9.8 Оптоэлектронные атмосферные каналы передачи данных в компьютерных сетях

Как отмечалось в предыдущих разделах, в вычислительных системах и сетях активно используются широкополосные радиосредства, обеспечивающие высокоскоростную связь и быстрое развертывание между узлами сетей. Основным недостатком такого канала является необходимость получения разрешения органов Госсвязьнадзора, ограничения по диапазону частот и мощности передатчика.

Оптические атмосферные линии связи свободны от этих недостатков и придают вычислительным, телекоммуникационным системам и сетям такие качества как:

— невосприимчивость к электромагнитным помехам;

— высокую скорость передачи;

— низкую удельную себестоимость бита передаваемой информации;

— совместимость по техническим характеристикам оптоэлектронных приборов и устройств с микроэлектронными схемами и устройствами.

Применение их в вычислительных сетях, безусловно, перспективно.

Поэтому особый интерес представляет использование устройства, состоящего из оптического передатчика - оптической среды (атмосферы) - фотоприемника, то есть оптоэлектронной атмосферной линии передачи информации (при наличии каналообразующих устройств она выполняет функцию канала). Оптический передатчик обычно включает инфракрасный излучающий диод или полупроводниковый лазерный диод и схему управления; фотоприемник - p-i-n фотодиод и усилитель выходного сигнала. Так как такой канал вызывает интерес у потребителей различных областей техники, то его часто называют инфракрасной линией связи или лазерной линией связи и т. д. (хотя в них всегда происходят присущие оптоэлектронным приборам, схемам и системам физические преобразования «электричество - свет - электричество» или их комбинации).

Многие из недостатков электромагнитных приборов, устройств и систем (особенно возможность подавления абонента мощным электромагнитным излучением, грозовыми разрядами, ядерным излучением и т.д.) в таком канале устранены.

Появление полупроводниковых лазерных диодов позволило построить оптоэлектронные атмосферные каналы на основе полупроводниковых лазерных диодов на арсениде галлия, легированного алюминием, с длиной волны излучения 850-870 нм. Они позволяют строить оптоэлектронные атмосферные каналы со следующими характеристиками:

— высокая скорость передачи информации, до 155 Мбит/с;

— вероятность ошибки при передаче информации - ;

— мобильность связи;

— повышенная секретность связи.

Но использование лазерных диодов накладывает следующие ограничения на оптоэлектронный атмосферный канал (ОАК):

— чтобы обеспечить экологическую безопасность лазерных атмосферных линий ( или оптоэлектронных атмосферных каналов на основе лазерных диодов) в оптических передатчиках таких линий, используют полупроводниковые лазерные диоды с мощностью до 50 мВт;

— с другой стороны, чтобы добиться приемлемой дистанции передачи оптического сигнала от передатчика до приемника ЛАЛ - 1-2 км - (т.е. обеспечить приемлемую интенсивность излучения в телесном угле), требуется сформировать узконаправленный луч, с углом расхождения в несколько единиц или даже долей мрад;

— это, в свою очередь, предъявляет жесткие требования к стабилизации передатчика (т.е. заставляет делать разработчика или массивное основание, или ставить передатчик на гироплатформу). Но, сужая луч и стабилизируя передатчик не всегда удается обеспечить стабильную работу ЛАЛ, т. к. коэффициент преломления реальной атмосферы всегда непостоянен из-за поднимающихся нагретых потоков воздуха, т.е. необходимо увеличивать расходимость луча ЛАЛ и, соответственно, снижать дистанцию передачи;

— все это вместе взятое заставляет разработчика использовать сложные системы стабилизации ЛАЛ, что, в свою очередь, повышает цену ЛАЛ.

Рассмотрим далее особенности конструирования, особенности применения инфракрасных атмосферных каналов в компьютерных сетях и перспективы их дальнейшего развития.

Одна из простейших топологий симплексного инфракрасного атмосферного канала (ИАК) на основе инфракрасного диода и фотодиода представлена на рис. 9.19.

Рис. 9.19. Структурная схема симплексного инфракрасного канала

передачи данных.

ИИ - источник информации;

ИМ - интерфейсный модуль;

- оптический передатчик (схема управления током, протекающим через инфракрасный излучающий диод, и сам инфракрасный диод, линзовая система формирования выходного оптического луча);

ОС - оптическая среда (атмосфера);

- оптический приемник (p-i-n фотодиод, схема усилителя-формирователя выходного сигнала и линзовая система приема оптического сигнала).

