TTS Moduł 13

Światłowód kwarcowy jako medium transmisyjne zrewolucjonizował technikę transmisji informacji na długich dystansach. O tym już wiemy. Czy jednak nie można wykorzystać opracowanej techniki i zbudować łącze optyczne pracujące w wolnej przestrzeni? Oczywiście, że można, znamy takie urządzenia, to przecież pilotem włączamy telewizor i przełączamy jego kanały. To jest łącze najprostsze, wręcz prymitywne. Można znaleźć inne możliwości, jednak najpierw poszukajmy jego właściwości aby dojść do obszarów zastosowań.

---

Materiał wykładu nie jest obszerny. Składają się na niego opisy systemów dalekiego zasięgu oraz prezentacja systemów stosowanych w pomieszczeniach zamkniętych. Na koniec, jak zwykle, krótkie podsumowanie.

---

Przyjrzyjmy się rysunkowi. Pokazano na nim rozmaite struktury telekomunikacyjnych sieci satelitarnych, których satelity połączone są między sobą łączami optycznym o dużej przepustowości. Także połączenia z Ziemią mogą być realizowane z użyciem częstotliwości optycznych. Traktujmy taki system jako koncepcję, gdyż żaden (cywilny) rzeczywisty system satelitarny z łączami optycznymi jeszcze nie powstał. Na rysunku tym zaznaczono między innymi: Łącza optyczne ziemia-ziemia realizowane na duże odległości między szczytami górskimi, a także na mniejszych odległościach między wysokimi budynkami w centrum miasta. Łącza ziemia-samolot wykorzystywane są do transmisji objętych tajemnicą danych. W takich przypadkach pasmo transmisji nie jest na tyle szerokie, by koniecznym było sięganie po nośną z pasma optycznego. Decydującym argumentem jest możliwość skupienia wiązki optycznej, co utrudnia, lub wręcz uniemożliwia podsłuch. Łącza samolot-samolot wykorzystywane są z powodu wymienionego wyżej. Łącza optyczne satelita-ziemia kierują strumień danych do systemu sieci satelitarnej i odbierają go od niej. Pasmo transmisji powinno być szerokie w takim przypadku.

---

Na rysunku zilustrowano jedną z możliwości: transmisja danych miedzy budynkami w City, gdy przepustowość sieci kablowej nie wystarcza. Zobaczymy, że łącza optyczne posługują się bardzo wąskimi wiązkami sygnału i dlatego nie obserwujemy przesłuchów między łączami długich dystansach, łącza optyczne nie przeszkadzają sobie wzajemnie, podczas gdy łącza mikrofalowe, nawet w pasmach milimetrowych interferują między sobą.

---

Łącza optyczne krótkiego zasięgu cieszą się wielką i rosnącą popularnością. Wykorzystywane są do transmisji danych wewnątrz pomieszczeń, między rozmaitymi składnikami sieci komputerowej. W ten sposób stają się przydatne do tworzenia sieci LAN. Łącza optyczne tego typu niosą zupełnie inna grupę problemów, inne moce, inne zasięgi i inne szybkości transmisji. Użyteczność tego typu łączy jest bardzo duża. Na rysunku pokazano rozmaite możliwości pracy łącz optycznych małego zasięgu, przeznaczonych do transmisji danych na odległość kilka, kilkadziesiąt metrów, zwykle wewnątrz pomieszczeń biurowych, czy też laboratoryjnych.

