«Беспилотники стали очень популярной темой. Для чего их только не пытаются использовать — они и пиццу развозят, и поле боя разведывают… При этом все вынуждены преодолевать главное препятствие — слишком краткое время полета. Мультикоптеры остаются в воздухе по 10−20 минут, на самых современных аккумуляторах — 25−30. Этого часто не хватает», — говорит инженер из РКК «Энергия» Виталий Капранов.
В самом деле, многим аппаратам требуется оставаться в воздухе часами, ведя мониторинг газопроводов или состояния железных дорог, аэрофотосъемку районов бедствий, охрану территорий, ретрансляцию радиосигнала. Для таких задач можно использовать беспилотники «самолетного типа» с двигателями внутреннего сгорания, но они не слишком маневренны и неспособны зависать в одной точке. Во многих случаях электрические квадрокоптеры удобнее, и их пользователи идут на разные ухищрения, чтобы продлить срок работы: возят дополнительные аккумуляторы или даже запасные дроны, чтобы быстро проводить замену, пока отработавший свое время аппарат остается на подзарядке.
Инжененер РКК «Энергия» // Образование: МИФИ // Цели: провести эксперимент с передачей энергии на беспилотник, защитить диссертацию.
Отдельные модели беспилотников работают «на привязи», получая электроэнергию с земли. Однако провода тяжелые, их сдувает ветром вместе с самим беспилотником, и предел высоты для таких аппаратов редко превышает 200 м, высота 1 км уже недостижима. Предпринимаются попытки питать беспилотники по оптоволокну, отправляя наверх импульсы инфракрасного лазера. Оно вдесятеро легче металлического провода — но, увы, не предназначено для передачи больших мощностей и легко перегревается, что сильно усложняет дело.
Энергетическая «привязь» беспилотников неизбежна — но она может стать совсем невесомой и почти бесконечной, питая аппараты напрямую, чистым лазерным лучом. Такой проект разрабатывают Виталий Капранов, Иван Мацак и группа молодых инженеров из Комитета инновационных проектов (КИПМ) РКК «Энергия». «Наша технология может обеспечить круглосуточную работу беспилотников без необходимости подзарядки», — говорит Иван.
В отрыв
Вплоть до недавнего времени передача энергии с помощью лазеров не имела большого смысла: их КПД составлял всего 10−20%. С учетом потерь на передачу и преобразование световой энергии в электричество получателя достигало в лучшем случае нескольких процентов исходной мощности. Только в 2000-х годах ситуация начала меняться: появились инфракрасные лазеры с КПД до 40−50% и высокоэффективные фотоэлектрические модули на основе арсенида галлия, способные преобразовывать в электричество до 40%, а иногда — и до 70% энергии излучения.
«Всерьез мешал только кузнечный цех: когда он начинал работать, луч переставал проходить из-за сильного задымления».
Это породило большую моду на создание автономных беспилотников, способных полностью обеспечивать собственные энергетические нужды от бортовых панелей солнечных батарей. Однако Солнце излучает в широком диапазоне волн, и панели приходится делать «универсальными», способными улавливать фотоны разной энергии. Лазерный луч позволяет работать намного ювелирнее: он имеет строго определенную частоту и позволяет заранее подобрать материал фотоэлемента так, чтобы фотоны именно этой длины волны выбивали из него максимальное количество электронов. Это повышает эффективность энергосистемы, снижает ее размеры и вес.
Проект, над которым работают Капранов, Мацак и их коллеги, использует для передачи энергии инфракрасные лазеры с двумя длинами волн — 808 и 1064 нм. 808-нанометровый луч ориентируется на фотоэлементы на базе арсенида галлия с эффективностью преобразования энергии до 40%. Но эта длина волны хороша лишь на малых дистанциях: уже при километровом удалении пучок вырастет в метровое размытое пятно. «С 1064 нм мы теряем 10% эффективности, но зато на километре луч дает пятно лишь в 3 см», — поясняет Капранов.
Зарядная станция с системой наведения может непрерывно снабжать беспилотник энергией, если он не улетает за пределы видимости либо если аппарат летает по определенному маршруту и подзаряжается в какой-то определенной точке своей траектории. При необходимости таким образом можно держать БПЛА в воздухе сутками, во многих случаях получая дешевую альтернативу космическому аппарату.
С крыши на крышу
Российские инженеры не первые, кто работает над лазерной линией электропередачи. В 2011—2012 годах такую разработку продемонстрировала компания Laser Motive, использовав беспилотник с обычной солнечной батареей, где эффективность преобразования энергии была очень мала. «Они выступили с большим успехом, выиграли конкурс NASA Space Elevator, — замечает Виталий Капранов. — Для нас это сигнал: времени терять нельзя».
К сегодняшнему дню инженеры из комитета инновационных проектов «Энергии» уже разработали систему наведения лазерного луча, которая чутко удерживает беспилотник на прицеле. Она следит за аппаратом, ориентируясь на отражение сигнала слабого «навигационного» лазера от уголкового отражателя на корпусе, с точностью до 0,1°. Дальнейшее наведение обеспечивает миниатюрное зеркало внутри оптической системы «лазерной пушки». Оно позволяет менять направление луча с точностью до тысячных долей градуса, ориентируясь на поток энергии от ячеек фотоприемника, и добиваться максимального уровня полученной энергии. Эта аппаратура уже испытана в наземных экспериментах — на крышах двух рабочих корпусов «Энергии» в подмосковном Королеве, разделенных расстоянием 1,5 км. «Нам удавалось передавать энергию и в дождь, и во время тумана. Всерьез мешал только кузнечный цех: когда он начинал работать, луч переставал проходить из-за сильного задымления. А в остальное время все работало, мы предлагали коллегам заряжать телефоны», — говорит Капранов.
Монохроматическое излучение (809 нм), приемник с концентрирующей оптикой, параллельное соединение фотоэлементов.
«Основные помехи для распространения луча в атмосфере — у поверхности: пыль, дым, колебания воздуха от нагретых крыш, — поясняет разработчик. — Кроме того, чаще всего сами ячейки турбулентности ориентированы поперек, а не вдоль поверхности. Поэтому, если бы мы светили вертикально, помех было бы значительно меньше». Инженеры рассчитывают провести первый эксперимент с реальным беспилотником уже в следующем, 2017 году — а еще через два-три года выйти на рынок и просто сдавать в аренду станции лазерной передачи энергии вместе с беспилотниками или без них. Но их планы идут и выше.
До орбиты
В космосе лазерная передача энергии будет еще эффективнее, чем по воздуху: здесь почти нечему поглощать и рассеивать излучение. Сейчас многие космические аппараты получают энергию от солнечных батарей, но их массивные «крылья» в космосе создают много проблем. «Размер панелей пропорционален потребностям в мощности, — говорит Иван Мацак. — Нужно много энергии — нужны большие батареи. Масса космического аппарата растет, увеличивается масса топлива, снижается полезная нагрузка».
Свет в фотоэлементах превращается в электричество благодаря фотоэффекту: фотоны высоких энергий «выбивают» из материала электроны — и возникает ток. Разные полупроводники отличаются эффективностью преобразования света и разной чувствительностью к излучению разной длины волны. Как правило, солнечные батареи делают из кремния, он недорог, но в ток он превращает обычно не больше 10% энергии падающего света. Арсенид галлия (GaAs) дороже, но и эффективнее. В инфракрасном диапазоне, на длине волны около 808 нм, его производительность достигает 60%.
Кроме того, на некоторые спутники солнечные батареи просто некуда ставить. Размеры современных микроспутников измеряются десятками сантиметров и позволяют разместить в лучшем случае несколько квадратных дециметров солнечных панелей. Конструкторам приходится биться за каждый потребляемый ватт, а уж о том, чтобы поставить на такие аппараты энергоемкую нагрузку (например, электрореактивный двигатель для поддержания орбиты), и речи не идет. Микроспутники обычно живут несколько месяцев, выполняют свою задачу и сгорают в атмосфере. Но лазером их можно было бы подзаряжать прямо с борта МКС, продлевая срок службы.
И эта идея будет опробована уже в ближайшие годы. Разработанный Иваном Мацаком и его коллегами космический эксперимент «Пеликан» позволит испытать новый путь передачи энергии с российского сегмента МКС на борт грузового корабля «Прогресс». На расстоянии 1 км пятно от лазерного луча будет иметь диаметр 30−40 см, попадая на фотоприемник такого же размера. Для того чтобы передавать энергию с Земли, потребуется дополнительная фокусирующая система — по расчетам ученых, в этой роли может выступить и обычный телескоп с зеркалом диаметром около 2 м.
Ученые оценили возможность применения такой системы для энергоснабжения типичного крупного спутника. «Давайте возьмем такой аппарат, как «Ресурс-П», — объясняет Виталий Капранов. — Его солнечные батареи площадью 5 х 5 м можно заменить приемником размерами 1 х 1 м и дополнительно облегчить спутник в полтора раза. То есть мы могли бы сократить требования к мощности выводящей его ракеты или поставить больше приборов».
Но инженеры готовы пойти еще дальше и вывести в космос целую электростанцию — спутник с мощной энергетической установкой на основе ядерного реактора и с лазерным передатчиком энергии. Такой аппарат сможет питать сразу множество спутников — например, флот межорбитальных буксиров, которые будут довыводить на высокие орбиты самые тяжелые телекоммуникационные спутники. Теоретически, подобные электростанции смогут снабжать энергией и исследовательские роверы на других планетах. «Мы прорабатываем и такие проекты», — заверили нас инженеры РКК.
Александр Лобинcкий
В прошлом номере "СР" мы поэкспериментировали с новой методой
изложения новостей "с обсуждениями и комментариями" и, похоже,
начинание пришлось нашим читателям по душе. На сей раз под прицел опять попадает
опубликованный на небезызвестном новостном портале ZDNet материал, посвященный
лазерным системам связи. А своими соображениями по данной теме с вами делится
специалист белорусской компании Belana.
публикация на ZDNet:
Лазеры решают проблему полосы пропускания
Операторы связи и производители аппаратуры уже несколько месяцев испытывают
технологию высокоскоростной передачи данных для предприятий, называемую
"лазерами в открытом пространстве", или "оптической беспроводной
связью", которая вплоть до недавнего времени оставалась предметом
теоретических споров, научных разработок и опытных проектов.
В ближайшее
время компании Terabeam и FSONA Communications планируют представить первые
коммерческие продукты и услуги на базе этой технологии. "Уже очевидно, что
она готова к широкому применению", - говорит независимый аналитик
телекоммуникационной индустрии Джефф Каган (Jeff Kagan). - "Пора предложить
ее рынку и посмотреть, во что это выльется. Понятно, что без проблем не
обойдется. Но если это заработает, можно рассчитывать на огромный
успех".
Лазеры невидимого оптического диапазона безвредны для
человеческого глаза и позволяют обеспечить высокоскоростной доступ в Интернет и
корпоративные сети через луч, проходящий сквозь окно офиса.
Эта технология
обеспечивает более высокое быстродействие по сравнению с существующими
беспроводными сетями и дешевле, чем волоконно-оптическая связь, для которой
нужно прокладывать кабель через улицы. Лазеры способны решить важную проблему,
стоящую перед телекоммуникационной индустрией.
Если крупные
общенациональные сети уже существуют, то строительство и модернизация
внутригородских сетей только начинается. Поэтому предприятиям часто приходится
месяцами ждать, пока их обеспечат доступом в Интернет или связью с удаленным
офисом. Однако успех лазерной технологии отнюдь не гарантирован. Во-первых,
лазерный луч подвержен влиянию густого тумана, который может помешать
распространению и уменьшить надежность связи. Кроме того, аналитики утверждают,
что лазерная связь столкнется с такими трудностями, как скептическое отношение к
ней рынка и ограниченная по сравнению со стационарной радиосвязью и прямыми
волоконно-оптическими каналами область применения.
опасный конкурент
И все же руководители компаний, работающих с лазерной технологией, верят в ее готовность конкурировать с альтернативными средствами передачи данных. "Мы чувствуем, что пора выходить на рынок", - говорит СЕО компании Terabeam Дэн Гессе (Dan Hesse), который покинул высокооплачиваемую работу в AT&T Wireless, чтобы возглавить "лазерную" компанию. Terabeam предлагает в Сиэтле каналы передачи данных со скоростью до 1 Гбит/с и в ближайший месяц готовится развернуть широкую маркетинговую кампанию. Terabeam обслуживает двух местных заказчиков - агентство по цифровой рекламе Avenue A и компанию Simpson Investment, к которым в ближайшие дни присоединится третий. До конца года планируется начать реализацию услуг еще в пяти городах США. "Для других технологий требуется длительное оформление разрешения и прокладка кабелей.
Мы же можем прямо через окно пустить оптический сигнал, который
обычно передается по толстым кабелям. Мы рассматриваем свою технологию как
продолжение волоконно-оптической", - говорит Гессе.
Стратегия компании
отличается тем, что она планирует работать и как сервис-провайдер, и как
производитель лазерного оборудования. Такой же стратегии придерживалась и
AT&T в первые годы своей деятельности, когда работала и как оператор связи,
и как производитель телефонного оборудования. Tera-beam подписала соглашение о
совместной разработке аппаратуры с Lucent Technologies. Lucent принадлежит 30%
акций Terabeam Labs, совместного предприятия по разработке аппаратуры,
руководители которого мечтают через несколько лет отделиться и стать
самостоятельной компанией. FSONA планирует анонсировать первые лазерные продукты
для операторов связи на будущей неделе.
В апреле компания начнет продавать
свою лазерную систему SONAbeam 155-2, способную передавать данные со скоростью
155 Мбит/с на расстояние до 2 км по цене $20 тыс. за передающее и приемное
оборудование. "Мы выпустим первый массовый продукт оптической бескабельной
связи", - говорит главный инженер FSONA Стивен Мешерл (Stephen Mecherle). -
"Он должен стать пробным камнем данной технологии".
Недавно FSONA
втрое увеличила свои производственные мощности, освоив новый корпус в Ванкувере
площадью около 27 тыс. кв. м.
Планируя расширяться и дальше, компания
провела предварительные переговоры с потенциальными заокеанскими партнерами. В
этом году она намерена выпустить удешевленную версию лазерной системы 155
Мбит/с, действующую на более короткие расстояния, а также систему с пропускной
способностью 622 Мбит/с.
Многие аналитики одобряют достоинства этой
технологии, но не уверены в ее надежности. По оценке FSONA, вероятность
бесперебойной работы составляет 99%, что недостаточно по стандартам
телекоммуникационной индустрии. Но компания намерена предложить дополнительные
резервные системы, позволяющие довести надежность до 99,9%.
Руководители
Terabeam уверены, что их сеть способна обеспечить бесперебойную работу в 99,9%
случаев, что в совокупности эквивалентно примерно одному дню простоя в
год.
Возможностей лазерной технологии и ее надежности оказалось достаточно,
чтобы заинтересовать Lucent. Avenue A тоже пока довольна сервисом Terabeam,
особенно тем, как быстро - по сравнению со временем ожидания подключения к
службам телефонных компаний и других сетевых сервисов, таких как WorldCom и
Sprint, - компания его получила. "Каналов приходится ждать вечно", -
говорит директор по информационным технологиям Avenue A Джеми Марра (Jamie
Marra). - "Как услышишь о сроке в 90 дней, охота обращаться к этим
сервис-провайдерам отпадает". Вместо них Avenue A обратилась к Terabeam.
"С момента, как мы спросили: "Что вы можете предложить?" и до
окончания установки оборудования прошло всего три недели", - говорит Марра.
- "Нас обслужили быстро и по цене, сопоставимой с ценами телефонных
компаний".
Terabeam и FSONA не одиноки в своем стремлении на рынок
телекоммуникаций. В числе других поставщиков услуг лазерной связи - компания
AirFiber, подписавшая соглашения с Nortel Networks, Optical Access (о решениях
этой компании подробно рассказывалось в предыдущем номере "СР" - прим.
ред.) и LightPointe Communications.
Все эти компании могут стать
серьезной угрозой для поставщиков услуг стационарной радиосвязи и гигабитных
сетей Ethernet. Благодаря возможности пропускать лазерный луч прямо через окно
сервис-провайдеры могут обходиться без приобретения дорогостоящих лицензий на
радиочастоты и переговоров с владельцами недвижимости о правах доступа на крышу.
"Такая степень свободы конкурента вполне может заставить нервничать
Teligent, Winstar и других поставщиков услуг стационарной радиосвязи", -
говорит заместитель директора аналитической фирмы The Precursor Group Пэт
Броуган (Pat Brogan).
Это мнение разделяют и другие аналитики. Технология
лазерных сетей, считают они, может стать популярной при условии, что эти первые
примеры ее применения окажутся надежными и понравятся заказчикам. "Если эта
технология работает так, как обещают, она, возможно, придется ко двору", -
говорит Каган. - "При высоких скоростях передачи данных, коротких сроках
установки, отсутствии необходимости возиться с разрешениями это вполне
реально".
Кори Грайс, ZDNet
Обсуждение статьи: мнение специалиста компании Веlana
"Идея передачи информации при помощи лазерного луча отнюдь не нова. Я
сам в конце 80-х, еще будучи школьником, видел опытную установку в БГУИР (тогда
еще МРТИ), в которой луч лазера использовался для передачи голоса. Попытки
использовать подобные системы (т.н. "атмосферный лазер") для передачи
данных продолжаются столько, сколько существуют сети передачи данных. Результаты
многочисленных экспериментов, часть из которых даже заканчивалась выпуском
коммерческих продуктов, оказались весьма противоречивыми. Мнения специалистов и
пользователей разделились.
Одни утверждают, что "атмосферная"
технология весьма перспективна, но требует доработки, другие говорят, что это
пустая трата времени и денег. Вот типичный пример скептического отношения:
"Ага... Очень круто. Канал упал.
Возможные причины - ветер листву
гонит, смог на дворе (КРАЗ под окном проехал), дождик, снег, уборщица окно давно
не мыла, пролетающий за окном самоубийца пересек луч:), плакат на улице
вывесили, птички летают. Отличная, надежная связь, нечего добавить. Мне, уж
пожалуйста, кабель "прокладите".
Кроме того, "лазеры
невидимого оптического диапазона безвредны для человеческого глаза" - это
чушь. То, что глазные колбочки не реагируют на излучение ниже определенной
частоты, еще не значит, что ткани глаза не поглощают излучение.
Наоборот,
невидимое излучение тем и опасно, что проходит некоторое время, прежде чем
человек чувствует, что что-то не так. Можно спокойно глаза лишиться. Что
касается настройки, - на расстоянии 100 метров (10 000 см) для отклонения луча
на 10 см достаточно углового возмущения 10/10 000 = 0,001 рад. Не вполне
представляю, как такую стабильность обеспечить."
В принципе,
представленное мнение не лишено логики, равно как и то оптимистичное, что
представлено в обсуждаемой статье.
Давайте, однако, попробуем разобраться.
Тот факт, что беспроводные оптические системы до сих пор не получили массового
признания (отсутствие необходимости прокладки дорогостоящих ВОЛС делает их
весьма привлекательными в экономическом отношении), объясняется рядом причин.
Попытаемся их проанализировать.
1. Рассматриваемая технология эффективна
только при передаче данных на большие расстояния. При малых расстояниях (десятки
метров) используется, и весьма эффективно, ненаправленная инфракрасная
технология. Лазерная система ей проигрывает на порядок как по стоимости, так и
по гибкости. На больших расстояниях у лазерной технологии возникают сложности со
средой передачи данных - атмосферой, которая, к сожалению, далеко не всегда
оказывается прозрачной, особенно в городских условиях. Преодоление этой проблемы
заключается в увеличении мощности лазера.
Несколько лет назад это решение
приводило к созданию устройств, потреблявших уйму энергии, стоивших огромные
деньги и выглядевших, как турболазерные пушки из "Звездных войн".
Сегодня эта проблема во многом решена, так как изобретены новые виды компактных,
мощных и недорогих лазерных излучателей.
2. Пучок может прерываться
всякими подвижными объектами, как то: птицы, низко летящие самолеты, листья,
капли и проч. На заре сетевых технологий даже кратковременное прерывание пучка
вызывало обрыв канала передачи данных, что и поспособствовало присуждению
лазерной связи звания "крайне неустойчивой". На заре, но не
сегодня.
С тех пор были разработаны целые серии протоколов канального
уровня, предназначенные для беспроводных средств связи и способные автоматически
восстанавливать канал после кратковременного обрыва. А непрерывность потоков
данных обеспечивается протоколами более высокого уровня (например
TCP/IP).
Таким образом, миф о неустойчивости лазерной связи сегодня может
быть опровергнут.
3. Лазерная система связи сложна в настройке. Действительно, при диаметре пучка в несколько миллиметров (а то и долей миллиметра), колебания светового пятна с амплитудой в несколько сантиметров могут серьезно осложнить всю процедуру наведения на приемник. На сегодняшний день это одна из самых серьезных технических проблем атмосферной лазерной связи. Правда, в последнее время стали появляться сообщения о разработке высокочувствительных оптических сенсоров, работающих в узких спектральных диапазонах, что позволяет создать относительно дешевые панели площадью несколько десятков квадратных сантиметров, нечувствительные к дневной засветке, а потому позволяющие обеспечить устойчивый прием луча.
Сомневаюсь, что технология атмосферной лазерной связи в ближайшее время
окажется достаточно дешевой, чтобы ее можно было использовать в домашних
условиях (да и не все живут в высотных домах, где можно обеспечить прямую
видимость).
Однако эта технология может стать вполне достойным конкурентом
стационарной радиосвязи в корпоративных сетях передачи данных. При примерно
равной стоимости оборудования лазерная технология не потребует проведения
мучительных (и весьма дорогостоящих) процедур выделения радиочастотных каналов,
проведения работ по высотному монтажу тяжелого и громоздкого оборудования и, как
было сказано ранее, оказывается менее вредной для здоровья
окружающих.
На этой неделе аэрокосмическое агентство NASA опубликовало результаты работы демонстратора технологии космической лазерной связи (LLCD), установленного на «Исследователе лунной атмосферы и пылевого окружения» (или LADEE), запущенного в сентябре этого года и в настоящий момент кружащего вокруг нашего естественного спутника. Со слов космического агентства, система LLCD показала очень высокую эффективность передачи данных на расстоянии около 400 тысяч километров и уже сейчас способна работать не хуже, а возможно даже и лучше обычных радиопередатчиков.
Для тех, кто не знает, миссия LLCD направлена на демонстрацию возможности практического использования лазеров для передачи сообщений между объектами на очень удаленном расстоянии друг от друга и намного более высокой скоростью по сравнению с той, что могут предложить стандартные радиопередатчики. Продемонстрировав способность передавать данные на Землю со скоростью 622 Мб/с и получать со скоростью 20 Мб/с, LLCD установила 20 октября рекорд скорости передачи данных с лунной орбиты. Данные, переданные лазерным лучом, были получены основной наземной LLCD-станцией, расположенной в Нью-Мексико. В мире находятся три подобные станции. Оставшиеся две расположены в Испании и США.
Важнейшие преимущества лазеров над радиопередатчиками заключаются в том, что они предлагают намного более высокую пропускную способность и, кроме того, возможность передавать информацию кратковременными лазерными пучками, что в перспективе позволит снизить общие затраты потребления питания при передаче информации на сверхудаленные дистанции.
В NASA отмечают, что система LLCD работает в течение 30-дневного тестового режима даже лучше, чем того от нее ожидали. Лазер без проблем передавал сообщения на наземные станции при дневном свете и даже тогда, когда угол отклонения Луны по отношению к Солнцу составлял четыре градуса. Система также работала без каких-либо ошибок, когда Луна находилась очень низко к горизонту, тем самым заставляя лазер проходить через более плотные слои атмосферы и при некотором воздействии эффектов турбулентности. Астрономы также были удивлены узнав, что легкие перистые облака не оказались для лазера проблемой.
Помимо проверки на ошибки, LLCD показала возможность переключения от одной наземной станции к другой, продемонстрировав способность фиксироваться на определенной станции без необходимости использования радиосигнала.
«Мы запрограммировали LADEE таким образом, чтобы она в автоматическом режиме активировала и направляла систему LLCD в нужную точку для передачи лазерного сигнала на Землю, без какой-либо необходимости в предварительно отправленных на зонд радиосигналов с командой», - говорит Дон Корнуэлл, менеджер проекта LLCD из Центра космических полетов имени Годдарда.
«Успех этой миссии позволяет с оптимизмом смотреть на возможность использования подобных систем в качестве основных систем коммуникаций при будущих миссиях NASA».
В NASA отмечают не только успешность передачи сигнала, но и высокую скорость передачи информации с зонда на Землю. Все собранные за это время данные (а это, на минуточку, гигабайты информации), были переданы на Землю менее чем за пять минут. Обычно для передачи данных такого объема требуется несколько дней.
Агентство сообщает, что LLCD миссия завершена и следующей фазой тестирования станет проверка системы спутника Laser Communications Relay Demonstration (LRCD), запуск которого намечен на 2017 год. По своей сути система станет усовершенствованной версией LLCD, способной на передачу данных со скоростью до 2880 Гб/с с геостационарной орбиты и станет частью пятилетней программы тестирования систем коммуникаций нового поколения.
Категории: / / отС момента возникновения жизни на Земле возможность передачи друг другу сообщения (или, как теперь принято говорить, информации) занимало одно из главных мест в человеческом общении. В Древней Греции, например, информация передавалась с помощью световых волн, для чего на специальных башнях разжигали костры, оповещавшие жителей о каком-либо важном событии. Во Франции был изобретен оптический телеграф. Русский ученый Шеллинг предложил электрический проводной телеграф, впоследствии усовершенствованный американцем Морзе. Электрический кабель соединил Европу с Америкой. Т. Эдиссон удвоил пропускную способность телеграфной линии. А. Попов открыл возможность передачи телеграфных сообщений без проводов - с помощью электромагнитных колебаний. Радиотехника получила бурное развитие. Стали вести передачи на различных длинах волн: длинных, средних, коротких. В эфире стало тесно.
С чем же связана скорость и количество передаваемой информации? Известно, что предельная скорость передачи определяется длительностью одного периода колебаний используемых волн. Чем короче период, тем больше скорость передачи сообщений. Это справедливо и для передачи сообщений с помощью азбуки Морзе, с помощью телефонной связи, радиосвязи, с помощью телевидения. Таким образом, канал связи (передатчик, приемник и связывающая их линия) может передавать сообщения со скоростью не больше, чем частота собственных колебаний всего канала. Но это еще не достаточное условие. Для характеристики канала связи требуется еще один параметр - ширина полосы канала, т. е. диапазон частот, который используется в этом канале связи. Чем больше скорость передачи, тем шире полоса частот, на которых следует передавать. Оба этих параметра вынуждают осваивать все более высокие частоты электромагнитных колебаний. Ведь с увеличением частоты увеличивается не только скорость передачи по одному каналу, но и число каналов связи.
Техника связи стала забираться во все более коротковолновую область, используя сначала дециметровые, потом метровые и, наконец, сантиметровые волны. А дальше произошла остановка из-за того, что не было
подходящего источника несущих электромагнитных колебаний. Ранее существовавшие источники давали широкий спектр с очень малой мощностью, приходящейся на отдельные частоты колебаний. Световые волны не были когерентными, а это исключало использование их для передачи сложных сигналов, требующих модуляции излучения. Положение резко изменилось с появлением лазеров. Когерентность и монохроматичность лазерного излучения позволяют модулировать и детектировать луч таким образом, что используется вся ширина оптического диапазона. Оптический участок спектра гораздо шире и вместительнее, чем радноволновой. Покажем это простым расчетом. Подсчитаем, какое количество информации можно передать одновременно по оптическому каналу связи с длиной волны 0,5 мкм (соответствует Гц). Для примера возьмем такой город, как Москва. Пусть в ней имеется 1500 000 телефонов, 100 передающих широковещательных радиостанций и 5 телевизионных каналов. Для расчетов примем, что полоса частот телефонного канала составляет Гц, радиоканала , телевизионного канала - Гц. Возьмем коэффициент запаса, равный 100. Вычисления произведем по формуле
где с - скорость света, К - длина волны электромагнитного колебания, полоса частот, занимаемая одним телевизионным каналом, полоса частот одной радиовещательной станции, полоса частот одного телефонного канала, количество телевизионных каналов, количество радиоканалов, количество телефонов, к - коэффициент запаса.
Подставляя значения для нашего примера, получим Отсюда можно сделать вывод, что высокочастотная составляющая электромагнитного колебания, равная примерно Гц, позволяет (принципиально) в одном луче лазера одновременно обеспечить передачу информации тысяче таких городов, как Москва. Однако для реализации этой принципиальной возможности необходимо решить ряд проблем. Они связаны с модуляцией, демодуляцией и с прохожением излучения в атмосфере. Чтобы в этом разобраться, рассмотрим оптическую линию связи (рис. 27).
Рис. 27. Оптическая линия связи с использованием лазера
Линия связи состоит из передающего и приемного устройств. В передающее устройство входят лазер, вырабатывающий высокочастотную несущую; модулятор, обеспечивающий наложение передаваемой информации на световую несущую; оптическая система, необходимая для фокусирования излучения в узкий пучок, что обеспечивает большую дальность и высокую помехозащищенность; микрофон с усилителем и устройство нацеливания. Приемное устройство состоит из входной оптической системы, приемника излучения, демодулятора, усилителя, громкоговорителя и устройства прицеливания (привязки) приемника к передатчику. Линия связи работает таким образом. Сигнал в виде звуковой частоты поступает на микрофон. Здесь он преобразуется в электрический и поступает на модулятор, через который проходит излучение лазера. Оно оказывается промодулированным в соответствии с речевым сообщением. Промодулированный пучок поступает на оптическую систему. Этим излучением с помощью визирного (прицельного) устройства осуществляется облучение того места, где расположена приемная система. Приемная оптическая система собирает лазерный лучистый поток и направляет его на приемник и на усилитель. После чего он попадает на демодулятор, задачей которого является выделение из несущей частоты первоначальной звуковой частоты. Она проходит усилитель звуковой частоты и поступает на громкоговоритель.
Таблица 15 (см. скан) Характеристики модуляторов
Поскольку частота модуляции при передаче звукового сигнала не превышает 104 Гц, то для ее реализации подходит большинство модуляторов и демодуляторов, разработанных к настоящему времени. Наиболее широко используется амплитудная модуляция. Для ее реализации подходят оптические элементы, которые меняют свою прозрачность под воздействием прикладываемого к ним напряжения. К такого типа модуляторам относится и ячейка Керра, состоящая из жидкого диэлектрика и металлических пластин. При приложении к пластинам электрического поля жидкий диэлектрик становится двоякопреломляющим. В результате плоскость поляризации проходящей световой волны повернется на угол
где В - постоянная Керра, - длина пути, напряженность поля. При этом плоскополяризованное поле,
проходя через анализатор, изменяет свою интенсивность в соответствии с законом электрического поля. Таким образом, с помощью модулятора в луч лазера вводится звуковая частота. Посмотрим на таблицу, в которой представлены характеристики различных типов модуляторов, и попробуем выбрать тот, который подходит для нашей связной системы.
Пусть у нас в качестве источника излучения используется газовый гелий-неоновый лазер. Для передачи звукового сообщения требуется модуляция в пределах до 20 кГц. Этому лучше всего удовлетворяет кристалл германия (табл. 15). У него хорошая глубина модуляции - 50%. Однако этот модулятор не может быть использован, поскольку его спектральная прозрачность лежит в диапазоне 1,8...25 мкм, т. е. он непрозрачен для излучения в 0,6328 мкм, которое излучает гелий-неоновый лазер. Кристалл АДП или КДП подойдет по спектральному диапазону и у него хороший запас по частоте модуляции. С таким модулятором можно промодулировать оптическое излучение на нескольких участках частот, что дает принципиальную возможность ввести в один луч несколько телефонных каналов. Но вот ввести в луч лазера с помощью такого модулятора несколько телевизионных каналов невозможно, поскольку для передачи телевизионного изображения необходима полоса частот Гц. Можно передать только одну телевизионную программу. Нужны модуляторы с очень большим диапазоном частот модуляции. Смотрим в таблицу. Модулятор на ультразвуковой волне имеет диапазон от 5 до 30 МГц. Его верхний предел самый большой, других модуляторов нет. Сравним этот диапазон в Гц с диапазоном частот газового лазера . Видно, что они отличаются на семь порядков, т. е. в десять миллионов раз. Следовательно, высокочастотная несущая лазера не используется в полную силу своих возможностей. И не используется потому, что нет пока еще модуляторов с диапазоном частот до Гц. Аналогичная картина имеет место и для приемников излучения. Их тоже следует выбирать, исходя из того спектрального диапазона, на котором они работают. И исходя из того диапазона частот, который они способны воспринять. Наиболее предпочтительны ФЭУ, имеющие полосу частот порядка 100 МГц , но не более. Следовательно, и здесь имеется проблема, которая требует своего решения.
Рис. 28. Функциональная схема первой лазерной телевизионной установки
Проще всего было построить телефонную линию связи, ибо для нее имелись все необходимые элементы: источник излучения, модулятор и приемник излучения. Такие линии были созданы с тем, чтобы оценить эффективность их функционирования. Одна из них связывала АТС, находящуюся на площади Шолохова, со зданием МГУ на Ленинских горах. По лазерному лучу, связывающему телефонные станции, можно было одновременно вести несколько десятков телефонных разговоров. Другая линия была создана в Армении. Она связала Ереван и Бюроканскую астрофизическую обсерваторию, находящуюся на расстоянии 50 км на горе Арагац .
Применение лазеров в телевидении
В последнее время разработано несколько систем, в которых телевизионное изображение передается по оптическому каналу. Простейшая телевизионная система была выполнена из готовых узлов и деталей. Функциональная схема этой системы представлена на рис. 28. Она включала в себя лазер промышленного прозводства, два промышленных телевизора, стандартный усилитель и видеоусилитель. Кроме того, использовались приемная и передающая оптические системы, модулятор оптического излучения и оптический фильтр. Телевизионные сигналы, получаемые от первого телевизора, усиливаются и поступают на модулятор (видеосигналы снимаются с одного из каскадов видеоканала телевизионного приемника). Модулятор, стоящий на выходе излучения
лазера, обеспечивает амплитудную модуляцию лучистого потока. Это излучение формируется в узкий луч с помощью оптической системы и направляется в сторону приемного устройства. Оно также имеет приемную оптическую систему зеркального типа (с двумя зеркалами), узкополосный оптический фильтр и диафрагму. Затем излучение поступает на ФЭУ. Такое сочетание последних трех элементов обеспечивает хорошую селекцию приемного сигнала, что позволяет использовать систему в условиях Солнечного освещения. Сигнал на ФЭУ превращается из оптического в электрический, проходит видеоусилитель и подается на кинескоп второго телевизора. Несмотря на наличие шумов, вносимых лазером и интенсивным дневным фоном при работе телевизионной установки в условиях солнечного освещения, изображение на экране второго телевизора было вполне удовлетворительным. Более того, четкость изображения была высокой, что позволяло сделать вывод о хорошей передаточной характеристике модулятора и связанных с ним электронных устройств. В системе не обнаруживался «снегопад», а это говорит о достаточном отношении сигнал/шум.
Мы отмечали ранее, что модулятор является главным элементом системы телевизионной связи. Здесь использовалась ячейка Покельса, в которой напряжение модуляции подается на кристалл в направлении светового потока. Данный модулятор обеспечивает хорошую глубину модуляции и имеет достаточную полосу, но ему присущи два существенных недостатка: первый заключается в том, что для управления модуляцией требуется напряжение, доходящее до нескольких киловольт, и второй обусловлен тем, что ячейку необходимо охлаждать.
Уже в последующих модификациях аппаратуры были применены решения, позволяющие устранить эти недостатки. Ячейка Покельса была заменена на кристалл КДП, который обладает хорошей оптической прозрачностью в данном интервале длин волн, а для снижения модулирующего напряжения применялось дополнительное сужение луча с помощью коллимирующей системы. Это позволило сузить луч до 1 мм. Для обеспечения механической прочности кристалл был помещен в металлический корпус. Эти усовершенствования позволили снизить потребляемый уровень мощности на два порядка. Модулятор работал при напряжении 18 В и потреблял ток 50 мА .
Рис. 29. Схема лазерной передающей камеры
Через некоторое время появились образцы телевизионных систем, в которых по лазерному лучу передавалось пять различных телевизионных изображений. В этих системах в качестве источника излучения использовался газовый лазер, работающий на волне 0,6328 мкм при излучаемой мощности всего в 8 мВт. В приемном устройстве применялся кремниевый фотодиод. Передача изображения велась на каналах 66...7Б, 76...82, 182... 186, 198..204, 210...216 МГц .
Функциональная схема третьего варианта лазерной передающей ТВ-камеры представлена на рис. 29. Эта система обеспечивала передачу по лучу лазера телевизионной программы, а также музыкальной программы и цифровой информации. Основными элементами устройства являлись: газовый аргоновый лазер с системой развертки луча в пространстве, приемник, состоящий из узкополосного фильтра, с полосой пропускания в 90 ангстрем, фотоумножителя и предварительного усилителя. Третьим составным блоком была система строчной и кадровой синхронизации. Своеобразие состоит в том, что используется быстросканирующий лазерный луч, а вместо телевизионной камеры - фотоумножитель. Телевизионное изображение получается при облучении объекта непрерывным излучением лазера, которое разворачивается в пространстве по двум перпендикулярным осям с помощью вращающихся призм. Горизонтальная развертка обеспечивается 16-гранной призмой, вращающейся со
скоростью 60 000 об/мин. При этом скорость движения луча по вертикали обеспечивается 26-гранной призмой, вращающейся со скоростью 150 об/мин. Эти две развертки дают 60 кадров в секунду. Излучение лазера, отраженное предметом, изображение которого должно быть получено, попадает на приемное устройство, с выхода которого усиленный сигнал подводится к контрольному телевизору и на его экране воссоздается изображение предмета. Для синхронизации развертки контрольного телевизора с разверткой луча лазера в пространстве предусмотрены два элемента. Один из них осуществляет строчную, а другой - кадровую синхронизацию. Фотоэлементы цепей строчной и кадровой синхронизации установлены соответственно на пути развертки лазерного луча по горизонтали и вертикали. Выходные сигналы фотоэлементов, усиленные до требуемой величины, обеспечивают необходимую синхронизацию. Положительным качеством такой лазерной телевизионной камеры является высокое качество изображения. Кроме того, она может работать в темноте и способна передавать изображение через туман гораздо лучше какого-либо другого устройства аналогичного назначения. К недостаткам системы относятся значительные потери энергии при развертке луча в пространстве и наличие быстровращающихся элементов.
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.
