечивает на расстоянии 10 км пятно диаметром около 5 см. В таких условиях взаимный поиск и наведение корреспондентов превращается в сложную задачу, а процедура «вхождения» в связь может трактоваться как марковский стохастический процесс. Корреспонденты А и В неподвижны и излучают непрерывно в течение всего времени взаимонаведения; пункты А и В симметричны по техническим параметрам аппаратуры; оптические антенны приемника и передатчика одинаковы [10].

_А, _В-углы расходимости излучения в Пунктах А и В; Ф_А_,Ф_В - угловой размер секторов обзора из пунктов А и В

Модель системы наведения

Вероятностный марковский процесс взаимного нацеливания А и В иллюстрируется следующей диаграммой состояний и переходов.

Вероятностный марковский процесс взаимного нацеливания А и В

На рисунке обозначено: a₁ - непоглощающее состояние (чаще всего исходное), когда ни одна из антенн (А или В) не ориентирована в правильном направлении; а₂, а₃ - непоглощающие состояния, в которых либо антенна А, либо антенна В ориентированы правильно (на противоположного корреспондента); а₄ - поглощающее (конечное) состояние, когда антенны А и В ориентированны друг на друга; P_ij - вероятность перехода системы связи из i-го состояния в j-ое.

Увеличение дальности действия лазерных систем связи, при сохранении требуемой достоверности передачи сообщений является одной из первостепенных задач. Основным фактором, определяющим увеличение дальности действия при постоянной мощности передатчика, является сужение диаграммы направленности антенных устройств.

Для получения угла раствора луча примерно около одного градуса в свч диапазоне необходим диаметр антенны более 10 м. В то же время в оптических системах связи при очень малых габаритах антенн можно сформировать в пространстве чрезвычайно узкие диаграммы направленности (до нескольких десятков угловых секунд).

Использование узких диаграмм направленности лазера позволит обеспечить требуемую достоверность передачи информации при малых мощностях передающих устройств. Однако одной из трудностей, связанных с использованием лазеров в системах связи, является проблема нацеливания узкого луча лазера и удержания его в требуемом направлении. При использовании систем на подвижных объектах эта проблема усугубляется еще необходимостью стабилизации объектов с высокой точностью.

Современное развитие квантовой радиоэлектроники позволяет надеяться на успешное решение проблемы нацеливания узких лучей ОКГ. Разработка, например, электрооптического метода отклонения светового луча позволит осуществить точное быстродействующее сканирование луча при решении задач обнаружения и слежения.

При сканировании узкого луча в пределах фиксированного углового конуса (зоны неопределенности положения объекта) возникает задача оценки времени, затрачиваемого на поиск заданной точки (объекта) в пространстве, или оценки времени, затрачиваемого на поиск друг друга двумя объектами, снабженными системами сканирования. Интересны также вопросы выбора метода сканирования (случайный или регулярный поиск) и сравнения различных методов сканирования.

При сканировании узких диаграмм приемопередатчиков процесс «вхождения» в связь, т.е. точное нацеливание диаграмм друг на друга и взаимное обнаружение сигналов может трактоваться как Марковский стохастический процесс. Такой подход обусловлен тем, что событие вхождения в связь зависит от вероятности ориентирования диаграмм двух объектов в требуемом направлении (нацеливание) и от вероятности взаимного обнаружения сигналов в шумах, когда диаграммы совпадают. Следовательно, время вхождения в связь есть случайная величина, обладающая математическим ожиданием, дисперсией и т.д. Очевидно, для нахождения этой величины необходимо пользоваться вероятностными методами.

Марковская цепь характеризуется состояниями, между которыми существует вероятность перехода. Если образовать матрицу вероятностей перехода между состояниями данной марковской цепи, то, пользуясь алгебраическими методами исследования марковских цепей, можно определить среднее число шагов, затрачиваемое на переход процесса из одного состояния в любое другое. Умножив среднее число шагов на время длительности одного шага, получим среднее время, затрачиваемое на переход из одного состояния в любое другое, и, в частности, в конечное состояние, соответствующее полному установлению связи между двумя объектами.

