Организация устройства приема и передачи информации по оптическому каналу при помощи использования лазерного излучения малой мощности
Березина, А. А. Организация устройства приема и передачи информации по оптическому каналу при помощи использования лазерного излучения малой мощности / А. А. Березина. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 30 (320). — С. 20-22. — URL: https://moluch.ru/archive/320/72819/ (дата обращения: 27.07.2023).
В настоящей статье освещены вопросы реализации программной и аппаратной части простого устройства передачи информации по открытому оптическому каналу посредством использования направленного лазерного луча.
Ключевые слова: передача информации, лазерное излучение, программный алгоритм, широтно-импульсная модуляция, устройство приема, фотодиод.
При наличии требований об отсутствии проложения множества информационных проводников между сообщающимися элементами какой-либо технической системы, или в условиях, где избыточные проводные соединения способны оказывать негативное воздействие на работу устройства приемо-передающего тракта, применение метода организации беспроводной передачи информации может являться эффективным решением.
Беспроводная передача информации может быть организована различными способами, из которых наибольшее применение нашли передачи форматов Bluetooth и Wi-Fi, основным недостатком которых могут являться невысокие помехоустойчивость и степень защищенности информационного канала [1]. Также, множество устройств работают на радиочастотах, используемых для этих технологий, что приводит к снижению скорости передачи информации. Эти недостатки исключает способ применения инфракрасного канала, в свою очередь обладающего недостатком приемо-передачи на малые расстояния.
Одним из способов беспроводной передачи информации, не использующим радиодиапазон и, соответственно, исключающим недостатки описанных выше, может являться способ передачи информации по оптическому каналу при помощи использования направленного лазерного излучения.
1. Общая структура приема и передачи информации при помощи лазера
Устройство приема и передачи информации лазерным излучением включает в себя электронно-вычислительную машину (ЭВМ) оператора, лазерный луч с управляемой микроконтроллером широтно-импульсной модуляцией, устройство приема на основе фотодиодов и устройство вывода полученных данных. Общая структурная схема устройства приемо-передающего информационного тракта, организованного при помощи лазерного излучения приведена на рисунке 1.
Рис. 1. Общая структурная схема устройства приемо-передающего информационного тракта, организованного при помощи лазерного излучения
Рис. 2. Общий схематичный вид приемо-передачи в виде упрощенной модели
2. Программно-аппаратная реализация модуляции лазерного луча
Аппаратная реализация модуляции лазерного излучения обусловлена работой каскада электрической схемы силового тактирующего ключа на основе N-канального полевого транзистора, проиллюстрированного на рисунке 3.
Рис. 3. Каскад электрический схемы силового тактирующего ключа на основе N-канального полевого транзистора
Напряжение питания, приходящее с выходов источника на сток N– канального транзистора, подается на вход лазерного излучателя с временными задержками, дублируемыми частотами управляющего сигнала, приходящего с микроконтроллера на затвор. Важнейшей характеристикой транзистора, в данном режиме работы, является сопротивление его открытого канала, что очень важно учитывать при выборе модели транзистора [2].
Достаточно простой алгоритм временных задержек, определяемый информацией в виде двоичного кода и представляющий из себя простой набор двух команд считывания логических нуля и единицы, может быть реализован практически в любой среде программирования микроконтроллерных устройств. В рамках написания данной статьи были использованы популярная среда разработки «Arduino IDE» и соответствующая отладочная аппаратная платформа «Arduino Uno» на базе микроконтроллера ATmega328. Листинг простого программного алгоритма, способствующего передаче информации за счет регулирования величины модуляции лазера представлен на рисунке 4.
Рис. 4. Листинг программного алгоритма, способствующего передаче информации за счет регулирования модуляции лазера
В алгоритме, листинг которого проиллюстрирован на рисунке 4, в качестве порта с ШИМ-модуляцией использовался 9 порт платы Arduino Uno, а в качестве временной задержки был выбран интервал в 250 мсек.
