Разработка схемы системы стабилизации передатчика в системах атмосферной оптической передачи данных

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Раздел 1. Теоретическая часть

1.1 Обзор атмосферно оптической линии связи

1.2 Принцип действия АОЛС

1.3 Преимущества АОЛС

1.4 Недостатки АОЛС

1.5 Помехоустойчивость АОЛС

1.6 Надежность канала связи АОЛС

1.7 Корректировка пучка света

1.8 Влияние колебаний на качество связи

1.8.1 Низкочастотные колебания

1.8.2 Колебания средних частот

1.8.3 Высокочастотные колебания

1.9 Пьезоэлектрический эффект

1.10 Пьезоэлектрический актюатор

1.10.1 Пакетные (линейные) пьезоактюаторы

1.10.2 Трубчатые пьезоактюаторы

1.10.3 Сдвиговые пьезоактюаторы

1.11 Преимущества пьезоактюаторов, как приводов

Раздел 2. Практическая часть

2.1 Анализ схем построения АОЛС

2.1.1 Активная схема построения АОЛС

2.1.2 Пассивная схема построения АОЛС

2.1.3 Смешанная схема построения АОЛС

2.1.4 Вариант исполнения дуплексной системы передачи информации

2.2 Источник излучения (полупроводниковый лазер)

2.3 Приемники излучения

2.3.1 p-I-n-фотодиоды

2.3.2 Лавинные фотодиоды

2.3.3 Приемник излучения схемы АОЛС

2.4 Приемопередающий электронный модуль

2.5 Приемопередающий оптический модуль

2.6 Разработка схемы стабилизации ППМ системы АОЛС

2.6.1 Расчет максимального угла поворота луча системы АОЛС

2.6.2 Расчет максимального сдвига ППМ системы АОЛС

2.6.3 Получение результатов сдвига в реальном времени

2.6.4 Способ корректировки ППМ в система АОЛС

Раздел 3. Безопасность

3.1 Опасность при работе с лазером

3.2 Безопасности при работе с лазерами

Раздел 4. Экономическая часть

4.1 Экономическая целесообразность

4.2 Сравнение FSO и радиочастотной системы

4.3 Состояние зарубежного рынка АОЛС

4.4 Состояние российского рынка АОЛС

Заключение

Введение

В наше время постоянное развитие информационных технологий и расширение их сферы применения увеличивают требования к пропускной способности каналов вычислительных сетей и их надежность. В настоящий момент доминирующим является использование оптоволоконных, медных проводных и радиоканалов. Однако быстрое развитие имеет и технология атмосферно оптической линий связи. Их перспективность объясняется многими факторами: легкостью монтажа и эксплуатации, высокими (до нескольких Гбит/с) скоростями передачи. И все-таки технология находится на этапе развития, и многие вопросы остаются нерешенными, некоторые из которых были проанализированы в данной работе.

В работе рассмотрена система атмосферной оптической линии связи, описаны их возможности, преимущества и недостатки по сравнению с другими способами передачи информации, технические характеристики систем АОЛС от различных производителей, а также анализ российского и зарубежного рынков. Также разработана система стабилизации оптического прием-передающего модуля с использованием пьезоэлектрических актюаторов.

Раздел 1. Теоретическая часть

1.1 Обзор атмосферно оптической линии связи

Атмосферные оптические линии связи (АОЛС) предназначены для организации беспроводных высокоскоростных защищённых каналов связи на дистанциях от 50 м до 7 км.

Рисунок 1.1 ? Модель АОЛС

Они приобрели широкую популярность из-за простоты реализации и надежности, которая не уступает по надежности решению на основе проводных сетей.

В России сертифицированное оборудование, производится фирмами НПК "Катарсис" (Петербург), ЗАО "Мостком" (Рязань) и ЗАО "ДО" (Санкт-Петербург).

Необходимо отметить, что надежность АОЛС, с точки зрения наработки на отказ, практически у всех производителей достаточно высока.

Основной элемент, вызывавший ранее наибольшие проблемы по ресурсу работы, лазерный излучатель, который на данный момент имеет наработку в сотни тысяч часов.

Используются мощные одномодовые и одночастотные полупроводниковые лазеры ближнего ИК-диапазона, массовое производство которых вызвано потребностями рынка. В отдельных случаях для передачи информации на коротких дистанциях используются мощные светоизлучающие диоды, работающие в диапазоне 0,8…0,9 мкм.

1.2 Принцип действия АОЛС

Беспроводные оптические системы обеспечивают высокоскоростной канал связи посредством инфракрасного излучения. Лазерная связь двух объектов осуществляется посредством соединения типа «точка-точка». Технология основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной части спектра через атмосферу.

Информация идет в приемопередающий модуль, в котором происходит кодировка различными помехоустойчивыми кодами, с помощью оптического лазерного излучателя модулируются и фокусируется оптической системой передатчика в узкий коллимированный лазерный луч, после чего передается в атмосферу. Принимающая сторона оптической системы фокусирует оптический сигнал на высокочувствительный фотодиод (или лавинный фотодиод), который преобразует оптический пучок в электрический сигнал.

Объём передаваемой информации напрямую зависит от частоты, чем выше частота (до 1,5 ГГц), тем больше информации передастся.

Далее, сигнал демодулируется и преобразуется в сигналы выходного интерфейса.



Рисунок 1.2 ? Принцип действия АОЛС

1.3 Преимущества АОЛС

Физические ограничения АОЛС по скорости передачи определяются только собственной частотой несущей электромагнитной волны (1015 …1016 Гц), поскольку в отличие от ВОЛС, среда передачи (атмосфера) не вносит временной дисперсии сигналов. Этот фактор является во многих случаях определяющим при выборе средства передачи. Уже началось практическое освоение больших скоростей, в 2009 году было создано устройство АОЛС со скоростью передачи 2,5 Гбит/с в настоящее время выпускается аппаратура на 10 Гбит/с.

Во многих случаях потребителей привлекает отсутствие необходимости согласования частотного диапазона, поскольку оптический диапазон не регламентирован. И существенно важно, что причин для введения частотных ограничений фактически нет, что связано с чрезвычайно узкой диаграммой направленности излучения лазерных передатчиков и отсутствием боковых лепестков диаграммы направленности оптических антенн.