ИАК представляет собой устройства, преобразующие электрическую форму представления информации в оптическую и обратно. Оптическая среда ИАК (атмосфера), рассогласование оптических параметров передатчика и приемника вносят значительное ослабление сигнала. Общее затухание информационного оптического сигнала ИАК складывается из двух основных составляющих:

— затухание оптического сигнала из-за рассогласования выходных оптических параметров передатчика и входных параметров приемника;

— затухание за счет поглощения квантов света на парах воды, молекулах углекислого газа, аэрозольных частицах.

В схематичном виде ИАК можно представить (см. рис. 9.21) в виде расположенных на одной оптической оси оптического передатчика (состоящего из излучающего инфракрасного диода и линзы, формирующей узконаправленный луч) и оптического приемника (состоящего из оптической линзы, в фокусе которой расположена непосредственно площадка фотодиода).

Условные обозначения:

ИИ - источник излучения, в нашем случае инфракрасный излучающий дидод с длиной волны излучения

- линза оптического передатчика;

- линза оптического приемника;

Рис. 9.20 Оптическая схема симплексного инфракрасного канала передачи данных.

- оптическая среда (атмосфера)

- оптическая система передатчика

- оптическая система фотоприемника

ФПУ - фотоприемное устройство (-фотодиод усилитель-формирователь)

- диаметр линзы передатчика;

- диаметр линзы приемника;

- диаметр оптического «пятна» от оптического луча передатчика в плоскости линзы фотоприемника;

- фокусное расстояние линзы передатчика;

- фокусное расстояние линзы приемника;

А - размер источника излучения;

- угловая расходимость на выходе линзы передатчика;

максимальный угол выхода оптического излучения из кристалла излучающего диода;

- угол охвата оптического излучения излучающего диода линзой передатчика;

L - длина трассы.

Расчет оптической системы сводится к определению (см. рис. 9.20) доли излученной ИК мощности, попадающей на ФП. Очевидно, что чем эта доля больше, тем эффективнее передача оптического сигнала от передатчика к приемнику.

Падение информационного оптического сигнала за счет расхождения оптического пучка упрощенно определяется, в соответствии с законами геометрической оптики, отношением площади оптического пятна в плоскости линзы фотоприемника к площади линзы фотоприемника, т.е. на площадь линзы фотоприемника падает часть инфракрасного излучения, пропорциональная отношению

где диаметр светового пятна; - диаметр линзы приемника ИАК.

В соответствии с законами геометрической оптики:

где

- угловая расходимость излучения на выходе передатчика равная ;

А - размер источника излучения передатчика;

- фокусное расстояние линзы передатчика.

Затухание оптического сигнала из-за рассогласования оптического сигнала передатчика и приемника

Рассмотрим затухание оптического информационного сигнала за счет рассогласования параметров передатчика и приемника ИАК.

В ИАК, как и при расчете основных параметров и характеристик волоконно-оптической линии связи, можно ввести понятие энергетического потенциала линии -

где - уровень мощности инфракрасного излучателя на выходе линзы оптического передатчика в (т.е. );

- оптическая мощность на выходе линзы передатчика ИАК; - уровень мощности инфракрасного излучения на входе приемника в , т.е.

где - оптическая мощность на входе линзы приемника.

Суммарные потери в ИАК можно оценить по формуле

где - затухание оптического сигнала из-за рассогласования выходных оптических параметров передатчика и входных параметров приемника (из-за чего площадь «пятна» всегда больше площади линзы фотоприемника); , дБ - затухание оптического информационного сигнала в атмосфере.

Расчет уровня оптической мощности на выходе линзы передатчика ведем с учетом доли охвата Аохв светового потока, излучаемого инфракрасным диодом, и которая охватывается линзой передатчика.

Угол охвата линзы передатчика определяется выражением

(9-53)

В общем случае для любой индикатрисы инфракрасного излучающего диода коэффициент можно определить путем численного интегрирования. Однако в частных (часто встречающихся) случаях коэффициент Аохв определяется аналитической формой.

Так при равномерной индикатрисе инфракрасного излучающего диода

а при гауссовой индикатрисе:

Соответственно оптическая мощность на выходе передатчика, выраженную в децибелах (и с учетом того, что в линзу передатчика попадает только часть излучения ИК-диода, определяем его коэффициент Аохв), определим по формуле:

где полная мощность инфракрасного излучающего диода, измеренная в 1 мВт.

Оптическую мощность, которая перехватывается линзой приемника, можно определить численным интегрированием.

Однако для оценочных расчетов (в этом случае считается, что оптика безаберрационная, а излучающий диод - ламбертовый излучатель), индикатрисса на выходе линзы передатчика равномерна, а доля светового потока которая перехватывается линзой приемника, определяется соотношением

где диаметр светового пятна;

L - длина трассы ИАК;

угол расхождения излучения передатчика определяется, в соответствии с законами геометрической оптики, выражением

(9.58)

где F - фокусное расстояние линзы передатчика.