Заключение
Передача информации по оптическому каналу с использованием направленного лазерного излучения может являться оптимальным решением в условиях, где необходимо передавать информацию на немалые расстояния, при собственной помехозащищенности и надежности канала связи. Примером подобных условий, может являться космическое пространство, где к конструкции секторов антенны управляемой формы, помимо приема информации и корректной работы, предъявляются требования минимизировать собственную массу, что обеспечивается исключением большого количества проводов. В настоящей статье, на примере упрощенного представления, был освещен метод организации приемо-передающего тракта по оптическому каналу с использованием лазерного луча.
Лазерная связь между двумя Arduino кодом Морзе
Почему лазерный луч, а не радиосвязь? Ради фана. С целью обеспечения секретности, радиопередачи перехватывают все кому не лень, а перехватывать вспышки света не догадаются, к тому же нужно встать в направлении передачи луча. Возможно использовать там, где радиосвязь невозможна из-за сильных помех.
- 2 Arduino;
- 1 Фоторезистор (или LDR) VT90N — компонент, меняющий сопротивление в зависимости от количества света падающего на него. В полной темноте он имеет максимальное сопротивление в сотни килоом, а по мере роста освещённости сопротивление уменьшается до десятков килоом:
Передатчик
Передатчик подключается как самая простая схема в Ардуине (Blink), можно поморгать код Морзе и обычным светодиодом, но на небольшое расстояние, для передачи на метровые расстояния придется воспользоваться лазером. Лазер можно взять или из лазерной указки или купить в магазине специальный модуль для Ардуино с 3 контактами: 
Схема подключения лазера к Ардуино:
Так как KY-008 part не нашлась в fritzing на схеме пришлось использовать RGB светодиод, подписав ноги S и “-“, S пин подключаем к 13 ноге, минус к GND (земле).
Для передачи данных воспользуемся кодом Морзе — способ представления букв алфавита последовательностью длинных («тире») и коротких («точка») сигналов. Конечно, при передаче кодом Морзе нет коррекции ошибок, но для тестовой передачи можно обойтись и без нее. Так как мы все равно знаем последовательность передаваемых символов.
В коде скетча указываем на каком контакте будет подаваться морзянка, 13 нога (как для большинства blink.ino скетчей моргания светодиодом), второй параметр отвечает за скорость передачи (24 слов в минуту), 3 параметр 1 для beep звукового сигнала и 0 для PTT (переключение пина в HIGH и LOW). Если заглянуть в код Morse.cpp то увидим что для третьего параметра 1 – beep используется как аналоговый выход запись на пин:
analogWrite(_pin, 128);
delay(_dashlen);
analogWrite(_pin, 0);
delay(_dotlen);
а для 0 – используется как цифровой выход
digitalWrite(_pin, HIGH);
delay(_dashlen);
digitalWrite(_pin, LOW);
delay(_dotlen);
В нашем случае используем код: Morse morse(13, 24, 0);
Для работы скетча необходима библиотекой morze.zip автора Erik Linder. Скетч передатчика простой:
Заливаем скетч, система готова к передаче данных.
Приемник
Собираем схему приемника, ничего сложного, фоторезистор одна нога с 5V вторая нога аналоговый порт A0, резистор 10 кОм — одна нога GND («земля»), вторая нога A0:
Приемник с LCD экраном
Полученные данные выводятся в COM порт, это конечно здорово, но не наглядно и требует наличие включенного компьютера. Поэтому подключаем 2 строчный экран с I2C подключением:
Для экрана SDA подключаем ногу arduino UNO A5, SCL – A4, VCC экрана к 5V, GND к GND:
Добавляем в скетче приемника receiver.ino строки отвечающие за вывод на 2 строчный LCD экран. Можно теперь уйти в поле с компактным приемником и прочитать сообщение прямо с LCD экрана.
Итоги
Данный способ передачи успешно работал у меня как и в комнате вечером на расстоянии 0,5–3 метра, так и вечером на улице на расстоянии 7–14 м. Большие расстояния пока не были опробованы. Передача днем потребует светозащищенной трубы чтобы на фотоэлемент не падал солнечный и дневной свет, а только свет от лазера или нужно поиграться параметром LEVEL_LDR отвечающий за чувствительность к свету в скетче приемника.
Лазерная связь — еще один способ беспроводной связи
Сегодня невозможно представить себе нашу жизнь без компьютеров и сетей на их основе. Человечество стоит на пороге нового мира, в котором будет создано единое информационное пространство. В этом мире осуществлению коммуникаций больше не будут препятствовать ни физические границы, ни время, ни расстояния.