Существенным достоинством АОЛС является нечувствительность к помехам радиодиапазона. Это позволяет использовать оптические линии в местах с большой насыщенностью радиосистем. За счет узкой диаграммы оптических антенн система АОЛС имеет защищенность канала связи от несанкционированного доступа. По этому критерию данная технология является уникальной. Во всех остальных случаях (волоконные и медные кабели, радиолинии) для защиты информации требуется использование специальных кодов. В открытой оптической линии защита обеспечивается за счет узкой диаграммы направленности излучения. С помощью внешних ИК-приборов можно обнаружить наличие канала связи, но для перехвата информации необходимо установить приемник непосредственно в канал связи, что практически неосуществимо.

Многие производители отмечают в качестве достоинства АОЛС быстроту организации линии связи. Действительно, кроме общих временных затрат, связанных с оформлением аренды мест установки аппаратуры, время на инсталляцию канала при отработанной технологии исчисляется часами.

1.4 Недостатки АОЛС

Основные проблемы АОЛС это:

· малое время наработки на отказ излучающего элемента (лазерного диода или светодиода);

· сильная зависимость расстояния передачи сигнала от погодных условий;

Первая проблема была решена производителями лазерных диодов и на сегодняшний день многие из них, мощностью до 100 мВт уже способны обеспечить работоспособность в 150 тыс. часов (практически 15 лет работы).

Вторая проблема снижения доступности канала связи при уменьшении метеорологической дальности видимости до 100-200 м остается актуальной.

Основной причиной перебоев в связи АОЛС является туман. При видимости менее 100 метров затухание в тумане достигает 170 дБ/км для 780 нм (ближний инфракрасный спектр) и 320 дБ/км для 555 нм (зелёный спектр).

Самая современная АОЛС имеет энергетический запас около 60дБ. В дождливую погоду FSO-системы работают стабильно. Сильный ливень (уровень осадков 75 мм/час) не мешает лазерной системе передавать данные на расстояния до 1.5 км и со скоростью до 1 Гбит/с.

1.5 Помехоустойчивость АОЛС

Основным недостатком АОЛС является зависимость пропускания атмосферой оптического излучения от состояния погоды.

Распространение лазерного излучения в атмосфере сопровождается тремя существенными для лазерной связи процессами:

· поглощение;

· рассеяние;

· турбулентность;

Остальными процессами, такими как резонансное поглощение, молекулярное рассеяние и аэрозольное поглощение, при правильном выборе длины волны можно пренебречь.

Рассмотрим основные процессы, которые влияют на помехоустойчивости АОЛС.

Поглощение светового потока видимого и инфракрасного диапазонов определяется, прежде всего, молекулярным поглощением, крайне неравномерным по частоте. Оно максимально на резонансных частотах молекул воздуха, воды, углекислого газа, озона и других компонент атмосферы.

На Рис. 1.3 приведена зависимость затухания от длины волны.

Если лазерное излучение попадает в центр сильной линии спектра, то оно поглощается атмосферой на 100% даже на небольшом расстоянии. Поэтому для АОЛС следует брать лазеры с излучением, находящимся на участках спектра атмосферы, занятых широкими окнами прозрачности (участками, где поглощение незначительно).

Рисунок 1.3 ? Зависимость затухания от длины волны

Рассеяние в атмосфере представляет собой механическую смесь из газов, паров, капель жидкости и твердых частиц. В ней всегда в переменном количестве присутствуют пыль, дым, кристаллики льда. Поэтому атмосфера является аэрозолем, состав которого непрерывно изменяется из-за перемешивания. Говоря об аэрозольном рассеянии в общем, имеют в виду аэрозольное ослабление, обусловленное не только рассеянием, но и поглощением излучения частицами аэрозоля. Все типы атмосферных аэрозолей можно объединить в следующие основные классы: облака, туманы, дымки, морозь и осадки. В таблице 1.1 показана зависимость затухания от погодных условий.

Таблица 1.1 ? Ослабление излучения в диапазоне 0,85 мкм в зависимости от погодных условий

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

На распространение лазерного луча сильное влияние оказывает также турбулентность атмосферы, то есть случайные пространственно-временные изменения показателя преломления, вызванные перемещением воздуха, флуктуациями его температуры и плотности. Турбулентность атмосферы приводит к искажениям волнового фронта и, следовательно, к колебаниям и уширению лазерного пучка и перераспределению энергии в его поперечном сечении. При этом иногда возникают замирания сигнала и связь становится неустойчивой.

К атмосферным потерям следует добавить еще так называемые геометрические потери сигнала, зависящие от протяженности линии и угловой расходимости излучения Рис. 1.4

Рисунок 1.4 ? Угловая расходимость излучения

Доступность линии АОЛС зависит от допустимого ослабления мощности сигнала между передатчиком и приемником на заданном расстоянии между терминалами и от статистики распределения метеорологической дальности видимости (МДВ) в месте установки линии. Чем больше запас мощности системы, тем меньше погодные условия влияют на работоспособность линии.

При передаче сигнала возможно отклонение луча и, как следствие, выход сигнала из области приёма из-за малейшего изменения положения опорной конструкции по следующим причинам:

· температурное расширение(сжатие) металлических креплений;

· воздействие ветра;

· изменение состояния почвы, фундамента, следовательно, небольшие колебания здания;

1.6 Надежность канала связи АОЛС

Надежность канала связи определяется отношением времени бесперебойной работы линии к общему времени эксплуатации. Это основной параметр, характеризующий потребительские свойства системы. Поэтому большинство производителей в своих рекламных материалах приводят параметр доступности в первую очередь. Опыт эксплуатации АОЛС показал, что дожди, дымки и снег средней интенсивности мало влияют на работоспособность линий связи, обладающих достаточным динамическим потенциалом.

Основной причиной нарушения работоспособности последних являются туманы. Кроме того, ухудшение видимости менее 1000 метров при метелях, снегопадах, дождях и моросях имеет повторяемость не более 5-10%, остальные 90-95% приходятся на туманы. Вероятность образования тумана, его характер, интенсивность и продолжительность существенно зависят от широты места, географических особенностей, сезона года, характера атмосферных процессов. Из практики известно, что в одних случаях туман сплошь застилает значительную территорию, в других - возникает местами, то есть имеет большую пространственно-временную изменчивость.