---

Przyjmiemy, że soczewki skupiające i rozpraszające mają wytworzyć wiązkę równoległą. Efekty ugięcia, zależne od długości fali $\lambda$, powodują zmianę średnicy wiązki z wartości $d_t$, równej średnicy soczewki, do wartości $d_z$ po przebyciu drogi $z$, zgodnie z zależnością podaną na stronie. Równanie pokazuje wpływ dyfrakcji na kąt rozbieżności wiązki. Powyższa zależność ma wielką wagę, gdyż pokazuje jak rozbieżność wiązki promieniowania zależy od rozmiarów $d_t$ anteny (soczewki) i długości fali $\lambda$. W polu bliskim, gdy $(\lambda z/{d_t}^2)<<1$, wiązka jest równoległa i ma średnicę $d_t$. W polu dalekim, gdy $(\lambda z/{d_t}^2)>>1$, otrzymujemy falę płaską o kącie rozbieżności ${\theta }_t$: Drugie równanie podaje wzmocnienie idealnej anteny w zależności od wymiarów anteny i długości fali.

---

Wykorzystując zależność na wzmocnienie narysowano rodzinę charakterystyk pokazaną na rysunku. Interpretacja prostych otrzymanych na tej podstawie jest łatwa i czytelna. Przewaga optycznych układów ogniskujących nad antenowymi układami mikrofalowymi jest widoczna. Dzięki zmniejszeniu długości fali wzmocnienie optycznych układów ogniskujących jest o kilkadziesiąt decybeli większe. Dzięki temu poziomy mocy wyjściowej nadajników mogą być znacznie mniejsze, przy tych samych zasięgach.

---

Punktem startu rozważań o propagowanej mocy są oczywiście równania Maxwell'a, które opisują pole EM w każdym punkcie przestrzeni. Dla prostoty pomijamy wyprowadzenie szczegółowe podając krótko: zależność na moc odbieraną przez odbiornik o powierzchni $A$, oddalony o $z$ od źródła mocy $P_S$ wypromieniowanej przez antenę/soczewkę o wzmocnieniu $G_T$, definicję wzmocnienia $G_S$ anteny odbiornika, końcowe wyrażenie na moc $P_R$ odbieraną przez odbiornik. Ostateczna forma zależności zawiera tłumienie $L_P$ przestrzeni, uwzględniające takie efekty, jak: mgła, opady deszczu lub śniegu, absorpcja promieniowania przez cząsteczki gazu atmosfery.

---

Fala elektromagnetyczna propagowana w atmosferze jest tłumiona, atmosfera absorbuje i rozprasza promieniowanie EM. Efekty te zależą od długości fali, poznamy niektóre z nich. Atmosfera składa się z gazów, atomów, pary wodnej, pyłu, wszystko utrzymywane siłą grawitacji. Jak wiemy największa koncentracja występuje w troposferze, przy powierzchni Ziemi. Powietrze ma tutaj największą gęstość, występuję najwięcej pary wodnej, chmury, mgły i opady. Jest oczywiste, że straty mocy zależą od typu transmisji horyzontalnej i wertykalnej. Ogólnie mówiąc efekty tłumienia stają się tym wyraźniejsze, im długość fali zbliży się do rozmiaru drobin.

---

Czyste powietrze jest w stanie silnie absorbować promieniowanie podczerwone, co pokazano na rysunku. Absorpcja promieniowania ma charakter selektywny, związany z pobudzaniem określonych cząsteczek, tlenu, azotu, dwutlenku węgla. Efektów tak silnej absorpcji nie obserwujemy w zakresie promieniowania widzialnego, a także w zakresie fal radiowych i mikrofal, poniżej 30 GHz. W miarę rozrzedzania powietrza absorpcja słabnie, przy transmisji między satelitami, na wysokościach powyżej 200 km, można ją pominąć. Absorpcja i rozpraszanie wiązki powodują dodatkowe tłumienie, które zależy od długości fali.

---

Badacze warunków propagacji rozróżniają trzy podstawowe rodzaje warunków: czyste powietrze, chmury, mgły, deszcze. W warunkach czystego powietrza zmiany temperatury powodują turbulencje, zmienia się wtedy współczynnik załamania, powstają soczewki zmieniające kierunek propagacji. Efekty turbulencji w czystym powietrzu powodują dodatkowe tłumienie fali. Na rysunku pokazano krzywe otrzymane doświadczalnie, pokazujące wpływ pary wodnej i opadów deszczu na tłumienie promieniowania elektromagnetycznego o różnej długości fali. Promieniowanie EM w pasmach mikrofalowych 10-30 cm jest prawie niewrażliwe na opady deszczu, dlatego radary mikrofalowe dużego zasięgu pracują w tych zakresach długości fali.