Сейчас во всем мире существует огромное количество сетей, выполняющих различные функции и решающих множество разнообразных задач. Раньше или позже, но всегда наступает момент, когда пропускная способность сети бывает исчерпана и требуется проложить новые линии связи. Внутри здания это сделать относительно легко, но уже при соединении двух соседних зданий начинаются сложности. Требуются специальные разрешения, согласования, лицензии на проведение работ, а также выполнение целого ряда сложных технических требований и удовлетворение немалых финансовых запросов организаций, распоряжающихся землей или канализацией. Как правило, сразу же выясняется, что самый короткий путь между двумя зданиями — это не прямая. И совсем необязательно, что длина этого пути будет сопоставима с расстоянием между этими зданиями.
Конечно, всем известно беспроводное решение на основе различного радиооборудования (радиомодемов, малоканальных радиорелейных линий, микроволновых цифровых передатчиков). Но количество сложностей не уменьшается. Эфир перенасыщен и получить разрешение на использование радиооборудования весьма непросто, а иногда — даже невозможно. Да и пропускная способность этого оборудования существенно зависит от его стоимости.
Мы предлагаем воспользоваться новым экономичным видом беспроводной связи, который возник совсем недавно, — лазерной связью. Наибольшее развитие эта технология получила в США, где и была разработана. Лазерная связь обеспечивает экономичное решение проблемы надежной и высокоскоростной ближней связи (1,2 км), которая может возникнуть при объединении телекоммуникационных систем разных зданий. Ее использование позволит осуществить интеграцию локальных сетей с глобальными, интеграцию удаленных друг от друга локальных сетей, а также обеспечить нужды цифровой телефонии. Лазерная связь поддерживает все необходимые для этих целей интерфейсы — от RS-232 до АТМ.
Как осуществляется лазерная связь?
Лазерная связь в отличие от GSM связи позволяет осуществлять соединения типа «точка-точка» со скоростью передачи информации до 155 Мбит/с. В компьютерных и телефонных сетях лазерная связь обеспечивает обмен информацией в режиме полного дуплекса. Для приложений, не требующих высокой скорости передачи (например, для передачи видеосигнала и сигналов управления в системах технологического и охранного телевидения), имеется специальное экономичное решение с полудуплексным обменом. Когда требуется объединить не только компьютерные, но и телефонные сети, могут применяться модели лазерных устройств со встроенным мультиплексором для одновременной передачи трафика ЛВС и цифровых групповых потоков телефонии (Е1/ИКМ30).
Лазерные устройства могут осуществлять передачу любого сетевого потока, который доставляется им при помощи оптоволокна или медного кабеля в прямом и обратном направлениях. Передатчик преобразует электрические сигналы в модулированное излучение лазера в инфракрасном диапазоне с длиной волны 820 нм и мощностью до 40 мВт. В качестве среды распространения лазерная связь использует атмосферу. Затем лазерный луч попадает в приемник, имеющий максимальную чувствительность в диапазоне длины волны излучения. Приемник производит преобразование излучения лазера в сигналы используемого электрического или оптического интерфейса. Так осуществляется связь с помощью лазерных систем.
Семейства, модели и их особенности
В этом разделе мы хотим представить Вам три семейства наиболее популярных в США лазерных систем — LOO, OmniBeam 2000 и OmniBeam 4000 (таблица 1). Семейство LOO является базовым и позволяет осуществлять передачу данных и голосовых сообщений на расстояние до 1000 м. Семейство OmniBeam 2000 имеет аналогичные возможности, но действует на большее расстояние (до 1200 м) и может передавать видеоизображения и комбинацию данных и речи. Семейство OmniBeam 4000 может осуществлять высокоскоростную передачу данных: от 34 до 52 Мбит/с на расстояние до 1200 м и от 100 до 155 Мбит/с — до 1000 м. На рынке представлены и другие семейства лазерных систем, но они либо покрывают меньшее расстояние, либо поддерживают меньшее количество протоколов.
Таблица 1.