Для обеспечения работоспособности линии связи на требуемой дистанции с определенным уровнем надежности связи (или доступности канала) необходимо иметь достаточный динамический запас энергетического потенциала линии или диапазон допустимого затухания мощности сигнала на приемнике, при котором линия сохраняет работоспособность. Верхняя граница динамического диапазона определяется геометрическими потерями и флуктуациями, т.е. это максимальная величина сигнала на приемной антенне, которая реализуется при отсутствии потерь на пропускание атмосферы. Нижняя граница обусловлена чувствительностью приемника и определяет уровень работоспособности системы при плохих погодных условиях.

1.7 Корректировка пучка света

Важным фактором при производстве систем АОЛС является корректировка пучка света. Эта проблема решается двумя известными способами:

· узкий, сфокусированный пучок света с автоматической корректировкой смещения;

· широкий пучок света без корректировки;

Система АОЛС с автоматической корректировкой самостоятельно устраняет смещения, до того как они приведут к нарушению передачи связи. Расстояние и скорость передачи данных являются основными факторами при определении необходимости автоматической корректировки. Атмосферно оптические линии связи, до 200 метров имеющие скорость передачи 10 Мб/с менее уязвимы, чем 500 метровые атмосферно оптические линии связи со скоростью передачи 1.25 Гб/с.

В основу таких систем обычно входит два компонента:

· датчика-целеуказателя;

· блока наведения;

Датчик-целеуказатель представляет из себя высокочувствительную ПЗС-матрицу установленную на оптическую ось прием-передающего модуля и управляемую микропроцессором с помощью которого осуществляется селекция цели в условиях помех и солнечной засветки и выдача сигнала отклонения от направления связи на блок наведения.

Блок наведения направляет ось прием-передающего модуля на место установки другого терминала в соответствии с данными датчик-целеуказателя. Наведение осуществляется за счет изменения положения задней части оптико-электронного блока прием-передающего модуля штоками блока наведения.



Рисунок 1.5 ? Система АОЛС с автоматической корректировкой смещения

При этом обеспечивается максимально точное наведение (0,08 мрад) независимо от подвижности опоры на которой закреплено АОЛС оборудование.

Это позволяет повысить надежность передачи связи с помощью системы АОЛС на больших дистанциях и уменьшает требования к стабильности опоры и обслуживанию АОЛС оборудования.

Рисунок 1.6 ? Система АОЛС с широким пучком

Система АОЛС с широким пучком увеличивает зону приема. Однако такая система больше подвержена затуханию и поэтому более восприимчива к погодным условиям.

1.8 Влияние колебаний на качество связи

Система АОЛС подвержена постоянным движениям. В движение приводит рад факторов, таких как температурное расширение (сжатие) металлических креплений, воздействие ветра, изменение состояния почвы, фундамента.

Узкая направленность излучения и ограниченный угол зрения приемника приводят к тому, что движение нарушает связь.

Это движение обычно упоминается как “движение опоры”. Движение опоры обычно классифицируется как низко-, средне- и высокочастотное. Низкочастотное - это движение с периодом колебаний от одной минут до нескольких месяцев и характеризуется суточными и сезонными колебаниями температуры. Среднечастотное движение имеет период масштаба секунд и связано с движением зданий под воздействием ветра. Высокочастотные колебания с периодом меньше чем 1 с, обычно называемые вибрацией, вызываются работой крупного оборудования и деятельностью человека.

1.8.1 Низкочастотные колебания

Изменение температуры и давления приводит к изгибу и скручиванию зданий.

На амплитуду этих деформаций очень сильно влияет размер, форма и конструкция зданий.

Низкочастотные колебания настолько малы и медленны, что идет незаметно для жильцов здания. Но, отклонение увеличивается с увеличением высоты здания и может пагубно влиять на передачу информации атмосферно оптической системы.



Рисунок 1.7 ? Влияние атмосферного давления на деформацию здания

1.8.2 Колебания средних частот

Колебания средних частот вызываются ветром и могут быть весьма существенны для высоких зданий. При проектировании высотных зданий основной целью является устойчивость постройки пир сильных ветрах. Поэтому, данные колебания могут быть вызваны только очень сильным ветром и, вероятно, только на высоких зданиях. Такие колебания могут вызвать только кратковременные прерывания связи у АОЛС системы, поскольку прекращение порыва ветра вернет здание в начальное положение. Приемопередатчики с достаточно широким пучком, а также с достаточно эффективной системой автоматического наведения и слежения могут компенсировать эти редкие и сильные отклонения без прекращения связи.

1.8.3 Высокочастотные колебания

Высокочастотные колебания появляются из-за вибраций, имеют частоту выше нескольких герц и зависят от способа установки АОЛС системы. Установка на этаже, стене или крыше (то есть на поверхности кровли или парапетной стенки) может дать весьма различающиеся уровни колебаний.

На Рис. 1.8 представлены графики спектральной плотности мощности вибрации для нескольких зданий, включая два крепления на крыше (поверхности кровли), два высоких административных здания (крепление на этаже), и невысокое деревянное здание (крепление на этаже). Кривые показывают большой разброс в амплитудах вибрации от здания к зданию.

Рисунок 1.8 ? Графики спектральной плотности мощности вибрации зданий

Как видно из рисунка разброс амплитуд очень велик. Кроме того, величина вибрации зависит от действий жителей (ходьба, закрытие дверей) и может сильно меняться в течение короткого промежутка времени для одного здания.

1.9 Пьезоэлектрический эффект

Некоторые твердые материалы, могут менять свои линейные размеры под действием электрического и магнитного полей (железо, никель, их сплавы или окислы). Материалы, изменяющие свой размер под действием электрического поля называются пьезоэлектрическим материалам, а материалы, меняющие свой размер под действием магнитного поля относятся - к пьезомагнитным материалам. Соответственно различают пьезоэлектрический и пьезомагнитный эффекты.

Пьезоэлектрический двигатель может быть выполнен как из тех, так и из других материалов. Однако более широкое применение и наибольшую эффективность в настоящее время имеют пьезоэлектрические двигатели.

Существует прямой и обратный пьезоэффекты.