Для свч диапазона сверхузкие диаграммы направленности проектируют в относительно редких специальных случаях. В системах оптического диапазона, как правило, сверхузкими диаграммами будут обладать большинство систем. Поэтому в данной главе рассматривается задача оценки среднего времени вхождения в связь двух объектов, снабженных системами сканирования узких лучей ОКГ и соответствующими приемниками. Однако в типичных случаях применения ОКГ на предельных дальностях число фотонов в принимаемом сигнале может быть невелико, поэтому использование отношения сигнал/шум является недостаточным для характеристики системы с точки зрения обнаружения полезного сигнала и подавления шумов. Необходимо вводить такие характеристики качества системы, как вероятность обнаружения сигнала, вероятность пропуска сигнала, вероятность ложной тревоги. Эти характеристики хорошо связываются с дальностью действия системы и с мощностью передающих устройств. Поэтому среднее время вхождения в связь для различных вариантов систем целесообразно находить в зависимости от вероятности обнаружения сигнала, от дальности действия системы при различных вероятностях ложной тревоги (.характеризуемой уровнем шума) и мощности передатчиков. С этой точки зрения проводится дальнейшее рассмотрение.

В настоящее время наибольшее распространение получили системы регулярного и случайного поиска. В свою очередь, системы регулярного поиска по характеру поиска можно также разделить на системы:

- без сканирования,

- со сканированием на одном объекте,

- со сканированием на обоих объектах.

5.2 Расчет среднего числа шагов и продолжительности процедуры наведения

Среднее число сигнальных фотоэлектронов рассчитывается по формуле:

S_c = W^.l^.t^.T_{_}^.exp(-m_a^.R_T)^.^.h /hc,

Число шумовых фотоэлектронов, поступающих в приемник за секунду найдем по формуле:

n_ш = Q_l^.l^.Dl^.p^.T_{_}^.h^.Q^2.D^2.--[rЧexp{-m_a^.R_T}--+--m_S--(1-----exp{-m_a^.R_T}/4m_a)]/16hc + i_T/q^.g,

Вероятность обнаружения сигнала вычисляется по формуле:

P_обн = е^?_n₌_n₀[(S_cⁿ.exp{- S_c})/n!].

Вероятность ложной тревоги или вероятность превышения порога n₀ в течение любого интервала ? будет рассчитана по формуле:

P_ЛТ = е^?_n_--=--_n_{--_}[((n_шt)ⁿ--exp{---n_ш^.t})/n!].

Число шагов при случайном поиске без учета ложной тревоги найдем по формуле:

t₁ = [1+2 (q/Ф)²(1 - p_a)] / [(q/Ф)⁴(2p_a - p_a²)],

где р_а - вероятность обнаружения сигнала в шумах приемником А.

Число шагов при случайном поиске с учетом ложной тревоги вычислим по формуле:

t₁₍_n₎ » [1+2p_a(1 - p_a) + 2n^.p^'₁₂] [p²_Ap_a(2 - p_a - 2 (1 - p_a) (1 - p_A^.p_a))ⁿ],

где р'₁₂ - вероятность ложной тревоги;

р_А - вероятность того, что луч объекта А направлен в требуемом направлении (на В).

Число шагов при регулярном поиске без учета ложной тревоги рассчитаем по формуле:

t₁ = [2m² + (m² - 4m - 1) p_a² + (-2m² + 4m + 2) p_a]/[2 (2p_a - p_a²)],

m = (Ф/q)² = 1/p_A.

6. Моделирование на ЭВМ расчета САОС

6.1 Выбор числовых значений переменных параметров

Проведем моделирование расчетов в программе MathCAD 2001.

6.2 Варификация результатов расчета

Для более подробного результата расчета рассмотрим зависимость величины мощности, приходящей к приемнику, от различных погодных условий.

6.3 Графическое представление результатов расчета

Прямой расчет системы связи.

Прямой расчет

Для удобства наблюдения малых значений мощности излучения построим рисунок.

Прямой расчет

Обратный расчет системы связи.

Рисунок 16 - Обратный расчет

Результаты прямого расчета

L, км	Р, Вт	L, км	Р, Вт	L, км	Р, Вт	L, км	Р, Вт	L, км	Р, Вт
0,00	35	1,00	4,73	2,00	0,64	3,00	0,087	4,00	0,012
0,10	28,65	1,10	3,87	2,10	0,52	3,10	0,071	4,10
0,20	23,46	1,20	3,17	2,20	0,43	3,20	0,058	4,20
0,30	19,20	1,30	2,60	2,30	0,35	3,30	0,048	4,30
0,40	15,73	1,40	2,12	2,40	0,28	3,40	0,039	4,40
0,50	12,87	1,50	1,74	2,50	0,23	3,50	0,032	4,50
0,60	10,54	1,60	1,42	2,60	0,19	3,60	0,026	4,60
0,70	8,63	1,70	1,16	2,70	0,15	3,70	0,021	4,70
0,80	7,06	1,80	0,95	2,80	0,12	3,80	0,018	4,80
0,90	5,78	1,90	0,78	2,90	0,10	3,90	0,014	4,90
1,00	4,73	2,00	0,64	3,00	0,08	4,00	0,012	5,00