Ethernet (10 Мбит/с)
Token Ring (416 Мбит/с)
Комбинация данных и речи
Высокоскоростная передача данных (34-155 Мбит/с)
Каждое из семейств включает в себя набор моделей, поддерживающих различные коммуникационные протоколы (таблица 2). В семейство LOO входят экономичные модели, которые обеспечивают передачу на расстояние до 200 м (буква «S» в конце наименования).
Таблица 2.
Модель
LOO-28
LOO-28S
LOO-38
LOO-38S
OB2046
OB2846
OB2000E1
OB2000E
OB4000
Поддерживаемый протокол
Ethernet IEEE802.3 FOIRL
Ethernet IEEE802.3 AUI
E1CCITT G.703 DA-15
Ethernet IEEE802.3 FOIRL и E1 CCITT G.703 DA-15
E1 CCITT G.703 DA-15
Ethernet IEEE802.3 FOIRL
Е3; SONET1/OC1; ATM52; Fast Ethernet 802.3U; FDDI; SONET3/OC3; ATM155
Несомненным достоинством лазерных устройств связи является их совместимость с большинством телекоммуникационного оборудования различного назначения (концентраторов, маршрутизаторов, повторителей, мостов, мультиплексоров и АТС).
Установка лазерных систем
Немаловажным этапом создания системы является ее инсталляция. Собственно включение занимает ничтожно малое время по сравнению с монтажом и настройкой лазерного оборудования, которые продолжаются несколько часов при условии их выполнения хорошо обученными и оснащенными специалистами. При этом от качества выполнения этих операций будет зависеть и качество работы самой системы. Поэтому перед представлением типовых вариантов включения мы хотели бы уделить некоторое внимание этим вопросам.
При наружном размещении приемопередатчики могут устанавливаться на поверхности крыш или стен. Лазер монтируется на специальной жесткой опоре, обычно металлической которая крепится к стене здания. Опора также обеспечивает возможность регулировки угла наклона и азимута луча.
В этом случае для удобства монтажа и обслуживания системы ее подключение осуществляется через распределительные коробки (РК). В качестве соединительных кабелей обычно используют оптоволокно для цепей передачи данных и медный кабель для цепей питания и контроля. Если оборудование не имеет оптического интерфейса данных, то возможно использование модели с электрическим интерфейсом или внешнего оптического модема.
Блок питания (БП) приемопередатчика всегда устанавливается внутри помещения и может крепиться на стене или в стойке, которая используется для оборудования ЛВС или кросса структурированных кабельных систем. Рядом может быть установлен и монитор состояний, который служит для дистанционного контроля функционирования приемопередатчиков семейств ОВ2000 и ОВ4000. Его использование позволяет осуществлять диагностику лазерного канала, индикацию величины сигнала, а также закольцовывание сигнала для его проверки.
При внутреннем монтаже лазерных приемопередатчиков необходимо помнить о том, что мощность лазерного излучения падает при прохождении через стекло (не менее 4% на каждом стекле). Другая проблема — капли воды, стекающие по внешней стороне стекла во время дождя. Они играют роль линз и могут привести к рассеиванию луча. Чтобы уменьшить этот эффект, рекомендуется устанавливать оборудование вблизи верхней части стекла.
Для обеспечения качественной связи необходимо учесть некоторые основные требования.
Самым главным из них, без выполнения которого связь будет невозможна, является то, что здания должны находится в пределах прямой видимости, при этом не должно быть непрозрачных препятствий на пути распространения луча. Кроме того, поскольку лазерный луч в области приемника имеет диаметр 2 м, необходимо, чтобы приемопередатчики находились над пешеходами и потоком транспорта на высоте не ниже 5 м. Это связано с обеспечением правил безопасности. Транспорт также является источником газов и пыли, которые влияют на надежность и качество передачи. Луч не должен распространяться в непосредственной близости от линий электропередач или пересекать их. Необходимо учесть возможный рост деревьев, движения их крон при порывах ветра, а также влияние атмосферных осадков и возможные сбои в работе из-за пролетающих птиц.
Правильный выбор приемопередатчика гарантирует устойчивую работу канала во всем диапазоне климатических условий России. Например, при большом диаметре луча уменьшается вероятность сбоев, связанных с атмосферными осадками.