· Прямой - это появление электрического заряда при деформации пьезоэлемента;

· Обратный - линейное изменение размеров пьезоэлемента при изменении электрического поля;

1.10 Пьезоэлектрический актюатор

атмосферный оптический линия связь

Пьезоактюатор - пьезомеханическое устройство, которое может приводить в действие механизмы и системы или управлять ими на основе пьезоэлектрического эффекта. В настоящее время существует множество разнообразных типов и видов пьезокерамических актюаторов, но нету единой международной классификации. Их различают по используемым направлениям пьезоэффектов, конструкциям, предназначениям.

Их условно можно свести в следующие основные группы:

· Пакетные (линейные) пьезоактюаторы;

· Трубчатые пьезоактюаторы;

· Сдвиговые пьезоактюаторы;

1.10.1 Пакетные (линейные) пьезоактюаторы

Пьезоактюаторы такого типа наиболее широко используемые. В свою очередь они делятся на низковольтные и высоковольтные, корпусные и бескорпусные многослойные дискретные и многослойные монолитные и т.д. Пакетные актюаторы могут генерировать силу огромной величины - более 100 килоньютон. Максимальный ход не превышает 500 мкм. Для защиты пьезокерамического пакета они выполняются в металлических корпусах со встроенной системой предварительного механического напряжения.



Рисунок 1.9 ? Пакетные пьезоактюаторы (а ? высоковольтные, б - низковольтные)

1.10.2 Трубчатые пьезоактюаторы

Работа трубчатых пьезоактюаторов основывается на сужении внутреннего сечения полого пьезокерамического цилиндра. Используются в сканирующих микроскопах и микронасосах.

1.10.3 Сдвиговые пьезоактюаторы

Сдвиговые пьезоактюаторы могут генерировать большую блокирующую силу при значительном сдвиге. Используются в качестве пьезоэлектрических линейных моторов, а также как одноосевые и двухосевые позиционирующие элементы.

Рисунок 1.10 ? Конструкция сдвигового пьезоактюатора

1.11 Преимущества пьезоактюаторов, как приводов

Пьезоэлектрические актюаторы преобразуют электрическую энергию непосредственно в механическую. Они могут осуществлять перемещение в субнанометрическом диапазоне (). Также имеют большую скорость срабатывания в диапазоне микросекунд. Способны развивать большие силы способные перемещать конструкции весом 100 и более тонн на 250-500 микрон с минимальным шагом (чувствительностью) 0,05 - 0,1нм. Они не генерируют магнитные поля, что особенно важно при использовании в оборудовании, где недопустимы электромагнитные помехи. Пьезоактюаторы имеют низкое потребление энергии в статическом состоянии, даже под воздействием больших нагрузок. В состоянии покоя они также не выделяют тепловую энергию. В конструкции пьезоактюаторов нет шестерен или подшипников, благодаря чему они не подвержены износу. На практике у пьезоактюаторов не выявлено какого-либо износа после нескольких миллионов рабочих циклов. Есть возможность работать в экстремальных условиях, так как пьезоактюаторы не требуют смазки, а пьезоэлектрический эффект присутствует даже при низких температурах. Существуют пьезоактюаторы которые могут при криогенных температурах. А новые типы актюаторов с керамической изоляцией идеальны для работы в условиях сверхвысокого вакуума.

Раздел 2. Практическая часть

2.1 Анализ схем построения АОЛС

Для построения АОЛС используются различные схемы, такие как активная, пассивная, смешанная. Наиболее часто использующаяся активная схема построения АОЛС.

2.1.1 Активная схема построения АОЛС

В активной схеме источник и приемник излучения находятся внутри приемопередающего оптического блока. Как правило, в фокусе или вблизи объектива. Схема активного исполнения АОЛС показана на Рис. 2.1.

К плюсам данной схемы следует отнести большую площадь фотоприемника, что в свою очередь, увеличивает угол поля зрения, а это благоприятно сказывается на уменьшении энергетических потерь и требований к угловым перемещениям приемопередающих оптических блоков друг относительно друга.

К недостаткам данной схемы следует отнести необходимость подведения питания непосредственно к оптическим блокам, что невсегда возможно.

Рисунок 2.1 ? Схема активного исполнения АОЛС

(И - источник, П - приемник, ОС - оптическая система)

2.1.2 Пассивная схема построения АОЛС

Пассивная схема построения АОЛС осуществляется следующим образом. Источник и приемник излучения располагаются непосредственно в корпусе медиаконвертеров, которые осуществляют преобразования интерфейсов «витая пара - одномодовый (многомодовый) оптический кабель». Схема пассивного исполнения АОЛС показана на Рис. 2.2. Соединение медиаконвертера с оптическим блоком осуществляется с помощью одномодового или многомодового оптического кабеля оконцованного коннектором. В данной схеме источником и приемником оптического излучения является торец оптического волокна, расположенного в непосредственной близости к фокусу приемопередающей оптической системы. Недостатком пассивной схемы следует отнести достаточно жесткие требования к юстировке оптических блоков по углу из-за малых размеров приемной площадки, которая является торцом оптического волокна: диаметр одномодового волокна 5…9 мкм, многомодового 50…62.5 мкм. Для увеличения поля зрения необходимо увеличивать в несколько раз диаметр падающего пучка на торец волокна приемника, что приводит к геометрическим потерям из-за разности площадей оптического волокна приемника и пятна излучения.

К достоинствам можно отнести отсутствие необходимости подвода питания к оптическим блокам.

Рисунок 2.2 ? Схема пассивного исполнения АОЛС

(И - источник, П - приемник, ОВ - оптическое волокно ОС - оптическая система)

2.1.3 Смешанная схема построения АОЛС

В том случае, когда невозможно реализовать активную или пассивную схему, используется смешанная схема, которая изображена на Рис. 2.3. Существует несколько вариантов реализации данной схемы, например, когда в одном приемопередающем оптическом блоке источник и приемник излучения находятся внутри оптического блока, а в другом источник и приемник излучения располагаются непосредственно в медиаконвертере, которые соединяются с приемопередающим оптическим блоком с помощью оптического волокна.

