La comunicazione laser è un altro modo di comunicazione wireless. Comunicazione laser atmosferica

E. N. Chepusov, S. G. Sharonin

Oggi è impossibile immaginare la nostra vita senza computer e reti basate su di essi. L'umanità è alle soglie di un nuovo mondo in cui verrà creato un unico spazio informativo. In questo mondo, la comunicazione non sarà più limitata da confini fisici, tempo o distanza.

Ora in tutto il mondo esiste un numero enorme di reti che svolgono varie funzioni e risolvono molti problemi diversi. Prima o poi, ma arriva sempre un momento in cui la larghezza di banda della rete è esaurita e devono essere posate nuove linee di comunicazione. All'interno dell'edificio, questo è relativamente facile da fare, ma già quando due edifici vicini sono collegati, iniziano le difficoltà. Sono necessari permessi speciali, approvazioni, licenze per eseguire lavori, nonché l'adempimento di una serie di requisiti tecnici complessi e la soddisfazione di ingenti richieste finanziarie da parte di organizzazioni che gestiscono terreni o fognature. Di norma, risulta immediatamente che il percorso più breve tra due edifici non è una linea retta. E non è affatto necessario che la lunghezza di questo percorso sia paragonabile alla distanza tra questi edifici.

Naturalmente tutti conoscono una soluzione wireless basata su diverse apparecchiature radio (modem radio, linee di relè radio a basso canale, trasmettitori digitali a microonde). Ma la complessità non sta diminuendo. L'aria è troppo satura e ottenere il permesso di utilizzare le apparecchiature radio è molto difficile, e talvolta persino impossibile. E la produttività di questa attrezzatura dipende in modo significativo dal suo costo.

Proponiamo di utilizzare un nuovo tipo di comunicazione wireless economicamente vantaggioso, che è emerso abbastanza di recente: la comunicazione laser. Questa tecnologia è stata maggiormente sviluppata negli Stati Uniti, dove è stata sviluppata. Le comunicazioni laser forniscono una soluzione conveniente al problema delle comunicazioni affidabili e ad alta velocità a corto raggio (1,2 km) che possono sorgere durante l'interconnessione dei sistemi di telecomunicazione tra gli edifici. Il suo utilizzo consentirà l'integrazione delle reti locali con quelle globali, l'integrazione di reti locali lontane l'una dall'altra e anche per soddisfare le esigenze della telefonia digitale. La comunicazione laser supporta tutte le interfacce necessarie per questi scopi, da RS-232 ad ATM.

Come avviene la comunicazione laser?

La comunicazione laser, a differenza della comunicazione GSM, consente di effettuare connessioni punto-punto con una velocità di trasferimento delle informazioni fino a 155 Mbit/s. Nelle reti informatiche e telefoniche, la comunicazione laser garantisce lo scambio di informazioni in modalità full duplex. Per le applicazioni che non richiedono elevate velocità di trasmissione (ad esempio per la trasmissione di segnali video e di controllo in impianti tecnologici e TVCC), esiste una speciale soluzione economica con scambio half-duplex. Quando è necessario combinare non solo reti informatiche, ma anche telefoniche, è possibile utilizzare modelli di dispositivi laser con multiplexer integrato per trasmettere contemporaneamente traffico LAN e flussi di telefonia multicast digitale (E1 / PCM30).

I dispositivi laser possono trasmettere qualsiasi flusso di rete che viene loro consegnato utilizzando un cavo in fibra o in rame nelle direzioni avanti e indietro. Il trasmettitore converte i segnali elettrici in radiazione laser modulata nella gamma degli infrarossi con una lunghezza d'onda di 820 nm e una potenza fino a 40 mW. La comunicazione laser utilizza l'atmosfera come mezzo di propagazione. Quindi il raggio laser entra nel ricevitore, che ha la massima sensibilità nell'intervallo della lunghezza d'onda della radiazione. Il ricevitore converte la radiazione laser in segnali dell'interfaccia elettrica o ottica utilizzata. Ecco come avviene la comunicazione tramite sistemi laser.

Famiglie, modelli e loro caratteristiche

In questa sezione, vogliamo presentarvi le tre famiglie di sistemi laser più diffusi negli Stati Uniti: LOO, OmniBeam 2000 e OmniBeam 4000 (Tabella 1). La famiglia LOO è la famiglia di base e consente trasmissioni di dati e voce fino a 1000 m La famiglia OmniBeam 2000 ha capacità simili, ma opera a una distanza maggiore (fino a 1200 m) e può trasmettere immagini video e una combinazione di dati e voce . La famiglia OmniBeam 4000 può effettuare la trasmissione dati ad alta velocità: da 34 a 52 Mbps fino a 1200 m e da 100 a 155 Mbps fino a 1000 m. Esistono altre famiglie di sistemi laser sul mercato, ma coprono un distanza o supportare un minor numero di protocolli.

Tabella 1.

Ciascuna delle famiglie include una serie di modelli che supportano vari protocolli di comunicazione (Tabella 2). La famiglia LOO comprende modelli economici che forniscono distanze di trasmissione fino a 200 m (la lettera "S" alla fine del nome).

Tavolo 2.