Соответственно, мощность инфракрасного излучения, попадающего на линзу фотоприемника с учетом выражений (9.56)-(9.57) можно описать соотношением

Выражения (9.56) и (9.59) приводят к выводу:

- для сокращения отношения «пятна» в плоскости фотоприемника (см. рис. 9.210) к площади линзы т.е. повышения эффективности оптической системы канала, необходима узкая диаграмма направленности выходного оптического сигнала передатчика. Это требует, как правило, увеличения фокусного расстояния и самих размеров линз передатчика и приемника (их диаметр и 200мм), что делает оптическую систему ИАК громоздкой.

С другой стороны, слишком узкая диаграмма направленности приводит к тому, что из-за изменения коэффициента преломления оптической среды (атмосферы) за счет постоянного перемешивания теплого и холодного воздуха на трассе ИАК или из-за дрожания опор, на которых закреплены передатчик и приемник, возможен уход «пятна» вообще за пределы линзы фотоприемника, что приводит к потере связи.

При применении реальных элементов ИАК в каждом конкретном случае построение системы связи энергетический потенциал может изменяться, а при неудачном выборе фокусного расстояния и других параметров линз передатчика и приемника может снизиться весьма существенно.

Результаты численного расчета оптических элементов ИАК показывают, что размеры диаметров линзы и ее фокусное расстояние (см. рис. 9.20) должны быть выбраны такими, чтобы диаметр «размытия» оптического пятна (оптического сигнала передатчика) на расстоянии 1 км трассы канала не превышал 0,8-1,0 м. Это позволяет избежать «дрожания» амплитуды и фазы оптического информационного сигнала и добиться высокой интенсивности оптического сигнала, что, соответственно, приводит к повышению попадания доли оптического сигнала от передатчика на приемник.

Затухание оптического сигнала в атмосфере

Основным процессом, сопровождающим распространение инфракрасного оптического сигнала (т.е. сигнала с длиной волны более 0,76 мкм) в атмосфере, является его селективное поглощение парами воды, молекулами углекислого газа, а также рассеяние мельчайшими частицами, находящимися во взвешенном состоянии в атмосфере (дым, частицы пыли, снег, туман и т.п.). В диапазоне длин волн свыше 1 мкм наибольшее значение имеет селективное поглощение оптического излучения молекулами водяных паров и углекислого газа. Концентрация водяных паров в атмосфере является переменной. Она зависит от географического положения, времени года и т.п.

Сильные полосы поглощения ИК-излучения соответствуют примерно следующим длинам волн: 0,51; 0,7; 0,9; 1,16; 1,3 и т.д. мкм. Соответственно, «окна прозрачности» (где коэффициент пропускания атмосферы максимален в интересующем нас оптическом диапазоне) располагаются на длинах волн: 0,95; 1,15; 1,5. ..1,8 мкм (на этих длинах волн значения коэффициентов пропускания лежат в пределах 0,6...0,9 мкм).

Наиболее освоен диапазон 0,95 мкм, так как только для этого диапазона можно изготовить промышленные образцы некогерентных полупроводниковых инфракрасных излучающих диодов и лазерных диодов с требуемой длиной волны на основе полупроводникового материала арсенида галлия с добавкой алюминия Конечно, в будущем для реализации оптоэлектронных каналов с малым затуханием оптического сигнала в атмосфере необходимо создание промышленностью полупроводниковых излучающих диодов и приемных полупроводниковых структур, работающих в диапазонах длин оптических волн: 1,15 мкм; мкм.

Существуют десятки литературных источников, посвященных различным моделям поглощения оптического излучения в атмосфере. Практический интерес представляют те, в основу которых положены табличные данные. Одной из таких моделей, позволяющих достаточно точно рассчитывать, например, поглощение оптического излучения на парах воды, углекислом газе и аэрозольных частицах в различные времена года (т.е. при различных плюсовых и минусовых температурах) является модель, описанная в справочнике 5. Основу ее составляет расчет «количества осажденной воды на трассе канала, которое определяется выражением

где L - длина трассы ИАК; - количество осажденной воды (мм на длине трассы 1 км) соответственно

где f - относительная влажность воздуха в

- упругость насыщенных паров, Па (так при Па, а для )

- температура воздуха,

По таблицам, рассчитанным по этим формулам, можно достаточно точно определить коэффициент пропускания на парах воды

Кроме поглощения парами воды лучистый инфракрасный поток поглощается углекислым газом. Как правило, этот коэффициент близок к единице, а в целом коэффициент пропускания атмосферой лучистого потока может быть представлен в виде

где - коэффициент пропускания инфракрасного излучения парами воды;

- коэффициент пропускания инфракрасного излучения углекислым газом.

