Seit der Entstehung des Lebens auf der Erde nimmt die Fähigkeit, sich gegenseitig Nachrichten (oder, wie man heute sagt, Informationen) zu übermitteln, einen der wichtigsten Plätze in der menschlichen Kommunikation ein. Im antiken Griechenland beispielsweise wurden Informationen mithilfe von Lichtwellen übertragen, für die auf speziellen Türmen Feuer angezündet wurden, um die Bewohner über ein wichtiges Ereignis zu informieren. Der optische Telegraph wurde in Frankreich erfunden. Der russische Wissenschaftler Schelling schlug einen elektrischen Drahttelegraphen vor, der später vom amerikanischen Morse verbessert wurde. Ein elektrisches Kabel verband Europa mit Amerika. T. Edison verdoppelte die Kapazität der Telegrafenleitung. A. Popov entdeckte die Möglichkeit, Telegrafennachrichten drahtlos zu übertragen – mithilfe elektromagnetischer Schwingungen. Die Funktechnologie hat eine rasante Entwicklung erfahren. Sie begannen, auf verschiedenen Wellenlängen zu senden: lang, mittel, kurz. Der Äther wurde überfüllt.

Wie hängen Geschwindigkeit und Menge der übertragenen Informationen zusammen? Es ist bekannt, dass die maximale Übertragungsgeschwindigkeit durch die Dauer einer Schwingungsperiode der verwendeten Wellen bestimmt wird. Je kürzer der Zeitraum, desto schneller ist die Nachrichtenübertragungsgeschwindigkeit. Dies gilt auch für die Übermittlung von Nachrichten mithilfe des Morsecodes, der Telefonkommunikation, der Funkkommunikation und des Fernsehens. Somit kann der Kommunikationskanal (Sender, Empfänger und sie verbindende Leitung) Nachrichten mit einer Geschwindigkeit übertragen, die nicht größer ist als die Eigenfrequenz des gesamten Kanals. Dies ist jedoch noch keine ausreichende Bedingung. Um einen Kommunikationskanal zu charakterisieren, ist ein weiterer Parameter erforderlich – die Kanalbandbreite, also der Frequenzbereich, der in diesem Kommunikationskanal verwendet wird. Je höher die Übertragungsgeschwindigkeit, desto breiter ist das Frequenzband, über das übertragen werden soll. Beide Parameter zwingen dazu, immer höhere Frequenzen elektromagnetischer Schwingungen zu beherrschen. Tatsächlich nimmt mit zunehmender Frequenz nicht nur die Übertragungsgeschwindigkeit über einen Kanal zu, sondern auch die Anzahl der Kommunikationskanäle.

Die Kommunikationstechnologie begann, sich immer kürzeren Wellenlängen zuzuwenden und nutzte zunächst Dezimeter-, dann Meter- und schließlich Zentimeterwellen. Und dann gab es einen Stopp, weil es keine gab

eine geeignete Quelle elektromagnetischer Trägerschwingungen. Bisher vorhandene Quellen erzeugten ein breites Spektrum mit sehr geringer Leistung pro einzelner Schwingungsfrequenz. Lichtwellen waren nicht kohärent, was ihre Verwendung zur Übertragung komplexer Signale, die eine Strahlungsmodulation erforderten, ausschloss. Mit dem Aufkommen des Lasers änderte sich die Situation dramatisch. Aufgrund der Kohärenz und Monochromatizität der Laserstrahlung kann der Strahl so moduliert und detektiert werden, dass die gesamte Breite des optischen Bereichs genutzt wird. Der optische Teil des Spektrums ist viel breiter und umfangreicher als der Radiowellenteil. Lassen Sie uns dies mit einer einfachen Rechnung zeigen. Berechnen wir, wie viele Informationen gleichzeitig über einen optischen Kommunikationskanal mit einer Wellenlänge von 0,5 Mikrometern (entsprechend Hz) übertragen werden können. Nehmen wir zum Beispiel eine Stadt wie Moskau. Es gebe 1.500.000 Telefone, 100 Radiosender und 5 Fernsehkanäle. Für Berechnungen gehen wir davon aus, dass das Frequenzband eines Telefonkanals Hz ist, eines Radiokanals, eines Fernsehkanals - Hz. Nehmen wir einen Sicherheitsfaktor von 100. Wir werden Berechnungen anhand der Formel durchführen

Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit, K die Wellenlänge der elektromagnetischen Schwingung, das von einem Fernsehkanal belegte Frequenzband, das Frequenzband eines Rundfunksenders, das Frequenzband eines Telefonkanals, die Anzahl der Fernsehkanäle, die Anzahl der Funkkanäle, die Anzahl der Telefone, k ist der Sicherheitsfaktor.

Wenn wir die Werte für unser Beispiel ersetzen, erhalten wir. Daraus können wir schließen, dass die hochfrequente Komponente der elektromagnetischen Schwingung, die ungefähr Hz entspricht, es (im Prinzip) ermöglicht, in einem Laserstrahl gleichzeitig die Übertragung von Informationen an a sicherzustellen Tausend Städte wie Moskau. Um diese grundlegende Möglichkeit zu verwirklichen, müssen jedoch eine Reihe von Problemen gelöst werden. Sie sind mit Modulation, Demodulation und dem Durchgang von Strahlung in der Atmosphäre verbunden. Um dies zu verstehen, betrachten Sie eine optische Kommunikationsleitung (Abb. 27).

Reis. 27. Optische Kommunikationslinie mit Laser

Die Kommunikationsleitung besteht aus Sende- und Empfangsgeräten. Das Sendegerät umfasst einen Laser, der einen Hochfrequenzträger erzeugt; ein Modulator, der dafür sorgt, dass die übertragenen Informationen dem Lichtträger überlagert werden; ein optisches System, das erforderlich ist, um Strahlung in einen schmalen Strahl zu bündeln, der eine große Reichweite und hohe Störfestigkeit bietet; Mikrofon mit Verstärker und Zielgerät. Das Empfangsgerät besteht aus einem optischen Eingangssystem, einem Strahlungsempfänger, einem Demodulator, einem Verstärker, einem Lautsprecher und einer Vorrichtung zum Ausrichten (Binden) des Empfängers an den Sender. Die Kommunikationsleitung funktioniert so. Das Signal wird in Form einer Audiofrequenz an das Mikrofon gesendet. Hier wird sie in elektrische Energie umgewandelt und einem Modulator zugeführt, durch den die Laserstrahlung hindurchtritt. Es stellt sich heraus, dass es entsprechend der Sprachnachricht moduliert wird. Der modulierte Strahl gelangt in das optische System. Diese Strahlung bestrahlt mithilfe eines Visiergeräts (Visiergerät) den Ort, an dem sich das Empfangssystem befindet. Das optische Empfangssystem sammelt den Laserstrahl und leitet ihn zum Empfänger und Verstärker. Anschließend gelangt es zu einem Demodulator, dessen Aufgabe es ist, die ursprüngliche Audiofrequenz von der Trägerfrequenz zu trennen. Es durchläuft einen Audioverstärker und gelangt zu einem Lautsprecher.

Tabelle 15 (siehe Scan) Eigenschaften von Modulatoren

Da die Modulationsfrequenz bei der Übertragung eines Audiosignals 104 Hz nicht überschreitet, eignen sich die meisten bisher entwickelten Modulatoren und Demodulatoren für dessen Umsetzung. Am weitesten verbreitet ist die Amplitudenmodulation. Für die Umsetzung eignen sich optische Elemente, die unter dem Einfluss einer an sie angelegten Spannung ihre Transparenz ändern. Zu diesem Modulatortyp gehört auch eine Kerr-Zelle, die aus einem flüssigen Dielektrikum und Metallplatten besteht. Wenn an die Platten ein elektrisches Feld angelegt wird, wird das flüssige Dielektrikum doppelbrechend. Dadurch dreht sich die Polarisationsebene der passierenden Lichtwelle um einen Winkel

Dabei ist B die Kerr-Konstante, die Weglänge und die Feldstärke. In diesem Fall das planpolarisierte Feld

Beim Durchlaufen des Analysators ändert es seine Intensität gemäß dem Gesetz des elektrischen Feldes. Dabei wird mithilfe eines Modulators eine Audiofrequenz in den Laserstrahl eingebracht. Schauen wir uns die Tabelle an, die die Eigenschaften verschiedener Modulatortypen darstellt, und versuchen wir, den für unser Kommunikationssystem geeigneten auszuwählen.

