книги / Многоканальные системы передачи оптического диапазона

внутренняя модуляция, которая заключается в изменении параметров активного вещества, резонатора или устрой­ ства накачки ОКГ. Например, модуляция оптического излучения в люминесцентных и суперлюминесцентных диодах, а также в ннжекционных лазерах осуществля­ ется прямым изменением питающего тока. Зависимость мощности излучения светодиодов от тока накачки близка к линейной лишь при малых токах. Насыщение достигается при токах порядка 200 мА. Скорость передачи, которая может быть достигнута при использовании све­

близка к линейной в более широких пределах изменения питающего тока. Эксперименты с прямой модуляцией инжекционных лазеров показывают, что скорость передачи информации в секунду при этом может достигать вели­ чин нескольких сотен мегабит и даже единицы гигабит.

Из всех возможных способов преобразования широко­ полосного многоканального сигнала в модулированное световое излучение самыми простыми являются модуля­ ции амплитудная и частотно-импульсная (ЧИМ). Пер­ вый вид модуляции применяется в системах с непрерыв­ ным источником светового излучения, в качестве кото­ рого используются светодиоды; второй — в системах с импульсным источником, которым может быть GaAs-ла- зер. Анализ этих двух видов модуляции показывает,что ЧИМ имеет следующие преимущества по сравнению с AM: нелинейность модуляционной характеристики источ­ ников излучения можно не учитывать; отношение сигнал/шум при ЧИМ лучше, чем при AM.

Наиболее широкое применение в системах многока­ нальной передачи информации находят ППЛ. Поэтому рассмотрим более подробно возможные способы их мо­ дуляции.

При амплитудной модуляции ППЛ изменением уровня возбуждения проявляется «пичковый резонанс» в глубине модуляции интенсивности света. На рис. 5.2 показано

и фотона). Чтобы продемонстрировать влияние измене­ ния добротности резонатора, кривые даны для двух зна­

101

сунка следует, что заметное искажение сигнала, несущего информацию, имеет место при частотах, близких к vmax, когда rn(vm) достигает максимального значения. Для GaAs-лазеров, работающих при более чем 10 %-ном пре­ вышении порога, vmax равно нескольким гигагерцам при температуре жидкого азота и повышается при комнат­ ной температуре.

В ряде случаев описанный выше резонансный харак­ тер поведения глубины модуляции может быть весьма полезен. Для узкополосных информационных сигналов величину токовой модуляции, необходимой для получения заданной глубины модуляции интенсивности света., можно существенно снизить, если модуляция выполняется на частоте ута3;. Узкополосную информацию при этом можно будет ввести в световой поток, модулируя СВЧ подне­ сущую. Передача информации при больших значениях глубины модуляции увеличивает отношение еигнал/шум в системе связи. Разумеется, необходимо соблюдать усло­ вие работы в пределах области, где мощность излучения линейно зависит от тока инжекции.

При импульсных видах модуляции ППЛ в условиях комнатной температуры нагрев р—л-перехода, сопро­ вождающийся увеличением порогового тока, является главным фактором, ограничивающим число каналов в системе оптической связи. Максимальное значение коэф­ фициента заполнения £ токовых импульсов для ППЛ в виде тонкой полоски, работающих с 10%-ным превы­ шением порога, составляет около 10 %.

Реальное значение коэффициента заполнения опти­ ческих импульсов еще меньше. Это объясняется двумя причинами: во-первых, между моментом начала импульса тока и моментом появления оптического импульса всегда существует некоторая задержка б; во-вторых, в случае

102

ший промежуток времени, а обнаружив его, сопровож­ дать, осуществляя непрерывное совмещение оптических осей передатчика и приемника в течение сеанса связи.

Различают устройства регулярного и случайного поиска. В связи с тем что реализация устройств случай­ ного поиска чрезвычайно сложна, наибольшее распро­ странение получили устройства регулярного поиска. Их в свою очередь можно разделить на следующие: устрой­ ства без сканирования, в которых используется маяк с большой импульсной мощностью, главный лепесток диаграммы направленности которого охватывает всю область неопределенности (метод широкого луча) и

устройства со сканированием на одном или двух объектах. При этом обзор области неопределенности осуществля­ ется лучом с малым углом расхождения (метод узкого луча).

Из этих двух методов предпочтителен метод узкого луча, так как при одинаковых мощности передатчика и диаметре апертуры поле зрения приемника 0прм при использовании метода широкого луча должно быть при­ мерно в 5 раз больше, чем при методе узкого луча. Высокая частота импульсов при сканировании позволяет получить более широкую частотную характеристику устройства слежения, что в свою очередь ведет к умень­ шению ошибки сопровождения. Для определенности бу­ дем считать, что связь должна быть осуществлена между двумя корреспондентами, находящимися соответственно на синхронном (СС) и низкоорбитальном (НС) спутниках.

Процесс взаимной ориентации НС и СС состоит из следующих этапов: вначале вспомогательные системы устанавливают антенны приемопередатчиков с точностью целеуказания (± 0,2° для СС и ±0,5° для НС). Затем включаются системы лазерного маяка обоих спутников.

Первый этап работы лазерного маяка т— обнаружение и грубое наведение. Оно достигается с помощью скани­ рования луча маякового лазера СС в зоне начальной ошибки ориентации антенн 0^, (0н1 — угловая неопреде­ ленность НС). Луч маяка СС имеет расходимость 0прДсс< -0н1 и сканирует зону 0?,, за время Т. НС прини­

мает сигналы этого луча и разворачивает свою оптическую антенну в направлении СС.