Кроме поглощения, лучистый поток рассеивается молекулами воздуха и различными частицами, присутствующими в атмосфере - кристаллы солей, пылинки, поднятые ветром с поверхности земли, остатки продуктов сгорания, капли воды и кристаллы льда.

В то время как коэффициенты пропускания атмосферой монохроматического лучистого потока в учетом молекулярного рассеяния могут быть рассчитаны достаточно точно, расчет коэффициентов пропускания лучистого потока с учетом аэрозольного рассеяния практически невозможен, так как для этого необходимо знать количество, форму и состав веществ аэрозольных частиц, на которых происходит рассеяние излучения. Поэтому результаты рассеяния лучистого потока на аэрозольных частицах учитывают на основании экспериментальных исследований. Окончательно получим следующее выражение для спектрального коэффициента пропускания атмосферы, выраженного в децибелах

(9.63)

где - коэффициент рассеяния лучистого потока аэрозольными частицами.

Соответственно Рдтм из выражения (9.52) можно представить в виде

где коэффициент пропускания лучистого потока на трассе ИАК при очень ясной и сухой погоде;

- действующий на трассе ИАК коэффициент пропускания при существующих в данный момент передачи информации погодных условиях.

И все же расчетные результаты поглощения оптического излучения на трассе ИАК весьма приблизительны и всегда требуют экспериментальной проверки.

Целесообразно, не вдаваясь в детали расчетов и экспериментов, привести здесь данные, полученные в результате многолетних наблюдений позволяющих оценить затухание оптического сигнала на реальной трассе его прохождения.

Из приведенных на рис. 9.21 а,б графиков можно извлечь полезную информацию об оптических свойствах атмосферы на широте г. Москвы.

1. В течение 99% времени года затухание в атмосфере для мкм не превышает 18 дБ/км. То есть

Рис. 9.21 а) распределение вероятностей возникновения различных погодных условий; б) зависимость затухания на трассе оптического атмосферного канала в зависимости от погодных условий.

где

2. В течение 95% времени года Рдтм не превышает 7,5 дБ/км. То есть

Эти данные позволяют оценивать необходимый запас по уровню принимаемого оптического сигнала, который обеспечивает заданную надежность ИАК За меру () разумно принять долю времени, в течении которого затухание в атмосфере не превышает заданной величины. В соответствии с вышеприведенными данными, обозначим эту надежность как При чувствительности фотодиода фотоприемника, например, 0,5 мкВт эти сигналы на входе фотодиода при длине трассы 2 км должны быть не менее

Здесь - мощность оптического сигнала, попадающего на линзу приемника, обеспечивающая, соответственно, в течение 99% и 95% времени года уровень не ниже чувствительности ФПУ (ФПУ-фотоприемное устройство, состоящее из фотодиода, многокаскадного усилителя фототока и формирователя выходного цифрового сигнала).

Таким образом, при правильном проектировании ИАК является доступным практически при любых погодных условиях.

В общем случае применение ИАК целесообразно в следующих случаях:

— создание основного и/или резервного канала передачи данных;

— решение проблемы «последней мили»;

— аварийная связь, когда необходимо быстрое развертывание;

— связь типа «точка-точка» при максимальном удалении между точками да 3 км;

— создание магистральных каналов;

— организация доступа к общей и ведомственной передаче данных или доступа в сеть Internet;

— организация вычислительных сетей на основе ИАК внутри помещений, работающие, как в режиме прямой видимости, так и использующие рассеянное ИК-излучение (сигнал, отражаясь от стен и потолков, охватывает площадь до 30м2 и позволяет соединять приемники и передатчики ИАК, которые не находятся в зоне прямой видимости; такое рассеяние ИК-излучения можно организовать еще, например, через отражатель, укрепленный на потолке);

— создание дешевых ИАК, работающих на коротких дистанциях (50ч-200м) для связи физических лиц (условная стоимость 1 метра трассы такой ИАК не превышает 1 у.е.).

В настоящее творческий коллектив специалистов ИППИ РАН, Красногорского оптико-механического завода, завершил разработку экспериментального образца дуплексного инфракрасного адаптивного канала передачи данных (ДИАК). Он состоит из двух полуком-плектов, в каждый из которых входит приемопередающий модуль (ППМ) и интерфейсный модуль (Мост). Электрические и оптические полукомплексов приведены в таблице 9.4.

Параметры Моста приведены в таблице 9.5.

Параметры CAЛC в целом представлены в таблице 9.6.

По предварительным оценкам, канал найдет широкое применение в компьютерных сетях.

Таблица 9.4

Таблица 9.5

Таблица 9.6