Als Strahlungsquelle nutzen wir einen Helium-Neon-Gaslaser. Um eine Audionachricht zu übertragen, ist eine Modulation bis zu 20 kHz erforderlich. Dies wird am besten durch einen Germaniumkristall erfüllt (Tabelle 15). Es hat eine gute Modulationstiefe von 50 %. Dieser Modulator kann jedoch nicht verwendet werden, da seine spektrale Transparenz im Bereich von 1,8...25 µm liegt, d. h. er ist für die von einem Helium-Neon-Laser emittierte Strahlung von 0,6328 µm undurchsichtig. Der ADP- oder KDP-Kristall ist für den Spektralbereich geeignet und bietet einen guten Spielraum für die Modulationsfrequenz. Mit einem solchen Modulator ist es möglich, optische Strahlung in mehreren Frequenzbereichen zu modulieren, was es prinzipiell ermöglicht, mehrere Telefonkanäle in einen Strahl einzuführen. Es ist jedoch unmöglich, mit einem solchen Modulator mehrere Fernsehkanäle in den Laserstrahl einzubringen, da zur Übertragung eines Fernsehbildes ein Frequenzband von Hz erforderlich ist. Es kann nur ein TV-Programm übertragen werden. Wir benötigen Modulatoren mit einem sehr großen Bereich an Modulationsfrequenzen. Schauen wir uns die Tabelle an. Der Ultraschallwellenmodulator hat einen Bereich von 5 bis 30 MHz. Seine Obergrenze ist die größte; andere Modulatoren gibt es nicht. Vergleichen wir diesen Bereich in Hz mit dem Frequenzbereich eines Gaslasers. Man erkennt, dass sie sich um sieben Größenordnungen, also zehn Millionen Mal, unterscheiden. Dadurch wird der Hochfrequenzträger des Lasers nicht optimal genutzt. Und es wird nicht verwendet, weil es noch keine Modulatoren mit einem Frequenzbereich bis zu Hz gibt. Ein ähnliches Bild ergibt sich bei Strahlungsempfängern. Sie sollten auch anhand des Spektralbereichs ausgewählt werden, in dem sie arbeiten. Und basierend auf dem Frequenzbereich, den sie wahrnehmen können. Am meisten bevorzugt werden Photomultiplier mit einem Frequenzband in der Größenordnung von 100 MHz, jedoch nicht mehr. Folglich liegt hier ein Problem vor, das einer Lösung bedarf.

Reis. 28. Funktionsdiagramm der ersten Laserfernsehanlage

Der einfachste Weg war der Bau einer Telefonkommunikationsleitung, da alle dafür notwendigen Elemente vorhanden waren: eine Strahlungsquelle, ein Modulator und ein Strahlungsempfänger. Solche Linien wurden erstellt, um die Wirksamkeit ihrer Funktionsweise zu bewerten. Einer von ihnen verband die automatische Telefonzentrale am Scholochow-Platz mit dem Gebäude der Moskauer Staatsuniversität auf den Leninbergen. Mithilfe eines Laserstrahls, der Telefonzentralen verband, konnten mehrere Dutzend Telefongespräche gleichzeitig geführt werden. Eine weitere Linie entstand in Armenien. Es verband Eriwan und das Astrophysikalische Observatorium Byurokan, das 50 km entfernt auf dem Berg Aragats liegt.

Anwendung von Lasern im Fernsehen

In letzter Zeit wurden mehrere Systeme entwickelt, bei denen Fernsehbilder über einen optischen Kanal übertragen werden. Das einfachste Fernsehsystem wurde aus vorgefertigten Komponenten und Teilen hergestellt. Das Funktionsdiagramm dieses Systems ist in Abb. dargestellt. 28. Es umfasste einen Industrielaser, zwei Industriefernseher, einen Standardverstärker und einen Videoverstärker. Darüber hinaus kamen Empfangs- und Sendeoptiken, ein optischer Strahlungsmodulator und ein optischer Filter zum Einsatz. Die vom ersten Fernseher empfangenen Fernsehsignale werden verstärkt und an den Modulator gesendet (Videosignale werden von einer der Stufen des Videokanals des Fernsehempfängers entnommen). Modulator am Strahlungsausgang

Laser, sorgt für eine Amplitudenmodulation des Strahlungsflusses. Diese Strahlung wird mithilfe eines optischen Systems zu einem schmalen Strahl geformt und auf das Empfangsgerät gerichtet. Es verfügt außerdem über ein optisches Empfangssystem vom Spiegeltyp (mit zwei Spiegeln), einen schmalbandigen optischen Filter und eine Blende. Anschließend gelangt die Strahlung in den Photomultiplier. Diese Kombination der letzten drei Elemente sorgt für eine gute Auswahl des Empfangssignals, was den Einsatz des Systems bei sonnigen Lichtverhältnissen ermöglicht. Das Signal am Photomultiplier wird von optisch in elektrisch umgewandelt, durchläuft einen Videoverstärker und wird der Bildröhre eines zweiten Fernsehers zugeführt. Trotz des durch den Laser verursachten Rauschens und des intensiven Tageshintergrunds, wenn die Fernsehanlage im Sonnenlicht betrieben wurde, war das Bild auf dem Bildschirm des zweiten Fernsehers recht zufriedenstellend. Darüber hinaus war die Bildschärfe hoch, was auf gute Übertragungseigenschaften des Modulators und der zugehörigen elektronischen Geräte schließen lässt. Im System wurde kein „Schneefall“ festgestellt, was auf ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis hinweist.

Wir haben bereits erwähnt, dass der Modulator das Hauptelement eines Fernsehkommunikationssystems ist. Hierbei wurde eine Pockels-Zelle verwendet, bei der eine Modulationsspannung in Richtung des Lichtflusses an den Kristall angelegt wird. Dieser Modulator bietet eine gute Modulationstiefe und eine ausreichende Bandbreite, weist jedoch zwei wesentliche Nachteile auf: Zum einen ist eine Spannung von bis zu mehreren Kilovolt erforderlich, um die Modulation zu steuern, und zum anderen muss die Zelle gekühlt werden.

Bereits bei späteren Modifikationen der Ausrüstung wurden Lösungen zur Beseitigung dieser Mängel angewendet. Die Pockels-Zelle wurde durch einen KDP-Kristall ersetzt, der in diesem Wellenlängenbereich eine gute optische Transparenz aufweist, und zur Reduzierung der Modulationsspannung wurde eine zusätzliche Strahlverengung mithilfe eines Kollimationssystems eingesetzt. Dadurch war es möglich, den Strahl auf 1 mm zu verengen. Um die mechanische Festigkeit zu gewährleisten, wurde der Kristall in ein Metallgehäuse gelegt. Diese Verbesserungen haben den Stromverbrauch um zwei Größenordnungen reduziert. Der Modulator arbeitete mit einer Spannung von 18 V und verbrauchte einen Strom von 50 mA.

Reis. 29. Schema einer Laserübertragungskammer

Nach einiger Zeit erschienen Muster von Fernsehsystemen, bei denen fünf verschiedene Fernsehbilder über einen Laserstrahl übertragen wurden. In diesen Systemen wurde als Strahlungsquelle ein Gaslaser mit einer Wellenlänge von 0,6328 μm und einer emittierten Leistung von nur 8 mW verwendet. Das Empfangsgerät verwendete eine Silizium-Fotodiode. Die Bildübertragung erfolgte auf den Kanälen 66...7B, 76...82, 182...186, 198..204, 210...216 MHz.

Das Funktionsdiagramm der dritten Version der laserübertragenden TV-Kamera ist in Abb. dargestellt. 29. Dieses System ermöglichte die Laserstrahlübertragung eines Fernsehprogramms sowie eines Musikprogramms und digitaler Informationen. Die Hauptelemente des Geräts waren: ein Argongaslaser mit einem System zum Scannen des Strahls im Raum, ein Empfänger bestehend aus einem Schmalbandfilter mit einem Durchlassbereich von 90 Angström, ein Photomultiplier und ein Vorverstärker. Der dritte Komponentenblock war das Zeilen- und Rahmensynchronisationssystem. Die Originalität liegt darin, dass ein schnell scannender Laserstrahl verwendet wird und anstelle einer Fernsehkamera ein Photomultiplier verwendet wird. Ein Fernsehbild entsteht durch die Bestrahlung eines Objekts mit kontinuierlicher Laserstrahlung, das mithilfe rotierender Prismen im Raum entlang zweier senkrechter Achsen gedreht wird. Die horizontale Abtastung erfolgt durch ein 16-seitiges Prisma, das mit rotiert

Drehzahl 60.000 U/min. In diesem Fall wird die vertikale Geschwindigkeit des Strahls durch ein 26-seitiges Prisma gewährleistet, das mit einer Geschwindigkeit von 150 U/min rotiert. Diese beiden Scans ergeben 60 Bilder pro Sekunde. Die von dem Objekt, dessen Bild aufgenommen werden soll, reflektierte Laserstrahlung gelangt in das Empfangsgerät, von dessen Ausgang das verstärkte Signal an den Steuerfernseher geliefert wird und auf dessen Bildschirm das Bild des Objekts wiederhergestellt wird. Um die Abtastung des Kontrollfernsehers mit der Abtastung des Laserstrahls im Raum zu synchronisieren, sind zwei Elemente vorgesehen. Einer von ihnen führt die Zeilensynchronisation durch, der andere die Rahmensynchronisation. Fotozellen der horizontalen und vertikalen Synchronisationsschaltungen sind jeweils entlang des horizontalen und vertikalen Scanpfads des Laserstrahls installiert. Die auf den erforderlichen Wert verstärkten Ausgangssignale der Fotozellen sorgen für die nötige Synchronisation. Eine positive Eigenschaft einer solchen Laser-Fernsehkamera ist ihre hohe Bildqualität. Darüber hinaus kann es im Dunkeln arbeiten und Bilder durch Nebel viel besser übertragen als jedes andere Gerät für einen ähnlichen Zweck. Zu den Nachteilen des Systems zählen erhebliche Energieverluste beim Scannen des Strahls im Raum und das Vorhandensein schnell rotierender Elemente.