Рисунок 2.3 ? Схема смешанного исполнения АОЛС

(И - источник, П - приемник, О.В. - оптическое волокно ОС - оптическая система)

2.1.4 Вариант исполнения дуплексной системы передачи информации

Передача информации, как правило, осуществляется в дуплексном виде, т.е. передача информации осуществляется в обе стороны, в двух вариантах. Первый вариант представлен на Рис. 2.4. На одной длине волны происходит прием и передача оптического сигнала по двум каналам связи.



Рисунок 2.4 ? Схема исполнения дуплексной системы с одной длиной волны (И - источник, П - Приемник)

Второй вариант схемы исполнения дуплексной системы представлен на Рис. 2.5.

Прием и передача сигнала осуществляется по одному каналу на разных длинах волн.

Рисунок 2.5 ? Схема исполнения дуплексной системы на разных длинах волн

2.2 Источник излучения (полупроводниковый лазер)

Принцип действия полупроводниковых лазеров (ППЛ) основан на вынужденной излучательной рекомбинации электронно-дырочных пар, в активных полупроводниковых структурах, получаемых при прохождении через такие структуры электрического тока накачки.

Наибольшее распространение получили лазеры на гетероструктурах (гетеролазеры), лазеры с распределенной обратной связью (РОС-лазеры) и лазеры на квантоворазмерных структурах (КРС-лазеры).

Современные ППЛ, применяемые в системах оптической связи, обычно работают в спектральных диапазонах высокой прозрачности кварцевого оптоволокна - 0.82…0.90 мкм, 1.30…1.33 мкм и около 1.55 мкм. Типичная мощность излучения таких ППЛ от 1 до 5 мВт; увеличение выходной мощности ППЛ для магистральных волоконно-оптический систем передачи информации (ВОСПИ) сверх 5-10 мВт нецелесообразно, так как срок действия мощных лазеров сравнительно невелик. Кроме этого, при больших плотностях мощности в одномодовом волокне заметную роль начинают играть нелинейно-оптические явления, приводящие к искажениям передаваемых сигналов. Ширина спектра излучения лучших образцов промышленных полупроводниковых лазеров около 0.1 нм при уровне боковых частот ниже 20 дБ. В одночастотных ППЛ, используемых в системах когерентной оптической связи, полуширина спектра генерации менее 500 МГц. Как правило, ППЛ для ВОЛС выпускаются в виде компактных оптоэлектронных модулей, содержащих сервисную электронику (усилитель подводимого сигнала, систему авторегулировки мощности, температуры и др.), фотоприемник для контроля мощности выходного излучения, терморезистор и полупроводниковый термоэлемент (элемент Пельтье) - «холодильник», управляемый специальным электронным устройством и поддерживающий стабильную рабочую температуру внутри модуля. В таком модуле излучение из активной области ППЛ с использованием микролинз вводится в выходное одномодовое или многомодовое оптоволокно. В последние годы выпуск отдельных излучательных полупроводниковых модулей для ВОСПИ становится ограниченным, и гораздо большее распространение в технике оптической связи находят приемо-передающие оптоэлектронные модули, содержащие в едином компактном блоке полупроводниковые излучатель и фотоприемник. Частота модуляции современных коммерческих высокоскоростных ППЛ составляет от нескольких десятков - сотен МГц до примерно 1.5…2.5 ГГц. В уникальных образцах ППЛ достигнута скорость передачи сигналов свыше 25 Гбит/с. В последние годы повышенный интерес разработчиков ВОСПИ вызывают «викселы» - полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL - vertical-cavity surface-emitting lasers). В таких лазерах резонатор образован двумя объемными дифракционными решетками Брэгга и излучение генерируется в направлении, перпендикулярном плоскости подложки, являющейся основанием гетероразмерных и квантоворазмерных слоев полупроводников. Благодаря сверх короткой длине L резонатора Фабри- Перо, викселы генерируют на одной продольной моде, при этом диаметр выходного пучка лазера достигает 20…30 мкм, что позволяет осуществлять его эффективную фокусировку в одномодовое волокно. Пороговый ток викселов крайне мал - до 2…5 мА, мощность излучения около 1 мВт. Приложением электрического поля в направлении оси резонатора в некоторых (консольных) вариантах VCSEL удается осуществлять плавную перестройку длины волны генерации в полосе длин волн 1530… 1560 нм.

2.3 Приемники излучения

Фотоприемники - устройства для преобразования сигналов электромагнитного излучения. Существуют различные типы фотоприемников, в которых используются вещества в разных агрегатных состояниях. Наряду с одноэлементными приемниками существуют многоэлементные приемники, с отдельными при?мными элементами, дискретно или непрерывно распредел?нными по поверхности.

2.3.1 p-I-n-фотодиоды

p-I-n фотодиод представляет собой трехслойную структуру из p- и n-полупроводников, разделенную сравнительно протяженной I-областью слаболегированного полупроводника. Поглощение квантов света происходит в обедненной I-области, при этом в результате внутреннего фотоэффекта в объеме этого слоя образуются электроны и дырки, время жизни которых намного превышает их время жизни в p- и n- слоях (где они быстро рекомбинируют). Во внешнем электрическом поле носители заряда дрейфуют, обусловливая электрический ток в замкнутой электрической цепи фотоприемного устройства. Спектральная чувствительность p-I-n фотодиодов определяется типом полупроводниковой структуры, при этом красная граница фотоэффекта составляет около 0.9 мкм для арсенида галлия, 1.1 мкм для кремния и 1.7 мкм для германия. Сегодня разработаны и практически используются более сложные фотоприемные полупроводниковые структуры, в том числе квантоворазмерные, обладающие высокой квантовой эффективностью как в узкой, так и в широкой полосах спектра длин волн. В лучших образцах p-I-n фотодиодов чувствительность фотодиода (отношение величины фототока к мощности падающего излучения) достигает уровня свыше 0.9 А/Вт. Временные характеристики p-I-n фотодиодов определяются толщиной обедненного I-слоя, скоростью дрейфа носителей заряда и собственной емкостью фотодиода и подводимых электродов. Высокоскоростные p-I-n фотодиоды характеризуются временем нарастания спада регистрируемого оптического сигнала величиной 10 - 100 пикосекунд. Величина обратного напряжения смещения в p-I-n фотодиодах обычно от 10 до 20 В.