---

W Tabeli zestawiono wyniki pomiarów tłumienia fali płaskiej z zakresu bliskiej podczerwieni i rozchodzącej się w atmosferze w rozmaitych warunkach pogodowych. Z danych Tabeli wynika, że w transmisji optycznej między budynkami na odległości do 500 m warunki pogodowe mogą przeszkodzić tylko w rzadkich przypadkach silnej mgły i dużych opadów deszczu i śniegu.

---

Wykrywanie, naprowadzanie i śledzenie obustronne są ważnymi problemami automatyki systemu transmisji sygnałów mikrofalowych i optycznych między oddalonymi obiektami. Im krótsza długość propagowanej fali, tym problemy naprowadzania i śledzenia stają się trudniejsze. Przykład: wiązka sygnału optycznego kierowana jest z satelity odległego o 20.000 km i ma szerokość kątową 50 rad. Na Ziemi średnica wiązki równa jest 1 km. Wiązka mikrofalowa o kącie 100 ma średnicę ok. 4.000 km. Im większa odległość między nadajnikiem a odbiornikiem, im mniejsza długość fali i węższa wiązka, tym trudniej wykryć położenie nadajnika i ustawić własny system optyczny na odbiór maksimum mocy. Jeśli transmisja ma miejsce między obiektami poruszającymi się, np. między satelitami, samolotami, czy też samolotem i anteną naziemną, to po wzajemnym wykryciu należy utrzymać transmisję mimo zmiany położenia i odległości. Ten stan nazywany jest śledzeniem. Problemy wykrywania i śledzenia jednostronnego i wzajemnego przez nadajnik i odbiornik są trudne, ale rozwiązywalne. Stosowane są wyrafinowane układy automatyki, często stosuje się dodatkową, niewielką modulację położenia wiązki, aby ułatwić działanie automatyki systemu.

---

Podstawowe różnice między systemami transmisji optycznej i mikrofalowej zestawiono w Tabeli. Zestawienie wykonano – opierając się na odpowiednich obliczeniach – przy następujących założeniach: Łącza przeznaczone są do transmisji między satelitami, co uniemożliwia użycia anten o dużych rozmiarach. Łącza powinny zapewnić transmisję o szybkości 1 Gb/s. Stopa błędu dla każdego łącza nie powinna być większa od $10^{-6}$. Pierwsze z założeń wykluczyło możliwość wykorzystania łącz mikrofalowych z pasma decymetrowego i centymetrowego. Wybrano najniższą częstotliwość fali nośnej na 32 GHz. Analizując wyniki obliczeń zauważmy najpierw ogromną różnicę w kierunkowościach anten mikrofalowych i ogniskujących systemów optycznych. Jest to różnica około 70 dB. Różnica ta jest częściowo niwelowana większą czułością odbiorników mikrofalowych. Pamiętajmy o tym, że systemy mikrofalowe doskonalone były od 50 lat i są w pełni dojrzałe. Różnice między wzmocnieniami anten można zmniejszyć wzrostem rozmiarów anten, a także skompensować wzrostem mocy nadajników. Porównanie mocy nadajników staje się w końcu krytyczne dla porównania obu systemów. Różnice między 1 W a 20 W nie są istotne w warunkach naziemnych. Jednak w nadajniki satelitarne są zasilane z baterii słonecznych, a te mają ograniczoną pojemność.