Результаты обратного расчета

L, км	Р, Вт	L, км	Р, Вт	L, км	Р, Вт	L, км	Р, Вт	L, км	Р, Вт
0,00	0,035	1,00	0,138	2,00	0,549	3,00	2,185	4,00	8,698
0,10	0,040	1,10	0,158	2,10	0,630	3,10	2,509	4,10	9,987
0,20	0,046	1,20	0,182	2,20	0,723	3,20	2,880	4,20	11,466
0,30	0,052	1,30	0,209	2,30	0,831	3,30	3,307	4,30	13,165
0,40	0,060	1,40	0,240	2,40	0,954	3,40	3,797	4,40	15,115
0,50	0,069	1,50	0,275	2,50	1,095	3,50	4,359	4,50	17,355
0,60	0,079	1,60	0,316	2,60	1,257	3,60	5,005	4,60	19,926
0,70	0,091	1,70	0,363	2,70	1,444	3,70	5,747	4,70	22,878
0,80	0,105	1,80	0,416	2,80	1,657	3,80	6,598	4,80	26,268
0,90	0,120	1,90	0,478	2,90	1,903	3,90	7,576	4,90	30,159
1,00	0,138	2,00	0,549	3,00	2,185	4,00	8,698	5,00	34,213

7. Организационно-экономическая часть

7.1 Предварительная оценка планируемой к выполнению НИР

В данной работе рассматривается разработка алгоритма расчета атмосферной оптической линии связи. Данный аспект весьма важен поскольку в настоящее время все более интенсивное развитие получают информационные технологии, аппаратная база, скорости передачи информации. И внедрение компьютерной техники открывает новые возможности для дальнейшего развития технологий коммуникаций и в частности атмосферных оптических линий связи.

Оценим уровень планируемой НИР. Для этого воспользуемся одним из направлений эвристического прогнозирования - методом экспертных оценок, который базируется на выборе смысловых характеристик (частных критериев), количественно измеряемых по определенной балльной системе [11].

Результаты анализа

№	Критерии	Шкала критерия	Оценка критерия, балл
1	Имеющийся опыт в этой области	Некоторый опыт	1
2	Вероятность решения поставленной задачи	Более 80%	2
3	Возможность и широта внедрения результатов НИР	Результаты могут использоваться локально	1
	Итого		+4

Просуммировав оценки критериев, получаем положительный результат - это говорит о высоком уровне перспективности проводимой работы.

7.2 Организация и планирование НИР

Расчет трудоемкости НИР

Для расчета трудоемкости НИР, имеющих вычислительную направленность, воспользуемся методом типовых этапов. Найдем условное число операторов Qy, для этого воспользуемся формулой:

где Qп - предполагаемое число операторов (Qп =1000); С - коэффициент сложности программы, характеризует относительную сложность задачи разрабатываемого программного изделия по отношению к так называемой типовой задаче, сложность которой принята единице (C=1); р - коэффициент коррекции программы в ходе ее разработки, характеризует увеличение объема работ за счет внесения изменений в алгоритм либо программу решения задачи по результатам уточнения ее постановок и описания, изменения состава и структуры информации, а также уточнений вносимых разработчиком для улучшения качества самой программы без изменения постановки задачи (р=0,3).

Трудоемкость разработки программного продукта Т_ПП рассчитаем по формуле:

где Т_И - затраты труда на исследование алгоритма решения задачи;

Т_А - затраты труда на разработку алгоритма решения задачи; T_П - затраты труда на составление программы по готовой схеме; Т_ОТ - затраты труда на отладку программы на ЭВМ; Т_Д - затраты труда на подготовку документации по задаче.

Рассчитаем трудоемкости по формулам:

где В-коэффициент увеличения затрат труда вследствие того, что задачи, как правило, требуют уточнения и некоторой доработки; К - степень подготовленности исполнителя к порученной ему работе.

Задаемся В=1,4; К=1.

Результаты расчетов

	Стадии	Трудоемкость, Чел./ч
1	Подготовка описания задачи, исследование алгоритма решения задачи с учетом описания и квалификации программиста (Т_И)	22,75
2	Разработка алгоритма решения задачи (Т_А)	65
3	Составление программы по готовой схеме (Т_П)	65
4	Отладка программы на ЭВМ (Т_ОТ)	650
5	При автономной отладке одной из задач (T_ОТ.А)	260
6	При автономной отладке (T_ОТ.К)	390
7	Подготовка документации по сдаче(Т_Д)	113,75
8	Итого	1566

Подставляя данные в формулу, найдем трудоемкость разработки программного продукта Т_ПП:

Распределение трудоемкости НИР по исполнителям на каждой из стадий

Распределение трудоемкости темы по исполнителям, составленное исходя из соотношений категорий работающих.