Лазерное оборудование не является источником электромагнитного излучения (ЭМИ). Однако если разместить его вблизи приборов с ЭМИ, то электронное оборудование лазера будет улавливать это излучение, что может вызвать изменение сигнала как в приемнике, так и в передатчике. Это повлияет на качество связи, поэтому не рекомендуется размещать лазерное оборудование вблизи таких источников ЭМИ, как мощные радиостанции, антенны и т.п.
При установке лазера желательно избегать ориентации лазерных приемопередатчиков в направлении восток-запад, так как несколько дней в году солнечные лучи могут на несколько минут перекрыть лазерное излучение, и передача станет невозможной, даже при наличии специальных оптических фильтров в приемнике. Зная, как движется солнце по небосклону в конкретном районе, можно легко решить эту проблему.
Вибрация может вызвать сдвиг лазерного приемопередатчика. Во избежание этого не рекомендуется устанавливать лазерные системы вблизи моторов, компрессоров и т.п.
Рисунок 1. Размещение и подключение лазерных приемопередатчиков.
Несколько типовых способов включения
Лазерная связь поможет решить проблему ближней связи при соединении типа «точка-точка». В качестве примеров рассмотрим несколько типовых вариантов или способов включения. Итак, у вас есть центральный офис (ЦО) и филиал (Ф), в каждом из которых функционирует компьютерная сеть.
На рисунке 2 представлен вариант организации канала связи для случая, в котором требуется объединить Ф и ЦО, использующие в качестве сетевого протокола Ethernet, а в качестве физической среды — коаксиальный кабель (толстый или тонкий). В ЦО находится сервер ЛВС, а в Ф — компьютеры, которые требуется подключить к этому серверу. С помощью лазерных систем, например моделей LOO-28/LOO-28S или ОВ2000Е, вы легко решите эту проблему. Мост устанавливается в ЦО, а повторитель в Ф. Если мост или повторитель имеет оптический интерфейс, то оптический минимодем не потребуется. Лазерные приемопередатчики подключаются посредством сдвоенного оптоволокна. Модель LOO-28S позволит вам осуществлять связь на расстоянии до 213 м, а LOO-28 — до 1000 м при угле «уверенного» приема 3 мрад. Модель ОВ2000Е покрывает расстояние до 1200 м при угле «уверенного» приема 5 мрад. Все эти модели работают в режиме полного дуплекса и обеспечивают скорость передачи 10 Мбит/с.
Рисунок 2. Подключение удаленного сегмента ЛВС Ethernet на основе коаксиального кабеля.
Подобный же вариант объединения двух сетей Ethernet, использующих в качестве физической среды витую пару (10BaseT) приведен на рисунке 3. Его отличие заключается в том, что вместо моста и повторителя используются концентраторы (хабы), имеющие необходимое число разъемов 10BaseT и один интерфейс AUI или FOIRL для подключения лазерных приемопередатчиков. В этом случае необходимо установить лазерный приемопередатчик LOO-38 или LOO-38S, который обеспечивает требуемую скорость передачи в режиме полного дуплекса. Модель LOO-38 может поддерживать связь на расстоянии до 1000 м, а модель LOO-38S — до 213 м.
Рисунок 3. Подключение удаленного сегмента ЛВС Ethernet на основе витой пары.
На рисунке 4 представлен вариант комбинированной передачи данных между двумя ЛВС (Ethernet) и группового цифрового потока E1 (ИКМ30) между двумя УАТС (в ЦО и Ф). Для решения этой проблемы подходит модель ОВ2846, которая обеспечивает передачу данных и речи со скоростью 12 (10+2) Мбит/с на расстояние до 1200 м. ЛВС подключается к приемопередатчику при помощи сдвоенного оптоволокна через стандартный SMA-разъем, а телефонный трафик передается посредством коаксиального кабеля 75 Ом через BNC-разъем. Необходимо отметить тот факт, что мультиплексирование потоков данных и речи не требует дополнительного оборудования и выполняется приемопередатчиками без снижения пропускной способности каждого из них в отдельности.
Рисунок 4. Объединение вычислительных и телефонных сетей.