---

Na rysunku pokazano widok uproszczonego systemu nadawczo-odbiorczego do transmisji danych w wolnej przestrzeni. Ciekawym jest rozwiązanie wypromieniowania sygnału wyjściowego i wprowadzenie sygnału odbieranego tym samym oknem optycznym. Układ odbiornika po odbiorze i wstępnym przetworzeniu sygnału przesyła go dalej do sieci światłowodowej. Układ nadawczy pobiera światłowodem sygnał z sieci i po regeneracji skierowuje go lasera modulując jego moc wyjściową. Czytelnik sam odnajdzie najważniejsze elementy systemu

---

W Tabeli zestawiono wybrane parametry pięciu dostępnych obecnie systemów telekomunikacji optycznej z transmisją w wolnej przestrzeni. Systemy przeznaczone są do transmisji na krótkich dystansach, zwykle w zabudowaniach miejskich na krótkie odległości. Cztery z nich wykorzystują pasmo bliskiej podczerwieni, nie wykorzystywane przez łącza światłowodowe, a tylko jeden z nich wykorzystuje elementy typowe dla 3 okna światłowodu.

---

Popularność łączy na podczerwień do transmisji danych cyfrowych jest tak duża, że wprowadzono elementy normalizacji. Infrared Data Association ustaliła standard łącz krótkiego zasięgu z następującymi szybkościami transmisji: 4 Mb/s, 1,152 Mb/s, 115,2 kb/s, przy długości fali 850 - 900 nm, stopa błędu nie powinna być większa, niż BER $10^{-9}$, przy transmisji na odległość 1m. Możliwe wszystkie typy modulacji: AM, PM, FM. Najprostszym i dobrym rozwiązaniem jest łącze typu IM/DD: Intensity modulation (IM) / Direct detection (DD). Najprostsze łącze na podczerwień pokazano na rysunku. Prąd $I_L(t)$ diody LED lub laserowej moduluje moc optyczną nadajnika $P_{OPT}(t)$. Sygnał optyczny dociera do fotodiody, której prąd $I_{FD}(t)$ zawiera transmitowaną informację. Sygnał dociera do odbiornika bezpośrednio od nadajnika. Poza tym dociera innymi drogami, odbity od rozmaitych powierzchni. Liczne interferencje nie są problemem, gdy średnica detektora jest dużo większa od długości fali sygnału $>>\lambda$. Najpopularniejsze łącza wykorzystują transmisją bezpośrednią, diody LED jako źródła światła i krzemowe fotodetektory. Opisywane łącza optyczne pracują w obecności silnego światła widzialnego słonecznego i sztucznego, sygnałów podczerwonych, są to źródła szumów. Do problemu szumów wrócimy wkrótce.

---

Na kolejnych rysunkach pokazano podstawowe struktury łącz krótkiego zasięgu. Na rysunku a) pokazano najprostsze połączenie dwóch przenośnych urządzeń, między którymi odbywa się transmisja sygnału. Może to być dla przykładu transmisja danych z komputera typu laptop do drukarki. Jedno z urządzeń może być podłączone do sieci przewodowej, co pozwala na transmisję danych do odległych systemów komputerowych. Zespół z węzłem centralnym pokazany na rysunku b) może być wykorzystywany przy transmisji wielodostępowej, np. w salach konferencyjnych. Umożliwia on także dostęp do sieci przewodowej. Zespół taki stanowi ważny element umożliwiający konstrukcję LAN (ang. Local Area Network).

---

Na rysunku pokazano ideę tworzenia sieci LAN jako systemu umożliwiającego transmisję danych między różnymi pomieszczeniami, wykorzystującego sieć przewodową do transmisji sygnału między pomieszczeniami i łączy optycznych do wielodostępowej transmisji wewnątrz pomieszczeń. Urządzenia przygotowane do budowy takiej sieci muszą być przygotowane do tworzenia rozmaitych kombinacji i konfiguracji układowych.

