СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ АТМОСФЕРНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

February 18, 2013 by admin Комментировать »

Ладик А. И., Лебедев А. В. Национальный технический университет Украины «КПИ» просп. Победы, 37, г. Киев, 03056, Украина тел.: +380 44 454-98-91, e-mail: commander.ua@gmail.com

Аннотация – Разработаны методы улучшения надежности и помехозащищенности атмосферной оптической системы передачи. Проведены расчеты эффективности применения разнесенного приема для борьбы с турбулентностью атмосферы и позиционно-импульной и поляризационной модуляции для борьбы с помехами. Приведены принципы построения приемника и передатчика.

I.                                       Введение

Атмосферные оптические системы передачи начинают применяться как решения последней мили при сложностях с прокладкой ВОЛС, а также для установления временных высокоскоростных линий связи. Такие системы, на малых расстояниях (до 500м), обеспечивают гигабитные скорости при вероятности ошибки 10“^^ и надежности 99,9%- 99,999 %. Они просты в развертывании, не требуют лицензии на радиодиапазон, а также обеспечивают высокую конфиденциальность связи [1].

Однако такие системы подвержены влиянию различных атмосферных факторов которые ухудшают эффективность системы и ограничивают сферу её применения. Основными факторами влияющими на распространяющийся сигнал являются: ослабление сигнала за счет поглощения и рассеяния в среде, неоднородности показателя преломления среды распространения, помехи [2].

В настоящее время широкое распространение получили системы с амплитудной модуляцией [3]. В настоящей работе изучается эффективность применения разнесенного приема, позиционно-импульной и поляризационной модуляции.

II.                              Основная часть

Из совокупности факторов влияющих на распространяющийся в атмосфере сигнал:

•         ослабление сигнала с расстоянием при распространении;

•         молекулярное поглощение в среде;

•         поглощение в аэрозолях;

•         релеевское рассеяние;

•         мью рассеяние на аэрозолях, особенно тумане;

•         фоновые атмосферные шумы;

•         неоднородности показателя преломления среды распространения;

•         потери оптического согласования; некоторые оказывают существенное влияние только при значительном изменении погодных условий (снег, сильный дождь, густой туман) которые возникают относительно редко, в то время как некоторые из них влияют постоянно.

В работах в области атмосферной спектроскопии были определенны диапазоны длин волн оптического излучения, в которых молекулярное поглощение в среде минимально, а также рассчитаны значения поглощения и рассеяния на аэрозолях [4,5,6,7].

По результатам работ были выбраны длины волн лазерного излучения для атмосферных оптических систем связи: 0,85, 1,55 и 10 мкм.

Для борьбы с помехами используют оптические фильтры, а для оптического согласования системы наведение [2].

Широко распространенная АМн в оптических системах связи очень проста в реализации, но это не самая эффективная модуляция для достижения высокой помехоустойчивости.

Среди множества М-позиционных модуляций по- зиционно-импульсная модуляция (НИМ) обладает преимуществом возможности использования некогерентного приема, приемнику не обязательно иметь знание о фазе несущей, в то время как когерентное фазовое детектирование требует точной синхронизации и в оптическом диапазоне очень дорогое.

Недостатком НИМ является высокая чувствительность к многолучевой интерференции, но в оптической системе связи работающей на линии прямой видимости этот эффект не имеет такого влияния как в радио системах.

В работе показывается, что в канале связи с известными параметрами, где помеха имеет аддитивных характер и имеет гауссовскую плотность вероятности и известную спектральную плотность, ПИМ на

3  дБ лучше чем АМн.

Одним из наиболее сильных факторов влияющих на передачу при нормальных погодных условиях является неоднородность показателя преломления среды распространения или атмосферная турбулентность. Она вызывает случайные изменения амплитуды и фазы оптического луча, что ведет к увеличению ошибок в канале связи. С ростом скорости передачи влияние атмосферной турбулентности усиливается.

В работе исследуется эффективность применения разнесенной передачи и приема для борьбы с атмосферными замираниями. На рис.1 изображена система из N передатчиков и М приемников обеспечивающая разнесенную передачу и прием.

Рис. 1. Модель канала множественной передачи и приема.

Fig. 1. Multiple-input, multiple-output (ΜΙΜΟ) channel model

Была построена модель канала со случайными изменениями амплитуды и фазы приближенно описывающая реальные условия, исследованы характеристики каналов для систем с N передатчиков и М приемников. Построены графики для значений М = N = 1, 2, 4 при слабых, средних и сильных замираниях в канале для АМн и ПИМ.

Расчеты показывают, что применения разнесенного приема ΜΝ=4 дает выигрыш в 4 дБ, ΜΝ=16 в 14 дБ.