Вариант осуществления высокоскоростной передачи данных между двумя ЛВС (LAN «A» в ЦО и LAN «B» в Ф) с использованием коммутаторов АТМ и лазерных приемопередатчиков представлен на рисунке 5. Модель ОВ4000 позволит решить проблему высокоскоростной ближней связи оптимальным образом. Вы получите возможность передавать потоки Е3, ОС1, SONET1 и ATM52 с требуемыми скоростями на расстояние до 1200 м, а потоки 100 Base-VG или VG ANYLAN (802.12), 100 Base-FX или Fast Ethernet (802.3), FDDI, TAXI 100/140, OC3, SONET3 и ATM155 с требуемыми скоростями — на расстояние до 1000 м. Передаваемые данные доставляются на лазерный приемопередатчик при помощи стандартного сдвоенного оптоволокна, подключаемого через SMA-разъем.
Рисунок 5. Объединение высокоскоростных телекоммуникационных сетей.
Приведенные примеры не исчерпывают всех возможных вариантов применения лазерного оборудования.
Что выгодней?
Попробуем определить место лазерной связи среди остальных проводных и беспроводных решений, кратко оценив их достоинства и недостатки (таблица 3).
Таблица 3.
Медный кабель
Оптоволокно
Радиоканал
Лазерный канал
от 3 до 7 тыс. дол. за 1 км
до 10 тыс. дол. за 1 км
от 7 до 100 тыс. дол. за комплект
12-22 тыс. дол. за комплект
Время на подготовку и выполнение монтажа
Подготовка работ и прокладка — до 1 месяца; установка HDSL-модемов — несколько часов
Как передаются команды управления через лазер
Преимущества лазерного канала перед радиоканалом заключаются в том, что он, во – первых, не создаёт радиопомех; во – вторых, является более конфиденциальным; в – третьих, может применяться в условиях воздействия высокого уровня электромагнитных излучений.
Принципиальная схема передатчика представлена на Рис.1. Передатчик состоит из шифратора команд, выполненного на микроконтроллере ATtiny2313 (DD1), выходного блока – на транзисторах ВС847В (VT1, VT2) и интерфейса RS-232, который, в свою очередь, состоит из разъёма DB9-F (на кабель) (ХР1) и преобразователя уровней – на MAX3232 (DD3).
Цепь сброса микроконтроллера состоит из элементов DD2 (CD4011B), R2, C7. Выходной блок представляет собой электронный ключ, выполненный на транзисторе VT1, в коллекторную цепь которого через ограничитель тока на транзисторе VT2 включена лазерная указка. Питание передатчика осуществляется постоянным стабилизированным напряжением 9 – 12 В. Микросхемы DD1, DD2, DD3 питаются от напряжения 5В, которое определяется стабилизатором 78L05 (DA1).
Контроллер DD1 запрограммирован в среде BASCOM, что позволяет подавать ему команды с персонального компьютера (ПК) через интерфейс RS-232, с терминала Bascom, используя функцию «эхо».
Микроконтроллер имеет тактовую частоту 4Мгц от внутреннего генератора. Пачки импульсов частотой около 1,3 Кгц с вывода ОС0А (РВ2) поступают на выходной блок. Количество импульсов в пачке определяется номером команды, поступившей с ПК.
Для ввода команды необходимо нажать на клавиатуре ПК любую клавишу, затем при появлении надписей «Write command» и «Enter №1…8» ввести цифру от 1 до 8 и нажать клавишу «Enter».
Программа для микроконтроллера передатчика «TXlaser» состоит из основного цикла (DO…LOOP) и двух подпрограмм обработки прерываний: по приёму (Urxc) и по переполнению таймера 0 (Timer0).
Для получения выходной частоты 1,3 КГц таймер сконфигурирован с коэффициентом деления частоты (Prescale) = 1024. Кроме того, счёт начинается с нижнего значения Z = 253 (при высоком уровне на РВ2) и доходит до 255. Происходит прерывание по переполнению таймера, при обработке которого осуществляется переключение вывода РВ2, а таймеру вновь задаётся значение Z = 253. Таким образом, на выходе РВ2 появляется сигнал частотой 1,3 КГц (см. Рис.2). В этой же подпрограмме количество импульсов на РВ2 сравнивается с заданным, и в случае их равенства таймер останавливается.