Для выполнения запланированного объема работ требуются два человека.

Содержание работ, квалификационных требований

Исполнители	Трудоемкость, чел.-ч
	Всего на НИР	В том числе по стадиям
		1	2	3	4	5
1. Руководитель темы 17 разряда	317,75	9	-	-	260	48,75
2. Инженер 2-й категории 10 разряда	598,75	13,75	65	65	390	65
Итого	916,5	22,75	65	65	650	113,75

Построение, расчет и оптимизация сетевой модели

Календарный план выполнения работ составляем с применением метода сетевого планирования. На основе полученных данных строим сетевую модель процесса разработки.

Сетевой график - это формализованное описание комплекта работ в их логической и технической последовательности, фиксирование выявленных взаимосвязей между ними. Трудоёмкость каждой работы сетевого графика определяется экспертным путём, исходя из общих затрат времени темы.

Длительность работы:

,

где T_ij - трудоёмкость работы, чел.-ч, R - количество исполнителей работы, чел., K_ПЕР - коэффициент перевода рабочих дней в календарные,

K_ПЕР = 1,5.

Перечень и длительность работ сетевого графика

Код работы	Содержание работы	Трудоемкость	Кол-во исполнителей	Длит-ть работы, дн.
	1. Системный анализ проекта	22,75
1-2	Составление ТЗ	7,75	1	6
2-3	Подготовка описания задачи	15	2	9
	2. Предварительное проектирование	65
3-4	Разработка и описание методов решения задач	20	1	5
4-5	Синтез алгоритма	20	1	5
5-6	Исследование и уточнение мат. Модели	25	1	9
	3. Составление программы по готовой схеме	65
6-7	Проектирование новых компонент	25	1	13
7-8	Проектирование интерфейса	20	1	9
8-9	Исправление ошибок	20	1	9
	4. Отладка программы на ЭВМ	650
8-11	Тестирование ПП в имитированной среде	250	2	70
8-10	Определение характеристик ПП в реальной среде	230	2	56
9-12	Корректировка программы	170	2	31
	5. Подготовка документации по задаче	113,75
10-12	Корректировка комплекта документации	23,75	2	8

Далее рассчитаем параметры сетевого графика: ранний и поздний срок свершения событий, резерв времени.

Параметры сетевого графика

Номер события	Ранний срок свершения события	Поздний срок свершения события	Резерв времени
1-2	6	6	0
2-3	15	15	0
3-4	20	20	0
4-5	25	25	0
5-6	34	34	0
6-7	47	47	0
7-8	56	56	0
8-9	65	96	31
8-10	112	119	7

При оптимизации сетевого графика были получены следующие результаты: критический путь равен 143 дня и проходит через события 1 - 2- - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8 - 11 - 13 - 14 - 15 - 16. Оптимизация сетевого графика проведена по типовой программе МЭОП путем перевода исполнителей с одних работ на другие. Линейный график представлен на рисунке.

По результатам проведенной оптимизации можно сократить время работы 8 - 9 и соответственно критический путь. При переводе с работы 8 - 9 на работу 8 - 11 исполнителей в количестве 1,02 критический путь уменьшается при этом на 5,9 дней.

Расчет договорной цены научно-технической продукции

Основная заработная плата исполнителей рассчитывается исходя из оклада, трудоемкости и времени выполнения работы. Заработная плата рассчитывается исходя из оклада с надбавками согласно тарифной сетке для руководителя дипломной работы 17 разряда равного 6340 рублей (оклад - 3024 руб., доплата за степень - 1500 руб., доплата за должность - 1815 руб.) и инженера второй категории, 10 разряда, равного 1764 рубля. Минимальная заработная плата на 2005 год составляет 720 рублей.

Расчет основной заработной платы исполнителей НИР

Исполнители	Трудоемкость, Чел.ч	Часовая оплата, р.	Заработная плата, р.
1 Руководитель темы, 17 разряд	360	38	13680
2 Инженер 2-й категории, 10-й разряд	2000	10,5	21000
Всего	2360		34680

Результат научных исследований и разработок представляет собой научно-техническую продукцию, которая является предметом купли-продажи и реализуется по договорным ценам. Расчет стоимости основных материалов для разработки программного продукта представлен в таблице.

Расчет стоимости основных материалов

Наименование статьи расходов	Цена за ед., р.	Количество, шт.	Сумма, р.
1. CD-RW Verbatim	40	1	40
2. Бумага, пачка 500 листов