E. N. Chepusov, S. G. Sharonin

Heute sind Computer und darauf basierende Netzwerke aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Die Menschheit steht an der Schwelle einer neuen Welt, in der ein einziger Informationsraum geschaffen wird. In dieser Welt wird die Kommunikation nicht länger durch physische Grenzen, Zeit oder Entfernung behindert.

Heutzutage gibt es weltweit eine Vielzahl von Netzwerken, die unterschiedliche Funktionen erfüllen und viele verschiedene Probleme lösen. Früher oder später kommt immer der Zeitpunkt, an dem die Netzwerkkapazität erschöpft ist und neue Kommunikationsleitungen verlegt werden müssen. Innerhalb eines Gebäudes ist dies relativ einfach möglich, bei der Verbindung zweier benachbarter Gebäude treten jedoch Schwierigkeiten auf. Für die Durchführung von Arbeiten sind Sondergenehmigungen, Genehmigungen, Lizenzen sowie die Erfüllung einer Reihe komplexer technischer Anforderungen und die Befriedigung erheblicher finanzieller Anforderungen von Organisationen, die Grundstücke oder Abwasser verwalten, erforderlich. In der Regel wird sofort klar, dass der kürzeste Weg zwischen zwei Gebäuden keine gerade Linie ist. Und es ist keineswegs notwendig, dass die Länge dieses Weges mit der Entfernung zwischen diesen Gebäuden vergleichbar ist.

Natürlich kennt jeder eine drahtlose Lösung, die auf verschiedenen Funkgeräten basiert (Funkmodems, Kleinkanal-Richtfunkleitungen, Mikrowellen-Digitalsender). Aber die Zahl der Schwierigkeiten nimmt nicht ab. Die Funkwellen sind übersättigt und die Erlaubnis zur Nutzung von Funkgeräten zu erhalten ist sehr schwierig, manchmal sogar unmöglich. Und der Durchsatz dieser Ausrüstung hängt maßgeblich von ihren Kosten ab.

Wir schlagen vor, eine neue, kostengünstige Art der drahtlosen Kommunikation zu nutzen, die erst vor kurzem auf den Markt kam – die Laserkommunikation. Die größte Entwicklung erlebte diese Technologie in den USA, wo sie entwickelt wurde. Laserkommunikation bietet eine kostengünstige Lösung für das Problem einer zuverlässigen Hüber kurze Entfernungen (1,2 km), das bei der Verbindung von Telekommunikationssystemen aus verschiedenen Gebäuden auftreten kann. Sein Einsatz ermöglicht die Integration lokaler Netzwerke mit globalen Netzwerken, die Integration voneinander entfernter lokaler Netzwerke und erfüllt auch die Anforderungen der digitalen Telefonie. Die Laserkommunikation unterstützt alle dafür notwendigen Schnittstellen – von RS-232 bis ATM.

Wie erfolgt die Laserkommunikation?

Die Laserkommunikation ermöglicht im Gegensatz zur GSM-Kommunikation Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit Informationsübertragungsraten von bis zu 155 Mbit/s. In Computer- und Telefonnetzen sorgt die Laserkommunikation für den Informationsaustausch im Vollduplex-Modus. Für Anwendungen, die keine hohen Übertragungsraten erfordern (z. B. Video- und Steuersignale in Prozess- und Videoüberwachungsanlagen), steht eine spezielle, kostengünstige Halbduplex-Lösung zur Verfügung. Wenn es notwendig ist, nicht nur Computer-, sondern auch Telefonnetze zu kombinieren, können Modelle von Lasergeräten mit integriertem Multiplexer verwendet werden, um gleichzeitig LAN-Verkehr und digitale Gruppentelefonieströme zu übertragen (E1/ICM30).

Lasergeräte können jeden Netzwerkstrom, der ihnen über Glasfaser- oder Kupferkabel zugeführt wird, in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung übertragen. Der Sender wandelt elektrische Signale in modulierte Laserstrahlung im Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von 820 nm und einer Leistung von bis zu 40 mW um. Laserkommunikation nutzt die Atmosphäre als Ausbreitungsmedium. Der Laserstrahl trifft dann auf einen Empfänger, der im Wellenlängenbereich der Strahlung die maximale Empfindlichkeit aufweist. Der Empfänger wandelt Laserstrahlung in Signale der verwendeten elektrischen oder optischen Schnittstelle um. So erfolgt die Kommunikation mittels Lasersystemen.

Familien, Modelle und ihre Eigenschaften

In diesem Abschnitt möchten wir Ihnen die drei Familien der beliebtesten Lasersysteme in den USA vorstellen – LOO, OmniBeam 2000 und OmniBeam 4000 (Tabelle 1). Die LOO-Familie ist einfach und ermöglicht Daten- und Sprachkommunikation bis zu einer Entfernung von 1000 m. Die OmniBeam 2000-Familie verfügt über ähnliche Fähigkeiten, funktioniert jedoch über eine größere Entfernung (bis zu 1200 m) und kann Videobilder und eine Kombination aus Daten und Sprache übertragen. Die OmniBeam 4000-Familie bietet eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung: von 34 bis 52 Mbit/s über Entfernungen bis zu 1200 m und von 100 bis 155 Mbit/s bis zu 1000 m. Es gibt aber auch andere Familien von Lasersystemen auf dem Markt Sie decken entweder kürzere Entfernungen ab oder unterstützen weniger Protokolle.

Tabelle 1.

Jede Familie umfasst eine Reihe von Modellen, die unterschiedliche Kommunikationsprotokolle unterstützen (Tabelle 2). Die LOO-Familie umfasst kostengünstige Modelle, die Übertragungsentfernungen von bis zu 200 m ermöglichen (der Buchstabe „S“ am Ende des Namens).

Tabelle 2.

Ein unbestrittener Vorteil von Laserkommunikationsgeräten ist ihre Kompatibilität mit den meisten Telekommunikationsgeräten für verschiedene Zwecke (Hubs, Router, Repeater, Bridges, Multiplexer und PBXs).

Installation von Lasersystemen

Ein wichtiger Schritt bei der Erstellung eines Systems ist seine Installation. Das eigentliche Einschalten nimmt im Vergleich zur Installation und Konfiguration von Lasergeräten, die von gut ausgebildeten und ausgestatteten Fachkräften durchgeführt wird, mehrere Stunden in Anspruch. Gleichzeitig hängt die Qualität des Betriebs des Systems selbst von der Qualität dieser Vorgänge ab. Bevor wir typische Inklusionsoptionen vorstellen, möchten wir daher auf diese Aspekte eingehen.

Bei der Platzierung im Freien können Transceiver auf Dach- oder Wandflächen installiert werden. Der Laser ist auf einem speziellen starren Träger, meist aus Metall, montiert, der an der Gebäudewand befestigt wird. Die Halterung bietet außerdem die Möglichkeit, den Neigungswinkel und den Azimut des Strahls anzupassen.

In diesem Fall erfolgt der Anschluss zur einfacheren Installation und Wartung des Systems über Verteilerkästen (RK). Bei den Verbindungskabeln handelt es sich in der Regel um Glasfaserkabel für Datenübertragungskreise und Kupferkabel für Strom- und Steuerkreise. Verfügt das Gerät nicht über eine optische Datenschnittstelle, besteht die Möglichkeit, ein Modell mit elektrischer Schnittstelle oder ein externes optisches Modem zu verwenden.

Das Netzteil (PSU) des Transceivers wird immer im Innenbereich installiert und kann an einer Wand oder in einem Rack montiert werden, das für LAN-Geräte oder strukturierte Verkabelungssysteme verwendet wird. In der Nähe kann auch ein Zustandsmonitor installiert werden, der zur Fernüberwachung der Funktion von Transceivern der OB2000- und OB4000-Familien dient. Seine Verwendung ermöglicht die Diagnose des Laserkanals, die Anzeige der Signalstärke sowie die Schleife des Signals zur Überprüfung.

Bei der internen Installation von Laser-Transceivern ist zu beachten, dass die Leistung der Laserstrahlung beim Durchdringen von Glas abnimmt (mindestens 4 % pro Glas). Ein weiteres Problem sind Wassertropfen, die bei Regen an der Außenseite des Glases herunterlaufen. Sie wirken als Linsen und können zu Strahlstreuung führen. Um diesen Effekt zu reduzieren, wird empfohlen, die Geräte nahe der Glasoberkante zu installieren.

Um eine qualitativ hochwertige Kommunikation zu gewährleisten, müssen einige Grundvoraussetzungen berücksichtigt werden.

