Материал: Приемопередатчик атмосферной оптической линии связи

Приемопередатчик атмосферной оптической линии связи

Аннотация

В данном дипломном проекте разрабатывается приемопередатчик атмосферной оптической линии связи. Устройство обеспечивает связь на скорости до 1 Гбит/с. Связь с компьютером осуществляется с использованием стандарта IEEE 802.3ab. Данное устройство в основном применяется в корпоративных сетях и операторами связи.

The summary

this capstone project designed transceiver atmospheric optical communication line. The device provides connectivity at speeds up to 1 Gbit / s. Communication with the computer using a standard IEEE 802.3ab. This device is mainly used in corporate networks and operators.

Введение

Оптическая связь осуществляется путем передачи информации с помощью электромагнитных волн оптического диапазона. В качестве примера оптической связи можно привести применявшуюся в прошлом передачу сообщений с помощью костров или семафорной азбуки. В 60-е годы XX века были созданы лазеры и появилась возможность построения широкополосных систем оптической связи. Первая атмосферная линии связи (АЛС) в Москве появилась в конце 60-х годов: была пущена телефонная линия между зданием МГУ на Ленинских горах и Зубовской площадью протяженностью более 5 км. Качество передаваемого сигнала полностью соответствовало нормам. В те же годы опыты с АЛС проводились в Ленинграде, Горьком, Тбилиси и Ереване. В целом, испытания были успешными, но на тот момент специалисты посчитали, что плохие погодные условия делают лазерную связь ненадёжной, и она была признана неперспективной. Использование сигналов с непрерывной (аналоговой) модуляцией, применявшейся в те годы, приводило к ненормированному затуханию оптического сигнала из-за влияния атмосферы.
Современное широкое распространение атмсофреной лазерной связи во многих странах мира началось в 1998 году, когда были созданы недорогие полупроводниковые лазеры мощностью в 100 мВт и более, а применение цифровой обработки сигнала позволило избежать ненормированного затухания сигнала и выполнять повторную передачу пакета информации при обнаружении ошибки. В это же время возникла потребность в лазерной связи, так как стали стремительно развиваться информационные технологии. Резко увеличивается число абонентов, требующих предоставления таких телекоммуникационных услуг, как Интернет, IP-телефония, кабельное телевидение с большим числом каналов, компьютерные сети и т. д. В результате возникла проблема "последней мили" (подключение широкополосного канала связи к конечному пользователю). Прокладка новых кабельных сетей требует крупных капиталовложений, а в ряде случаев, особенно в условиях плотной городской застройки, очень трудна или даже невозможна. Оптимальным решением проблемы последнего участка является использование беспроводных линий передачи.

Преимущества беспроводных линий связи очевидны: это экономичность (не требуется рыть траншеи для укладки кабеля и арендовать землю); низкие эксплуатационные расходы; высокая пропускная способность и качество цифровой связи; быстрое развертывание и изменение конфигурации сети; легкое преодоление препятствий - железных дорог, рек, гор и т.д. Беспроводная связь в радиодиапазоне ограничена перегруженностью и дефицитом частотного диапазона, недостаточной скрытностью, подверженностью помехам, в том числе и преднамеренным, и с соседних каналов, повышенным энергопотреблением. Кроме того, для радиосвязи необходимо длительное согласование и регистрация с назначением частот органами Госсвязьнадзора РФ, арендная плата за канал, обязательная сертификация радиооборудования Государственной комиссией по радиочастотам. Применение лазерных средств снимает этот сложный вопрос. Это обусловлено тем, что, во-первых, частота излучения лазерных систем связи выходит за пределы диапазона, в котором необходимо согласование , во-вторых, отсутствием практических возможностей их обнаружения и идентификации как средств информационного обмена.

