Atmosférický kanál

10.1. Základní dělení AOS

10.2. Vysílací systém

10.2. Přijímací systém

Úvod

AOS se skládá ze dvou hlavic pracujících mezi sebou duplexním způsobem. Každá hlavice je připojena („duplexně“) k osobnímu počítači, serveru nebo ústředně. Hlavice jsou vybaveny vysílacím a přijímacím systémem (VS a PS) a to jak pro komunikaci v atmosféře, tak pro komunikaci v optickém vláknu (vedoucímu od hlavice k nejbližšímu počítači). Místo optického vlákna může být použit koaxiální kabel. Z hlediska dílčích funkcí lze každou hlavici považovat za komplex mechanické, optické, optoelektronické, elektronické, mikroprocesorové a monitorovací (kontrolní) části.

Obr. 10-1: Představa o zapojení AOS mezi dva síťové počítače. (PC - počítač; NA - síťový adaptér; OT - optotransceiver; OV - optické vlákno; H1,H2 - hlavice AOS;
APP - atmosférické přenosové prostředí;)

Úkolem mechanické části je zabezpečit mechanickou stabilitu hlavic, jemné a přesné směrování optických systémů, ochranu proti nežádoucímu záření a vnikání aerosolů do vnitřku hlavice. V optické části se tvaruje optický svazek a omezuje se (prostorově i spektrálně) vliv záření pozadí. Optoelektronická část zodpovídá za optimální buzení LD a za optimální fotodetekci. (V případě připojení spoje k vnitřnímu zařízení pomocí optického vlákna je třeba rozlišovat atmosférickou a optovláknovou stranu optoelektronické části.)
V elektronické části probíhá zpracování a úprava signálu. Součástí této části je zdrojový blok vytvářející potřebná napětí. Mikroprocesorová část řídí a optimalizuje pracovní režim vysílacího a přijímacího systému. Pro kontrolu, signalizaci a potřeby měření je v hlavici také monitorovací část. 

10.1. Základní dělení AOS

AOS lze rozdělit podle několika hledisek. Základní dělení podle způsobu umístění hlavic systému v prostoru je znázorněno na obr. 10-2.

Obr. 10-2: Základní dělení AOS podle způsobu umístění hlavic systému v prostoru.

V následujícím textu jsou rozebírány pouze duplexní AOS s umístěním podle typu (a) na obr. 10-2. Dělení AOS podle dosahu je uvedeno v tabulce 10-1.

Tabulka 10-1: Dělení AOS podle dosahu.

Podle druhu přenášeného signálu se rozlišují analogové a digitální spoje. Podle způsobu přenosu se rozlišují spoje s koherentní nebo nekoherentní metodou přenosu. V dalším textu jsou rozebírány pouze digitální nekoherentní AOS typu (a) s intenzitní modulací a přímou detekcí. Dělení AOS podle přenosové rychlosti je uvedeno  v tabulce 10-2.

Tabulka 10-2: Dělení AOS podle přenosové rychlosti.

Podle použitého optického zdroje lze rozlišovat AOS s laserovou diodou (LD) nebo s infračervenou elektroluminiscenční diodou (IRED). AOS mohou mít různou míru adaptability vzhledem k náhodným změnám stavu počasí nebo k náhodným změnám směru šíření optického svazku.

Dnes AOS vyrábí řada zahraničních firem: Canon, Nakayo (Japonsko), ATS (Canada), AirOptics (USA), CBL, GoC, Optel (SRN), Crown Tech (Maďarsko), ITC (Rusko). Výrobky těchto firem jsou dostupné i v naší republice. V České republice byly AOS vyvinuty firmou ATMOCOM v Brně. Každá firma poskytuje několit typů AOS tak, aby mezi nimi pokud možno nechyběl žádný z výše uvedených druhů.

Zásadními výhodami AOS oproti jiným (radiovým) spojům jsou:

- vysoce směrový svazek (vysoká prostorová selektivita; nehrozí interference s jinými spoji);

- vysoká přenosová rychlost (možnost nasazení ve všech typech počítačových sítí);

- absence legislativních překážek (urychlení rozvoje sítí; optické pásmo nosné vlny leží mimo oblast působnosti ČTU);

V závěru tohoto odstavce jsou uvedeny fotografie a hlavní parametry některých komerčně vyráběných AOS.

(Fotografie)

Obr. 10-3: Hlavní parametry a provedení vybraných AOS.

10.2. Vysílací systém

Vysílací systém AOS je část hlavice, která v prostoru tvaruje vyzařovaný svazek a v čase moduluje jeho intenzitu. Hlavními bloky vysílacího systému (VS) jsou: modulátor (M), budič optického zdroje (BOZ), laserová dioda (LD) zaměřovací systém (ZS), elektronický blok zaměřovacího systému (EZS) a vysílací optická soustava (VOS).

Jak již bylo dříve uvedeno, předpokládá se, že spoj pracuje s digitální modulací a nekoherentním způsobem přenosu (s intenzitně modulovaným svazkem a přímou detekcí).  LD je přímo modulovaná budícím proudem tak, jak znázorňuje obr. 10-4.

Obr. 10-4: Buzení LD. (P_LD - optický výkon LD, I_b - budící proud, - prahová hodnota budícího proudu, m(t) - modulační signál, t - čas.)