---

Łącza optyczne krótkiego zasięgu wykorzystują najczęściej pasmo bliskiej podczerwieni. Ich nadajniki pracują w pasmie 780 - 950 nm i konstruowane są w oparciu o technologię krzemową, tanią i dobrze opanowaną. Najczęściej są to diody LED, o wystarczającej mocy i pasmie modulacji, poza tym diody LED są bezpieczne i tanie. Moce optyczne diod LED nie przekraczają zwykle 3 mW, szerokość kątowa wiązki wypromieniowanej przez diodę $10^{\circ }-30^{\circ }$. W niektórych rozwiązaniach stosowane są diody laserowe, gdyż wykazują one szereg korzyści w stosunku do diod LED. Wśród nich najważniejsze jest znaczne pasmo modulacji, umożliwiające transmisję do kilku GHz. Ze względów bezpieczeństwa zaleca się wykorzystywanie pasma 1550 nm raczej, niż 1350 nm.

---

Na rysunku pokazano niektóre rozwiązania konstrukcyjne i charakterystyki odbiorników optycznych. Na rysunkach a i b pokazano konstrukcje specjalnych soczewek-koncentratorów umożliwiających odbiór z szerokiego kąta padania. Soczewki pokryte filtrem odcinającym zakres widzialny, a transmitującym zakres podczerwieni. Filtry stosowane są w tym celu, aby obniżyć poziom szumów wywołanych obecnością światła widzialnego.

---

Na kolejnych rysunkach pokazano dwie podstawowe struktury łącza optycznego krótkiego zasięgu. Na rysunku a) łącze z bezpośrednią transmisją z nadajnika do odbiornika, na rysunku b) z transmisją pośrednią, w której do odbiornika kierowane jest promieniowanie odbite

---

Jak widać z kolejnych rysunków istnieje wiele możliwości przesłania sygnału do rozmaitych użytkowników nawet w bardzo obszernych pomieszczeniach. Można w tym celu wykorzystać kilka wiązek promieniowania i skierować je do kilka rozpraszających reflektorów.

---

W pasmie podczerwieni można znaleźć wiele źródeł szumów. Wymieńmy je kolejno: Promieniowanie słoneczne, szczególnie silne w dni słoneczne. Promieniowanie nieba, rozproszone promieniowanie słoneczne. Sztuczne źródła światła, takie jak żarówki, lampy fluorescencyjne, jarzeniowe, itp. Pozostałe źródła szumów są typowe dla odbiorników z fotodiodami: Szumy śrutowe 1/f fotodiody i przedwzmacniacza. Szumy termiczne. Obfitość szumów powoduje zmniejszenie zasięgu łącza, wzrost stopy błędu, konieczność powtarzania transmisji.

---

Telekomunikacja optyczna staje się konkurencyjna dla telekomunikacji wykorzystującej pasma mikrofalowe nie tylko w obszarze sieci przewodowych, ale także w łączach wolnej przestrzeni. Podsumowując wykład stwierdzamy, że łącza optyczne dalekiego zasięgu, między satelitami typu LEO (1500 km), między satelitami LEO i GEO (40.000 km) zapewniają większą prędkość transmisji, mniejszą wagę i pobór mocy. Opracowanie układów automatyki umożliwiło transmisję sygnałów optycznych miedzy obiektami ruchomymi, satelitami LEO i samolotami. Prawdopodobnie obecnie jedynie armie stosują łącza optyczne dalekiego zasięgu w wolnej przestrzeni. Zastosowania cywilne bardzo bliskie. Łącza optyczne w zakresie podczerwieni są atrakcyjną i użyteczną alternatywą w stosunku do łącz mikrofalowych dla przenośnych komputerów i terminali telekomunikacyjnych. Jakkolwiek podstawową techniką łączy krótkiego zasięgu jest IM/DD, to możliwym jest wykorzystanie techniki transmisji na podnośnej i wielokrotnej multipleksacji. Należy jednak mieć na uwadze, że ze względu na duży poziom szumów własnych i zewnętrznych napotyka się na trudności w uzyskaniu odpowiednio małej stopy błędu.

---