Временное разделение каналов связи

При временном разделении каналов (ВРК) сигналы каждого канала дискретизируются и их мгновенные значения передаются последовательно во времени. Таким образом, каждое сообщение передается короткими импульсами — дискретами. По одной линии связи за определенный промежуток времени — период повторения, который отводится для передачи, можно передать соответствую­щее число таких сообщений.

Структурная схема системы передачи информации с ВРК. На рис. 4.3 представлена упрощенная структурная схема системы с ВРК. Сообщение, например, при телефонной связи в виде зву­ковых сигналов, поступает во П_вх, где звуковые колебания пре­образуются в электрические. Распределители передающей Р1 и приемной Р2 сторон должны работать синхронно и синфазно. Пе­реключение распределителей осуществляется от импульсов, посту­пающих от ГТИ. В конце каждого цикла в линию связи поступает фазирующий импульс для обеспечения синфазности работы обоих распределителей. Синхронность их работы обеспечивается стабиль­ностью частоты ГТИ передающей и приемной сторон.

Распределитель последовательно подключает цепи для переда­чи сообщений по соответствующему каналу. Поскольку для передачи сообщений отводится незначительное время, то по линии связи будут следовать короткие импульсы, длительность которых определяется временем подключения распределителем данной цепи. На приемной стороне вследствие синхронной и синфазной работы распределителей, короткие импульсы поступают на П_ВЫх, где происходит обратное преобразование электрических сигналов в звуковые.

При ВРК между сигналами каждого канала, передаваемыми последовательно во времени по линии связи, вводится защитный временной интервал  (рис. 4.4), который необходим для устра­нения взаимного влияния (перекрытия) каналов. Последнее воз­никает из-за наличия фазочастотных искажений в линии связи, чем вызывается неравномерность времени распространения сигна­лов различных частот.

Число каналов при ВРК зависит от длительности канальных импульсов  и частоты их повторения, которая при передаче не­прерывных сообщений определяется теоремой Котельникова о преобразовании непрерывных сигналов в дискретные [10].

Таким образом, общее число каналов при ВРК

 (4.1)

где Т_п — период повторения; — длительность синфазирующего импульса;  — длительность защитного промежутка;  — дли­тельность канального импульса.

Полоса частот, необходимая для организации п каналов при ВРК, определяется минимальной длительностью канального им­пульса , которая зависит от числа организуемых каналов связи и характера сообщения, определяется из выражения

 (4.2)

где К_п — коэффициент, зависящий от формы импульса (для прямо­угольного импульса К_п ~0,7).

Определим полосу частот, необходимую, например, для органи­зации 12 телефонных каналов при ВРК. Длительность импульса при организации по линии связи 12 телефонных каналов опреде­лится из следующих соображений. Период повторения Т_п=1/f_п, где f_п — частота повторения, которая определяется выражением f_п = 2f_max= 2 • 3400 = 6800 Гц. Здесь f_max ⁼3400 Гц — максимальная частота при передаче телефонных сообщений. Для передачи прини­мают f_п = 8000 Гц. Тогда f_п =1/8000=125 мкс.

Из выражения (4.1)

Подставив в последнее выражение значения Т_п = 125 мкс и n=12, получим 1 мкс. Зная длительность канального импульса  и принимая K_п = 0,7 из выражения (4.2), находим

Таким образом, полоса частот для организации 12 телефонных каналов при ВРК значительно превышает полосу частот, требуе­мую для организации такого же числа каналов при ЧРК, которая равна 48 кГц (12(3400 + 600) =48000 Гц, где 600 Гц —полоса ча­стот, отводимая на расфильтровку соседних каналов).

Следовательно, использование ВРК для передачи аналоговых сообщений (например, телефонных, факсимильных, телевизионных) имеет ряд ограничений. В то же время передача дискретных сообщений (телеграфных, телемеханики, передачи данных) при ВРК дает существенные преимущества. Это объясняется тем, что дискретные сигналы при данных видах сообщений имеют значи­тельную длительность, а спектр частот таких сигналов распола­гается в нижней части частотного диапазона, следовательно, дли­тельность и период повторения канальных импульсов могут быть сравнительно большими, что значительно снижает требуемую по­лосу частот.

При ВРК для согласования сообщения с каналом связи могут использоваться различные виды канальной модуляции.

К недостаткам ВРК следует отнести сравнительно широкую полосу частот, требуемую для передачи сообщений; сложность коммутационного оборудования (распределителей) при организа­ции значительного числа каналов связи и необходимость коррекции фазочастотных характеристик линии связи для устранения взаим­ного влияния каналов связи.

Синхронизация и фазирование в системах передачи информа­ции с ВРК.

Синхронизация и фазирование необходимы при пере­даче информации последовательностью дискретных элементов определенной длины, где требуется синхронизация отсчетов вре­мени в передающем и приемном устройствах, а также четкое определение места каждого элемента в сообщении.

Примером системы, требующей синхронизации и фазирования, является многоканальная система передачи информации с ВРК, где непрерывные сообщения дискретизируются и передаются по каналам, разнесенным во времени. Для правильного приема и вос­становления переданного сообщения на приемной стороне необхо­дима строгая синхронизация распределителей передачи и приема, а также полное соответствие их фазового состояния.

При передаче дискретных значений непрерывного сообщения сигналы, передаваемые в линию связи, представляют собой по­следовательности элементов определенной длительности. Отсче­ты времени в системах синхронизации принято называть тактами, а синхронизацию отсчетов времени — тактовой синхронизацией. Из синхронной последовательности отсчетов времени формируются импульсы опроса решающего устройства (устройства регистрации элементов). Последовательность отсчетов времени, как правило, задается генератором тактовых импульсов, устанавливаемым либо только на передающей стороне, либо на передающей и приемной сторонах. В первом случае тактовая частота передается на при­емную сторону по специально выделенному синхроканалу; во втором — по синхроканалу передаются лишь отдельные синхроим­пульсы для подстройки ГТИ приемника.

Занятие 24

12.3. Лазерная связь(начало)

Мазерные и лазерные линии связи.Практическое освоение радиоволн оптического диапазона для целей связи стало возмож­ным с появлением принципиально новых источников когерентных электромагнитных колебаний — квантовых генераторов. Принцип действия квантовых генераторов заключается в том, что в них в отличие от генераторов СВЧ микроволнового диапазона радиоволн, построенных на основе объемных резонаторов, генерируются электромагнитные колебания, поглощаемые и испускаемые части­цами определенного вещества, называемого рабочим телом. В за­висимости от частоты излучение порождается при изменении структуры молекул (инфракрасный диапазон) или атомов (види­мый и ультрафиолетовый диапазон). При определенных, искусст­венно созданных условиях, когда поглощение и излучение электро­магнитных колебаний отдельными частицами вещества происходит упорядоченно, квантовые системы работают в режиме вынужден­ного или индуцированного излучения, предсказанного теоретиче­ски А. Эйнштейном.

Квантовые усилители и генераторы электромагнитных колеба­ний микроволнового диапазона (частота меньше 3^.10¹¹ Гц) получили название мазеров. Слово «мазер» происходит от первых букв английских слов «Мicrowave amplification by stimulated emissior of radiation», что означает «усиление микроволн с помощью вы­нужденного излучения». Квантовые усилители и генераторы опти­ческого диапазона называются лазерами. Термин «лазер» образо­вался в результате замены буквы «М» в слове мазер на букву «Л» (от английского слова «light» — свет).

К началу 80-х годов было разработано большое количество различных мазеров и лазеров, генерирующих или усиливающих излучение с длинами волн от миллиметрового диапазона до ультра­фиолета. Однако из-за несовершенства характеристик (малого срока службы, нестабильности, малой мощности, высокой стоимости и др.) большинство из них не используется в системах связи. Практически применяемые в системах связи газовые, твердотель­ные и полупроводниковые лазеры генерируют излучение в узкой области частот и не перестраиваются, поэтому с их помощью может быть использована лишь незначительная часть оптического диапазона.

В отличие от всех существующих ранее источников света излу­чение лазера характеризуется весьма высокой степенью упорядо­ченности светового поля (высокой степенью когерентности). Это делает лазер похожим на своеобразную «оптическую радиостан­цию».

Высокие когерентные свойства позволяют применять излучение лазеров наиболее просто и эффективно для целей связи, например в космосе.

Применение лазеров для связи в атмосфере и под водой не­сколько сложнее, поскольку для этого требуются широкомасштаб­ные исследования среды распространения в зависимости от погод­ных условий района связи. Однако опыт эксплуатации эксперимен­тальных систем в СССР и за рубежом также подтвердили перспективность создания лазерных систем для связи в атмосфере и под водой.

Лазерные системы связи пригодны как для передачи обычных сигналов — телеграфных, телефонных и телевизионных, так и для передачи сигналов телеметрии с различными скоростями и данных.

Обобщенная функциональная схема односторонней лазерной системы связи показана на рис. 8.1. Излучение лазера Л модули­руется оптическим модулятором ОМ в соответствии с сигналами, поступающими от источника информации ИИ. С помощью пере­дающей ПА и приемной ПРА оптических систем это излучение поступает на оптический приемник ОП, где преобразуется в элект­рический сигнал. После выделения в демодуляторе ДМ информа­ция поступает в оконечное устройство ОУ для выдачи потребите­лю. Системы нацеливания СН1 и СН2 служат для совмещения оптических осей приемной и передающей оптических систем. Пункты передачи и приема разделены средой (космос, атмосфера, вода), в которой распространяется лазерное излучение.

Очевидно, что наиболее полно преимущества лазерных линий связи проявляются в космических системах связи, причем, чем больше протяженность линии связи, тем больше проявляются эти преимущества. Например, при использовании обычных систем связи радиодиапазона на космических аппаратах при первых по­летах в сторону Марса, Венеры и других планет солнечной систе­мы скорость передачи информации составляла всего несколько двоичных единиц в секунду.

Лазерная система связи, пригодная для передачи информации в район планеты Нептун, со скоростью 10⁴ бит/с при диаметре передающей и приемной антенн 0,1 и 16 м, соответственно, при длительности импульсов 1 не и частоте следования 500 Гц должна обеспечивать среднюю мощность излучения всего 0,6 Вт. Расчеты показывают, что излучение лазера в виде импульсов с энергией 10⁴ Дж и длительностью 1 не при расхождении 10^-6 рад может быть зарегистрировано на Земле на расстоянии около 10 световых лет.

Основная трудность создания лазерных систем, особенно даль­ней связи,— совмещение луча с приемной антенной и удержание его во время сеанса связи. Типовые оптические антенны способны формировать луч, угловая расходимость которого составляет доли угловой секунды. Если такой луч направляется на удаленное приемное устройство, то требуемая точность, с которой луч должен нацеливаться, составляет приблизительно половину угловой ши­рины луча. Допустим, что передатчик, расположенный на синхрон­ном искусственном спутнике Земли, высота орбиты которого составляет 35 200 км, излучает в направлении Земли. При точности нацеливания 50 мкрад на этом расстоянии размер сечения зоны неопределенности положения оси луча на земле составит (50 X 10^-6) X (35 200) ~ 1,6 км, т. е. луч передатчика достигает Земли в пределах окружности 1,6 км в диаметре. Антенны радиодиапа­зона обычно имеют ширину диаграммы направленности около 10° и при указанном расстоянии до ИСЗ «накрывают» на Земле ок­ружность диаметром около 6400 км.

Применение лазерных наземных линий связи через атмосферу считается весьма перспективным, несмотря на селективное затуха­ние оптического излучения в атмосфере.

На рис. 8.2. показана упрощенная зависимость коэффициента пропускания атмосферы К от длины волны излучения. Уменьше­ние коэффициента пропускания в диапазоне ниже 2 мкм объясняет­ся в основном влиянием рассеяния. Резкие изменения коэффициен­та пропускания (провалы) объясняются селективным характером поглощения на инфракрасных частотах. В рассматриваемом диа­пазоне длин волн имеется восемь областей относительно высоких значений коэффициента пропускания. Эти области называются атмосферными окнами прозрачности. Как видно из рисунка, с уве­личением длины волны (т. е. при переходе в инфракрасный диа­пазон) прозрачность атмосферы возрастает и оказывается макси­мальной на длине волны 10,6 мкм для лазера на углекислом газе.

Оптический диапазон спектра составляют электромагнитные колебания, длина волн которых лежит в пределах от 1 м до 1 нм^*. Внутри оптического диапазона выделяют видимое ( λ =0,38...0,78 мкм), инфракрасное (λ=0,78...1000 мкм) и ультрафиолетовое (λ=0,001...0,38 мкм) излучения (рис. В.1).

Световые волны - электромагнитные волны оптического диапазона.

Монохроматическое излучение- оптическое излучение, характеризующееся какой-либо одной частотой (одной длиной волны) световых колебаний.

Квантовый усилитель- усилитель электромагнитных волн, основанный на использовании вынужденного излучения.

Квантовый генератор - источник когерентного излучения, основанный на использовании вынужденного излучения.

Лазер^* (оптический квантовый генератор) - квантовый генератор (усилитель) оптического излучения.

Мазер- квантовый генератор (усилитель) электромагнитного излучения радиодиапазона.

Вынужденное излучение - когерентное электромагнитное излучение, возникающее в результате вынужденного испускания.

Вынужденное испускание- когерентное испускание фотона при квантовом переходе системы в результате взаимодействия с внешним электромагнитным полем.

Когерентность- согласованное протекание во времени и в пространстве колебательных или волновых процессов. Электромагнитная волна называется когерентной, если её амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация постоянны или изменяются по определенному закону (упорядочению).

В качестве основных свойств лазерных систем связи, на основе которых обеспечивается весьма существенное повышение безопасности и надежности информационного обмена, можно выделить:

· практически абсолютную защищенность канала от несанкционированного доступа и, как следствие, высокий уровень помехоустойчивости и помехозащищенности, за счет возможности концентрации всей энергии сигнала в углах от долей угловых минут (в лазерных космических системах связи) до десятков градусов (полнодоступные системы связи в помещениях);

· высокие информационные емкости каналов (до десятков Гбит/с), что обеспечивает возможность устойчивого криптографирования с высоким уровнем избыточности;

· отсутствие ярко выраженных демаскирующих признаков (в основном побочных электромагнитных излучений) и возможность дополнительной маскировки, позволяющей скрыть не только передаваемую информацию, но и сам факт информационного обмена.

Кроме того, многие специалисты отмечают биологическую безопасность этих систем, так как средняя плотность мощности излучения в лазерных системах различного назначения примерно в 10 ³ - 10 ⁶раз меньше облученности, создаваемой Солнцем, а также простоту принципов их построения и функционирования, относительно малую стоимость по сравнению с традиционными средствами передачи информации аналогичного назначения.

Одним из основных факторов, определяющих возможность применения этих линий является устойчивость работы при воздействии помех различного происхождения как естественного, так и искусственного, в частности, туманов, дымов, смога и других аналогичных явлений. Теоретически оценить воздействие таких помех на эффективность работы линии в конкретных условиях (природно-климатической зоне) крайне затруднительно из-за большой степени неопределенности исходных данных. Такие результаты получаются, главным образом, экспериментально.

Теоретически дальность связи определяется простым соотношением

где P_t и P_r - мощность лазерного излучателя и пороговая мощность фотоприемного устройства, S_r - площадь апертуры фотоприемного устройства, a - угол расходимости лазерного излучения t - суммарный коэффициент потерь лазерного излучения за счет поглощения и рассеяния в атмосфере, оптических системах и других элементах канала.

Анализ полученных в ходе проведения экспериментальных работ данных, а также других результатов опытной эксплуатации показал, что на расстоянии до 2 - 3 км влияние естественных помех практически не ощущается, то есть линия функционирует при любых погодных условиях. Увеличение дальности связи приводит к возрастанию уровня помех и на дальности 10 км общее время неблагоприятных для связи условий составляло 1.5 - 2 % от общего времени работы.

Среди воздействующих факторов по интенсивности воздействия при дальности связи 10.2 км можно выделить:

· снегопад - (более 50 % ошибок);

· туман - (около 30 % ошибок);

· смог, дым труб и т.п. - (примерно 20 % ошибок).

При этом необходимо отметить, что, как показал анализ типовых условий применения таких линий в городских условиях, дальность связи, в основном, лежит в диапазоне от 1 - 2 до 4 - 5 км. При таких дальностях связи можно ожидать уменьшение времени неблагоприятных для связи погодных условий до 0.01 - 0.001 % от общего времени работы. Необходимо также отметить, что не во всех случаях неблагоприятных для связи условий происходит полная потеря связи, в ряде случаев наблюдается лишь уменьшение скорости информационного обмена за счет повторной передачи информации.

Также необходимо отметить, что применение лазерных средств для организации информационного обмена снимает один из наиболее сложных вопросов, характерных для систем связи радиодиапазона - необходимость согласования и получения разрешения на их эксплуатацию в органах Государственного контроля и надзора за электросвязью. Это обусловлено тем, что, во-первых, частота излучения лазерных систем связи выходит за пределы диапазона, в котором необходимо согласование (в России), во-вторых, из-за отсутствия практических возможностей их обнаружения и идентификации как средств информационного обмена.

Занятие 25

12.3. Лазерная связь(окончание)

Обычно аппаратура лазерных линий связи включает лазерный передатчик (излучатель) и фотоприемное устройство, объединенные единой системой управления и каналообразующей аппаратурой (рис.1).