В подпрограмме обработки прерывания по приёму задаётся количество импульсов, которое необходимо передать (1 – 8). В случае, если это количество будет больше 8, в терминал выдаётся сообщение «ERROR».
Во время работы подпрограммы на выводе PD6 присутствует низкий уровень (светодиод HL1 выключен), а работа таймера остановлена.
В основном цикле на выводе PD6 – высокий уровень, и светодиод HL1 включён.
Текст программы «TXlaser»:
$regfile = «attiny2313a.dat»
$crystal = 1000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$framesize = 32
Config Pind.0 = Input 'UART — RxD
Config Portd.1 = Output 'UART — TxD
Config Portd.6 = Output 'светодиод HL1
Config Portb.2 = Output 'выход OC0A
'конфигурац.таймера0-коэфф.деления=1024:
Config Timer0 = Timer , Prescale = 1024
Stop Timer0 'останов таймера
Dim N As Byte 'определение переменных '
Dim N0 As Byte
Const Z = 253 'нижниий предел счёта таймера для вых.частоты=1,3КГц
Timer0 = Z
On Urxc Rxd 'подпрограмма обраб.прерывания по приёму
On Timer0 Pulse 'подпрограмма обраб.прерывания по переполнению
Enable Interrupts 'разрешение прерываний
Enable Urxc
Enable Timer0
Do 'основной цикл
Set Portd.6 'включение светодиода HL1
Loop
Rxd: 'подпрограмма обработки прер. по приёму
Reset Portd.6 'выключение светодиода
Stop Timer0
M1:
Print «Write commad»
Input «Enter № 1. 8:» , N0 'ввод команды
If N0 > 8 Then 'ограничение номера команд
Print «Error»
Goto M1
End If
N0 = N0 * 2
N0 = N0 — 1 'заданное значение кол-ва импульсов в пачке
Toggle Portb.2
Start Timer0 'запуск таймера
Return
Pulse: 'подпрограмма обработки прерыв.по переполнению
Stop Timer0
Toggle Portb.2
Reset Portd.6 'выключение светодиода
Timer0 = Z
N = N + 1 'приращение кол-ва импульсов
If N = N0 Then 'если число импульсов = заданному
N = 0
N0 = 0
Waitms 500 'задержка 0,5с
Else
Start Timer0 'иначе, продолжить счёт
End If
Return
End 'end program
Передатчик выполнен на печатной плате размерами 46х62 мм (см. Рис.3). Все элементы, кроме микроконтроллера, SMD – типа. Микроконтроллер ATtiny2313 применён в корпусе типа DIP. Его рекомендуется располагать в панели для DIP микросхем TRS (SCS) – 20, чтобы иметь возможность «безболезненно» перепрограммировать.
Печатная плата передатчика TXD.PCB находится в папке «FILE PCAD».
Принципиальная схема приёмника лазерного канала представлена на рис.4. На входе первого усилителя DA3.1 (LM358N) фильтр низкой частоты, образованный элементами СЕ3, R8, R9 и имеющий частоту среза 1КГц, ослабляет фоновые помехи 50 -100 КГц от осветительных приборов. Усилители DA3.2 и DA4.2 усиливают и увеличивают длительность принятых импульсов полезного сигнала. Компаратор на DA4.1 формирует выходной сигнал (единица), который поступает через инверторы микросхемы CD4011D (DD2) — DD2.1, DD2. Cигнал синхронно приходит на контакты микроконтроллера ATtiny2313 (DD1) – T0 (PB4) и РВ3. Таким образом, Timer0, работающий в режиме счёта внешних импульсов и Timer1, отмеряющий время этого счёта, запускаются синхронно. Контроллер DD1, выполняющий функцию дешифратора, отображает принятые команды 1…8 установкой лог.1 на выводах PORTB соответственно РВ0…РВ7, при этом приход последующей команды сбрасывает предыдущую. При приходе команды «8» на РВ7 появляется лог.1, которая с помощью электронного ключа на транзисторе VT1, включает реле К1.
Питание приёмника осуществляется постоянным напряжением 9 -12В. Аналоговая и цифровая части питаются от напряжений 5В, которые определяются стабилизаторами типа 78L05 DA5 и DA2.