Die wichtigste davon, ohne die eine Kommunikation unmöglich ist, besteht darin, dass sich Gebäude in Sichtweite befinden müssen und sich keine undurchsichtigen Hindernisse im Weg der Strahlausbreitung befinden dürfen. Da der Laserstrahl im Empfängerbereich zudem einen Durchmesser von 2 m hat, ist es aus Sicherheitsgründen erforderlich, dass sich die Transceiver in einer Höhe von mindestens 5 m über Fußgängern und Verkehr befinden. Der Transport ist auch eine Quelle von Gasen und Staub, die die Zuverlässigkeit und Qualität der Übertragung beeinträchtigen. Der Strahl darf nicht in unmittelbarer Nähe von Stromleitungen projiziert werden oder diese kreuzen. Zu berücksichtigen sind das mögliche Wachstum der Bäume, die Bewegung ihrer Kronen bei Windböen sowie der Einfluss von Niederschlägen und mögliche Störungen durch fliegende Vögel.

Die richtige Wahl des Transceivers garantiert einen stabilen Betrieb des Kanals unter allen klimatischen Bedingungen in Russland. Beispielsweise verringert ein größerer Strahldurchmesser die Wahrscheinlichkeit niederschlagsbedingter Ausfälle.

Lasergeräte sind keine Quelle elektromagnetischer Strahlung (EMR). Wenn der Laser jedoch in der Nähe von Geräten mit EMR platziert wird, nimmt die Elektronik diese Strahlung auf, was zu einer Signaländerung sowohl im Empfänger als auch im Sender führen kann. Dadurch wird die Qualität der Kommunikation beeinträchtigt. Es wird daher nicht empfohlen, Lasergeräte in der Nähe von EMR-Quellen wie leistungsstarken Radiosendern, Antennen usw. aufzustellen.

Bei der Installation eines Lasers ist es ratsam, in Ost-West-Richtung ausgerichtete Laser-Transceiver zu vermeiden, da die Sonnenstrahlen an mehreren Tagen im Jahr die Laserstrahlung für mehrere Minuten blockieren können und eine Übertragung selbst mit speziellen optischen Filtern in der Laserstrahlung unmöglich wird Empfänger. Wenn Sie wissen, wie sich die Sonne in einem bestimmten Bereich über den Himmel bewegt, können Sie dieses Problem leicht lösen.

Vibrationen können dazu führen, dass sich der Laser-Transceiver verschiebt. Um dies zu vermeiden, wird davon abgeraten, Lasersysteme in der Nähe von Motoren, Kompressoren usw. zu installieren.

Abbildung 1. Platzierung und Anschluss von Laser-Transceivern.

Mehrere typische Inklusionsmethoden

Die Laserkommunikation wird dazu beitragen, das Problem der Kurzstreckenkommunikation bei Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zu lösen. Schauen wir uns als Beispiele einige typische Optionen oder Methoden der Einbeziehung an. Sie haben also eine Zentrale (CO) und eine Zweigstelle (F), die jeweils über ein Computernetzwerk verfügen.

Abbildung 2 zeigt eine Variante der Organisation eines Kommunikationskanals für den Fall, dass F und DSO kombiniert werden müssen, wobei Ethernet als Netzwerkprotokoll und Koaxialkabel (dick oder dünn) als physikalisches Medium verwendet werden. Im CO gibt es einen LAN-Server und in F gibt es Computer, die mit diesem Server verbunden werden müssen. Mit Lasersystemen wie den Modellen LOO-28/LOO-28S oder OB2000E können Sie dieses Problem einfach lösen. Die Bridge wird in der Mitte und der Repeater in F installiert. Wenn die Bridge oder der Repeater über eine optische Schnittstelle verfügt, ist kein optisches Minimodem erforderlich. Laser-Transceiver sind über Dual-Glasfaser verbunden. Mit dem Modell LOO-28S können Sie in einer Entfernung von bis zu 213 m und mit dem Modell LOO-28 bis zu 1000 m mit einem „sicheren“ Empfangswinkel von 3 mrad kommunizieren. Das Modell OB2000E deckt eine Distanz von bis zu 1200 m mit einem „sicheren“ Empfangswinkel von 5 mrad ab. Alle diese Modelle arbeiten im Vollduplex-Modus und bieten eine Übertragungsgeschwindigkeit von 10 Mbit/s.

Abbildung 2. Anschließen eines Remote-Ethernet-LAN-Segments mithilfe eines Koaxialkabels.

Eine ähnliche Möglichkeit zur Kombination zweier Ethernet-Netzwerke mit Twisted-Pair-Kabel (10BaseT) als physikalischem Medium ist in Abbildung 3 dargestellt. Der Unterschied besteht darin, dass anstelle einer Bridge und eines Repeaters Konzentratoren (Hubs) verwendet werden, die über die erforderliche Anzahl an 10BaseT verfügen Anschlüsse und eine AUI-Schnittstelle oder FOIRL zum Anschluss von Laser-Transceivern. In diesem Fall ist die Installation eines Laser-Transceivers LOO-38 oder LOO-38S erforderlich, der die erforderliche Übertragungsgeschwindigkeit im Vollduplex-Modus bereitstellt. Das Modell LOO-38 unterstützt Kommunikationsentfernungen bis zu 1000 m und das Modell LOO-38S kann bis zu 213 m kommunizieren.

Abbildung 3. Anschließen eines Remote-Ethernet-LAN-Segments basierend auf Twisted Pair.

Abbildung 4 zeigt eine Variante der kombinierten Datenübertragung zwischen zwei LANs (Ethernet) und einen Gruppen-Digitalstrom E1 (PCM30) zwischen zwei PBX-Anlagen (im CO und F). Zur Lösung dieses Problems eignet sich das Modell OB2846, das Daten- und Sprachübertragung mit einer Geschwindigkeit von 12 (10+2) Mbit/s über eine Distanz von bis zu 1200 m ermöglicht. Die LAN-Verbindung zum Transceiver erfolgt über Dual-Glasfaser über einen Standard-SMA-Anschluss und der Telefonverkehr wird über ein 75-Ohm-Koaxialkabel über einen BNC-Anschluss übertragen. Es ist zu beachten, dass das Multiplexen von Daten- und Sprachströmen keine zusätzliche Ausrüstung erfordert und von Transceivern durchgeführt wird, ohne den Durchsatz jedes einzelnen von ihnen einzeln zu reduzieren.

Abbildung 4. Integration von Computer- und Telefonnetzwerken.

Eine Option für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung zwischen zwei LANs (LAN „A“ in der Zentrale und LAN „B“ in der F) unter Verwendung von ATM-Switches und Laser-Transceivern ist in Abbildung 5 dargestellt. Das Modell OB4000 löst das Hochgeschwindigkeitsproblem -Beschleunigen Sie die Kommunikation über kurze Distanzen optimal. Sie haben die Möglichkeit, E3-, OC1-, SONET1- und ATM52-Streams mit den erforderlichen Geschwindigkeiten über eine Entfernung von bis zu 1200 m und 100 Base-VG oder VG ANYLAN (802.12), 100 Base-FX oder Fast Ethernet (802.3) zu übertragen. , FDDI, TAXI 100/ 140, OC3, SONET3 und ATM155 mit den erforderlichen Geschwindigkeiten – über eine Distanz von bis zu 1000 m. Die übertragenen Daten werden über eine standardmäßige Dual-Glasfaser, die über einen SMA-Stecker angeschlossen ist, an den Laser-Transceiver geliefert.

Abbildung 5. Konsolidierung von Hochgeschwindigkeits-Telekommunikationsnetzen.

Die aufgeführten Beispiele erschöpfen nicht alle Einsatzmöglichkeiten von Lasergeräten.

Was ist profitabler?

Versuchen wir, den Platz der Laserkommunikation unter anderen kabelgebundenen und kabellosen Lösungen zu bestimmen und kurz deren Vor- und Nachteile zu bewerten (Tabelle 3).

Tisch 3.

Die Vorteile eines Laserkanals gegenüber einem Funkkanal bestehen darin, dass er erstens keine Funkstörungen verursacht; zweitens ist es vertraulicher; Drittens kann es unter Bedingungen hoher elektromagnetischer Strahlung eingesetzt werden.

Das schematische Diagramm des Senders ist in Abb. 1 dargestellt. Der Sender besteht aus einem Befehlsencoder auf einem ATtiny2313-Mikrocontroller (DD1), einem Ausgangsblock auf BC847V-Transistoren (VT1, VT2) und einer RS-232-Schnittstelle, die wiederum aus einem DB9-F-Stecker (für Kabel) besteht. (XP1) und Pegelwandler - auf MAX3232 (DD3).

Die Rücksetzschaltung des Mikrocontrollers besteht aus den Elementen DD2 (CD4011B), R2, C7. Die Ausgabeeinheit ist ein elektronischer Schalter am Transistor VT1, in dessen Kollektorkreis ein Laserpointer über einen Strombegrenzer am Transistor VT2 angeschlossen ist. Der Sender wird mit einer konstanten stabilisierten Spannung von 9 - 12 V gespeist. Die Mikroschaltungen DD1, DD2, DD3 werden mit einer Spannung von 5 V gespeist, die durch den 78L05-Stabilisator (DA1) bestimmt wird.

Der DD1-Controller ist in der BASCOM-Umgebung programmiert, wodurch er Befehle von einem Personal Computer (PC) über die RS-232-Schnittstelle und vom Bascom-Terminal über die „Echo“-Funktion senden kann.