Skladba VS je znázorněna na obr. 10-5. Prostorové tvarování optického svazku vystupujícího z LD zabezpečuje vysílací optická soustava (povrstvený plankonvexní dublet). Svazek prochází optickým průzorem (PV), sloužícím jako ochrana proti nečistotám přítomným v atmosféře. Optický průzor nesmí vyvolat deformaci svazku nebo jeho nadměrný útlum. Směrování optické osy VS zabezpečuje směrovací systém ovládaný mechanicky nebo elektronicky. K hrubému nastavení směru slouží dalekohled pevně spojený s VS.

Obr. 10-5: Skladba vysílacího systému. (P_VS - optický výkon vysílače, Z - zdroj.)

Uspořádání optoelektronické části VS je znázorněné na obr. 10-6. Snímací fotodioda (SFD) je zde použita k proudové stabilizaci optického výkonu. Účinnost stabilizace optického výkonu lze zvýšit teplotní stabilizací s využitím Peltierova chladiče.

Obr. 10-6: Uspořádání optoelektronické části vysílacího systému. (PCH - Peltierův chladič, S - teplotní senzor, ŘO - řídící obvod teplotní stabilizace.)

Aktivní látka LD je upravená tak, aby současně sloužila jako optický rezonátor. Optický svazek vychází z plošky obdélníkového tvaru o rozměrech přibližně (0,4 x 1,6) mm². Úhlová šířka svazku v rovině orientované rovnoběžně s delší stranou aktivní plošky LD je přibližně 5°; úhlová šířka svazku v rovině orientované rovnoběžně s kratší stranou aktivní plošky je přibližně 20°. Stopa svazku v rovině kolmé na osu svazku má eliptický tvar. Pro potřeby AOS není nutné provádět symetrizaci svazku a svazek je tvarován (kolimován) osově symetrickou optickou soustavou. Při energetické bilanci se přiřazuje původnímu svazku tzv. „energeticky ekvivalentní svazek“ definovaný jako symetrický Gaussův svazek, který má na ose svazku stejnou intenzitu jako původní svazek a v jehož kruhové stopě je obsažen stejný výkon jako v eliptické stopě původního svazku.

Profil symetrického Gaussova svazku je znázorněn na obr. 10-7. Pro pološířku svazku w(z), poloměr křivosti R(z), úhel divergence q a Rayleighovu vzdálenost z₀ platí

, (8-24)

, (8-25)

, (8-26)

, (8-27)

kde w₀ je pološířka svazku v krčku závislá na vlnové délce záření a tvaru rezonátoru. Intenzita záření Gaussova svazku I(r,z) je funkcí axiální vzdálenosti z a radiální vzdálenosti r

. (8-28)

Celkový výkon přenášený svazkem je P_sv = 0,5I(0,0)[p] = 0,5I(x,y)[p]. Uvnitř kružnice o poloměru r = w(z) je přenášeno asi 86% celkového výkonu.

Obr. 10-7: Profil Gaussova svazku. [I₀ - intenzita záření na ose z (axiální vzdálenost);
r - radiální vzdálenost; - vlnoplochy.]

10.3. Přijímací systém

Přijímací systém je část hlavice, která prostřednictvím přijímací optické soustavy (POS) soustřeďuje přijatý optický svazek na aktivní plochu fotodiody. POS současně prostorově a frekvenčně odfiltruje záření pozadí. FD intenzitně demoduluje signál, který se v PZ zesílí, tvaruje a filtruje. Hlavními bloky přijímacího systému (PS) jsou: přijímací optická soustava (POS), fotodioda (FD), předzesilovač (PZ) a demodulátor (D). Předpokládejme, že v přijímacím systému bude použita fotodioda PIN, která přímo převádí dopadající fotonový tok na fotoproud, jak znázorňuje obr. 10-8.

Obr. 10-8: Fotodioda PIN s předzesilovačem.

Skladba přijímacího systému je znázorněna na obr. 10-9. Svazek prochází optickým průzorem (PP), sloužícím jako ochrana proti nečistotám přítomným v atmosféře. Soustředění optického svazku přicházejícího z VS protější hlavice zabezpečuje přijímací optická soustava (povrstvený plankonvexní dublet nebo Fresnelova čočka). Optický průzor nesmí vyvolat nadměrný útlum výkonu. Směrování optické osy PS zabezpečuje zaměřovací systém ovládaný mechanicky nebo elektronicky. Součástí zaměřovacího zařízení je dalekohled pevně spojený s PS.

Obr. 10-9: Skladba přijímacího systému. (P_PS - optický výkon snímaný přijímačem, OF - optický interferenční filtr, PF - prostorový filtr.)

Optický svazek (jeho snímaná část) je soustředěný na aktivní plochu fotodiody, kde vytváří přibližně kruhovou stopu o velikosti závisející na kvalitě (na otvorové vadě) přijímací čočky. Ke snížení vlivu záření pozadí je v PS použit interferenční filtr navržený s ohledem na vlnovou délku záření. Na obr. 10-10 jsou uvedeny spektrální charakteristiky citlivosti ideální křemíkové fotodiody a typických křemíkových fotodiod PIN.

Obr. 10-10: Spektrální charakteristiky citlivosti fotodiod PIN.