L'indubbio vantaggio dei dispositivi di comunicazione laser è la loro compatibilità con la maggior parte delle apparecchiature di telecomunicazione per vari scopi (hub, router, ripetitori, bridge, multiplexer e centrali telefoniche automatiche).

Installazione di sistemi laser

Un passaggio importante nella creazione di un sistema è la sua installazione. L'accensione effettiva richiede tempi irrisori rispetto all'installazione e alla configurazione delle apparecchiature laser, che richiedono diverse ore, a condizione che siano eseguite da specialisti ben addestrati ed attrezzati. Allo stesso tempo, la qualità del sistema stesso dipenderà dalla qualità di queste operazioni. Pertanto, prima di presentare le tipiche opzioni di inclusione, vorremmo prestare una certa attenzione a questi problemi.

Se collocati all'esterno, i ricetrasmettitori possono essere installati sulla superficie di tetti o pareti. Il laser è montato su un apposito supporto rigido, solitamente in metallo, che viene fissato alla parete dell'edificio. Il supporto prevede inoltre la possibilità di regolare l'angolo di inclinazione e l'azimut del fascio.

In questo caso, per facilitare l'installazione e la manutenzione dell'impianto, il suo collegamento avviene tramite scatole di derivazione (RK). Come cavi di collegamento, la fibra ottica viene solitamente utilizzata per i circuiti di trasmissione dati e il cavo in rame per i circuiti di alimentazione e di controllo. Se l'apparecchiatura non dispone di un'interfaccia dati ottica, è possibile utilizzare un modello con un'interfaccia elettrica o un modem ottico esterno.

L'alimentatore (PSU) del ricetrasmettitore è sempre installato all'interno e può essere montato a parete o in un rack utilizzato per apparecchiature LAN o cablaggio strutturato. Nelle vicinanze può essere installato anche un monitor di stato, che serve per il controllo remoto del funzionamento dei ricetrasmettitori delle famiglie OB2000 e OV4000. Il suo utilizzo consente di diagnosticare il canale laser, indicando il valore del segnale, nonché di eseguire il loop del segnale per verificarlo.

Quando si installano ricetrasmettitori laser internamente, è necessario ricordare che la potenza della radiazione laser diminuisce quando passa attraverso il vetro (almeno il 4% su ciascun vetro). Un altro problema sono le gocce d'acqua che scorrono lungo l'esterno del vetro quando piove. Svolgono il ruolo di lenti e possono portare alla dispersione del raggio. Per ridurre questo effetto, si consiglia di installare l'apparecchiatura vicino alla parte superiore del vetro.

Per garantire una comunicazione di alta qualità, è necessario tenere conto di alcuni requisiti di base.

Il più importante, senza il quale la comunicazione sarà impossibile, è che gli edifici devono essere in linea di vista, mentre non devono esserci ostacoli opachi nel percorso della trave. Inoltre, poiché il raggio laser nell'area del ricevitore ha un diametro di 2 m, è necessario che i ricetrasmettitori siano al di sopra dei pedoni e del traffico ad un'altezza di almeno 5 m, a causa delle norme di sicurezza. Il trasporto è anche una fonte di gas e polvere, che influiscono sull'affidabilità e sulla qualità della trasmissione. Il raggio non deve propagarsi nelle immediate vicinanze di linee elettriche o attraversarle. È necessario tenere conto della possibile crescita degli alberi, del movimento delle loro chiome durante le raffiche di vento, nonché dell'influenza delle precipitazioni e dei possibili malfunzionamenti dovuti al volo degli uccelli.

La corretta scelta del ricetrasmettitore garantisce un funzionamento stabile del canale nell'intera gamma delle condizioni climatiche in Russia. Ad esempio, con un raggio di grande diametro, si riduce la probabilità di guasti associati alle precipitazioni.

Le apparecchiature laser non sono una fonte di radiazioni elettromagnetiche (EMR). Tuttavia, se viene posizionato vicino a dispositivi con EMI, l'apparecchiatura elettronica del laser raccoglierà questa radiazione, che può causare un cambiamento nel segnale sia nel ricevitore che nel trasmettitore. Ciò influirà sulla qualità della comunicazione, quindi non è consigliabile posizionare apparecchiature laser vicino a sorgenti EMI come potenti stazioni radio, antenne, ecc.

Quando si installa un laser, è opportuno evitare l'orientamento dei ricetrasmettitori laser in direzione est-ovest, poiché diversi giorni all'anno i raggi del sole possono bloccare la radiazione laser per diversi minuti e la trasmissione diventerà impossibile, anche con filtri ottici speciali nel ricevitore. Sapendo come si muove il sole nel cielo in una determinata area, puoi facilmente risolvere questo problema.

Le vibrazioni possono causare lo spostamento del ricetrasmettitore laser. Per evitare ciò, si sconsiglia di installare sistemi laser in prossimità di motori, compressori, ecc.

Figura 1. Posizionamento e collegamento di ricetrasmettitori laser.

Diversi modi tipici per accendere

La comunicazione laser aiuterà a risolvere il problema della comunicazione a corto raggio in una connessione punto a punto. A titolo di esempio, considera diverse opzioni o metodi tipici di inclusione. Quindi, hai un ufficio centrale (CO) e una filiale (F), ognuno dei quali ha una rete di computer.

La figura 2 mostra una variante dell'organizzazione di un canale di comunicazione per il caso in cui sia necessario combinare la F e la CO, utilizzando Ethernet come protocollo di rete, e cavo coassiale (spesso o sottile) come supporto fisico. Il CO ospita il server LAN e il PC ospita i computer che devono essere collegati a questo server. Con l'aiuto di sistemi laser, ad esempio i modelli LOO-28/LOO-28S o OB2000E, puoi risolvere facilmente questo problema. Il bridge è installato nella CO e il ripetitore nella F. Se il bridge o il ripetitore ha un'interfaccia ottica, non è necessario un minimodem ottico. I ricetrasmettitori laser sono collegati tramite doppia fibra ottica. Il modello LOO-28S ti consentirà di comunicare a una distanza fino a 213 m e LOO-28 - fino a 1000 m con un angolo di ricezione "sicuro" di 3 mrad. Il modello OB2000E copre distanze fino a 1200 m con un angolo di ricezione "buono" di 5 mrad. Tutti questi modelli funzionano in modalità full duplex e forniscono una velocità di trasferimento di 10 Mbps.

Figura 2. Collegamento di un segmento LAN Ethernet remoto basato su cavo coassiale.

Un'opzione simile per combinare due reti Ethernet utilizzando un doppino intrecciato (10BaseT) come supporto fisico è mostrata nella Figura 3. La sua differenza sta nel fatto che al posto di un bridge e di un ripetitore vengono utilizzati hub con il numero richiesto di 10BaseT connettori e un AUI o FOIRL per il collegamento di ricetrasmettitori laser. In questo caso, è necessario installare un ricetrasmettitore laser LOO-38 o LOO-38S, che fornisce la velocità di trasmissione richiesta in modalità full duplex. Il modello LOO-38 può comunicare fino a 1000 m e il LOO-38S fino a 213 m.

Figura 3. Collegamento di un segmento LAN Ethernet a doppino intrecciato remoto.

La figura 4 mostra una variante della trasmissione dati combinata tra due LAN (Ethernet) e del flusso digitale multicast E1 (PCM30) tra due PBX (in CO e F). Per risolvere questo problema è adatto il modello OB2846, che prevede la trasmissione di dati e voce ad una velocità di 12 (10 + 2) Mbps su una distanza fino a 1200 M. Cavo coassiale da 75 ohm tramite connettore BNC. Va notato che il multiplexing dei flussi di dati e vocali non richiede apparecchiature aggiuntive e viene eseguito da ricetrasmettitori senza ridurre il throughput di ciascuno di essi separatamente.

Figura 4. Unificazione delle reti informatiche e telefoniche.

Nella Figura 5 è mostrata una forma di realizzazione della trasmissione di dati ad alta velocità tra due LAN (LAN "A" in CO e LAN "B" in F) utilizzando interruttori ATM e ricetrasmettitori laser. Il modello OB4000 risolverà il problema dell'alta velocità velocizzare la comunicazione a corto raggio in modo ottimale. Sarai in grado di trasmettere flussi E3, OS1, SONET1 e ATM52 alle velocità richieste su una distanza fino a 1200 m e 100 Base-VG o VG ANYLAN (802.12), 100 Base-FX o Fast Ethernet (802.3), FDDI, TAXI 100/ 140, OC3, SONET3 e ATM155 alle velocità richieste fino a 1000 m I dati trasmessi vengono inviati al ricetrasmettitore laser utilizzando una doppia fibra ottica standard collegata tramite un connettore SMA.

Figura 5. Aggregazione delle reti di telecomunicazioni ad alta velocità.

Gli esempi forniti non esauriscono tutte le possibili applicazioni delle apparecchiature laser.

Cosa c'è di più redditizio?

Proviamo a determinare il luogo della comunicazione laser tra le altre soluzioni cablate e wireless, valutandone brevemente vantaggi e svantaggi (Tabella 3).

Tabella 3

Questa settimana sono diventati noti i risultati di una sorta di comunicazione laser lunare. Il test si è svolto nell'arco di 30 giorni in condizioni difficili a causa della polvere lunare. Ha funzionato un conduttore speciale, che attualmente si trova nell'orbita della luna. Questo test ha dimostrato che il sistema di comunicazione è pienamente operativo nonostante la distanza. Inoltre comunica con successo, come qualsiasi segnale radio della NASA.

Questa tecnologia dimostra l'uso pratico dei laser a banda larga per la connessione e la comunicazione. Questa connessione, o meglio il suo caricamento, viene eseguita molto più velocemente di una connessione radio simile. Questo metodo consente di ricevere un segnale sulla Terra a una velocità di 622 Mbps e di inviare da 20 Mbps. Questa velocità è stata registrata il 20 ottobre. È stato trasmesso dalla Luna alla Terra utilizzando un raggio laser pulsato. Questo segnale è stato ricevuto da una stazione nel New Mexico, che fa parte di un'operazione congiunta tra Stati Uniti e Spagna.

I laser hanno un grande vantaggio rispetto ai segnali radio. Sono quelli con il throughput più alto. Importante è la trasmissione dei dati da parte di uno specifico fascio coerente. Ciò contribuisce a ridurre il consumo di energia durante la trasmissione di un segnale su lunghe distanze.

I ricercatori della NASA affermano che il programma di test è stato un grande successo. Non si aspettavano tali risultati. Il messaggio laser è stato ricevuto e ritrasmesso in orbita anche nelle condizioni più difficili. Ciò conferma la teoria secondo cui, indipendentemente dall'interferenza, il segnale arriverà sulla Terra. Né la polvere cosmica, né la distanza, sono un ostacolo al segnale laser. Anche nei momenti in cui lo strato atmosferico aumentava, la trasmissione del segnale veniva effettuata senza problemi, il che indica l'efficacia di questo dispositivo. Non c'era traccia di sfiducia tra gli scettici della NASA, quando anche le nuvole non sono diventate un ostacolo alla trasmissione del segnale.

Sorprendentemente, non c'era un solo errore nel segnale. La procedura è simile a quella di parlare al cellulare. Inoltre, funziona senza intervento umano. Il sistema è anche in grado di bloccarsi quando non c'è segnale dalle stazioni di terra per lungo tempo.

Questa settimana la NASA ha pubblicato i risultati dello Space Laser Communications Technology Demonstrator (LLCD) installato sul Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (o LADEE), lanciato a settembre di quest'anno e attualmente in orbita attorno al nostro satellite naturale. Secondo l'agenzia spaziale, il sistema LLCD ha mostrato un'efficienza di trasmissione dati molto elevata su una distanza di circa 400.000 chilometri ed è già in grado di funzionare come, e forse anche meglio, dei tradizionali trasmettitori radio.

Per chi non lo sapesse, la missione di LLCD è quella di dimostrare l'uso pratico dei laser. per passare messaggi tra oggetti molto distanti e molto più veloci di quanto possono offrire i trasmettitori radio standard. Dimostrando la capacità di trasmettere dati sulla Terra a 622 Mb/s e riceverli a 20 Mb/s, LLCD ha stabilito un record di velocità dati in orbita lunare il 20 ottobre. I dati trasmessi dal raggio laser sono stati ricevuti dalla principale stazione di terra LLCD situata nel New Mexico. Ci sono tre di queste stazioni nel mondo. I restanti due si trovano in Spagna e negli Stati Uniti.

Il più importante vantaggi dei laser rispetto ai trasmettitori radio risiede nel fatto che offrono una larghezza di banda molto più elevata e, inoltre, la capacità di trasmettere informazioni con raggi laser a breve termine, che in futuro ridurranno il costo complessivo del consumo energetico durante la trasmissione di informazioni su lunghe distanze.

La NASA osserva che il sistema LLCD funziona ancora meglio durante la modalità di test di 30 giorni rispetto a quanto previsto da esso. Il laser trasmetteva messaggi alle stazioni di terra senza problemi alla luce del giorno e anche quando l'angolo di deviazione della Luna rispetto al Sole era di quattro gradi. Il sistema ha funzionato senza errori anche quando la Luna era molto bassa rispetto all'orizzonte, costringendo così il laser a passare attraverso strati più densi dell'atmosfera e con alcuni effetti di turbolenza. Gli astronomi sono stati anche sorpresi nell'apprendere che i cirri leggeri non erano un problema per il laser.

Oltre al controllo degli errori, LLCD ha mostrato la capacità di passare da una stazione di terra a un'altra, dimostrando la capacità di agganciarsi a una stazione particolare senza la necessità di un segnale radio.

"Abbiamo programmato il LADEE per attivare e dirigere automaticamente il sistema LLCD al punto corretto per trasmettere il segnale laser alla Terra, senza alcun bisogno di segnali radio precedentemente inviati alla sonda con il team", afferma Don Cornwell, project manager LLCD del Centro di volo spaziale Goddard.
"Il successo di questa missione ci consente di essere ottimisti sulla possibilità di utilizzare tali sistemi come principali sistemi di comunicazione per le future missioni della NASA".
La NASA rileva non solo il successo della trasmissione del segnale, ma anche l'elevata velocità di trasferimento delle informazioni dalla sonda alla Terra. Tutti i dati raccolti durante questo periodo (e questo, per un minuto, gigabyte di informazioni) sono stati trasferiti sulla Terra in meno di cinque minuti. Di solito sono necessari diversi giorni per trasferire questa quantità di dati.

L'agenzia afferma che la missione LLCD è stata completata e la prossima fase di test sarà un controllo del sistema del satellite Laser Communications Relay Demonstration (LRCD), il cui lancio è previsto nel 2017. Al centro, il sistema sarà una versione aggiornata di LLCD, in grado di trasmettere dati a velocità fino a 2880 Gb / s dall'orbita geostazionaria e farà parte di un programma di test quinquennale per i sistemi di comunicazione di prossima generazione.

I vantaggi di un canale laser rispetto a un canale radio sono che, in primo luogo, non crea interferenze radio; in secondo luogo, è più confidenziale; in terzo luogo, può essere utilizzato in condizioni di esposizione ad un livello elevato di radiazione elettromagnetica.

Lo schema schematico del trasmettitore è mostrato in Fig.1. Il trasmettitore è composto da un encoder di comando basato su un microcontrollore ATtiny2313 (DD1), un'unità di uscita basata su transistor BC847V (VT1, VT2) e un'interfaccia RS-232, a sua volta costituita da un connettore DB9-F (su cavo ) (XP1) e un convertitore di livello sul MAX3232 (DD3).

Il circuito di reset del microcontrollore è costituito dagli elementi DD2 (CD4011B), R2, C7. L'unità di uscita è una chiave elettronica realizzata su un transistor VT1, nel circuito del collettore di cui è collegato un puntatore laser tramite un limitatore di corrente su un transistor VT2. Il trasmettitore è alimentato da una tensione stabilizzata costante di 9 - 12 V. I microcircuiti DD1, DD2, DD3 sono alimentati da una tensione di 5 V, determinata dallo stabilizzatore 78L05 (DA1).

Il controller DD1 è programmato in ambiente BASCOM, che gli consente di inviare comandi da un personal computer (PC) tramite l'interfaccia RS-232, dal terminale Bascom, utilizzando la funzione “eco”.

Il microcontrollore ha una frequenza di clock di 4 MHz da un oscillatore interno. Pacchetti di impulsi con una frequenza di circa 1,3 kHz dall'uscita dell'OS0A (PB2) vengono inviati all'unità di uscita. Il numero di impulsi in un pacco è determinato dal numero del comando ricevuto dal PC.
Per inserire un comando è necessario premere un tasto qualsiasi della tastiera del PC, quindi quando compaiono le parole “Scrivi comando” e “Inserisci n. 1 ... 8”, inserire un numero da 1 a 8 e premere il tasto “Invio” .

Il programma per il microcontrollore del trasmettitore "TXlaser" è costituito dal loop principale (DO ... LOOP) e da due subroutine di gestione degli interrupt: in ricezione (Urxc) e in overflow del timer 0 (Timer0).

Per ottenere una frequenza di uscita di 1,3 kHz, il timer è configurato con un fattore di divisione in frequenza (Prescale) = 1024. Inoltre, il conteggio parte dal valore basso di Z = 253 (a livello alto su PB2) e sale a 255. Si verifica un'interruzione di overflow del timer durante l'elaborazione di cui viene commutata l'uscita PB2 e il timer viene nuovamente impostato sul valore Z = 253. Pertanto, sull'uscita PB2 appare un segnale con una frequenza di 1,3 kHz (vedere Fig. 2 ). Nella stessa subroutine, il numero di impulsi su PB2 viene confrontato con quello specificato e, se sono uguali, il timer si ferma.

Nel gestore di interrupt di ricezione, viene impostato il numero di impulsi da trasmettere (1 - 8). Se questo numero è maggiore di 8, al terminale viene emesso il messaggio "ERRORE".

Durante il funzionamento del sottoprogramma è presente un livello basso all'uscita PD6 (il LED HL1 è spento) e il timer viene arrestato.
Nel circuito principale, il pin PD6 è alto e il LED HL1 è acceso.
Il testo del programma "TXlaser":

$filereg = "attiny2313a.dat"
$cristallo = 1000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$dimensione fotogramma = 32

Config Pind.0 = Ingresso "UART - RxD
Config Portd.1 = Uscita "UART - TxD
Config Portd.6 = Uscita "LED HL1
Config Portb.2 = Uscita "uscita OC0A

"rapporto di divisione config0 timer=1024:
Config Timer0 = Timer , Prescale = 1024
Stop Timer0 "ferma il timer

Dim N As Byte "definizione delle variabili"
Dim N0 come byte

Const Z \u003d 253 "limite inferiore del conteggio del timer per la frequenza di uscita \u003d 1,3 kHz
Timer0=Z

Su Urxc Rxd "ricevi la routine di interruzione
On Timer0 Impulso "Routflow Interruzione Routine

Abilita Urxc
Abilita timer0

Esegui "ciclo principale
Impostare Portd.6 "accendere il LED HL1
ciclo continuo

Rxd: "ricevere la routine di gestione degli interrupt
Arresta timer0
M1:
Stampa "Scrivi comando"
Input "Enter No. 1...8:" , N0 "command input
Se N0 > 8 Allora "limite del numero di comandi
Stampa "Errore"
Vai a M1
Finisci se
N0 = N0 * 2
N0 \u003d N0 - 1 "valore impostato per il numero di impulsi in un burst
Attiva/disattiva Portb.2
Avvia timer0 "avvia il timer
Restituzione

Impulso: "routine di interruzione dell'overflow
Arresta timer0
Attiva/disattiva Portb.2
Reset Portd.6 "Spegnere il LED
Timer0=Z
N \u003d N + 1 "incremento del numero di impulsi
Se N = N0 Allora "se il numero di impulsi = dato
N=0
N0 = 0
Waitms 500" ritardo 0,5s
Altro
Avvia Timer0 "altrimenti, continua a contare
Finisci se
Restituzione
Termina "fine programma

Il trasmettitore è realizzato su un circuito stampato di dimensioni 46x62 mm (vedi Fig. 3). Tutti gli elementi, ad eccezione del microcontrollore, sono di tipo SMD. Il microcontrollore ATtiny2313 viene utilizzato in un pacchetto DIP. Si consiglia di inserirlo nel pannello per microcircuiti DIP TRS (SCS) - 20 per poterlo riprogrammare "indolore".

La scheda a circuito stampato del trasmettitore TXD.PCB si trova nella cartella "FILE PCAD".
Il diagramma schematico del ricevitore del canale laser è mostrato in Fig.4. All'ingresso del primo amplificatore DA3.1 (LM358N), un filtro per le basse frequenze formato dagli elementi CE3, R8, R9 e avente una frequenza di taglio di 1KHz, attenua il rumore di fondo di 50 -100 kHz degli apparecchi di illuminazione. Gli amplificatori DA3.2 e DA4.2 amplificano e aumentano la durata degli impulsi del segnale utile ricevuto. Il comparatore su DA4.1 genera un segnale di uscita (uno), che viene alimentato attraverso gli inverter del chip CD4011D (DD2) - DD2.1, DD2. Il segnale arriva in modo sincrono ai contatti del microcontrollore ATtiny2313 (DD1) - T0 (PB4) e PB3. Pertanto, Timer0, che opera nella modalità di conteggio degli impulsi esterni, e Timer1, che misura il tempo di questo conteggio, vengono avviati in modo sincrono. Il controller DD1, che svolge la funzione di decoder, visualizza i comandi ricevuti 1 ... 8 impostando log.1 sui pin PORTB, rispettivamente, РВ0 ... РВ7, mentre l'arrivo del comando successivo azzera il precedente . Quando il comando "8" arriva a PB7, compare log.1 che, tramite una chiave elettronica sul transistor VT1, accende il relè K1.

Il ricevitore è alimentato da una tensione costante di 9-12V. Le parti analogiche e digitali sono alimentate da tensioni di 5V, determinate dagli stabilizzatori 78L05 DA5 e DA2.

Nel programma RXlaser, Timer0 è configurato come contatore di impulsi esterni, e Timer1 è configurato come timer che conta il periodo di passaggio del numero massimo di impulsi possibile (comando 8).

Nell'anello principale (DO…LOOP) il Timer1 si accende alla ricezione del primo impulso di comando (K=0), viene ripristinata la condizione di abilitazione del timer Z=1.
Nella routine del servizio di interrupt, quando il conteggio di Timer1 corrisponde al valore del conteggio massimo possibile, il numero di istruzione viene letto e impostato su PORTB. Viene inoltre posta la condizione per consentire l'inclusione di Timer1-Z=0.
Il testo del programma "RXlaser":

$filereg = "attiny2313a.dat"
$cristallo = 4000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$dimensione fotogramma = 32

Ddrb = 255 "PORTB - tutte le uscite
porta = 0
Ddrd = 0 "Input PORTD
Portd = 255" pullup PORTD
Config Timer0 = Counter , Prescale = 1 , Edge = Falling "come contatore di impulsi
Config Timer1 = Timer , Prescale = 1024 , Cancella timer = 1" come timer
Arresta timer1
Timer1 = 0
Contatore0 = 0

"definizione di variabili:
Dim X come byte
Dim Comm come byte
Dim Z come bit
Dim K come bit

X=80
Compare1a = X "numero di impulsi nel registro di corrispondenza
Z = 0

Su Compare1a Pulse "interrompi la routine per coincidenza

Abilita interrupt "abilita gli interrupt
Abilita Confronta1a

Esegui "ciclo principale
Se Z = 0 Allora "la prima condizione per abilitare il timer
K=Porta.3
Se K = 0 Allora "la seconda condizione per abilitare il timer
Avvia timer1
Z = 1
Finisci se
Finisci se
ciclo continuo

Impulso: "interrompi il sottoprogramma per coincidenza
Arresta timer1
Comm = Counter0 "lettura dal contatore degli impulsi esterni
Comm = Comm - 1 "che determina il numero di bit nella porta
Portb = 0 "porta zero
Set Portb.comm "imposta il bit corrispondente al numero del comando
Z = 0
Contatore0 = 0
Timer1 = 0
Restituzione
Termina "fine programma

I programmi "TXlaser" e "RXlaser" si trovano nella cartella Lazer_prog.

Il ricevitore è posizionato su una tavola di 46x62 mm (vedi Fig. 5). Tutti i componenti sono di tipo SMD, ad eccezione del microcontrollore, che deve essere inserito nel chip panel DIP tipo TRS (SCS) - 20.

La configurazione del ricevitore si riduce all'impostazione del coefficiente di trasmissione end-to-end e della soglia del comparatore. Per risolvere il primo problema è necessario collegare un oscilloscopio al pin 7 di DA4.2 e, selezionando il valore di R18, impostare un coefficiente di trasferimento passante tale al quale l'ampiezza massima delle emissioni sonore osservate sullo schermo non superi 100 mV. Quindi l'oscilloscopio passa al pin 1 di DA4.1 e il livello zero del comparatore viene impostato selezionando un resistore (R21). Accendendo il trasmettitore e dirigendo il raggio laser al fotodiodo, è necessario assicurarsi che gli impulsi rettangolari appaiano all'uscita del comparatore.
La scheda a circuito stampato del ricevitore RXD.PCB si trova anche nella cartella FILE PCAD.

È possibile aumentare l'immunità al rumore del canale laser modulando il segnale con una frequenza di sottoportante di 30 - 36 kHz. La modulazione delle raffiche di impulsi avviene nel trasmettitore, mentre il ricevitore contiene un filtro passa-banda e un rilevatore di ampiezza.

Lo schema di tale trasmettitore (trasmettitore 2) è mostrato in Fig.6. Contrariamente al trasmettitore 1 discusso sopra, il trasmettitore 2 ha un generatore di sottoportante sintonizzato su una frequenza di 30 kHz e assemblato sugli slot DD2.1, DD2.4 .. Il generatore fornisce la modulazione di raffiche di impulsi positivi.

Il ricevitore del canale laser con una frequenza di sottoportante (ricevitore 2) è assemblato su un chip domestico K1056UP1 (DA1). Il circuito del ricevitore è mostrato in Fig.7. Per isolare gli impulsi di comando, un rilevatore di ampiezza con un filtro a bassa frequenza e un normalizzatore di impulsi è collegato all'uscita del microcircuito DA1 10, raccolto su elementi logici DD3.1, DD3.2, gruppo diodi DA3 e C9, R24. Il resto del circuito ricevitore 2 è lo stesso del circuito ricevitore 1.

I sistemi di trasmissione dati cablati hanno un concorrente: un laser. Su un raggio laser possono essere trasmessi fino a 10 Gbit di informazioni al secondo: una tale velocità è impossibile nelle reti di comunicazione radio. La comunicazione laser è completamente innocua per l'uomo e presenta molti altri vantaggi. È vero, il raggio laser non può sfondare la nebbia.

La comunicazione laser ha una sua nicchia: viene utilizzata su brevi distanze in luoghi in cui è difficile posare un cavo. Gli operatori di comunicazione laser non devono ottenere l'autorizzazione per importare apparecchiature e utilizzare frequenze.

Luce nella finestra

A Mosca e San Pietroburgo, tutti i centri uffici sono divisi tra diversi operatori di telecomunicazioni. Se, ad esempio, l'edificio è servito da Sovintel, è estremamente difficile per Comstar installare una linea verso questo complesso di uffici (solo in casi molto rari, un edificio è servito da due operatori di telecomunicazioni). Allo stesso tempo, i proprietari di complessi di uffici, di norma, non consentono l'installazione di sistemi radio sui tetti delle loro case per comunicare con altri operatori. La comunicazione laser aiuta a superare queste difficoltà. In ufficio è possibile installare un dispositivo ottico wireless che indirizzerà il raggio attraverso la finestra al ripetitore più vicino del "suo" operatore di telecomunicazioni e trasmetterà informazioni lungo questo raggio. Ciò consente agli utenti di fare a meno del costoso servizio imposto dal padrone di casa e di stabilire autonomamente una connessione più comoda ed economica. Quando si cambia ufficio, l'attrezzatura può essere smontata e trasportata in una nuova posizione.

Il laser può anche risolvere i problemi delle grandi imprese. Stabilire un collegamento tra l'ufficio e i siti di produzione è problematico. In condizioni di denso sviluppo urbano, è molto difficile posare un cavo attraverso il territorio dello stabilimento e le strade adiacenti. Ma anche se il cavo è posato, ciò non significa che tutti i problemi siano finiti. I servizi pubblici di tanto in tanto aprono l'asfalto per riparare le comunicazioni urbane, spesso abbattendo i cavi posati. I cavi aerei sono spesso vittime di gru e venti di tempesta. Un escavatore non ha paura di un raggio laser. Inoltre, il raggio di luce non può essere rubato e venduto come rottame non ferroso, quindi le comunicazioni laser non sono pericolose per i ladri che cacciano scavando cavi dal terreno.

Sì, e intercettare i sistemi laser è una questione molto complicata. Se un dispositivo ricevente non autorizzato viene posizionato nel percorso del raggio, la connessione verrà immediatamente interrotta. È inoltre impossibile posizionare dispositivi di ascolto vicino al ricevitore e al trasmettitore: saranno visibili ad occhio nudo.

I tentativi di costruire comunicazioni wireless utilizzando un raggio laser furono fatti a Mosca già alla fine degli anni '60. I trasmettitori sono stati installati nell'edificio dell'Università statale di Mosca sulle colline Lenin e in una delle case di piazza Zubovskaya, non lontano dalla stazione della metropolitana di Park Kultury. L'installazione delle dimensioni di una stanza ha trasmesso il segnale con successo, ma solo con tempo sereno. Gli esperti hanno deciso che la dipendenza dallo stato dell'atmosfera è troppo alta. La comunicazione tramite un raggio infrarosso è stata riconosciuta come una direzione senza speranza e la ricerca è stata ridotta a 20 anni. Questa pausa è costata cara alla scienza russa. Alla fine degli anni '80, i ricercatori sovietici tornarono sull'argomento, ma non ebbero il tempo di portare i loro test su campioni commerciali. I concorrenti occidentali lo hanno fatto per loro.

I sistemi di trasmissione dati che utilizzano il raggio infrarosso sono apparsi sul mercato mondiale all'inizio degli anni '90. Uno dei pionieri fu il canadese AT Schindler. Dopo di lei, Jolt e SilCom hanno portato i loro sviluppi. Alla fine degli anni '90, PAV Data Systems è diventata leader tra i produttori di apparecchiature per la comunicazione laser in Occidente, mentre i pionieri di SilCom e AT Schindler hanno dovuto fare un po' di spazio. Inoltre, l'americano-tedesco Lightpointe Communications (ex Eagle Optoelectronics), American Astroterra, LSA Photonics, Lucent Technologies hanno i propri sviluppi nel campo della comunicazione laser.

Pioggia e nebbia

Inizialmente, i sistemi stranieri fornivano la trasmissione di dati a distanze fino a 500 me servivano le reti di dati locali. Alla fine degli anni '90 apparvero i sistemi di nuova generazione, più affidabili e "a lungo raggio", che consentivano di servire reti su scala urbana.

A distanze fino a 1600 m, i sistemi funzionano perfettamente. Tuttavia, quando i dati vengono trasmessi su una distanza maggiore, la qualità della comunicazione diminuisce. Inoltre, i sistemi laser non si sono liberati dalla dipendenza dagli agenti atmosferici. La peggiore barriera alla comunicazione laser è la nebbia.

A loro volta, i sistemi di trasmissione radio "cadono" durante la pioggia. A questo proposito, gli sviluppatori propongono di costruire canali di comunicazione altamente affidabili basati su due linee, una delle quali trasmette informazioni via radio e l'altra tramite un raggio laser. Di conseguenza, uno "cade" sotto la pioggia e l'altro - nella nebbia. "Se è necessario ottenere un canale ad alta affidabilità a una distanza fino a 3 km, questa è un'opzione ideale", afferma Alexander Klokov, direttore tecnico dell'ufficio di rappresentanza dell'americana MicroMax, distributore e integratore di sistemi ottici wireless .

Ci sono anche altre barriere naturali. Ad esempio, dicono che una delle società di telefonia mobile sta ancora pensando a come affrontare un albero che è cresciuto nel percorso di un raggio laser: tagliarlo o riorganizzare il dispositivo ...

I produttori occidentali e russi non competono tra loro

Una fonte : MicroMax Computer Intelligence, Inc.

Sputare nel pozzo

I vantaggi del raggio laser sono stati apprezzati da Transtelecom. Questa società ha avuto difficoltà con Rostelecom e Elektrosvyazya locale: i concorrenti che possiedono l'infrastruttura di comunicazione non consentono a Transtelecom di andare nei pozzi di cavi. Di conseguenza, Transtelecom ha rinunciato ai pozzi e collegherà i clienti aziendali alle sue dorsali tramite un raggio laser.

Inoltre, gli operatori cellulari utilizzano il raggio laser come canale di trasmissione del segnale. Usano il laser in aree dove c'è molta interferenza sulla radio, ad esempio negli aeroporti.

Igor Parfenov, vicedirettore tecnico di Sonic Duo (rete MegaFon)

ha detto a "Ko" che più di 10 sistemi ottici funzionano nella rete di Mosca "MegaFon". L'azienda intende monitorare il proprio lavoro nel corso del 2003 e, sulla base dei risultati delle osservazioni, prendere una decisione sull'opportunità di un uso massiccio di queste apparecchiature. Finora, Sonic Duo non ha lamentele sul funzionamento delle apparecchiature.

A sua volta, Georgy Pavlenko, il capo del gruppo di installazione di apparecchiature per relè radio di VimpelCom, ha affermato che la sua azienda utilizza i sistemi laser esclusivamente per lavori temporanei fino a quando non viene ricevuto un permesso per l'installazione di apparecchiature per relè radio. "Su base permanente, questi sistemi sono utilizzati al meglio a una distanza massima di 500 m. Oltre alla nebbia, la luce solare è un ostacolo per loro, quindi è necessario installare filtri speciali", afferma Pavlenko.

In MTS, al corrispondente di "Ko" è stato detto che ora i dispositivi laser forniscono comunicazioni in sezioni la cui lunghezza totale non supera l'1% della lunghezza totale della rete. Molto probabilmente, la comunicazione laser non supererà questa soglia. “Le reti ottiche vanno bene per la costruzione di microgrid, l'uso di un laser non richiede l'autorizzazione dell'Autorità di vigilanza sulle comunicazioni statali. Ma, sfortunatamente, la pratica della nostra azienda ha dimostrato che il laser fornisce ancora una comunicazione affidabile a una distanza non superiore a 500 metri.

In Russia, le apparecchiature per la comunicazione wireless basate su un raggio infrarosso sono prodotte dall'Istituto di ricerca per la strumentazione di precisione, la società Catharsis di St. anche Voronezh Institute of Communications.

Nessuno dei produttori, ad eccezione di Catarsis, è andato oltre la produzione pilota. Ci sono buoni ingegneri in Russia che creano l'attrezzatura giusta, ma non sanno affatto come venderla. “Ad esempio, il connettore più semplice dovrebbe essere standard. E i dispositivi domestici hanno connettori multipin. Questo, ovviamente, è un buon connettore, ma è più adatto per i missili", afferma Alexander Klokov. "L'installazione di sistemi russi richiede la saldatura dei cavi in ​​loco, ma quale operatore sano di mente manderebbe i suoi lavoratori a saldare qualcosa sul tetto?"

I sistemi nazionale ed estero non sono ancora in concorrenza tra loro, poiché rientrano in diverse "categorie di peso" (vedi tabella). Secondo Alexander Klokov, nel 2002 in Russia saranno venduti circa 400 sistemi di comunicazione laser.