2.3.2 Лавинные фотодиоды

Лавинные фотодиоды (ЛФД) относятся к полупроводниковым фотоприемникам с внутренним усилением фототока. Конструктивно в лавинных фотодиодах между областью поглощения света (р - областью) и n- областью полупроводниковой p-р-n структуры расположен дополнительный слой p- полупроводника, тот есть структура ЛФД имеет вид p-р-p-n. При высоком напряжении обратного смещения носители, дрейфующие в р-области, приобретают кинетическую энергию, достаточную для ударной ионизации атомов кристаллической решетки полупроводника. Благодаря большой, около 105 В/см, напряженности электрического поля вблизи границы p- и n- полупроводников, первичная, образовавшаяся при поглощении одного кванта электронно-дырочная пара может создать десятки-сотни вторичных пар. В результате лавинного умножения числа носителей величина фототока в ЛФД, по сравнению с фототоком в p-I-n фотодиоде, возрастает в 100 000 раз, что способствует увеличению чувствительности такого фотоприемника более чем на порядок. Основным недостатком ЛФД являются сравнительно большие шумы, вызванные температурными флуктуациями величины коэффициента лавинного умножения. Величина обратного напряжения смещения в современных ЛФД лежит в пределах 30 - 200 В и устанавливается с высокой точностью, например, около 0.1 В. Полоса рабочих частот ЛФД достигает 80 ГГц. и длины регенерационного участка линии передачи.

2.3.3 Приемник излучения схемы АОЛС

В качестве приемника излучения схемы АОЛС целесообразно использовать p-i-n фотодиод марки (DFD-70), со спектральной чувствительностью 0,85 А/Вт при длине волны 1330 нм, с размером площадки до 70 мкм.

Это обусловлено следующими его свойствами.

p-I-n фотодиод обеспечивает требуемый динамический диапазон и быстродействие до 1 Гб/с. Зависимость характеристик фотодиода от изменений окружающих условий (температуры, вибраций) минимальна. Спектральная характеристика согласована с длиной волны излучателя. Кроме того, фотодетектор имеет малые габариты и массу, отвечает условиям совместимости с оптоволокном и электронными устройствами, потребляет малую энергию.

Данный тип фотодиода обеспечивает функционирование в требуемом спектральном диапазоне, максимальную интегральную чувствительность, минимальную эквивалентную мощность шумов и минимальный темновой ток.

2.4 Приемопередающий электронный модуль

В качестве приемопередающего электронного модуля расмотрен конвертер «Gigabit Ethernet Converter» (10/100/1000 Base -TX to 1000 Base-SX/LX), модель DF-1000-1310-SC 20 в состав которого входит лазерный диод и фотоприемник, обеспечивающие передачу информации с быстродействием до 1 Гб/сек. Длина волны лазерного диода 1310 нм, мощность оптического излучения 1.5 мВт, спектральная чувствительность фотоприемника 0,85 А/Вт.

Рисунок 2.6 ? Приемопередающий электронный модуль

2.5 Приемопередающий оптический модуль

Оптический модуль состоит из приемного и передающего блока. Передающий и принимающий оптические блоки выполнен на основе двухлинзового объектива, в фокальной плоскости которого располагается источник и приемник излучения. Вес оптического ППМ равен 2 кг.

Рисунок 2.7 ? Схема блока передающего и принимающего оптического модуля

2.6 Разработка схемы стабилизации ППМ системы АОЛС

При разработке системы стабилизации оптического ППМ системы АОЛС было принято решение использовать пьезоэлектрические актюаторы.

2.6.1 Расчет максимального угла поворота луча системы АОЛС

При проектировании зданий архитекторы рассчитывают, чтобы максимальные отклонения здания не превышали 1/500 его высоты. Для расчета углов поворота АОЛС это основная характеристика. Для расчета возьмем 10-ти этажное здание высота которого ~ 30 (м). А расстояние между двумя системами АОЛС 2000 (м).

Рисунок 2.8 ? Пример максимального угла поворота луча системы АОЛС

Где,

· a - Прохождение луча без отклонений от одной системы АОЛС к другой;

· b - Максимальное отклонение здания;

· c - Прохождение луча с максимальным отклонением одного здания;

· d - Прихождение луча с максимальным отклонением двух зданий;

· 90-б - Максимальный угол поворота луча системы АОЛС;

Их размеры указаны в (1).

(1)

По формуле (2) находим максимальный угол поворота луча системы АОЛС.

(2)

Расчет максимального угла поворота луча системы АОЛС (3).

(3)

2.6.2 Расчет максимального сдвига ППМ системы АОЛС

Для сдвига оптического ППМ вес которого равен примерно 2 (кг) нам понадобится рычаг для уменьшения требуемой силы прилагаемой пьезоактюаторами.



Рисунок 2.9 ? Пример максимального сдвига ППМ системы АОЛС

Где,

· x - Длина рычага для сдвига ППМ системы АОЛС;

· y - Максимальный сдвиг ППМ системы АОЛС для фокусировки;

Размер рычага (4).

(4)

Из Рис. 2.9 видно, что для определения сдвига ППМ системы АОЛС нужно воспользоваться формулой (5).

(5)

Расчет сдвига ППМ системы АОЛС рассчитан (6).

(6)

Так как система АОЛС установлена на двух зданиях, каждое из которых может отклониться максимум на 0.06 (м), то максимальный сдвиг ППМ будет 30 (мкм).

2.6.3 Получение результатов сдвига в реальном времени

Для получения результатов сдвига в реальном времени на одну систему АОЛС установим красную лазерную указку. Это самый распространенный тип лазерных указок. В этих указках используется лазерные диоды с коллиматором. Мощность варьируется приблизительно от одного милливатта до ватта. Маломощные указки питаются от маленьких батареек (таблеток). Красные указки -- одни из самых дешевых по соотношению цена/мощность.

Рисунок 2.10 ? Красная лазерная указка

На вторую систему АОЛС установим ПЗС матрицу.

В ПЗС матрице очень много светочувствительных площадок (часто их называют пикселами - элементами, принимающими свет и преобразующими его в электрические заряды), от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч и даже нескольких миллионов. Размеры отдельных пикселов одинаковы и могут быть от единиц до десятков микрон.



Рисунок 2.11 ? ПЗС матрица с пикселами

В ПЗС приёмнике, нет огромного числа электрических контактов для вывода электрических сигналов, которые, казалось бы, должны идти от каждого светоприемного элемента. Зато к ПЗС приемнику подключается электронная схема, которая позволяет извлекать с каждого светочувствительного элемента электрический сигнал, пропорциональный его засветке.

Рисунок 2.12 ? ПЗС матрица

Таким образом, при сдвиге системы АОЛС мы узнаем, как надо откорректировать ППМ.

Таблицы 2.1 ? ПЗС матрицы

Матрица	Размер матрицы (мм)	Разрешение пиксели	Размер пикселя (мкм)
1	2	3	4
KAI-29050	36*24	6576*4384	5.5*5.5
KAI-11002	36*24	4008*2672	9*9
KAI-4022	15*15	2048*2048	7.4*7.4
KAI-08060	18.1*13.6	5296*3472	2.3*2.3
KAI-04050	12.3*9.6	1230*960	0.8*0.8
KAI-2020	11.84*8.88	1600*1200	7.4*7.4
KAI-02050	8.8*6.6	1600*1200	5.5*5.5
ICX285	8.77*6.6	1392*1040	6.45*6.45
ICX205	6.32*4.76	1392*1040	4.65*4.65
ICX415	6.32*4.76	782*582	8.3*8.3

Рисунок 2.13 ? Пример использования лазерной указки и ПЗС матрицы на ППМ в системе АОЛС

Где,

1 - Передающий блок;

2 - Принимающий блок;

3 - Красная лазерная указка;

4 - ПЗС матрица;

2.6.4 Способ корректировки ППМ в системе АОЛС

В нашей корректирующей системе сдвиг будет осуществляться с помощью пьезоактюаторов. Как мы выяснили ранее, максимальный сдвиг у нас составляет ~30 (мкм). Из выше сказанного можно отметить, что пьезоактюаторы в полной мере подходят для выполнения нашей задачи.

Таблица 2.2 ? Многослойные пьезоактюаторы

Параметр	Тип актюатора
	АПМ-2-7	АПМ-2-11	АПМ-2-15	АПМ-2-22
Кол-во элементов, N	7	11	15	22
L, мм	20	31	41	61
Максимальное перемещение, мкм	14	22	30	44
Воздействие внешних факторов
Рабочий диапазон температур, єС	от минус 30 до +85
Изменение температуры среды, єС	от минус 40 до +85
Срок службы, лет	10
Наработка на отказ, циклов	1·10^9

Область применения:

· Оптико-механические устройства с системой стабилизации;

· Системы автоюстировки и настройки лазеров, оптических устройств, включая интерферометры;

· Приводы для адаптивных оптических систем и оптических фазовых модуляторов;

· Юстировка волоконно-оптических систем передачи и приема информации.

Рисунок 2.14 ? Конструкторское исполнение АПМ-2-N



Рисунок 2.15 ? Блок схема работы системы АОЛС со системой стабилизации АОЛС

Рисунок 2.16 ? Схема ППМ с системой стабилизации

Где,

1 - Принимающий блок (см. Рис. 2.7);

2 - Передающий блок (см. Рис. 2.7);

3 - Многослойный пьезоактюатор АПМ-2-15 (см. таблицу 2.2);

4 - ПЗС матрица KAI-04050 (см. таблицу 2.1);

5 - Красная лазерная указка;

При колебании здания ПЗС матрица фиксирует сдвиг фокусирующего луча (луч красной лазерной указки) и передает информацию о сдвиге в микропроцессор, который в свою очередь корректирует систему с помощью пьезоактюаторов.

Раздел 3. Безопасность

3.1 Опасность при работе с лазером

Уникальные свойства лазерного излучения, к которым относятся: монохроматичность, непосредственно связанная с высокой степенью когерентности, мощность (энергия) и направленность, непрерывно расширяют сферу его использования. В зависимости от того, какие свойства лазерного излучения используются для достижения поставленной цели, можно условно выделить три направления его применения.

Первое направление предусматривает использование энергетических характеристик излучения, благодаря которым излучение вызывает нагрев облучаемого материала и в необходимых случаях приводит к изменению его агрегатного состояния.

Второе направление предусматривает использование таких свойств излучения, как пространственная и временная когерентность, монохроматичность и стабильность частоты.

Третье направление предусматривает использование направленности излучения.

По мере развития лазерной техники и технологии наблюдается тенденция увеличения энергетических и расширение частотных характеристик лазерного излучения. Цель использования лазера (назначение) определяет выбор основных технических характеристик лазера и требования к его конструкции.

При работе с лазерной техникой на обслуживающий персонал может воздействовать комплекс опасных и вредных производственных факторов. Количественные и качественные характеристики неблагоприятных производственных факторов зависят от физико-химических свойств обрабатываемого материала и пространственно-энергетических характеристик лазерного излучения.

Опасные и вредные производственные факторы, определяющие условия труда операторов лазерных установок, условно разделяют на первичные и вторичные. К первичным относят факторы, источником образования которых является непосредственно лазерная установка, к вторичным - факторы, образующиеся при воздействии лазерного излучения на обрабатываемый материал.

При эксплуатации и разработке лазерных изделий необходимо учитывать также возможность взрывов и пожаров при попадании лазерного излучения на горючие материалы.

При проведении ремонтно-профилактических и пусконаладочных работ можно ожидать наличия дополнительных неблагоприятных факторов, характеристики которых зависят от конструктивных особенностей лазерного оборудования.

Наибольшую опасность лазерное излучение представляет для глаз и кожи. Вместе с тем лазерное излучение может вызывать в организме человека различные патологические изменения, функциональные расстройства центральной нервной, сердечно-сосудистой и вегетативной систем, а также влиять на различные внутренние органы.

3.2 Безопасности при работе с лазерами

Основным документом, регламентирующим требования безопасности при эксплуатации лазерных установок, являются "Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров" № 5804-91 (СанПиН-лазер).

Этот документ устанавливает:

· предельно допустимые уровни (ПДУ) лазерного излучения в диапазоне длин волн 180...105 нм при различных условиях воздействия на человека;

· классификацию лазеров по степени опасности генерируемого ими излучения;

· требования к устройству и эксплуатации лазеров;

· требования к производственным помещениям, размещению оборудования и организации рабочих мест;

· требования к персоналу;

· контроль за состоянием производственной среды;

· требования к применению средств защиты;

· требования к медицинскому контролю;

В СанПиН-лазер приведены соотношения для определения ПДУ при однократном воздействии на глаза и кожу одиночных импульсов коллимированного или диффузного лазерного излучения, а также поправки для учета хронического воздействия повторяющихся импульсов и углового размера источников диффузного излучения.

Инструментом, позволяющим определять основные направления работы по нормализации условий труда операторов лазерных установок, является классификация лазеров по степени опасности генерируемого ими излучения. Определение класса опасности основано на учете его выходной энергии (мощности) и предельно допустимых уровней при однократном воздействии генерируемого излучения. Лазеры по степени опасности подразделяют на четыре класса.

К лазерам I класса относят полностью безопасные лазеры, т.е. такие лазеры, выходное (коллимированное) излучение которых не представляет опасности при облучении глаз и кожи.

Лазеры II класса - это лазеры, выходное излучение которых представляет опасность при облучении глаз или кожи человека коллимированным пучком (опасность при облучении кожи существует только в I и III спектральных диапазонах). Диффузно отраженное излучение безопасно как для кожи, так и для глаз во всех спектральных диапазонах.

К лазерам III класса относят такие лазеры, выходное излучение которых представляет опасность при облучении глаз не только коллимированным, но и диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 (см) от отражающей поверхности и при облучении кожи коллимированным излучением. Диффузно отраженное излучение не представляет опасности для кожи. К этому классу относят лазеры, генерирующие излучение в спектральном диапазоне II.

Лазеры IV класса включают такие лазеры, диффузно отраженное излучение которых, представляет опасность для глаз и кожи на расстоянии 10 (см) от отражающей поверхности.

Лазеры классифицирует предприятие-изготовитель по выходным характеристикам излучения расчетным методом.

Раздел 4. Экономическая часть

4.1 Экономическая целесообразность

Система АОЛС является очень выгодной альтернативой проводным системам передачи данных. На практике, для решения одной и той же задачи АОЛС системы могут обойтись в несколько раз меньше, чем прокладка волокон-оптических кабелей. Их развертка на объекте происходит очень быстро, в течение нескольких дней. Для кабелей нужно рыть траншеи, что не только очень дорого, но и вредно для окружающей среды. Линии связи АОЛС обходятся дешевле и вследствие более выгодно, чем аренда линий связи у провайдера.

4.2 Сравнение FSO и радиочастотной системы

АОЛС не единственная беспроводная система передачи данных, также есть радиочастотная система. В таблице 4.1 показаны преимущества каждой системы.

Таблица 4.1 ? Сравнение АОЛС с Радиочастотной системой

ФАКТОР	АТМОСФЕРНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА	РАДИОЧАСТОТНАЯ СИСТЕМА
1	2	3
Полоса пропускания	10 Мб/с-- 1.25 Гб/с	11Мб/с - 100 Мб/с
Скорость передачи	Определяется сетью	Определяется частотой
1	2	3
Погода	Лучше при дожде	Лучше при тумане
Препятствия в прямой видимости	Не допустимы	Допустимы
Безопасность	Сигнал трудно перехватить	Сигнал легко перехватить
Стоимость систем	$5,000-$60,000	$1,000-$50,000

4.3 Состояние зарубежного рынка АОЛС

За рубежом наиболее популярны следующие производители АОЛС-систем: Canon (Япония), LightPointe Communications Inc. (США), fSona Communications Corp. (Канада), MRV Communications Inc. (США), Optel Optical Communication GmbH (Германия), PAV Data Systems Ltd.(Великобритания), GeoDesy (Венгрия). Применение АОЛС систем не ограничивается только технологически продвинутыми регионами и странами, как Европа, США, Канада, Япония, но и применяется в развивающихся странах, например, такие, как Египет, Малайзия, Кувейт, Танзания и прочие.

Стоимость зарубежной гигабитной (1 Гбит/с Ethernet, Gigabit Ethernet) системы АОЛС находится в диапазоне 20-40 тыс. долларов.

4.4 Состояние российского рынка АОЛС

На российском рынке системы АОЛС продвигают такие компании как: «Оптические ТелеСистемы», г. Санк-Петербург (системы с адаптивно изменяемой скоростью «ЛАНтастИКа»); «Мостком», г. Рязань (системы «Artolink»); «Лазерные Информационные Телекоммуникации», г. Екатеринбург, (системы «ОСС»).

Стоимость российских гигабитных (1 Гбит/с Ethernet, Gigabit Ethernet) АОЛС систем находится в диапазоне 5-20 тыс. долларов.

Рисунок 4.1 ? Стоимость АОЛС систем

Если провести анализ российского и зарубежного рынков можно заключить следующее: в сравнении с проводными и радиочастотными системами, система АОЛС показывает лучшие результаты.

Но остается такой негативный фактор как потеря сигнала при колебаниях системы АОЛС, который решается системой фокусировки. На данный момент АОЛС системы с фокусировкой стоят на порядок выше, что и мешает продвижению в массовому использование.

В данной работе рассматривается способ реализации системы стабилизации, направленная на удешевление построения систем АОЛС.

Заключение

В результате проделанной работы исследована атмосферно оптическая линия связи и разработана система автоматической корректировки положения луча оптического ППМ АОЛС на основе пьезоактюаторов. Рассчитаны максимальные углы поворотов луча оптического ППМ при установке на 10-ти этажное здание.

Список использованных источников

1 Николаев А.Ю. Расчет надежности работы атмосферной оптической линии связи.-М, 2001, № 4(17), с. 26.

2 Ишанин, Г.Г. Источники и приемники излучения : учеб. пособие / Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков. - СПб: Политехника, 1991, с. 86.

3 Ишанин, Г.Г. Источники излучения : учеб. пособие / Г.Г. Ишанин, В.В. Козлов. - СПб: СПБГУ ИТМО, 2005, с. 241.

4 Панич А.Е. Пьезокерамические актюаторы : учеб. Пособие, 2008, с. 11.

5 Прохоров Д. Атмосферно оптические линии связи-Технологии и средства связи № 1, 2004, с. 1.

6 Яременко Ю.И. Применение открытых оптических систем передачи в сетях связи, 2005, с. 1.

Размещено на Allbest.ru