Предлагается использование также использование поляризационной модуляции (ПМ). При этом передатчики излучают ПИМ оптический луч дополнительно модулированный по поляризации информационным сигналом. Прием осуществляется с помощью нескольких передатчиков с поляризационными фильтрами перед ними. В итоге на один передатчик попадает модулированный сигнал с внешней помехой, а на остальные попадает внешняя помеха и малая часть полезного сигнала. Имея знание о характере помехи и преобразовав входной сигнал в соответствии с этими знаниями можно увеличить помехоустойчивость системы. Кроме увеличения помехоустойчивости данное решение позволяет увеличить скорость передачи лини связи.

III.                                  Заключение

Показано, что применение позиционно-импуль- сной модуляции вместо амплитудной манипуляции позволяет повысить помехоустойчивость атмосферной системы связи на 3 дБ.

Для борьбы с атмосферными замираниями, вызванными атмосферной турбулентностью, может быть успешно использована разнесенная передача и прием. Для 2 передатчиков и 2 приемников и турбулентности средней силы достигается выигрыш в 7 дБ, при использовании 4 передатчиков и

4    приемников эффект достигает 14 дБ.

Применении поляризационной модуляции, кроме увеличения скорости дает информацию о характере внешней помехи и позволяет вычесть её из принимаемого сигнала.

Все перечисленные способы позволяют повысить помехоустойчивость и скорость атмосферной системы связи.

IV.                           Список литературы

[1]  KillingerD. Free Space Optics. Optics & Photonics News, 2002, 10, p. 36.

[2]  KorevaarE. J., ed., Optical Wireless Communications III, SPIE Vol. 4214, 2000.

[3]  Mecherle G. S., ed., Free-Space Laser Communication Technologies XII, SPIE Vol. 3932, 2000.

[4]  Rothman L. S., et. al., «The HITRAN Molecular Database: Editions of 1991 and 1992», J. Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Vol. 48, p. 734,1992.

[5]  HITRAN, MODTRAN, LOWTRAN, FasCode, HITRAN-PC, and PCTRAN computer programs; ONTAR Corp., 9 Village Way, North Andover, MA01845-2000; website:www.ontar. com

[6]  KillingerD. Κ., Churnslde J. H., and Rothman L. S., «Atmospheric Optics», Chapter 44: OSA Handbook of Optics,

M. Bass, Ed. 1995.

[7]  Goody R. M. and Young Y. L, Atmospheric Radiation, Oxford University Press, 1989.

INCREASING EFFICIENCY OF WIRELESS OPTICAL COMMUNICATIONS

Ladik A. I., Lebedev A. V.

National Technical University of Ukraine «ΚΡΙ»

37, Prospect Peremohy, Kyiv, 03056, Ukraine Ph.: +380 44 454-98-91, e-mail: commander ua@gmail. com

Abstract – Three methods for increasing efficiency of wireless optical communications by improving reliability are examined. Advantage of using Pulse Position Modulation (PPM) and MIMO technologies are explained. The system design principles are described.

I.                                         Introduction

Point-to-point optical communication through the atmosphere (I. e., wireless optical communication) has the potential to provide gigabit per second data rates with BER = 10’^^and reliability from 99.9 % to 99.999 %.

Optical communication through the atmosphere, however, poses many inherent challenges. Bad weather (e. g., fog, snow, rain, etc.) and atmospheric molecular constituents (e. g., carbon dioxide and oxygen molecules) cause absorption and scattering that degrades optical communication systems performance.

Three methods of improving reliability are examined.

II.                                        Main Part

Applied in one of these methods is M-array modulation technique that can be implemented non-coherently. It is suitable for optical communications systems, where coherent phase modulation and detection are difficult and extremely expensive. Conditional error probability for OOK and PPM systems with direct detection are examined.

Refractive index turbulence causes random power fluctuations in optical communication systems, thus hampering communication through the atmosphere. We have examined laser communication systems using multiple transmit and receive apertures. These apertures provide redundant replicas of the transmitted message to the receiver, each corrupted separately by the atmosphere.

Polarisation modulation can be implemented in order to increase performance using several receivers with different polarisation filters. Each receiver recognizes only one polarisation value. Other receivers are catching atmospheric noise, thus providing the system with the data about it. This data can be used in order to increase reliability.

III.                                       Conclusion

It is shown that conditional error probability for PPM is 3 dB better than conditional error probability for OOK modulated communication system with direct detection receivers operating in thermal noise dominated regime.

Transmitter and receiver diversity saves approximately 7 dB and 14 dB in power, for 2 and 4 transmitting and receiving apertures.

Polarisation modulation has a potential to increase reliability and provide with atmospheric noise data.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты