Преимущества лазерного канала перед радиоканалом заключаются в том, что он, во – первых, не создаёт радиопомех; во – вторых, является более конфиденциальным; в – третьих, может применяться в условиях воздействия высокого уровня электромагнитных излучений.

Принципиальная схема передатчика представлена на Рис.1. Передатчик состоит из шифратора команд, выполненного на микроконтроллере ATtiny2313 (DD1), выходного блока – на транзисторах ВС847В (VT1, VT2) и интерфейса RS-232, который, в свою очередь, состоит из разъёма DB9-F (на кабель) (ХР1) и преобразователя уровней – на MAX3232 (DD3).

Цепь сброса микроконтроллера состоит из элементов DD2 (CD4011B), R2, C7. Выходной блок представляет собой электронный ключ, выполненный на транзисторе VT1, в коллекторную цепь которого через ограничитель тока на транзисторе VT2 включена лазерная указка. Питание передатчика осуществляется постоянным стабилизированным напряжением 9 – 12 В. Микросхемы DD1, DD2, DD3 питаются от напряжения 5В, которое определяется стабилизатором 78L05 (DA1).

Контроллер DD1 запрограммирован в среде BASCOM, что позволяет подавать ему команды с персонального компьютера (ПК) через интерфейс RS-232, с терминала Bascom, используя функцию «эхо».

Микроконтроллер имеет тактовую частоту 4Мгц от внутреннего генератора. Пачки импульсов частотой около 1,3 Кгц с вывода ОС0А (РВ2) поступают на выходной блок. Количество импульсов в пачке определяется номером команды, поступившей с ПК.
Для ввода команды необходимо нажать на клавиатуре ПК любую клавишу, затем при появлении надписей «Write command» и «Enter №1…8» ввести цифру от 1 до 8 и нажать клавишу «Enter».

Программа для микроконтроллера передатчика «TXlaser» состоит из основного цикла (DO…LOOP) и двух подпрограмм обработки прерываний: по приёму (Urxc) и по переполнению таймера 0 (Timer0).

Для получения выходной частоты 1,3 КГц таймер сконфигурирован с коэффициентом деления частоты (Prescale) = 1024. Кроме того, счёт начинается с нижнего значения Z = 253 (при высоком уровне на РВ2) и доходит до 255. Происходит прерывание по переполнению таймера, при обработке которого осуществляется переключение вывода РВ2, а таймеру вновь задаётся значение Z = 253. Таким образом, на выходе РВ2 появляется сигнал частотой 1,3 КГц (см. Рис.2). В этой же подпрограмме количество импульсов на РВ2 сравнивается с заданным, и в случае их равенства таймер останавливается.

В подпрограмме обработки прерывания по приёму задаётся количество импульсов, которое необходимо передать (1 – 8). В случае, если это количество будет больше 8, в терминал выдаётся сообщение «ERROR».

Во время работы подпрограммы на выводе PD6 присутствует низкий уровень (светодиод HL1 выключен), а работа таймера остановлена.
В основном цикле на выводе PD6 – высокий уровень, и светодиод HL1 включён.
Текст программы «TXlaser»:

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

Config Pind.0 = Input "UART - RxD
Config Portd.1 = Output "UART - TxD
Config Portd.6 = Output "светодиод HL1
Config Portb.2 = Output "выход OC0A

"конфигурац.таймера0-коэфф.деления=1024:
Config Timer0 = Timer , Prescale = 1024
Stop Timer0 "останов таймера

Dim N As Byte "определение переменных "
Dim N0 As Byte

Const Z = 253 "нижниий предел счёта таймера для вых.частоты=1,3КГц
Timer0 = Z

On Urxc Rxd "подпрограмма обраб.прерывания по приёму
On Timer0 Pulse "подпрограмма обраб.прерывания по переполнению

Enable Urxc
Enable Timer0

Do "основной цикл
Set Portd.6 "включение светодиода HL1
Loop

Rxd: "подпрограмма обработки прер. по приёму
Stop Timer0
M1:
Print "Write commad"
Input "Enter № 1...8:" , N0 "ввод команды
If N0 > 8 Then "ограничение номера команд
Print "Error"
Goto M1
End If
N0 = N0 * 2
N0 = N0 - 1 "заданное значение кол-ва импульсов в пачке
Toggle Portb.2
Start Timer0 "запуск таймера
Return

Pulse: "подпрограмма обработки прерыв.по переполнению
Stop Timer0
Toggle Portb.2
Reset Portd.6 "выключение светодиода
Timer0 = Z
N = N + 1 "приращение кол-ва импульсов
If N = N0 Then "если число импульсов = заданному
N = 0
N0 = 0
Waitms 500 "задержка 0,5с
Else
Start Timer0 "иначе, продолжить счёт
End If
Return
End "end program

Передатчик выполнен на печатной плате размерами 46х62 мм (см. Рис.3). Все элементы, кроме микроконтроллера, SMD – типа. Микроконтроллер ATtiny2313 применён в корпусе типа DIP. Его рекомендуется располагать в панели для DIP микросхем TRS (SCS) – 20, чтобы иметь возможность «безболезненно» перепрограммировать.

Печатная плата передатчика TXD.PCB находится в папке «FILE PCAD» .
Принципиальная схема приёмника лазерного канала представлена на рис.4. На входе первого усилителя DA3.1 (LM358N) фильтр низкой частоты, образованный элементами СЕ3, R8, R9 и имеющий частоту среза 1КГц, ослабляет фоновые помехи 50 -100 КГц от осветительных приборов. Усилители DA3.2 и DA4.2 усиливают и увеличивают длительность принятых импульсов полезного сигнала. Компаратор на DA4.1 формирует выходной сигнал (единица), который поступает через инверторы микросхемы CD4011D (DD2) - DD2.1, DD2. Cигнал синхронно приходит на контакты микроконтроллера ATtiny2313 (DD1) – T0 (PB4) и РВ3. Таким образом, Timer0, работающий в режиме счёта внешних импульсов и Timer1, отмеряющий время этого счёта, запускаются синхронно. Контроллер DD1, выполняющий функцию дешифратора, отображает принятые команды 1…8 установкой лог.1 на выводах PORTB соответственно РВ0…РВ7, при этом приход последующей команды сбрасывает предыдущую. При приходе команды «8» на РВ7 появляется лог.1, которая с помощью электронного ключа на транзисторе VT1, включает реле К1.

Питание приёмника осуществляется постоянным напряжением 9 -12В. Аналоговая и цифровая части питаются от напряжений 5В, которые определяются стабилизаторами типа 78L05 DA5 и DA2.

В программе «RXlaser» Timer0 сконфигурирован, как счётчик внешних импульсов, а Timer1, как таймер, считающий период прохождения максимально возможного количества импульсов (команда 8).

В основном цикле (DO…LOOP) Timer1 включается при принятии первого импульса команды (К=0), происходит сброс условия разрешения включения таймера Z=1.
В подпрограмме обработки прерывания по совпадению cчёта Timer1 со значением максимально возможного счёта считывается и устанавливается в PORTB номер команды. Устанавливается так же условие разрешения включения Timer1- Z=0.
Текст программы «RXlaser»:

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

Ddrb = 255 "PORTB-все выхода
Portb = 0
Ddrd = 0 "PORTD-входа
Portd = 255 "подтяжка PORTD
Config Timer0 = Counter , Prescale = 1 , Edge = Falling "как счётчик импульсов
Config Timer1 = Timer , Prescale = 1024 , Clear Timer = 1 "как таймер
Stop Timer1
Timer1 = 0
Counter0 = 0

"определение переменных:
Dim X As Byte
Dim Comm As Byte
Dim Z As Bit
Dim K As Bit

X =80
Compare1a = X "кол-во имп. в регистре совпадения
Z = 0

On Compare1a Pulse "подпрограмма прерывания по совпадению

Enable Interrupts "разрешение прерываний
Enable Compare1a

Do "основной цикл
If Z = 0 Then "первое условие включения таймера
K = Portd.3
If K = 0 Then "второе условие включения таймера
Start Timer1
Z = 1
End If
End If
Loop

Pulse: "подпрограмма обраб.прерыв.по совпадению
Stop Timer1
Comm = Counter0 "считывание из счётчика внешних импульсов
Comm = Comm - 1 "определение номера бита в порту
Portb = 0 "обнуление порта
Set Portb.comm "установка бита,соответ.номеру команды
Z = 0
Counter0 = 0
Timer1 = 0
Return
End "end program

Программы «TXlaser» и «RXlaser» находятся в папке Lazer_prog .

Приёмник расположен на плате размерами 46х62 мм (см. Рис 5). Все компоненты – SMD типа, за исключением микроконтроллера, который необходимо разместить в панели для микросхем DIP типа TRS(SCS) – 20.

Настройка приёмника сводится к установке сквозного коэффициента передачи и порога срабатывания компаратора. Для решения первой задачи необходимо подключить осциллограф к выводу 7 DA4.2 и подбором величины R18 установить такой сквозной коэффициент передачи, при котором максимальная амплитуда шумовых выбросов, наблюдаемых на экране, не будет превышать 100 мВ. Затем осциллограф переключается на вывод 1 DA4.1 и подбором резистора (R21) устанавливается нулевой уровень компаратора. Включив передатчик и направив луч лазера на фотодиод, необходимо убедиться в появлении прямоугольных импульсов на выходе компаратора.
Печатная плата приёмника RXD.PCB находится также в папке FILE PCAD .

Повысить помехозащищённость лазерного канала возможно с помощью модуляции сигнала поднесущей частотой 30 – 36 КГц. Модуляция пачек импульсов происходит в передатчике, приёмник же содержит полосовой фильтр и амплитудный детектор.

Схема такого передатчика (передатчик 2) изображена на Рис.6. В отличии от рассмотренного выше передатчика 1 передатчик 2 имеет генератор поднесущей, настроенный на частоту 30 КГц и собранный на слотах DD2.1, DD2.4.. Генератор обеспечивает модулирование пачек положительных импульсов.

Приёмник лазерного канала с поднесущей частотой (приёмник 2) собран на отечественной микросхеме К1056УП1 (DA1). Схема приёмника изображена на Рис.7. Для выделения командных импульсов к выходу микросхемы DA1 10 подключены амплитудный детектор с фильтром низкой частоты и нормализатор импульсов, собранные на логических элементах DD3.1, DD3.2, диодной сборке DA3 и C9, R24. В остальном схема приёмника 2 совпадает со схемой приёмника 1.

Сегодня невозможно представить себе нашу жизнь без компьютеров и сетей на их основе. Человечество стоит на пороге нового мира, в котором будет создано единое информационное пространство. В этом мире осуществлению коммуникаций больше не будут препятствовать ни физические границы, ни время, ни расстояния.

Сейчас во всем мире существует огромное количество сетей, выполняющих различные функции и решающих множество разнообразных задач. Раньше или позже, но всегда наступает момент, когда пропускная способность сети бывает исчерпана и требуется проложить новые линии связи. Внутри здания это сделать относительно легко, но уже при соединении двух соседних зданий начинаются сложности. Требуются специальные разрешения, согласования, лицензии на проведение работ, а также выполнение целого ряда сложных технических требований и удовлетворение немалых финансовых запросов организаций, распоряжающихся землей или канализацией. Как правило, сразу же выясняется, что самый короткий путь между двумя зданиями - это не прямая. И совсем необязательно, что длина этого пути будет сопоставима с расстоянием между этими зданиями.

Конечно, всем известно беспроводное решение на основе различного радиооборудования (радиомодемов, малоканальных радиорелейных линий, микроволновых цифровых передатчиков). Но количество сложностей не уменьшается. Эфир перенасыщен и получить разрешение на использование радиооборудования весьма непросто, а иногда - даже невозможно. Да и пропускная способность этого оборудования существенно зависит от его стоимости.

Мы предлагаем воспользоваться новым экономичным видом беспроводной связи, который возник совсем недавно, - лазерной связью. Наибольшее развитие эта технология получила в США, где и была разработана. Лазерная связь обеспечивает экономичное решение проблемы надежной и высокоскоростной ближней связи (1,2 км), которая может возникнуть при объединении телекоммуникационных систем разных зданий. Ее использование позволит осуществить интеграцию локальных сетей с глобальными, интеграцию удаленных друг от друга локальных сетей, а также обеспечить нужды цифровой телефонии. Лазерная связь поддерживает все необходимые для этих целей интерфейсы - от RS-232 до АТМ.

Как осуществляется связь

Лазерная связь позволяет осуществлять соединения типа "точка-точка" со скоростью передачи информации до 155 Мбит/с. В компьютерных и телефонных сетях лазерная связь обеспечивает обмен информацией в режиме полного дуплекса. Для приложений, не требующих высокой скорости передачи (например, для передачи видеосигнала и сигналов управления в системах технологического и охранного телевидения), имеется специальное экономичное решение с полудуплексным обменом. Когда требуется объединить не только компьютерные, но и телефонные сети, могут применяться модели лазерных устройств со встроенным мультиплексором для одновременной передачи трафика ЛВС и цифровых групповых потоков телефонии (Е1/ИКМ30).

Лазерные устройства могут осуществлять передачу любого сетевого потока, который доставляется им при помощи оптоволокна или медного кабеля в прямом и обратном направлениях. Передатчик преобразует электрические сигналы в модулированное излучение лазера в инфракрасном диапазоне с длиной волны 820 нм и мощностью до 40 мВт. В качестве среды распространения лазерная связь использует атмосферу. Затем лазерный луч попадает в приемник, имеющий максимальную чувствительность в диапазоне длины волны излучения. Приемник производит преобразование излучения лазера в сигналы используемого электрического или оптического интерфейса. Так осуществляется связь с помощью лазерных систем.

Семейства, модели и их особенности

В этом разделе мы хотим представить Вам три семейства наиболее популярных в США лазерных систем - LOO, OmniBeam 2000 и OmniBeam 4000 (таблица 1). Семейство LOO является базовым и позволяет осуществлять передачу данных и голосовых сообщений на расстояние до 1000 м. Семейство OmniBeam 2000 имеет аналогичные возможности, но действует на большее расстояние (до 1200 м) и может передавать видеоизображения и комбинацию данных и речи. Семейство OmniBeam 4000 может осуществлять высокоскоростную передачу данных: от 34 до 52 Мбит/с на расстояние до 1200 м и от 100 до 155 Мбит/с - до 1000 м. На рынке представлены и другие семейства лазерных систем, но они либо покрывают меньшее расстояние, либо поддерживают меньшее количество протоколов.

Таблица 1.

Семейство	LOO	OmniBeam 2000	OmniBeam 4000
Ethernet (10 Мбит/с)	+	+	-
Token Ring (416 Мбит/с)	+	+	-
E1 (2 Мбит/с)	+	+	-
Видеоизображение	-	+	-
Комбинация данных и речи	-	+	-
Высокоскоростная передача данных (34-155 Мбит/с)	-	-	+
Возможность модернизации	-	+	+

Каждое из семейств включает в себя набор моделей, поддерживающих различные коммуникационные протоколы (таблица 2). В семейство LOO входят экономичные модели, которые обеспечивают передачу на расстояние до 200 м (буква "S" в конце наименования).

Таблица 2.

Несомненным достоинством лазерных устройств связи является их совместимость с большинством телекоммуникационного оборудования различного назначения (концентраторов, маршрутизаторов, повторителей, мостов, мультиплексоров и АТС).

Установка лазерных систем

Немаловажным этапом создания системы является ее инсталляция. Собственно включение занимает ничтожно малое время по сравнению с монтажом и настройкой лазерного оборудования, которые продолжаются несколько часов при условии их выполнения хорошо обученными и оснащенными специалистами. При этом от качества выполнения этих операций будет зависеть и качество работы самой системы. Поэтому перед представлением типовых вариантов включения мы хотели бы уделить некоторое внимание этим вопросам.

При наружном размещении приемопередатчики могут устанавливаться на поверхности крыш или стен. Лазер монтируется на специальной жесткой опоре, обычно металлической которая крепится к стене здания. Опора также обеспечивает возможность регулировки угла наклона и азимута луча.

В этом случае для удобства монтажа и обслуживания системы ее подключение осуществляется через распределительные коробки (РК). В качестве соединительных кабелей обычно используют оптоволокно для цепей передачи данных и медный кабель для цепей питания и контроля. Если оборудование не имеет оптического интерфейса данных, то возможно использование модели с электрическим интерфейсом или внешнего оптического модема.

Блок питания (БП) приемопередатчика всегда устанавливается внутри помещения и может крепиться на стене или в стойке, которая используется для оборудования ЛВС или кросса структурированных кабельных систем. Рядом может быть установлен и монитор состояний, который служит для дистанционного контроля функционирования приемопередатчиков семейств ОВ2000 и ОВ4000. Его использование позволяет осуществлять диагностику лазерного канала, индикацию величины сигнала, а также закольцовывание сигнала для его проверки.

При внутреннем монтаже лазерных приемопередатчиков необходимо помнить о том, что мощность лазерного излучения падает при прохождении через стекло (не менее 4% на каждом стекле). Другая проблема - капли воды, стекающие по внешней стороне стекла во время дождя. Они играют роль линз и могут привести к рассеиванию луча. Чтобы уменьшить этот эффект, рекомендуется устанавливать оборудование вблизи верхней части стекла.

Для обеспечения качественной связи необходимо учесть некоторые основные требования.

Самым главным из них, без выполнения которого связь будет невозможна, является то, что здания должны находится в пределах прямой видимости, при этом не должно быть непрозрачных препятствий на пути распространения луча. Кроме того, поскольку лазерный луч в области приемника имеет диаметр 2 м, необходимо, чтобы приемопередатчики находились над пешеходами и потоком транспорта на высоте не ниже 5 м. Это связано с обеспечением правил безопасности. Транспорт также является источником газов и пыли, которые влияют на надежность и качество передачи. Луч не должен распространяться в непосредственной близости от линий электропередач или пересекать их. Необходимо учесть возможный рост деревьев, движения их крон при порывах ветра, а также влияние атмосферных осадков и возможные сбои в работе из-за пролетающих птиц.

Правильный выбор приемопередатчика гарантирует устойчивую работу канала во всем диапазоне климатических условий России. Например, при большом диаметре луча уменьшается вероятность сбоев, связанных с атмосферными осадками.

Лазерное оборудование не является источником электромагнитного излучения (ЭМИ). Однако если разместить его вблизи приборов с ЭМИ, то электронное оборудование лазера будет улавливать это излучение, что может вызвать изменение сигнала как в приемнике, так и в передатчике. Это повлияет на качество связи, поэтому не рекомендуется размещать лазерное оборудование вблизи таких источников ЭМИ, как мощные радиостанции, антенны и т.п.

При установке лазера желательно избегать ориентации лазерных приемопередатчиков в направлении восток-запад, так как несколько дней в году солнечные лучи могут на несколько минут перекрыть лазерное излучение, и передача станет невозможной, даже при наличии специальных оптических фильтров в приемнике. Зная, как движется солнце по небосклону в конкретном районе, можно легко решить эту проблему.

Вибрация может вызвать сдвиг лазерного приемопередатчика. Во избежание этого не рекомендуется устанавливать лазерные системы вблизи моторов, компрессоров и т.п.

Рисунок 1.
Размещение и подключение лазерных приемопередатчиков.

Несколько типовых способов включения

Лазерная связь поможет решить проблему ближней связи при соединении типа "точка-точка". В качестве примеров рассмотрим несколько типовых вариантов или способов включения. Итак, у вас есть центральный офис (ЦО) и филиал (Ф), в каждом из которых функционирует компьютерная сеть.

На рисунке 2 представлен вариант организации канала связи для случая, в котором требуется объединить Ф и ЦО, использующие в качестве сетевого протокола Ethernet, а в качестве физической среды - коаксиальный кабель (толстый или тонкий). В ЦО находится сервер ЛВС, а в Ф - компьютеры, которые требуется подключить к этому серверу. С помощью лазерных систем, например моделей LOO-28/LOO-28S или ОВ2000Е, вы легко решите эту проблему. Мост устанавливается в ЦО, а повторитель в Ф. Если мост или повторитель имеет оптический интерфейс, то оптический минимодем не потребуется. Лазерные приемопередатчики подключаются посредством сдвоенного оптоволокна. Модель LOO-28S позволит вам осуществлять связь на расстоянии до 213 м, а LOO-28 - до 1000 м при угле "уверенного" приема 3 мрад. Модель ОВ2000Е покрывает расстояние до 1200 м при угле "уверенного" приема 5 мрад. Все эти модели работают в режиме полного дуплекса и обеспечивают скорость передачи 10 Мбит/с.

Рисунок 2.
Подключение удаленного сегмента ЛВС Ethernet на основе коаксиального кабеля.

Подобный же вариант объединения двух сетей Ethernet, использующих в качестве физической среды витую пару (10BaseT) приведен на рисунке 3. Его отличие заключается в том, что вместо моста и повторителя используются концентраторы (хабы), имеющие необходимое число разъемов 10BaseT и один интерфейс AUI или FOIRL для подключения лазерных приемопередатчиков. В этом случае необходимо установить лазерный приемопередатчик LOO-38 или LOO-38S, который обеспечивает требуемую скорость передачи в режиме полного дуплекса. Модель LOO-38 может поддерживать связь на расстоянии до 1000 м, а модель LOO-38S - до 213 м.

Рисунок 3.
Подключение удаленного сегмента ЛВС Ethernet на основе витой пары.

На рисунке 4 представлен вариант комбинированной передачи данных между двумя ЛВС (Ethernet) и группового цифрового потока E1 (ИКМ30) между двумя УАТС (в ЦО и Ф). Для решения этой проблемы подходит модель ОВ2846, которая обеспечивает передачу данных и речи со скоростью 12 (10+2) Мбит/с на расстояние до 1200 м. ЛВС подключается к приемопередатчику при помощи сдвоенного оптоволокна через стандартный SMA-разъем, а телефонный трафик передается посредством коаксиального кабеля 75 Ом через BNC-разъем. Необходимо отметить тот факт, что мультиплексирование потоков данных и речи не требует дополнительного оборудования и выполняется приемопередатчиками без снижения пропускной способности каждого из них в отдельности.

Рисунок 4.
Объединение вычислительных и телефонных сетей.

Вариант осуществления высокоскоростной передачи данных между двумя ЛВС (LAN "A" в ЦО и LAN "B" в Ф) с использованием коммутаторов АТМ и лазерных приемопередатчиков представлен на рисунке 5. Модель ОВ4000 позволит решить проблему высокоскоростной ближней связи оптимальным образом. Вы получите возможность передавать потоки Е3, ОС1, SONET1 и ATM52 с требуемыми скоростями на расстояние до 1200 м, а потоки 100 Base-VG или VG ANYLAN (802.12), 100 Base-FX или Fast Ethernet (802.3), FDDI, TAXI 100/140, OC3, SONET3 и ATM155 с требуемыми скоростями - на расстояние до 1000 м. Передаваемые данные доставляются на лазерный приемопередатчик при помощи стандартного сдвоенного оптоволокна, подключаемого через SMA-разъем.

Рисунок 5.
Объединение высокоскоростных телекоммуникационных сетей.

Приведенные примеры не исчерпывают всех возможных вариантов применения лазерного оборудования.

Что выгодней?

Попробуем определить место лазерной связи среди остальных проводных и беспроводных решений, кратко оценив их достоинства и недостатки (таблица 3).

Таблица 3.

Ориентировочная стоимость	Медный кабель	Оптоволокно	Радиоканал	Лазерный канал
	от 3 до 7 тыс. дол. за 1 км	до 10 тыс. дол. за 1 км	от 7 до 100 тыс. дол. за комплект	12-22 тыс. дол. за комплект
Время на подготовку и выполнение монтажа	Подготовка работ и прокладка - до 1 месяца; установка HDSL-модемов - несколько часов	Подготовка работ и прокладка 1-2 месяца	Подготовка работ 2-3 месяца, установка - несколько часов	Подготовка работ 1-2 недели, установка - несколько часов
Максимальная пропускная способность	До 2 Мбит/с при использованием HDSL	До 155 Мбит/с	До 155 Мбит/с	До 155 Мбит/с
Максимальная дальность связи без повторителей	До 20 км при использовании HDSL	Не менее 50-70 км	До 80 км (зависит от мощности сигнала)	До 1,2 км
BER	>1E-7		1E-10	1E-10...1E-9

Начнем со всем известного обычного медного кабеля. Некоторые его характеристики позволяют практически точно рассчитать параметры создаваемого канала связи. Для такого канала неважно, каково направление передачи и нахоятся ли объекты в прямой видимости, не нужно думать о влиянии осадков и многих других факторов. Однако качество и скорость передачи, обеспечиваемые этим кабелем, оставляют желать лучшего. Частота появления ошибочных битов (BER) составляет величину порядка 1Е-7 и выше, что значительно больше величины этого показателя у оптоволокна или беспроводной связи. Медные кабели относятся к низкоскоростным каналам связи, поэтому прежде чем прокладывать новые кабели, подумайте о том, стоит ли их использовать. Если кабель уже имеется, то вам стоит задуматься о том, как повысить его пропускную способность на основе технологии HDSL. Однако следует учитывать, что она может не обеспечить требуемого качества связи из-за неудовлетворительного состояния кабельных линий.

Оптоволоконные кабели имеют значительные преимущества перед медными. Высокие пропускная способность и качество передачи (BER

Сейчас широкое применение находит радиосвязь, особенно радиорелейные линии и радиомодемы. Им также присущ свой набор преимуществ и недостатков. Существующие технологии радиосвязи при создании канала для передачи данных обеспечат вам более высокие качество (BER

Лазерная связь - быстро и качественно, надежно и эффективно решает проблему ближней связи между двумя зданиями, находящимися на расстоянии до 1200 м и в прямой видимости. Без выполнения этих условий лазерная связь невозможна. Ее несомненными преимуществами являются:

• "прозрачность" для большинства сетевых протоколов (Ethernet, Token Ring, Sonet/OC, ATM, FDDI и др.);
• высокая скорость передачи данных (до 155 Мбит/с сегодня, до 1 Гбит/с у анонсированного производителями оборудования);
• высокое качество связи с BER=1Е-10...1Е-9;
• подведение сетевого трафика к лазерному приемопередатчику при помощи кабельных и/или оптоволоконных устройств сопряжения;
• отсутствие необходимости получения разрешений на использование;
• относительно низкая стоимость лазерного оборудования, по сравнению с радиосистемами.

Лазерные приемопередатчики, из-за низкой мощности их излучения, не представляют опасности для здоровья. Следует отметить, что хотя луч безопасен, птицы его видят и стараются уклониться, что существенно уменьшает вероятность сбоев. Если передаваемая информация доставляется к лазерному приемопередатчику и от него по стандартному многомодовому оптоволоконному кабелю, то гарантируется передача данных без радиоволнового и электромагнитного излучения. Это не только обеспечивает отсутствие воздействия на работающее рядом оборудование, но и делает невозможным несанкционированный доступ к информации (получить его можно, только подобравшись непосредственно к приемопередатчику).

Цифровая часть приемопередатчика

После долгих экспериментов я пришел к выводу, что простой и надежный приемник для RS232 сделать трудно. Для RS232 надо мастерить что-то вроде схемы "привязки к уровню черного (или белого?)" - как в телевидении. Простыми средствами мне это сделать не удалось. Поэтому было принято решение перейти к импульсно-кодовому представлению сигналов RS232 и передаче информации импульсами. Такая система давно разработана и называется IRDA. Однако по условию задачи связь должна быть через ком-порт. Где-то в и-нете я видел микросхемы (буржуйские, разумеется) которые подключаются прямо к ком-порту, а на выходе у них импульсная последовательность или даже просто оптический сигнал. И приемник встроен в ту же микросхему. Мне эта штука не понравилась по двум причинам: относительная дороговизна и жесткая привязка к фиксированной скорости ком-порта. Т.е. если вы (или какая-то умная программа) решили перенастроить порт на другую скорость - вам надо менять тактовую частоту на входе микросхемы. По всем эти причинам я решил смастерить что-то похожее на IRDA, но более простое и независимое от скорости работы порта. Вот что получилось.

Стандарт FIRDA

Каждый фронт в сигнале RS232 кодируется коротким однополярным импульсом, который передается по оптическому каналу. Hа приемнике эти импульсы поступают на вход триггера, работающего в счетном режиме. Hа выходе триггера получаем (в идеале) сигнал RS232. В принципе, это все. У это чудесного по своей простоте алгоритма есть только один существенный недостаток, который заключается в том, что при пропуске хотя бы одного импульса, на выходе триггера начинает появляться инверсия сигнала RS232. Конечно, можно сказать, что при потере стартового фронта в RS232 (или первого импульса в пачке IRDA) тоже произойдет сбой синхронизации, который при плотном потоке информации может быть ликвидирован не скоро. Однако, в предлагаемой системе потеря любого (а не только первого) импульса приводит к неприятностям. Грубо говоря, помехоустойчивость FIRDA раз в 8-10 хуже IRDA или RS232. В принципе, это было бы не так страшно (считаем, что ошибки появляются достаточно редко), если бы с течением времени FIRDA выходил на нормальный режим работы, как это происходит с его именитыми прототипами. Однако, если не предусмотреть специальных мер, FIRDA так и будет гнать инвертированный поток, пока не произойдет еще одного сбоя;)) Именно длительная инверсная работа мне казалась главным недостатком FIRDA и я дополнил его маленькой добавкой, которая в последствии меня самого удивила своей эффективностью и практически решила все проблемы. Добавка очень простая: если в течении некоторого времени (ну например 0.1 сек) на выходе триггера присутствует "1", то следует принудительно перевести его в нулевое состояние (считаем, что в паузах передачи на выходе RS232 - ноль). Теперь для полного счастья надо дергать готовность ком-порта передатчика один раз в 10 сек, прерывая передачу на 0.1 сек, с тем чтобы триггер приемника установился в исходное состояние. Очевидно, в данном примере потери в скорости передачи - 1процент. Вот теперь, действительно все. Как показала практика, дергать готовность ком-порта передатчика не надо. Многочисленные эксперименты показали, что при реальной работе через ком возникает множество естественных пауз различной длительности. (были проверены несколько сетевых игрушек, сеть между двумя Вин98, терминалки с разными протоколами. Действительно плотный поток оказался только у терминалок, работающих через Z-модем). В моей версии линка время принудительной установки триггера выбрано около 5 миллисекунд. Такие паузы встречаются очень часто. Правда, это ограничивает снизу используемые скорости передачи (в моем случае - не меньше 2400). Зато никаких проблем ни с каким софтом я не имел во всем диапазоне скоростей 2400..115200.

Описание принципиальной схемы

Сигнал Тх с выхода ком-порта через ограничивающий резистор R1 поступает на схему выделения фронтов, собранную на элементах DD1.1, DD1.2. Hа выводе 4 элемента DD1.2 присутствуют импульсы длительностью около 1 микросекунды. Временные параметры этих импульсов не достаточно стабильны, поэтому в схему включен генератор нормированных по длительности импульсов, собранный на триггере Т2. Он формирует импульсы длительностью около 3-4 микросекунд. При необходимости длительность подстраивается резистором R3. Для тех, кому важна стабильность/надежность/дальность работы линка и допустима максимальная скорость работы 57600, я бы посоветовал удвоить номинал С2 и тем самым увеличить длительность нормированного импульса до 8 миллисекунд. Можно использовать специальный переключатель максимальных скоростей 115200-57600. подключающий дополнительную емкость С2. (длина проводников до переключателя должна быть минимальна.) Схема цифровой части приемника содержит триггер Т1 с элементами R4,R5,C3,V2, задающими максимальную длительность единицы на выходе триггера. При указанных на схеме номиналах, она равна примерно 5 миллисекундам. Если кто-то собирается работать только с большими скоростями, имеет смысл уменьшить это время путем уменьшения С3. Hа элементах DD1.3, DD1.4 собран выходной усилитель, сигнал с которого поступает на вход Rx ком-порта. Это на всякий случай. У меня все прекрасно работало на перепутанном мотке проводов длинной 20 метров, когда я брал неусиленный сигнал (через резистор 1К) прямо с вывода 1 триггера Т1.

Теперь несколько слов о настройке схемы. К счастью, цифровая часть приемопередатчика является совершенно самостоятельной и самодостаточной схемой, допускающей полную настройку и отладку без всяких лазеров и аналоговой части. Порядок настройки. Создайте файл килобайт на 300, содержащий один символ (мне понравился Y). Создайте батник, который засылает этот файл в ком-порт, а потом вызывает сам себя;-) Запустите его. Проконтролируйте длительности и формы импульсов в передатчике.(лучше это делать на максимальной скорости, поскольку импульсы короткие). Закройте батник. Замкните выход передачика на вход приемника, а выход приемника подайте на вход Rx того же самого ком-порта. Войдите в любую терминальную программу (я пользовался DN-ской терминалкой) Попробуйте понажимать на клавиши. Вы должны увидеть нажимаемые символы на экране. Если этого не происходит, попробуйте просто замкнуть Rx и Tx и добиться описанного эффекта настройкой терминальной программы, после чего снова попытайтесь сделать то же самое через приемопередатчик. И наконец, последнее, самое важное испытание. Тут потребуется уже два компьютера. Соедините их ком-порты тремя проводами по классической схеме. Запустите какой-нибудь софт,использующий этот линк. Убедитесь, что все работает. Теперь попробуйте в разрыв одного сигнального провода вставить цифровой приемопередатчик. Попробуйте поработать с этим же софтом через эту железку и убедитесь, что FIRDA вас вполне устраивает, поимитируйте помехи в передаче доступными вам способами. После этого можно переходить к постройке аналоговой части линка.

Передатчик

Особых пояснений, как мне кажется, он не требует. Лазерный диод является коллекторной нагрузкой первого транзистора. Резистор в его эмиттерной цепи ограничивает ток через этот транзистор и создает условия для работы второго транзистора, который является фактически (совместно с R1) управляемым делителем входного напряжения. Второй транзистор управляется фототоком диода, встроенного в лазер для организации схемы ограничения температурного дрейфа его параметров. С увеличением светового потока увеличивается базовый ток второго транзистора, и он шунтирует входной сигнал на уровне, безопасном для лазера. Подстроечный резистор R3 предназначен для регулировки допустимого уровня излучения лазера. Номиналы схемы подобраны так, что при комнатной температуре можно уменьшить его сопротивление до нуля и это не приводит к фатальным последствиям для лазерного диода (по крайней мере у меня проблем не было). Настройка передатчика сводится к измерению амплитуды сигнала на резисторе R2 (при подключенной и работающей цифровой части) и установление подстроечным резистором амплитуды импульсов, соответствующей импульсному току 30-35 ма (при комнатной температуре).(Речь идет о 5-и милливаттных указках). Для надежности можно уточнить эти цифры для конкретной указки путем измерения тока через нее при свежезаряженных аккумуляторах (до разборки). Эту величину можно в дальнейшем принять за номинальный импульсный ток через указку. Если в схеме используется R4 (у меня его нет), и часть тока всегда течет через этот резистор, на соответствующую величину надо уменьшить выставляемый ток через R2, так что бы суммарный импульсный ток оказался в указанных выше пределах. При изменении температуры параметры излучения, конечно, будут плавать, но разброс значений будет существенно снижен за счет отрицательной обратной связи по световому потоку через фотодиод и второй транзистор. Резистором R4 можно выставить начальный уровень тока через лазер в отсутствие сигнала. Считается, что это повышает живучесть лазерного диода. С1 с этой же целью сглаживает переходные процессы при включении/выключении лазера. К питанию особых требований нет, можно взять +5В из компьютера. В заключение пару слов о разборке указки и ее цоколевке. Могу рассказать только о своей паре указок. Насколько это типично - не знаю. Сначала я делал надпил корпуса надфилем по периметру указки на уровне кнопки включения указки. Часть с батарейками отламывается. Становится видна маленькая печатная платка, на которой крепится кнопка. Платка припаяна прямо к выводам лазерного диода. Иголкой измерил глубину до втулки, в которую запрессован собственно лазер. Сделал второй надрез, стараясь попасть на уровень втулки, в результате чего получил обрубок указки с полностью сохраненной оптической частью, а с другой (обрубленной)стороны торчали три вывода с платкой, которую я отпаял. Итак, остались три вывода, торчащие из обрезанной части указки. Они расположены треугольником. Один из них соединен с корпусом лазерного диода. Это общий вывод лазерного диода и фотодиода. Предположим, что этот вывод соответствует верхнему углу треугольника. Тогда справа внизу будет расположен вывод фотодиода, а слева внизу - вывод лазерного диода. Перед разборкой полезно провести исследование расходимости луча лазера без оптической системы. Это вам понадобится при оценке чувствительности вашего приемника и дальности работы вашего линка. Для этого надо осторожно вывернуть оптическую систему из передней части указки и замерить диаметр пятна, который получается на расстоянии от указки в интервале 5-25 см. Теперь можно переходить к построению самой важной части линка - аналоговой части приемника.

Приемник. Аналоговая часть

Этот блок требует наибольшей аккуратности и, я бы сказал схемотехнической культуры при построении и наладке. Питание лучше брать не из компьютера, а от отдельного стабилизированного блока питания. Длина проводников должна быть минимальна. Фильтрующие питание конденсаторы C1,C2.C4,C5 д.б. расположены максимально близко к выводам операционного усилителя. Особенно важно близкое расположение к ОУ элементов входной цепи С3,VD1,R4. Желательно компактное расположение и экранирование всей конструкции. При грамотной схемотехнике у вас не должно быть никаких проблем с настройкой. У меня на столе не было выполнено ни одно из перечисленных выше требований и тем не менее все успешно работает. Так что есть надежда, что если сделать все правильно,то у вас тоже будет работать

Пару слов о самой схеме. Она предельно проста. Соблюдайте полярность фотодиода! Резистор R4 влияет на амплитуду сигнала с фотодиода и на его форму/частотные характеристики. Чем меньше номинал резистора, тем меньше сигнал с фотодиода и тем лучше его форма. У меня получались вполне приличные результаты при увеличении резистора до 4.7 К. Однако спешить с его увеличением я бы не советовал. И вообще, первое, что вы должны добиться - это работа приемника на какой-нибудь умеренной скорости, ну например 57600. Это лучше делать в следующем порядке. Итак, после десятой проверки монтажа выводим сопротивление подстроечника R1 в ноль и включаем питание. Подключаем к ком-порту собранный передатчик (цифровую и аналоговую части), запускаем батник (предварительно установив скорость работы порта 57600), позволяющий наблюдать непрерывную картинку передачи одного байта (о нем шла речь в первой части трилогии), располагаем лазер со снятой оптической системой в двух-трех сантиметрах от фотодиода, подключаем осциллограф к выходу приемника и начинаем медленно увеличивать сопротивление R1. Через некоторое время транзистор Т1 начнет приоткрываться, и на выходе приемника появится гребенка импульсов. Оптимальное значение сопротивления R1 определяется в ходе экспериментов визуально по форме и амплитуде импульсов на выходе приемника. При выключении передатчика амплитуда шумов на выходе приемника не должна превышать 1-2 вольта. Транзистор Т1 должен быть лишь слегка приоткрыт. Типичное значение напряжения на его коллекторной нагрузке- 1-2 вольта. После достижения успеха на этом первом этапе можно двигаться дальше - постепенно раздвигать приемник и передатчик, находить их наилучшее взаимное положение и, подстраивая R1, получать гребенку импульсов амплитудой почти равной амплитуде питания +12В. Форма у них может быть не совсем прямоугольной, но амплитуда должна быть хорошей. При максимально возможной раздвижке передатчика и приемника надо определить диаметр расфокусированного пятна лазера. Этот диаметр даст вам представление о максимальной дальности, на которой будет работать ваш линк. У меня этот диаметр равнялся примерно 20 см, что примерно соответствует динамическому диапазону в 33 дБ. Как мне кажется, этого вполне должно хватить для уверенной связи на расстоянии 100 метров без применения входных линз или на расстоянии 200 метров, если использовать светодиод типа ФД320 в виде красной пластмассовой линзочки диаметром около сантиметра на прямоугольном основании. А при наличии входной оптики... Впрочем, при больших дальностях уже другие проблемы... Вернемся к настройке приемника. Теперь полезно попробовать настройку для разных скоростей ком-порта. И, наконец, можно подключить цифровую часть приемника и повторить опыты, описанные в первой части данной трилогии. Я специально ничего не говорил о конструктивном оформлении приемника. Да, наверно полезно иметь какие-нибудь бленды на входных светодиодах. Вообще-то приемник весьма устойчив к засветкам разного рода. Обычная засветка лампочкой 60 ватт с расстояния 70 см под углом в 30 градусов никак не влияла на работу схемы. Конденсатор C3 очень хорошо "режет" все низкочастотные помехи.

Цифровая часть приемопередатчика. После долгих экспериментов я пришел к выводу, что простой и надежный приемник для RS232 сделать трудно. Для RS232 надо мастерить что-то вроде схемы "привязки к уровню черного (или белого?)" - как в телевидении. Простыми средствами мне это сделать не удалось. Поэтому было принято решение перейти к импульсно-кодовому представлению сигналов RS232 и передаче информации импульсами. Такая система давно разработана и называется IRDA. Однако по условию задачи связь должна быть через ком-порт. Где-то в инете я видел микросхемы (буржуйские, разумеется) которые подключаются прямо к ком-порту, а на выходе у них импульсная последовательность или даже просто оптический сигнал. И приемник встроен в ту же микросхему. Мне эта штука не понравилась по двум причинам: относительная дороговизна и жесткая привязка к фиксированной скорости ком-порта. Т.е. если вы (или какая-то умная программа) решили перенастроить порт на другую скорость - вам надо менять тактовую частоту на входе микросхемы. По всем эти причинам я решил смастерить что-то похожее на IRDA, но более простое и независимое от скорости работы порта. Вот что получилось.

Стандарт FIRDA. Каждый фронт в сигнале RS232 кодируется коротким однополярным импульсом, который передается по оптическому каналу. Hа приемнике эти импульсы поступают на вход триггера, работающего в счетном режиме. Hа выходе триггера получаем (в идеале) сигнал RS232. В принципе, это все. У это чудесного по своей простоте алгоритма есть только один существенный недостаток, который заключается в том, что при пропуске хотя бы одного импульса, на выходе триггера начинает появляться инверсия сигнала RS232. Конечно, можно сказать, что при потере стартового фронта в RS232 (или первого импульса в пачке IRDA) тоже произойдет сбой синхронизации, который при плотном потоке информации может быть ликвидирован не скоро. Однако, в предлагаемой системе потеря любого (а не только первого) импульса приводит к неприятностям. Грубо говоря, помехоустойчивость FIRDA раз в 8-10 хуже IRDA или RS232. В принципе, это было бы не так страшно (считаем, что ошибки появляются достаточно редко), если бы с течением времени FIRDA выходил на нормальный режим работы, как это происходит с его именитыми прототипами. Однако, если не предусмотреть специальных мер, FIRDA так и будет гнать инвертированный поток, пока не произойдет еще одного сбоя;)) Именно длительная инверсная работа мне казалась главным недостатком FIRDA и я дополнил его маленькой добавкой, которая в последствии меня самого удивила своей эффективностью и практически решила все проблемы. Добавка очень простая: если в течении некоторого времени (ну например 0.1 сек) на выходе триггера присутствует "1", то следует принудительно перевести его в нулевое состояние (считаем, что в паузах передачи на выходе RS232 - ноль). Теперь для полного счастья надо дергать готовность ком-порта передатчика один раз в 10 сек, прерывая передачу на 0.1 сек, с тем чтобы триггер приемника установился в исходное состояние. Очевидно, в данном примере потери в скорости передачи - 1процент. Вот теперь, действительно все.

Как показала практика, дергать готовность ком-порта передатчика не надо. Многочисленные эксперименты показали, что при реальной работе через ком возникает множество естественных пауз различной длительности. (были проверены несколько сетевых игрушек, сеть между двумя Вин98, терминалки с разными протоколами. Действительно плотный поток оказался только у терминалок, работающих через Z-модем). В моей версии линка время принудительной установки триггера выбрано около 5 миллисекунд. Такие паузы встречаются очень часто. Правда, это ограничивает снизу используемые скорости передачи (в моем случае - не меньше 2400). Зато никаких проблем ни с каким софтом я не имел во всем диапазоне скоростей 2400..115200.

Описание принципиальной схемы. Сигнал Тх с выхода ком-порта через ограничивающий резистор R1 поступает на схему выделения фронтов, собранную на элементаж DD1.1, DD1.2. Hа выводе 4 элемента DD1.2 присутствуют импульсы длительностью около 1 микросекунды. ВременнЫе параметры этих импульсов не достаточно стабильны, поэтому в схему включен генератор нормированных по длительности импульсов, собранный на триггере Т2. Он формирует импульсы длительностью около 3-4 микросекунд. При необходимости длительность подстраивается резистором R3. Для тех, кому важна стабильность/надежность/дальность работы линка и допустима максимальная скорость работы 57600, я бы посоветовал удвоить номинал С2 и тем самым увеличить длительность нормированного импульса до 8 миллисекунд. Можно использовать специальный переключатель максимальных скоростей 115200-57600. подключающий дополнительную емкость С2. (длина проводников до переключателя должна быть минимальна). Схема цифровой части приемника содержит триггер Т1 с элементами R4,R5,C3,V2, задающими максимальную длительность единицы на выходе триггера. При указанных на схеме номиналах, она равна примерно 5 миллисекундам. Если кто-то собирается работать только с большими скоростями, имеет смысл уменьшить это время путем уменьшения С3. Hа элементах DD1.3, DD1.4 собран выходной усилитель, сигнал с которого поступает на вход Rx ком-порта. Это на всякий случай. У меня все прекрасно работало на перепутанном мотке проводов длинной 20 метров, когда я брал неусиленный сигнал (через резистор 1К) прямо с вывода 1 триггера Т1. Теперь несколько слов о настройке схемы. К счастью, цифровая часть приемопередатчика является совершенно самостоятельной и самодостаточной схемой, допускающей полную настройку и отладку без всяких лазеров и аналоговой части. Порядок настройки. Создайте файл килобайт на 300, содержащий один символ (мне понравился Y). Создайте батник, который засылает этот файл в ком-порт, а потом вызывает сам себя;-) Запустите его. Проконтролируйте длительности и формы импульсов в передатчике.(лучше это делать на максимальной скорости, поскольку импульсы короткие). Закройте батник. Замкните выход передачика на вход приемника, а выход приемника подайте на вход Rx того же самого ком-порта. Войдите в любую терминальную программу (я пользовался DN-ской терминалкой) Попробуйте понажимать на клавиши. Вы должны увидеть нажимаемые символы на экране. Если этого не происходит, попробуйте просто замкнуть Rx и Tx и добиться описанного эффекта настройкой терминальной программы, после чего снова попытайтесь сделать то же самое через приемопередатчик. И наконец, последнее, самое важное испытание. Тут потребуется уже два компьютера. Соедините их ком-порты тремя проводами по классической схеме. Запустите какой-нибудь софт,использующий этот линк. Убедитесь, что все работает. Теперь попробуйте в разрыв одного сигнального провода вставить цифровой приемопередатчик. Попробуйте поработать с этим же софтом через эту железку и убедитесь, что FIRDA вас вполне устраивает;-))), поимитируйте помехи в передаче доступными вам способами. После этого можно переходить к постройке аналоговой части линка.

Передатчик. Особых пояснений, как мне кажется, он не требует. Лазерный диод является коллекторной нагрузкой первого транзистора. Резистор в его эмиттерной цепи ограничивает ток через этот транзистор и создает условия для работы второго транзистора, который является фактически (совместно с R1) управляемым делителем входного напряжения. Второй транзистор управляется фототоком диода, встроенного в лазер для организации схемы ограничения температурного дрейфа его параметров. С увеличением светового потока увеличивается базовый ток второго транзистора, и он шунтирует входной сигнал на уровне, безопасном для лазера. Подстроечный резистор R3 предназначен для регулировки допустимого уровня излучения лазера.Hоминалы схемы подобраны так, что при комнатной температуре можно уменьшить его сопротивление до нуля и это не приводит к фатальным последствиям для лазерного диода (по крайней мере у меня проблем не было). Hастройка передатчика сводится к измерению амплитуды сигнала на резисторе R2 (при подключенной и работающей цифровой части) и установление подстроечным резистором амплитуды импульсов, соответствующей импульсному току 30-35 ма (при комнатной температуре). (Речь идет о 5-и милливаттных указках). Для надежности можно уточнить эти цифры для конкретной указки путем измерения тока через нее при свежезаряженных аккумуляторах (до разборки). Эту величину можно в дальнейшем принять за номинальный импульсный ток через указку. Если в схеме используется R4 (у меня его нет), и часть тока всегда течет через этот резистор, на соответствующую величину надо уменьшить выставляемый ток через R2, так что бы суммарный импульсный ток оказался в указанных выше пределах. При изменении тепературы параметры излучения, конечно, будут плавать, но разброс значений будет существенно снижен за счет отрицательной обратной связи по световому потоку через фотодиод и второй транзистор. Резистором R4 можно выставить начальный уровень тока через лазер в отсутствие сигнала. Считается, что это повышает живучесть лазерного диода. С1 с этой же целью сглаживает переходные процессы при включении/выключении лазера. К питанию особых требований нет, можно взять +5В из компьютера. В заключение пару слов о разборке указки и ее цоколевке.

Могу рассказать только о своей паре указок. Hасколько это типично - не знаю. Сначала я делал надпил корпуса надфилем по периметру указки на уровне кнопки включения указки. Часть с батарейками отламывается. Становится видна маленькая печатная платка, на которой крепится кнопка. Платка припаяна прямо к выводам лазерного диода. Иголкой измерил глубину до втулки, в которую запресован собственно лазер. Сделал второй надрез, стараясь попасть на уровень втулки, в результате чего получил обрубок указки с полностью сохраненной оптической частью, а с другой (обрубленной)стороны торчали три вывода с платкой, которую я отпаял. Итак, остались три вывода, торчащие из обрезанной части указки. Они расположены треугольником. Один из них соединен с корпусом лазерного диода. Это общий вывод лазерного диода и фотодиода. Предположим, что этот вывод соответствует верхнему углу треугольника. Тогда справа внизу будет расположен вывод фотодиода, а слева внизу - вывод лазерного диода. Перед разборкой полезно провести исследование расходимости луча лазера без оптической системы. Это вам понадобится при оценке чувствительности вашего приемника и дальности работы вашего линка. Для этого надо осторожно вывернуть оптическую систему из передней части указки и замерить диаметр пятна, который получается на расстоянии от указки в интервале 5-25 см. Теперь можно переходить к построению самой важной части линка - аналоговой части приемника.

Приемник. Аналоговая часть. Этот блок требует наибольшей аккуратности и, я бы сказал схемотехнической культуры при построении и наладке. Питание лучше брать не из компьютера, а от отдельного стабилизированного блока питания. Длина проводников должна быть минимальна. Фильтрующие питание конденсаторы C1,C2.C4,C5 д.б. расположены максимально близко к выводам операционного усилителя. Особенно важно близкое расположение к ОУ элементов входной цепи С3, VD1, R4. Желательно компактное расположение и экранирование всей конструкции. При грамотной схемотехнике у вас не должно быть никаких проблем с настройкой. У меня на столе не было выполнено ни одно из перечисленных выше требований и тем не менее все успешно работает. Так что есть надежда, что если сделать все правильно,то у вас тоже будет работать;-))) Пару слов о самой схеме. Она предельно проста. Cоблюдайте полярность фотодиода! Резистор R4 влияет на амплитуду сигнала с фододиода и на его форму/частотные характеристики. Чем меньше номинал резистора, тем меньше сигнал с фотодиода и тем лучше его форма. У меня получались вполне приличные результаты при увеличении резистора до 4.7 К. Однако спешить с его увеличением я бы не советовал. И вообще, первое, что вы должны добится - это работа приемника на какой-нибудь умеренной скорости, ну например 57600. Это лучше делать в следующем порядке. Итак, после десятой проверки монтажа выводим сопротивление подстроечника R1 в ноль и включаем питание. Подключаем к ком-порту собранный передатчик (цифровую и аналоговую части), запускаем батник (предварительно установив скорость работы порта 57600), позволяющий наблюдать непрерывную картинку передачи одного байта (о нем шла речь в первой части трилогии), располагаем лазер со снятой оптической системой в двух-трех сантиметрах от фотодиода, подключаем лограф к выходу приемника и начинаем медленно увеличивать сопротивление R1. Через некоторое время транзистор Т1 начнет приоткрываться, и на выходе приемника появится гребенка импульсов. Оптимальное значение сопротивления R1 определяется в ходе экспериментов визуально по форме и амплитуде импульсов на выходе приемника. При выключении передатчика амплитуда шумов на выходе приемника не должна превышать 1-2 вольта. Транзистор Т1 должен быть лишь слегка приоткрыт. Типичное значение напряжения на его коллекторной нагрузке- 1-2 вольта. После достижения успеха на этом первом этапе можно двигаться дальше - постепенно раздвигать приемник и передатчик, находить их наилучшее взаимное положение и, подстраивая R1, получать гребенку импульсов амплитудой почти равной амплитуде питания +12В. Форма у них может быть не совсем прямоугольной, но амплитуда должна быть хорошей. При максимально возможной раздвижке передатчика и приемника надо определить диаметр расфокусированного пятна лазера. Этот диаметр даст вам представление о максимальной дальности, на которой будет работать ваш линк. У меня этот диаметр равнялся примерно 20 см, что примерно соответствует динамическому диапазону в 33 дБ. Как мне кажется, этого вполне должно хватить для уверенной связи на расстоянии 100 метров без применения входных линз или на расстоянии 200 метров, если использовать светодиод типа ФД320 в виде красной пластмассовой линзочки диаметром около сантиметра на прямоугольном основании. А при наличии входной оптики.. Впрочем, при больших дальностях уже другие проблемы.. Вернемся к настройке приемника. Теперь полезно попробовать настройку для разных скоростей ком-порта. И, наконец, можно подключить цифровую часть приемника и повторить опыты, описанные в первой части данной трилогии. Я специально ничего не говорил о конструктивном оформлении приемника. Да, наверно полезно иметь какие-нибудь бленды на входных светодиодах. Вообще-то приемник весьма устойчив к засветкам разного рода. Обычная засветка лампочкой 60 ватт с расстояния 70 см под углом в 30 градусов никак не влияла на работу схемы. Конденсатор C3 очень хорошо "режет" все низкочастотные помехи. Вот вроде и все. Hаверняка что-то забыл. - Спрашивайте. И вообще, автор не питает никаких иллюзий относительно завершенности и совершенства представленных схем. Я претендую лишь на то, что все это работает и удовлетворяет тем условиям, которые я когда-то здесь излагал. Весьма приветствуется доброжелательная критика и ценные советы, особенно если они проистекают из практической работы по усовершенствованию данной конструкции.

Чёрный властелин 4 января 2015 в 05:04

Вариации на тему космической лазерной связи

• Космонавтика *

Одна из актуальных на сегодняшний день тем в коммерческой космонавтике, и не только - это тема лазерной связи. Преимущества ее известны, тесты проводились и оказались успешны или очень успешны. Если кому плюсы и минусы неизвестны - кратко изложу.

Лазерная связь позволяет передавать данные на гораздо большие относительно радиосвязи расстояния, скорость передачи благодаря высокой концентрации энергии и гораздо более высокой частоте несущей (на порядки) также выше. Энергоэффективность, низкий вес и компактность также в разы или на порядки лучше. Как и стоимость - в принципе, для лазерной связи в космосе вполне может подойти обыкновенная китайская лазерная указка мощностью в районе 1 Вт и выше, что я и намерен доказать ниже.

Из минусов можно упомянуть прежде всего необходимость гораздо более точного наведения приемных и передающих модулей относительно радиосвязи. Ну и известные атмосферные проблемы с облачностью и пылью. На самом деле все эти проблемы легко решаемы, если подойти к их решению с головой.

Прежде всего - рассмотрим, как работает приемный модуль. Он представляет из себя специализированный (не всегда) телескоп, который улавливает излучение лазера и превращает его в электросигналы, которые затем известными методами усиливаются и преобразуются в полезную информацию. Связь, естественно, как и везде сейчас, должна быть цифровой и, соотв., полнодуплексной. Но вот должна быть ли она при этом лазерной в обе стороны? Совершенно не обязательно! Почему это так - нам станет ясно, стоит нам только рассмотреть, как отличаются приемные и передающие устройства для лазерной связи, и как отличаются требования к массогабаритным параметрам устройств связи на орбитальных КА (или КА дальнего космоса) и наземных комплексах.

Как уже сказано ранее - приемный комплекс - это телескоп. С линзами и (или) рефлекторами, системой их крепления и наведения телескопа. А это означает - тяжелая и громоздкая конструкция - что совершенно неприемлемо для КА. Ибо для КА любое устройство должно быть как раз максимально легким и компактным. Что как раз для передатчика ЛИ вполне характерно - все, наверное, уже видели современные ПП лазеры размером и весом с авторучку. Ну правда, питание для настоящего, неигрушечного лазера будет весить поболее, ну так оно и для систем радиоцифровой связи будет весить еще поболее ввиду его гораздо меньшей энергоэффективности.

Что из этого всего следует? Это значит - совершенно не нужно передавать данные в обе стороны лазером, достаточно передавать их только со спутника в оптоканале, а на спутник (КА) - в радиоканале, как и ранее. Конечно, это значит, что придется все-таки использовать направленную параболическую антенну для приема, что для веса КА не есть хорошо. Но при этом следует учитывать, что антенна для приема, как и, собственно, сам ресивер, будет все-таки весить в разы меньше, чем она же для передачи. Ибо мощность наземного передатчика мы можем делать на порядки мощнее, чем на КА, а значит - и антенна не нужна большая. В некоторых же случаях направленная антенная вообще не нужна будет.

Т.о. мы имеем уменьшение веса КА практически в разы, так же как и энергопотребления. Что является прямой дорогой к возможности повсеместно использовать для нужд связи, исследования космоса и др. нужд микроспутников, а значит - резкого удешевления космоса. Но и это еще не все.

Для начала рассмотрим путь решения проблемы наведения луча лазера со спутника на наземный приемник. На первый взгляд - проблема серьезная, а в некоторых случаях - и вовсе нерешаемая (если спутник не на геостационаре). Но вот вопрос - а надо ли луч наводить на приемник?

Есть известная проблема - это расхождение и ослабление луча лазера при прохождении в атмосфере. Особенно проблема обостряется при прохождении луча через слои с разной плотностью. При прохождении границ раздела сред луч света, в т.ч. и лазерный луч, испытывает особенно сильные преломления, рассеивание и ослабление. В этом случае мы можем наблюдать своего рода световое пятно, получающееся как раз при прохождении такой границы раздела сред. В атмосфере Земли таких границ несколько - на высоте около 2 км (активный погодный атмосферный слой), на высоте примерно 10 км, и на высоте примерно 80-100 км, т. е. уже на границе космоса. Высоты слоев даны для средних широт для летнего периода. Для других широт и других времен года высоты и само кол-во границ раздела сред может сильно отличаться от описанного.

Т.о. при вхождении в атмосферу Земли луч лазера, до этого спокойно преодолевший миллионы километров без каких-либо потерь (на разве что небольшую расфокусировку), на каких то несчастных десятках километров теряет львиную долю своей мощности. Однако этот плохой на первый взгляд факт мы отлично можем обратить себе на пользу. Ибо этот факт позволяет нам обойтись без какого либо серьезного наведения луча на приемник. Ибо в качестве такого приемника, точнее первичного приемника, мы как раз и можем использовать саму атмосферу Земли, точнее эти самые границы раздела слоев, сред. Мы просто можем наводить телескоп на получающееся световое пятно и считывать с него информацию. Конечно, это заметно прибавит кол-во помех и снизит скорость передачи данных. И сделает ее вообще невозможной в дневное время по понятным причинам - Солнце же! Зато насколько мы можем удешевить спутник за счет экономии на системе наведения! Это особенно актуально для спутников на нестационарных орбитах, а также для КА для исследований дальнего космоса. Кроме того, учитывая, что лазеры, пусть даже с такой некачественной, не узкой частотной полосой, как китайские лазеры - вполне реально можно отсеивать от помех с помощью светофильтров или узкочастотных фотоприемников.

Не менее актуальным могло бы быть использование лазерной связи не для космоса, а для наземной дальней связи способом, подобным тропосферной связи. Имеется в виду передача данных лазером также с использованием атмосферного рассеяния на границах раздела атмосферных слоев с одной точки поверхности Земли до другой. Дальность такой связи может достигать сотен и тысяч километров, а при использовании релейного принципа - и того более.

Теги: лазерная связь, космос