Основные свойства лазерных систем:

.        Практически абсолютная защищенность канала от несанкционированного доступа и, как следствие, высокий уровень помехоустойчивости и помехозащищенности за счет возможности концентрации всей энергии сигнала в углах от долей угловых минут (в лазерных космических системах связи) до десятков градусов

.        Высокие информационные емкости каналов (до десятков Гбит/с)

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

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

Таким образом, связь по лазерному лучу через атмосферу в настоящее время стала реальной. Она обеспечивает передачу большого количества информации с высокой надежностью на расстояниях до 5 км и наиболее просто и эффективно решает проблему "последней мили". Системы атмосферной лазерной связи могут использоваться не только на "последней миле" каналов связи, но также и в качестве вставок в волоконно-оптические линии на отдельных труднопроходимых участках; для связи в горных условиях, в аэропортах, между отдельными зданиями одной организации (органы управления, торговые центры, промышленные предприятия, университетские городки, больничные комплексы, стройплощадки и т. д.); при создании разнесенных в пространстве локальных компьютерных сетей; при организации связи между центрами коммутации и базовыми станциями сотовых сетей; для оперативной прокладки линии при ограниченном времени на монтаж. Поэтому в последнее время возрастает интерес к этому виду связи.[1]

1. Технико-экономическое обоснование темы

С конца прошлого столетия наблюдается заметный прогресс элементной базы устройств оптического диапазона. Как следствие, в нем стали быстро развиваться и некоторые технические приложения. В первую очередь это относится к атмосферным оптическим линиям связи(АОЛС).

Такие неоспоримые преимущества АОЛС, как большая информационная емкость, малые габариты и вес аппаратуры, отсутствие взаимных помех и необходимости получать разрешение на использование частот, возможность организации связи на территории, где недоступна или не оправдана радио- и оптоволоконная связь, относительно низкая стоимость, быстрота развертывания связи, простота обслуживания, привели к тому, привели к тому, что атмосферные линии связи заняли определенное место среди других систем передачи информации.

Области применения АОЛС - распределенные кампусные и корпоративные сети (LAN), городские мультисервисные высокоскоростные сети(MAN), телефонные сети общего пользования.[2]

Целью данного дипломного проекта является разработка приемопередающего модуля(ППМ) АОЛС, обеспечивающего передачу информации со скоростью 1 Гбит/c при доступности связи не менее 99%. Данные модули обычно используются в корпоративных сетях или операторами связи и имеют относительно небольшую стоимость.

С точки зрения экономической части, разрабатываемый ППМ является узкоспециализированным, но указанные выше достоинства данного вида связи позволяет ему успешно конкурировать с другими видами телекоммуникаций и быть более выгодным вложением средств.

2. Составление технических условий и их обоснование

В данном дипломном проекте требуется разработать приемопередающее устройство атмосферной оптической линии связи.

Требуется выбрать длину волны излучения, чтобы она имела минимальное затухание в атмосфере и была доступная элементная база. Дальность связи обеспечивается исходя из мощности передатчика, а скорость передачи обеспечивается быстродействием используемых элементов. Требования по мощности засветки предполагают использование оптических фильтров на приемной стороне.

Протокол приема\передачи данных GbE 1000 Base-T требует согласующего устройства, выполняющее кодирование\декодирование сигнала.

Устройство питается от сети 220В 50Гц, поэтому необходимо использовать AC\DC преобразователь напряжения.

Приемопередающий модуль располагается на улице и подвержен влиянию погодных условий, поэтому требуется обеспечить защиту внутреннего содержимого устройства от пыли, влаги, но при этом требуемую для нормальной работы устройств температуру.

3. Теоретическая часть

.1 Передача сигналов ИК диапазона через атмосферу

Закон Бугера-Ламберта-Бера:

Это закон, определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде.. Закон выражается следующей формулой

Где  -соотношение между интенсивностью пучка на расстоянии х, к изначальной интенсивности входящего пучка, - коэффициент ослабления.

Коэффициент ослабления - коэффициент, характеризует свойства вещества. зависит от длины волны λ поглощаемого света. Эта зависимость называется спектром поглощения вещества.

Коэффициент ослабления является суммой четырех отдельных параметров: молекулярного и аэрозольного коэффициентов рассеяния β, и молекулярного и аэрозольного коэффициента поглощения α, каждый из которых является функцией от длины волны.

Таким образом

Эта формула показывает, что общий коэффициент ослабления является результатом суперпозиции различных поглощающих и рассеивающих процессов[22]

- коэффициент молекулярного поглощения(N2, O2,H2О и т.д)

- коэффициен поглощения в аэрозолях(пыль дымка и т.д)

-коэффициент рэлеевского рассеяния, в результате взаимодействия света с частицами меньше, чем длина волны

 -коэффициент Ми рассеяния, в результате взаимодействия света с частицами того же порядка величины, что и длина волны [7]

Рассеяние:

Явление рассеяния связано с корпускулярной природой света. Рассеяние света может существенно повлиять на производительность FSO системы. Рассеяние света не связано с потерей энергии за счет процесса поглощения света. Скорее, это можно описать как перенаправление или перераспределение света, которое может привести к значительному сокращению получаемой интенсивности света на приемной стороне.