Der Mikrocontroller verfügt über eine Taktfrequenz von 4 MHz von einem internen Oszillator. Impulspakete mit einer Frequenz von etwa 1,3 kHz vom Ausgang OS0A (PB2) werden dem Ausgangsblock zugeführt. Die Anzahl der Impulse in einem Paket wird durch die Nummer des vom PC empfangenen Befehls bestimmt.
Um einen Befehl einzugeben, müssen Sie eine beliebige Taste auf der PC-Tastatur drücken. Wenn dann die Worte „Befehl schreiben“ und „Nr. 1...8 eingeben“ erscheinen, geben Sie eine Zahl von 1 bis 8 ein und drücken Sie die „Enter“-Taste. Schlüssel.

Das Programm für den Sender-Mikrocontroller „TXlaser“ besteht aus einer Hauptschleife (DO...LOOP) und zwei Interrupt-Verarbeitungsroutinen: für den Empfang (Urxc) und für den Timer-0-Überlauf (Timer0).

Um eine Ausgangsfrequenz von 1,3 KHz zu erhalten, wird der Timer mit einem Frequenzteilungsfaktor (Prescale) = 1024 konfiguriert. Zusätzlich beginnt die Zählung beim unteren Wert Z = 253 (auf einem hohen Pegel auf PB2) und erreicht 255. Ein Timer Ein Überlauf-Interrupt tritt auf, wenn bei dessen Verarbeitung der Ausgang von PB2 umgeschaltet wird und der Timer wieder auf den Wert Z = 253 gesetzt wird. Somit erscheint am Ausgang von PB2 ein Signal mit einer Frequenz von 1,3 KHz (siehe Abb. 2). In derselben Unterroutine wird die Anzahl der Impulse an PB2 mit der angegebenen Anzahl verglichen, und wenn sie gleich sind, stoppt der Timer.

Im Unterprogramm zur Emwird die Anzahl der zu übertragenden Impulse eingestellt (1 – 8). Ist diese Zahl größer als 8, wird im Terminal die Meldung „ERROR“ angezeigt.

Während das Unterprogramm läuft, liegt am Pin PD6 ein Low-Pegel an (LED HL1 ist ausgeschaltet) und der Timer wird gestoppt.
In der Hauptschleife ist Pin PD6 hoch und die HL1-LED ist eingeschaltet.
Text des Programms „TXlaser“:

$regfile = "attiny2313a.dat"
$Kristall = 1000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$framesize = 32

Config Pind.0 = Eingang „UART – RxD
Config Portd.1 = Ausgang „UART – TxD
Config Portd.6 = Ausgang „LED HL1
Config Portb.2 = Ausgang „Ausgang OC0A

„Timer-Konfiguration 0-Teilungsfaktor=1024:
Config Timer0 = Timer, Prescale = 1024
Stop Timer0 „Stoppt den Timer

Dim N As Byte „Variablendefinition“
Dimmen Sie N0 als Byte

Const Z = 253 „Untergrenze des Timer-Zählers für Ausgangsfrequenz = 1,3 KHz
Timer0 = Z

Auf Urxc Rxd „Empfangen Sie die Interrupt-Verarbeitungsunterroutine
On Timer0 Pulse „Überlauf-Interrupt-Routine“

Aktivieren Sie Urxc
Aktivieren Sie Timer0

Machen Sie „Hauptschleife“.
Stellen Sie Portd.6 ein und schalten Sie die HL1-LED ein
Schleife

Rxd: „Unterroutine zur Interrupt-Verarbeitung empfangen
Stoppen Sie Timer0
M1:
Drucken „Kommando schreiben“
Eingabe „Geben Sie Nr. 1...8 ein:“ , N0 „Befehlseingabe
Wenn N0 > 8, dann „begrenzen Sie die Anzahl der Befehle.“
„Fehler“ drucken
Gehe zu M1
Ende wenn
N0 = N0 * 2
N0 = N0 - 1 „Eingestellter Wert der Anzahl der Impulse in einem Paket
Portb.2 umschalten
Start Timer0 „Starten Sie den Timer
Zurückkehren

Impuls: „Überlauf-Interrupt-Verarbeitungsroutine“
Stoppen Sie Timer0
Portb.2 umschalten
„Portd.6 zurücksetzen“ und die LED ausschalten
Timer0 = Z
N = N + 1 "Inkrement in der Anzahl der Impulse
Wenn N = N0, dann „wenn die Anzahl der Impulse = angegeben ist.“
N=0
N0 = 0
Waitms 500 „Verzögerung 0,5 s
Anders
„Timer0 starten“, andernfalls weiterzählen
Ende wenn
Zurückkehren
Ende „Programm beenden“.

Der Sender ist auf einer Leiterplatte mit den Maßen 46x62 mm aufgebaut (siehe Abb. 3). Alle Elemente außer dem Mikrocontroller sind vom SMD-Typ. Der Mikrocontroller ATtiny2313 wird in einem DIP-Gehäuse verwendet. Es wird empfohlen, es im Panel für DIP-Chips TRS (SCS) - 20 zu platzieren, um es „schmerzlos“ neu programmieren zu können.

Die Senderplatine TXD.PCB befindet sich im Ordner „FILE PCAD“.
Das schematische Diagramm des Laserkanalempfängers ist in Abb. 4 dargestellt. Am Eingang des ersten Verstärkers DA3.1 (LM358N) dämpft ein Tiefpassfilter, der aus den Elementen CE3, R8, R9 besteht und eine Grenzfrequenz von 1 KHz hat, Hintergrundgeräusche von 50–100 KHz von Beleuchtungskörpern. Die Verstärker DA3.2 und DA4.2 verstärken und verlängern die Dauer empfangener Impulse des Nutzsignals. Der Komparator auf DA4.1 erzeugt ein Ausgangssignal (eins), das über die Wechselrichter des CD4011D (DD2)-Chips - DD2.1, DD2 - zugeführt wird. Das Signal kommt synchron an den Kontakten des Mikrocontrollers ATtiny2313 (DD1) – T0 (PB4) und PB3 an. Somit werden Timer0, der im externen Impulszählmodus arbeitet, und Timer1, der die Zeit dieser Zählung misst, synchron gestartet. Der Controller DD1, der die Funktion eines Decoders übernimmt, zeigt die empfangenen Befehle 1...8 an, indem er log.1 an den PORTB-Pins bzw. PB0...PB7 setzt, während das Eintreffen eines nachfolgenden Befehls den vorherigen zurücksetzt. Wenn der Befehl „8“ bei PB7 eintrifft, erscheint log.1, das über einen elektronischen Schalter am Transistor VT1 das Relais K1 einschaltet.

Der Empfänger wird mit einer konstanten Spannung von 9-12V versorgt. Die analogen und digitalen Teile werden mit 5-V-Spannungen versorgt, die durch Stabilisatoren vom Typ 78L05 DA5 und DA2 bestimmt werden.

Im RXlaser-Programm ist Timer0 als Zähler für externe Impulse konfiguriert und Timer1 als Timer, der den Durchgangszeitraum der maximal möglichen Anzahl von Impulsen zählt (Befehl 8).

Im Hauptzyklus (DO...LOOP) wird Timer1 eingeschaltet, wenn der erste Befehlsimpuls empfangen wird (K=0), die Bedingung für die Aktivierung des Timers Z=1 wird zurückgesetzt.
Wenn in der Interrupt-Verarbeitungsunterroutine der Timer1-Zähler mit dem Wert des maximal möglichen Zählers übereinstimmt, wird die Befehlsnummer gelesen und in PORTB eingestellt. Die Bedingung zum Aktivieren der Einbeziehung von Timer1 ist ebenfalls festgelegt – Z=0.
Text des RXlaser-Programms:

$regfile = "attiny2313a.dat"
$Kristall = 4000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$framesize = 32

Ddrb = 255 „PORTB – alle Ausgänge
Portb = 0
Ddrd = 0 „PORTD-Eingang
Portd = 255" Klimmzug-PORTD
Config Timer0 = Counter , Prescale = 1 , Edge = Falling „als Impulszähler
Config Timer1 = Timer, Prescale = 1024, Clear Timer = 1" als Timer
Stoppen Sie Timer1
Timer1 = 0
Zähler0 = 0

„Variablendefinition:
Dimmen Sie X als Byte
Komm. als Byte dimmen
Z als Bit dimmen
Dim K As Bit

X =80
Compare1a = X „Anzahl der Impulse im Matchregister
Z=0

Bei Compare1a Pulse „Interrupt-Routine durch Zufall

Aktivieren Sie Interrupts
Aktivieren Sie Compare1a

Machen Sie „Hauptschleife“.
Wenn Z = 0, dann „erste Bedingung für das Einschalten des Timers.“
K = Portd.3
Wenn K = 0, dann „zweite Bedingung zum Einschalten des Timers.“
Starten Sie Timer1
Z=1
Ende wenn
Ende wenn
Schleife

Impuls: „Unterprogramm-Interrupt-Verarbeitung durch Zufall.“
Stoppen Sie Timer1
Comm = Counter0 „Lesen vom externen Impulszähler
Comm = Comm - 1 „Definition der Bitnummer im Port
Portb = 0 "Port-Nullung
„Set Portb.comm“ setzt das Bit, das der Befehlsnummer entspricht
Z=0
Zähler0 = 0
Timer1 = 0
Zurückkehren
Ende „Programm beenden“.