Рис.1. Аппаратура лазерных линий связи

Приемные и передающие устройства обычно оснащаются оптическими системами, предназначенными для формирования диаграмм направленности. Изменяя положение излучателя и фоточувствительного элемента относительно точки фокуса оптических систем, можно в широких пределах изменять ширину диаграмм направленности от долей угловых минут до нескольких десятков градусов. Сложность конструкции оптической системы определяется прежде всего требованиями к диаграмме направленности. Так, например, при ширине диаграммы до 10 - 15 угловых минут может быть использована простейшая однолинзовая оптическая система, а для обеспечения угловой расходимости 0.1 - 0.3 угловых минуты требуется сложная многоэлементная зеркально-линзовая система. Естественно, кроме технических требований на тип используемой в каждом конкретном случае оптической системы оказывает влияние и ограничение по стоимости. В подавляющем большинстве случаев это ограничение служит причиной проведения комплекса работ по оптимизации всей лазерной системы.

Одной из основных проблем при разработке и эксплуатации лазерных систем различного назначения является обоснование и выбор типа линейного кода, который оптимальным образом соответствовал бы конкретным условиям применения данной системы. Так, например, если дальность связи не превышает 2 – 3 км или угол расходимости лазерного излучения не превышает нескольких угловых минут, то использование любых типов сигналов с непрерывной (аналоговой) амплитудной модуляцией не представляется целесообразным из-за высокого уровня паразитной модуляции (глубина которой может достигать 80 – 90 %) оптического излучения за счет турбулентности атмосферы. Как показал цикл исследований проводимых в Москве, Воронеже, Новосибирске с конца 60-х годов, наиболее рациональным решением указанной проблемы, в том числе, и с точки зрения технической реализации, является использование при кодировании передаваемых сигналов методов импульсной модуляции. В основу этих методов положен принцип ограничения средней мощности, заключающийся в инвариантности средней излучаемой полупроводниковым лазером мощности относительно произведения пиковой мощности, длительности и частоты повторения импульсов. Это позволяет в определенных пределах за счет варьирования этими параметрами, в частности, уменьшения длительности оптического импульса, наряду с облегчением режима работы лазера, повышением его полного КПД и значительным увеличением срока его службы, повысить защищенность канала от несанкционированного доступа, указанных выше естественных и организованных помех. Так, например, кодирование информации оптическими импульсами длительностью не более 10 нс обеспечивает практически полное устранение помех за счет турбулентности атмосферы (частотный диапазон которых не превышает 300 – 1000 Гц) и снизить на 40 – 80 дБ влияние фоновых (солнечных) активных помех. Технически это обеспечивается соответствующими частотными и импульсными селекторами в приемной и каналообразующей аппаратуре. Кроме того, использование коротких импульсов на основе эффекта обращения волнового фронта позволяет обнаруживать попытки несанкционированного доступа в канал и определять дальность до точки расположения системы перехвата в основной диаграмме направленности излучателя. Необходимо однако отметить, что, как показывают проведенные исследования, вероятность такого события чрезвычайно мала и такие дорогостоящие доработки обычно заказывают для систем, требующих повышенной, практически абсолютной, защищенности от несанкционированного доступа. Наряду с указанными элементами в состав лазерной аппаратуры может входить ряд других сервисных устройств, состав которых определяется конкретным типом решаемой задачи (устройство технического засекречивания передаваемой информации, датчики сигнализации попыток вскрытия аппаратуры и аналогичные устройства).

Условно области применения разрабатываемых и выпускаемых лазерных систем можно разделить на пять взаимосвязанных техническими средствами групп:

· передача информации в системах телекоммуникации, телефонные удлинители, вставки, передача телевизионных изображений и решение аналогичных задач;

· скрытная передача информации в системах специальной связи типа «точка – точка» между подвижными или стационарными абонентами;

· анализ характеристик передаâàемого оптического сигнала для обнаружения и идентификации объектов находящихся в поле зрения в системах охранной сигнализации активного типа;

· дистанционное измерение микродеформаций с диэлектрических поверхностей в системах негласного съема информации;

· защита от оптических систем наблюдения и систем негласного съема информации.

При этом необходимо отметить, что независимо от области применения лазерная аппаратура связи строится на основе рассмотренных выше принципов, а область применения накладывает ограничения на массу, габариты и энергопотребление, а также возможные способы организации канала связи.