Существует несколько «режимов» рассеяния в зависимости от характеристик размера частиц (r), которые свет встречает на своем пути. Данные режимы описываются следующим выражением :, где - длина волны, а r - радиус частицы. Для  - рассеяние в релеевском режиме (Рэлеевское рассеяние);  - рассеяние в Ми режиме(рассеяние Ми), и для  - рассеяние может быть обрабатываться с использованием геометрической оптики[4]

Рэлеевское(молекулярное) рассеяние:

Рэлеевское рассеяние обусловлено флуктуациями плотности атмосферы, а также рассеянием на малых частицах, для которых параметр . Это явление характеризуется упругим взаимодействием. Угловое распределение рассеянного излучения в этом случае близко к изотропному.[4] Классическая формула Рэлея для сечения рассеяния выглядит следующим образом

Где f- сила осциллятора, - длина волны, соответствующая собственной частоте осциллятора, -длина волны рассеиваемого света, e - заряд электрона, c - скорость света, m - масса осциллирующего объекта, -диэлектрическая проницаемость вакуума. [3] Таким образом, сечение рассеяния обратно пропорционально четвертой степени длины волны рассеиваемого света[4]. Зависимость сечения рассеяния от длины волны представлена на рисунке 1

Рисунок 3.1 Зависимость рэлеевского сечения рассеяния от длины волны

Ми (аэрозольное) рассеяние:

Аэрозольное рассеяние ведется в приближении теории Ми и называется рассеяниям Ми, т.е рассеяния на частицах сферической формы, удовлетворяющих условию  [4]. Рассение Ми происходит для частиц, соизмеримых с длиной волны. В ближней инфракрасной зоне туман, дымка и загрязнение окружающей среды(аэрозоли) являются основными источниками рассеяния Ми. При сравнении теории с экспериментом возникают проблемы. Т.к поглощение доминирует в спектре, данные должны быть собраны в диапазонах длин волн, находящихся в окнах прозрачности, с предположением, что происходит только рассеяние. Кроме того, так же должно быть известно распределение частиц. Для аэрозолей это распределение зависит от места, времени, относительной влажности, скорости ветра и т.д. Упрощенная эмпирическая формула, использующая в FSO для расчета коэффициента ослабления из-за рассеяния Ми[3]

В этой формуле, V - видимость, -длина передающей волны. Данная формула не дает требуемой точности, которую можно получить с использованием моделирования и метеорологических данных, но может быть использована для первоначальной оценки потерь.

Поглощение:

Атомы и молекулы характеризуются показателем преломления. Мнимая часть показателя преломления k , связана с коэффицентом поглощения α следующим соотношением

Где,  - сечение поглощения, - концентрация поглощающих частиц

Другими словами, коэффициент поглощения является функцией силы поглощения данного вида частиц, а так же зависит от плотности этих частиц.

Окна прозрачности:

Энергетическое ослабление оптических волн за счет поглощения атмосферными газами играет чрезвычайно важную роль в диапазоне волн 0,3-15 мкм, поскольку здесь сосредоточены наиболее сильные колебательно-вращательные полюсы как основного поглощающего газа - водяного пара, так и всех других газов.

Наиболее характерная особенность этого явления связана с его исключительно высокой спектральной селективностью. Достаточно сказать, что в центрах наиболее сильных линий основных колебательно-вращательных полос поглощения водяного пара излучение полностью поглощается в слоях атмосферы толщиной порядка несколько сантиметров. В то же время в окнах прозрачности солнечное излучение поглощается вертикальным столбом атмосферы при средний условиях не более чем на один-два десятка процентов.

Спектры поглощения атмосферных газов состоят из огромного количества линий, полуширины которых имеют порядок величины , т.е в пределах столько узких участков спектра коэффициенты поглощения изменяются в 2 раза.

Общие линии поглощения в спектрах атмосферных газов вместе с их индивидуальной зависимостью от макрофизических параметров среды (общего, парциальных давлений и температуры), в свою очередь изменяющихся в широких пределах от широты, долготы, высоты и времени, делают задачу количественного определения энергетических потерь оптической волны за счет поглощения газами атмосферы исключительно сложной.[5]