Die Programme „TXlaser“ und „RXlaser“ befinden sich im Ordner Lazer_prog.

Der Empfänger befindet sich auf einer Platine mit den Maßen 46x62 mm (siehe Abb. 5). Alle Komponenten sind vom SMD-Typ, mit Ausnahme des Mikrocontrollers, der in einem Panel für DIP-Chips vom Typ TRS(SCS) - 20 untergebracht werden muss.

Beim Einrichten des Empfängers kommt es darauf an, den Ende-zu-Ende-Übertragungskoeffizienten und die Ansprechschwelle des Komparators festzulegen. Um das erste Problem zu lösen, ist es notwendig, ein Oszilloskop an Pin 7 von DA4.2 anzuschließen und durch Auswahl des Werts von R18 einen solchen End-to-End-Übertragungskoeffizienten einzustellen, bei dem die maximale Amplitude der auf dem Bildschirm beobachteten Geräuschemissionen auftritt wird 100 mV nicht überschreiten. Dann schaltet das Oszilloskop auf Pin 1 von DA4.1 und die Auswahl eines Widerstands (R21) stellt den Nullpegel des Komparators ein. Durch Einschalten des Senders und Richten des Laserstrahls auf die Fotodiode müssen Sie sicherstellen, dass am Ausgang des Komparators rechteckige Impulse erscheinen.
Die Empfängerplatine RXD.PCB befindet sich ebenfalls im Ordner FILE PCAD.

Es ist möglich, die Störfestigkeit des Laserkanals zu erhöhen, indem das Signal mit einer Unterträgerfrequenz von 30 – 36 KHz moduliert wird. Die Modulation der Impulsfolgen erfolgt im Sender, während der Empfänger einen Bandpassfilter und einen Amplitudendetektor enthält.

Das Diagramm eines solchen Senders (Sender 2) ist in Abb. 6 dargestellt. Im Gegensatz zum oben besprochenen Sender 1 verfügt Sender 2 über einen Hilfsträgergenerator, der auf eine Frequenz von 30 kHz abgestimmt und in den Steckplätzen DD2.1, DD2.4 montiert ist. Der Generator ermöglicht die Modulation von Bursts positiver Impulse.

Der Laserkanalempfänger mit einer Hilfsträgerfrequenz (Empfänger 2) ist auf der heimischen Mikroschaltung K1056UP1 (DA1) montiert. Die Empfängerschaltung ist in Abb. 7 dargestellt. Um Befehlsimpulse zu isolieren, ist ein Amplitudendetektor mit einem Tiefpassfilter und einem Impulsnormalisierer, zusammengesetzt aus den Logikelementen DD3.1, DD3.2, einer Diodenbaugruppe DA3 und C9, R24, an den Ausgang der Mikroschaltung DA1 10 angeschlossen . Ansonsten stimmt die Schaltung von Empfänger 2 mit der Schaltung von Empfänger 1 überein.

Diese Woche veröffentlichte die NASA Ergebnisse des Space Laser Communications Demonstrator (LLCD) des Lunar Atmospheric and Dust Environment Explorer (oder LADEE), der im September dieses Jahres startete und derzeit unseren natürlichen Satelliten umkreist. Nach Angaben der Raumfahrtbehörde hat das LLCD-System eine sehr hohe Effizienz der Datenübertragung über eine Entfernung von etwa 400.000 Kilometern gezeigt und ist bereits in der Lage, nicht schlechter und vielleicht sogar besser zu arbeiten als herkömmliche Funksender.

Für diejenigen, die es nicht wissen: Die Mission von LLCD besteht darin, den praktischen Einsatz von Lasern zu demonstrieren zum Übertragen von Nachrichten zwischen Objekten sehr weit voneinander entfernt und mit viel höheren Geschwindigkeiten als herkömmliche Funksender bieten können. Mit dem Nachweis der Fähigkeit, Daten mit 622 Mbit/s zur Erde zu übertragen und mit 20 Mbit/s zu empfangen, stellte LLCD am 20. Oktober einen Rekord für Datenübertragungsgeschwindigkeiten aus der Mondumlaufbahn auf. Die vom Laserstrahl übertragenen Daten wurden von der wichtigsten LLCD-Bodenstation in New Mexico empfangen. Es gibt drei ähnliche Stationen auf der Welt. Die restlichen beiden befinden sich in Spanien und den USA.

Das wichtigste Vorteile von Lasern Vorteile gegenüber Funksendern bestehen darin, dass sie einen deutlich höheren Durchsatz bieten und darüber hinaus die Möglichkeit bieten, Informationen mit kurzzeitigen Laserstrahlen zu übertragen, was in Zukunft die Gesamtkosten für den Stromverbrauch bei der Übertragung von Informationen über sehr große Entfernungen senken wird.

Die NASA stellt fest, dass das LLCD-System während des 30-tägigen Testzeitraums sogar eine bessere Leistung erbrachte als erwartet. Der Laser übermittelte bei Tageslicht und selbst bei einem Abweichungswinkel des Mondes von der Sonne von vier Grad problemlos Nachrichten an Bodenstationen. Das System funktionierte auch fehlerfrei, wenn der Mond sehr tief am Horizont stand und der Laser dadurch gezwungen war, dichtere Schichten der Atmosphäre zu durchdringen und den Auswirkungen von Turbulenzen ausgesetzt zu sein. Auch die Astronomen waren überrascht, als sie erfuhren, dass leichte Zirruswolken für den Laser kein Problem darstellten.

Zusätzlich zum Testen auf Fehler demonstrierte LLCD die Fähigkeit, von einer Bodenstation zu einer anderen zu wechseln, und demonstrierte damit die Fähigkeit, sich auf eine bestimmte Station einzustellen, ohne dass ein Funksignal erforderlich ist.

„Wir haben LADEE so programmiert, dass es das LLCD-System automatisch aktiviert und an den gewünschten Ort leitet, um ein Lasersignal zur Erde zu senden, ohne dass ein Funksignal mit einem Befehl an die Sonde gesendet werden muss“, sagt Don Cornwell, LLCD-Projektmanager. vom Goddard Space Flight Center.
„Der Erfolg dieser Mission lässt uns optimistisch sein, was die Möglichkeit angeht, ähnliche Systeme als primäre Kommunikationssysteme für zukünftige NASA-Missionen zu nutzen.“
Die NASA stellt nicht nur den Erfolg der Signalübertragung fest, sondern auch die hohe Geschwindigkeit der Informationsübertragung von der Sonde zur Erde. Alle in dieser Zeit gesammelten Daten (und das sind für einen Moment Gigabyte an Informationen) wurden in weniger als fünf Minuten zur Erde übertragen. Normalerweise dauert die Übertragung dieser Datenmenge mehrere Tage.

Nach Angaben der Agentur ist die LLCD-Mission abgeschlossen und die nächste Testphase wird die Systemüberprüfung des Laser Communications Relay Demonstration (LRCD)-Satelliten sein, dessen Start für 2017 geplant ist. Im Kern handelt es sich bei dem System um eine verbesserte Version von LLCD, das Daten mit Geschwindigkeiten von bis zu 2880 Gbit/s aus der geostationären Umlaufbahn übertragen kann und Teil eines fünfjährigen Programms zum Testen von Kommunikationssystemen der nächsten Generation sein wird.

Heute sind Computer und darauf basierende Netzwerke aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Die Menschheit steht an der Schwelle einer neuen Welt, in der ein einziger Informationsraum geschaffen wird. In dieser Welt wird die Kommunikation nicht länger durch physische Grenzen, Zeit oder Entfernung behindert.

Heutzutage gibt es weltweit eine Vielzahl von Netzwerken, die unterschiedliche Funktionen erfüllen und viele verschiedene Probleme lösen. Früher oder später kommt immer der Zeitpunkt, an dem die Netzwerkkapazität erschöpft ist und neue Kommunikationsleitungen verlegt werden müssen. Innerhalb eines Gebäudes ist dies relativ einfach möglich, bei der Verbindung zweier benachbarter Gebäude treten jedoch Schwierigkeiten auf. Für die Durchführung von Arbeiten sind Sondergenehmigungen, Genehmigungen, Lizenzen sowie die Erfüllung einer Reihe komplexer technischer Anforderungen und die Befriedigung erheblicher finanzieller Anforderungen von Organisationen, die Grundstücke oder Abwasser verwalten, erforderlich. In der Regel wird sofort klar, dass der kürzeste Weg zwischen zwei Gebäuden keine gerade Linie ist. Und es ist keineswegs notwendig, dass die Länge dieses Weges mit der Entfernung zwischen diesen Gebäuden vergleichbar ist.

Natürlich kennt jeder eine drahtlose Lösung, die auf verschiedenen Funkgeräten basiert (Funkmodems, Kleinkanal-Richtfunkleitungen, Mikrowellen-Digitalsender). Aber die Zahl der Schwierigkeiten nimmt nicht ab. Die Funkwellen sind übersättigt und die Erlaubnis zur Nutzung von Funkgeräten zu erhalten ist sehr schwierig, manchmal sogar unmöglich. Und der Durchsatz dieser Ausrüstung hängt maßgeblich von ihren Kosten ab.

Wir schlagen vor, eine neue, kostengünstige Art der drahtlosen Kommunikation zu nutzen, die erst vor kurzem auf den Markt kam – die Laserkommunikation. Die größte Entwicklung erlebte diese Technologie in den USA, wo sie entwickelt wurde. Laserkommunikation bietet eine kostengünstige Lösung für das Problem einer zuverlässigen Hüber kurze Entfernungen (1,2 km), das bei der Verbindung von Telekommunikationssystemen aus verschiedenen Gebäuden auftreten kann. Sein Einsatz ermöglicht die Integration lokaler Netzwerke mit globalen Netzwerken, die Integration voneinander entfernter lokaler Netzwerke und erfüllt auch die Anforderungen der digitalen Telefonie. Die Laserkommunikation unterstützt alle dafür notwendigen Schnittstellen – von RS-232 bis ATM.

Wie funktioniert Kommunikation?

Die Laserkommunikation ermöglicht Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit Informationsübertragungsraten von bis zu 155 Mbit/s. In Computer- und Telefonnetzen sorgt die Laserkommunikation für den Informationsaustausch im Vollduplex-Modus. Für Anwendungen, die keine hohen Übertragungsraten erfordern (z. B. Video- und Steuersignale in Prozess- und Videoüberwachungsanlagen), steht eine spezielle, kostengünstige Halbduplex-Lösung zur Verfügung. Wenn es notwendig ist, nicht nur Computer-, sondern auch Telefonnetze zu kombinieren, können Modelle von Lasergeräten mit integriertem Multiplexer verwendet werden, um gleichzeitig LAN-Verkehr und digitale Gruppentelefonieströme zu übertragen (E1/ICM30).

Lasergeräte können jeden Netzwerkstrom, der ihnen über Glasfaser- oder Kupferkabel zugeführt wird, in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung übertragen. Der Sender wandelt elektrische Signale in modulierte Laserstrahlung im Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von 820 nm und einer Leistung von bis zu 40 mW um. Laserkommunikation nutzt die Atmosphäre als Ausbreitungsmedium. Der Laserstrahl trifft dann auf einen Empfänger, der im Wellenlängenbereich der Strahlung die maximale Empfindlichkeit aufweist. Der Empfänger wandelt Laserstrahlung in Signale der verwendeten elektrischen oder optischen Schnittstelle um. So erfolgt die Kommunikation mittels Lasersystemen.

Familien, Modelle und ihre Eigenschaften

In diesem Abschnitt möchten wir Ihnen die drei Familien der beliebtesten Lasersysteme in den USA vorstellen – LOO, OmniBeam 2000 und OmniBeam 4000 (Tabelle 1). Die LOO-Familie ist einfach und ermöglicht Daten- und Sprachkommunikation bis zu einer Entfernung von 1000 m. Die OmniBeam 2000-Familie verfügt über ähnliche Fähigkeiten, funktioniert jedoch über eine größere Entfernung (bis zu 1200 m) und kann Videobilder und eine Kombination aus Daten und Sprache übertragen. Die OmniBeam 4000-Familie bietet eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung: von 34 bis 52 Mbit/s über Entfernungen bis zu 1200 m und von 100 bis 155 Mbit/s bis zu 1000 m. Es gibt aber auch andere Familien von Lasersystemen auf dem Markt Sie decken entweder kürzere Entfernungen ab oder unterstützen weniger Protokolle.

Tabelle 1.

Jede Familie umfasst eine Reihe von Modellen, die unterschiedliche Kommunikationsprotokolle unterstützen (Tabelle 2). Die LOO-Familie umfasst kostengünstige Modelle, die Übertragungsentfernungen von bis zu 200 m ermöglichen (der Buchstabe „S“ am Ende des Namens).

Tabelle 2.

Ein unbestrittener Vorteil von Laserkommunikationsgeräten ist ihre Kompatibilität mit den meisten Telekommunikationsgeräten für verschiedene Zwecke (Hubs, Router, Repeater, Bridges, Multiplexer und PBXs).

Installation von Lasersystemen

Ein wichtiger Schritt bei der Erstellung eines Systems ist seine Installation. Das eigentliche Einschalten nimmt im Vergleich zur Installation und Konfiguration von Lasergeräten, die von gut ausgebildeten und ausgestatteten Fachkräften durchgeführt wird, mehrere Stunden in Anspruch. Gleichzeitig hängt die Qualität des Betriebs des Systems selbst von der Qualität dieser Vorgänge ab. Bevor wir typische Inklusionsoptionen vorstellen, möchten wir daher auf diese Aspekte eingehen.

Bei der Platzierung im Freien können Transceiver auf Dach- oder Wandflächen installiert werden. Der Laser ist auf einem speziellen starren Träger, meist aus Metall, montiert, der an der Gebäudewand befestigt wird. Die Halterung bietet außerdem die Möglichkeit, den Neigungswinkel und den Azimut des Strahls anzupassen.

In diesem Fall erfolgt der Anschluss zur einfacheren Installation und Wartung des Systems über Verteilerkästen (RK). Bei den Verbindungskabeln handelt es sich in der Regel um Glasfaserkabel für Datenübertragungskreise und Kupferkabel für Strom- und Steuerkreise. Verfügt das Gerät nicht über eine optische Datenschnittstelle, besteht die Möglichkeit, ein Modell mit elektrischer Schnittstelle oder ein externes optisches Modem zu verwenden.

Das Netzteil (PSU) des Transceivers wird immer im Innenbereich installiert und kann an einer Wand oder in einem Rack montiert werden, das für LAN-Geräte oder strukturierte Verkabelungssysteme verwendet wird. In der Nähe kann auch ein Zustandsmonitor installiert werden, der zur Fernüberwachung der Funktion von Transceivern der OB2000- und OB4000-Familien dient. Seine Verwendung ermöglicht die Diagnose des Laserkanals, die Anzeige der Signalstärke sowie die Schleife des Signals zur Überprüfung.

Bei der internen Installation von Laser-Transceivern ist zu beachten, dass die Leistung der Laserstrahlung beim Durchdringen von Glas abnimmt (mindestens 4 % pro Glas). Ein weiteres Problem sind Wassertropfen, die bei Regen an der Außenseite des Glases herunterlaufen. Sie wirken als Linsen und können zu Strahlstreuung führen. Um diesen Effekt zu reduzieren, wird empfohlen, die Geräte nahe der Glasoberkante zu installieren.

Um eine qualitativ hochwertige Kommunikation zu gewährleisten, müssen einige Grundvoraussetzungen berücksichtigt werden.

Die wichtigste davon, ohne die eine Kommunikation unmöglich ist, besteht darin, dass sich Gebäude in Sichtweite befinden müssen und sich keine undurchsichtigen Hindernisse im Weg der Strahlausbreitung befinden dürfen. Da der Laserstrahl im Empfängerbereich zudem einen Durchmesser von 2 m hat, ist es aus Sicherheitsgründen erforderlich, dass sich die Transceiver in einer Höhe von mindestens 5 m über Fußgängern und Verkehr befinden. Der Transport ist auch eine Quelle von Gasen und Staub, die die Zuverlässigkeit und Qualität der Übertragung beeinträchtigen. Der Strahl darf nicht in unmittelbarer Nähe von Stromleitungen projiziert werden oder diese kreuzen. Zu berücksichtigen sind das mögliche Wachstum der Bäume, die Bewegung ihrer Kronen bei Windböen sowie der Einfluss von Niederschlägen und mögliche Störungen durch fliegende Vögel.

Die richtige Wahl des Transceivers garantiert einen stabilen Betrieb des Kanals unter allen klimatischen Bedingungen in Russland. Beispielsweise verringert ein größerer Strahldurchmesser die Wahrscheinlichkeit niederschlagsbedingter Ausfälle.

Lasergeräte sind keine Quelle elektromagnetischer Strahlung (EMR). Wenn der Laser jedoch in der Nähe von Geräten mit EMR platziert wird, nimmt die Elektronik diese Strahlung auf, was zu einer Signaländerung sowohl im Empfänger als auch im Sender führen kann. Dadurch wird die Qualität der Kommunikation beeinträchtigt. Es wird daher nicht empfohlen, Lasergeräte in der Nähe von EMR-Quellen wie leistungsstarken Radiosendern, Antennen usw. aufzustellen.

Bei der Installation eines Lasers ist es ratsam, in Ost-West-Richtung ausgerichtete Laser-Transceiver zu vermeiden, da die Sonnenstrahlen an mehreren Tagen im Jahr die Laserstrahlung für mehrere Minuten blockieren können und eine Übertragung selbst mit speziellen optischen Filtern in der Laserstrahlung unmöglich wird Empfänger. Wenn Sie wissen, wie sich die Sonne in einem bestimmten Bereich über den Himmel bewegt, können Sie dieses Problem leicht lösen.