Приемная антенна НС с высокой направленностью 0пр»нс<^ 0н2 (0и2 угловая неопределенность СС) исполь­ зуется совместно с четырехквадратным детектором с ши­ роким полем зрения (примерно 0н2), что позволяет

106

сочетать высокую направленность приемника (опреде­ ляемую величиной 0приНс) с одновременным обзором широкого поля зрения 0н2. В этом случае максимальное время обнаружения сигнала СС определяется полным временем сканирования Т: Т = *(0„i/0npjlcc)2> где / — время задержки луча передатчика на каждом элементе сектора сканирования 0*,.

После обнаружения сигнального маяка НС прекращает сканирование сектора угловой неопределенности и с по­ мощью устройства наведения совмещает центральное направление своего сектора сканирования с направлением на маяк СС. В этом же направлении ориентируется луч передатчика НС. Такие же операции выполняются приемником СС после обнаружения луча передатчика НС. В результате происходит «захват» корреспондента—лучи передатчиков НС и СС и поля зрения приемников СС и НС оказываются взаимно ориентированными с точностью, которую в состоянии обеспечить пеленгационные устрой­ ства при расходимости лучей 0прд нс, 0прд сс передатчиков и поля зрения 0прм нс, 0пРмсс приемников НС и СС.

Второй этап — точное наведение. На этом этапе рас­ ходимость лучей передатчиков 0пРднс, 0пРдсс и угловые

поля зрения приемников уменьшаются до минимальных величин, необходимых для устойчивой передачи информа­ ции с требуемой скоростью. Устройства наведения кор­ ректируют взаимные направления лучей с учетом упре­ ждения, соответствующего взаимному перемещению объектов, и переводят приемопередающие устройства в режим слежения.

Третий этап — точное слежение и передача инфор­ мации. Полное время поиска и захвата складывается из времени первичного поиска Т и времени точного поиска и перехода к сопровождению Т0 Поскольку обычно Т^>ТС и поиск носит взаимный характер, то Тпсл» Т . Для. уменьшения времени поиска желательно увеличить 0прм вплоть до перекрытия полной зоны неопределенности положения спутника. С другой стороны, увеличение рас­ ходимости луча передатчика по сравнению с минималь­ ной величиной 0прд, необходимой в режиме передачи информации, требует в режиме поиска соответствую­ щего увеличения мощности передатчика:

(РпРд/Рпрм)слеж — (^ЭпРд/^,пРм)ннф (0пРд/0прм) *

107

Так, при А,=0,53 мкм, 0Прд— 2 мкрад, (Рпрд/ / >ЛрМ)инф.—

превышает величину сектора угловой неопределенности, и так как мы используем более узкий луч и сканирова­ ние, то КЛСС будет обладать значительным запасом потенциала (10—20 дБ).

6.2.Энергетика линии космической связи в режиме

поиска и наведения

Поиск корреспондента и вхождение в связь — наи­ более трудный этап работы КЛСС. Требования к работе приемопередающих устройств на этом этапе противоре­ чивы, поэтому при расчете требуется тщательное обос­ нование компромиссных решений.. Для анализа работы линии в режиме поиска рассмотрим процесс поиска по излучению маяка, работающего на передачу на волне А, и осуществляющего растровое сканирование лучом с расходимостью 0*,- Сканирование осуществляется в сек­ торе угловой неопределенности положения приемной ан­ тенны 0Н. например угловой неопределенности положе­ ния спутника, на котором она находится (если антенна маяка не сканирует, то должно выполняться условие 0м=0ц). Максимальное время поиска Т, равное обзору всего сектора сканирования, должно удовлетворять ус­ ловию Т < 7’п.н,— время, в течение которого может осуще­ ствляться передача информации.

Передатчик маяка работает обычно в импульсном режи­ ме с частотой посылок F„. Для кодирования излучения маяка может использоваться один из видов импульсной модуляции (например, ВИМ). Полагаем, что обнаруже­ ние маяка и захват произойдут, если при обзоре сектора сканирования за время облучения приемной антенны t будет принято п импульсов. Если каждый второй импульс

принято кодовое слово, содержащее Ru бит информации:

108

Максимальное время поиска Т, за которое происходит обзор всего сектора 0„X0«, определяется уравнением

Необходимая средняя мощность излучения передатчи­ ка маяка Я”рд может быть найдена из уравнения энерге­

тического баланса оптической линии связи:

(6.3)

где Я|фМmiM— минимально необходимая мощность на вхо­ де фотоприемника; при прямом фотодетектировании

стота оптической несущей сигнала; Av — энергетическая полоса последетекторного тракта; m — коэффициент глу­ бины модуляции светового сигнала; с/ш — требуемое от­ ношение сигиал/шум; F(M) — коэффициент избыточного шума, появляющегося в фотодетекторе в процессе умно­ жения; г] — квантовая эффективность фотокатода.

Ширина полосы последетекторного тракта Av опреде­ ляется требуемой информативной емкостью канала. При

где D — диаметр приемной антенны.

Коэффициент, учитывающий все виды потерь в линии,

109

а = ЛпряЛпрнЛнТ», где ЛпРд, rinpM— потери в трактах пере­ датчика и приемника; т)„ — потери из-за неточности на­

ведения; та — потери в атмосфере.

Представим формулу (6.4) в виде Япри min = kapMAv,

где при прямом фотодетектировании fcnpM= 4 /iv (-l)£ j^ -.

Подставив это выражение в формулу (6.5), найдем

Р= k

np" "P“ k т \ o„ / *

и работает на основной волне ЛИГ: Nd-лаэера К= 1,064 мкм с частотой

неопределенность положения спутника 0Н= 3,5 мрад.

Оценим требуемую расходимость луча маяка при поиске. Из фор­

Отметим, что при отсутствии определенных ограничений значение е„ может быть увеличено до 0м= 0 н. Маяк может работать и без спе­

ПО