Vibrationen können dazu führen, dass sich der Laser-Transceiver verschiebt. Um dies zu vermeiden, wird davon abgeraten, Lasersysteme in der Nähe von Motoren, Kompressoren usw. zu installieren.

Bild 1.
Platzierung und Anschluss von Laser-Transceivern.

Mehrere typische Inklusionsmethoden

Die Laserkommunikation wird dazu beitragen, das Problem der Kurzstreckenkommunikation bei Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zu lösen. Schauen wir uns als Beispiele einige typische Optionen oder Methoden der Einbeziehung an. Sie haben also eine Zentrale (CO) und eine Zweigstelle (F), die jeweils über ein Computernetzwerk verfügen.

Abbildung 2 zeigt eine Variante der Organisation eines Kommunikationskanals für den Fall, dass F und DSO kombiniert werden müssen, wobei Ethernet als Netzwerkprotokoll und Koaxialkabel (dick oder dünn) als physikalisches Medium verwendet werden. Im CO gibt es einen LAN-Server und in F gibt es Computer, die mit diesem Server verbunden werden müssen. Mit Lasersystemen wie den Modellen LOO-28/LOO-28S oder OB2000E können Sie dieses Problem einfach lösen. Die Bridge wird in der Mitte und der Repeater in F installiert. Wenn die Bridge oder der Repeater über eine optische Schnittstelle verfügt, ist kein optisches Minimodem erforderlich. Laser-Transceiver sind über Dual-Glasfaser verbunden. Mit dem Modell LOO-28S können Sie in einer Entfernung von bis zu 213 m und mit dem Modell LOO-28 bis zu 1000 m mit einem „sicheren“ Empfangswinkel von 3 mrad kommunizieren. Das Modell OB2000E deckt eine Distanz von bis zu 1200 m mit einem „sicheren“ Empfangswinkel von 5 mrad ab. Alle diese Modelle arbeiten im Vollduplex-Modus und bieten eine Übertragungsgeschwindigkeit von 10 Mbit/s.

Figur 2.
Anschließen eines entfernten Ethernet-LAN-Segments über ein Koaxialkabel.

Eine ähnliche Möglichkeit zur Kombination zweier Ethernet-Netzwerke mit Twisted-Pair-Kabel (10BaseT) als physikalischem Medium ist in Abbildung 3 dargestellt. Der Unterschied besteht darin, dass anstelle einer Bridge und eines Repeaters Konzentratoren (Hubs) verwendet werden, die über die erforderliche Anzahl an 10BaseT verfügen Anschlüsse und eine AUI-Schnittstelle oder FOIRL zum Anschluss von Laser-Transceivern. In diesem Fall ist die Installation eines Laser-Transceivers LOO-38 oder LOO-38S erforderlich, der die erforderliche Übertragungsgeschwindigkeit im Vollduplex-Modus bereitstellt. Das Modell LOO-38 unterstützt Kommunikationsentfernungen bis zu 1000 m und das Modell LOO-38S kann bis zu 213 m kommunizieren.

Figur 3.
Anschließen eines Remote-Ethernet-LAN-Segments basierend auf Twisted Pair.

Abbildung 4 zeigt eine Variante der kombinierten Datenübertragung zwischen zwei LANs (Ethernet) und einen Gruppen-Digitalstrom E1 (PCM30) zwischen zwei PBX-Anlagen (im CO und F). Zur Lösung dieses Problems eignet sich das Modell OB2846, das Daten- und Sprachübertragung mit einer Geschwindigkeit von 12 (10+2) Mbit/s über eine Distanz von bis zu 1200 m ermöglicht. Die LAN-Verbindung zum Transceiver erfolgt über Dual-Glasfaser über einen Standard-SMA-Anschluss und der Telefonverkehr wird über ein 75-Ohm-Koaxialkabel über einen BNC-Anschluss übertragen. Es ist zu beachten, dass das Multiplexen von Daten- und Sprachströmen keine zusätzliche Ausrüstung erfordert und von Transceivern durchgeführt wird, ohne den Durchsatz jedes einzelnen von ihnen einzeln zu reduzieren.

Figur 4.
Integration von Computer- und Telefonnetzwerken.

Eine Option für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung zwischen zwei LANs (LAN „A“ in der Zentrale und LAN „B“ in der F) unter Verwendung von ATM-Switches und Laser-Transceivern ist in Abbildung 5 dargestellt. Das Modell OB4000 löst das Hochgeschwindigkeitsproblem -Beschleunigen Sie die Kommunikation über kurze Distanzen optimal. Sie haben die Möglichkeit, E3-, OC1-, SONET1- und ATM52-Streams mit den erforderlichen Geschwindigkeiten über eine Entfernung von bis zu 1200 m und 100 Base-VG oder VG ANYLAN (802.12), 100 Base-FX oder Fast Ethernet (802.3) zu übertragen. , FDDI, TAXI 100/ 140, OC3, SONET3 und ATM155 mit den erforderlichen Geschwindigkeiten – über eine Distanz von bis zu 1000 m. Die übertragenen Daten werden über eine standardmäßige Dual-Glasfaser, die über einen SMA-Stecker angeschlossen ist, an den Laser-Transceiver geliefert.

Abbildung 5.
Konsolidierung von Hochgeschwindigkeits-Telekommunikationsnetzen.

Die aufgeführten Beispiele erschöpfen nicht alle Einsatzmöglichkeiten von Lasergeräten.

Was ist profitabler?

Versuchen wir, den Platz der Laserkommunikation unter anderen kabelgebundenen und kabellosen Lösungen zu bestimmen und kurz deren Vor- und Nachteile zu bewerten (Tabelle 3).

Tisch 3.

Beginnen wir mit dem bekannten gewöhnlichen Kupferkabel. Einige seiner Eigenschaften ermöglichen eine nahezu genaue Berechnung der Parameter des erstellten Kommunikationskanals. Für einen solchen Kanal spielt es keine Rolle, in welche Richtung die Übertragung erfolgt und ob sich Objekte in Sichtweite befinden; über den Einfluss von Niederschlag und vielen anderen Faktoren muss nicht nachgedacht werden. Allerdings lassen Qualität und Übertragungsgeschwindigkeit dieses Kabels zu wünschen übrig. Die Bitfehlerrate (BER) liegt in der Größenordnung von 1E-7 oder höher und ist damit deutlich höher als bei Glasfaser oder drahtloser Kommunikation. Kupferkabel sind eine Kommunikationsverbindung mit niedriger Geschwindigkeit. Überlegen Sie daher vor der Installation neuer Kabel, ob sich deren Verwendung lohnt. Wenn Sie bereits über ein Kabel verfügen, sollten Sie darüber nachdenken, wie Sie dessen Kapazität mithilfe der HDSL-Technologie erhöhen können. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass aufgrund des unbefriedigenden Zustands der Kabelleitungen möglicherweise nicht die erforderliche Kommunikationsqualität gewährleistet ist.

Glasfaserkabel haben gegenüber Kupferkabeln erhebliche Vorteile. Hoher Durchsatz und Übertragungsqualität (BER)

Heutzutage ist die Funkkommunikation weit verbreitet, insbesondere Richtfunkleitungen und Funkmodems. Sie haben auch ihre eigenen Vor- und Nachteile. Bestehende Funktechnologien bieten Ihnen beim Aufbau eines Datenübertragungskanals eine höhere Qualität (BER).

Laserkommunikation – löst schnell und effizient, zuverlässig und effektiv das Problem der Nahbereichskommunikation zwischen zwei Gebäuden, die sich in einer Entfernung von bis zu 1200 m und in direkter Sichtweite befinden. Ohne diese Voraussetzungen ist eine Laserkommunikation nicht möglich. Seine unbestrittenen Vorteile sind:

• „Transparenz“ für die meisten Netzwerkprotokolle (Ethernet, Token Ring, Sonet/OC, ATM, FDDI usw.);
• hohe Datenübertragungsgeschwindigkeit (bis zu 155 Mbit/s heute, bis zu 1 Gbit/s für von den Herstellern angekündigte Geräte);
• hohe Kommunikationsqualität mit BER=1E-10...1E-9;
• Verbinden des Netzwerkverkehrs mit dem Laser-Transceiver über Kabel- und/oder Glasfaserschnittstellengeräte;
• es ist keine Nutzungserlaubnis erforderlich;
• relativ niedrige Kosten für Laserausrüstung im Vergleich zu Funksystemen.

Laser-Transceiver stellen aufgrund der geringen Leistung ihrer Strahlung keine Gefahr für die Gesundheit dar. Es ist zu beachten, dass der Balken zwar sicher ist, die Vögel ihn jedoch sehen und versuchen, ihm auszuweichen, was die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen erheblich verringert. Wenn die übertragenen Informationen über ein Standard-Multimode-Glasfaserkabel zum und vom Laser-Transceiver übertragen werden, ist die Datenübertragung ohne Funkwellen und elektromagnetische Strahlung gewährleistet. Dies stellt nicht nur sicher, dass es zu keinen Auswirkungen auf in der Nähe betriebene Geräte kommt, sondern macht auch den unbefugten Zugriff auf Informationen unmöglich (diese können nur durch direkte Annäherung an den Transceiver erlangt werden).