В программе «RXlaser» Timer0 сконфигурирован, как счётчик внешних импульсов, а Timer1, как таймер, считающий период прохождения максимально возможного количества импульсов (команда 8).
В основном цикле (DO…LOOP) Timer1 включается при принятии первого импульса команды (К=0), происходит сброс условия разрешения включения таймера Z=1.
В подпрограмме обработки прерывания по совпадению cчёта Timer1 со значением максимально возможного счёта считывается и устанавливается в PORTB номер команды. Устанавливается так же условие разрешения включения Timer1- Z=0.
Текст программы «RXlaser» :
$regfile = «attiny2313a.dat»
$crystal = 4000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$framesize = 32
Ddrb = 255 'PORTB-все выхода
Portb = 0
Ddrd = 0 'PORTD-входа
Portd = 255 'подтяжка PORTD
Config Timer0 = Counter , Prescale = 1 , Edge = Falling 'как счётчик импульсов
Config Timer1 = Timer , Prescale = 1024 , Clear Timer = 1 'как таймер
Stop Timer1
Timer1 = 0
Counter0 = 0
'определение переменных:
Dim X As Byte
Dim Comm As Byte
Dim Z As Bit
Dim K As Bit
X =80
Compare1a = X 'кол-во имп. в регистре совпадения
Z = 0
On Compare1a Pulse 'подпрограмма прерывания по совпадению
Enable Interrupts 'разрешение прерываний
Enable Compare1a
Do 'основной цикл
If Z = 0 Then 'первое условие включения таймера
K = Portd.3
If K = 0 Then 'второе условие включения таймера
Start Timer1
Z = 1
End If
End If
Loop
Pulse: 'подпрограмма обраб.прерыв.по совпадению
Stop Timer1
Comm = Counter0 'считывание из счётчика внешних импульсов
Comm = Comm — 1 'определение номера бита в порту
Portb = 0 'обнуление порта
Set Portb.comm 'установка бита,соответ.номеру команды
Z = 0
Counter0 = 0
Timer1 = 0
Return
End 'end program
Программы «TXlaser» и «RXlaser» находятся в папке Lazer_prog.
Приёмник расположен на плате размерами 46х62 мм (см. Рис 5). Все компоненты – SMD типа, за исключением микроконтроллера, который необходимо разместить в панели для микросхем DIP типа TRS(SCS) – 20.
Настройка приёмника сводится к установке сквозного коэффициента передачи и порога срабатывания компаратора. Для решения первой задачи необходимо подключить осциллограф к выводу 7 DA4.2 и подбором величины R18 установить такой сквозной коэффициент передачи, при котором максимальная амплитуда шумовых выбросов, наблюдаемых на экране, не будет превышать 100 мВ. Затем осциллограф переключается на вывод 1 DA4.1 и подбором резистора (R21) устанавливается нулевой уровень компаратора. Включив передатчик и направив луч лазера на фотодиод, необходимо убедиться в появлении прямоугольных импульсов на выходе компаратора.
Печатная плата приёмника RXD.PCB находится также в папке FILE PCAD.
Повысить помехозащищённость лазерного канала возможно с помощью модуляции сигнала поднесущей частотой 30 – 36 КГц. Модуляция пачек импульсов происходит в передатчике, приёмник же содержит полосовой фильтр и амплитудный детектор.
Схема такого передатчика (передатчик 2) изображена на Рис.6. В отличии от рассмотренного выше передатчика 1 передатчик 2 имеет генератор поднесущей, настроенный на частоту 30 КГц и собранный на слотах DD2.1, DD2.4.. Генератор обеспечивает модулирование пачек положительных импульсов.
Приёмник лазерного канала с поднесущей частотой (приёмник 2) собран на отечественной микросхеме К1056УП1 (DA1). Схема приёмника изображена на Рис.7. Для выделения командных импульсов к выходу микросхемы DA1 10 подключены амплитудный детектор с фильтром низкой частоты и нормализатор импульсов, собранные на логических элементах DD3.1, DD3.2, диодной сборке DA3 и C9, R24. В остальном схема приёмника 2 совпадает со схемой приёмника 1.
Гигабитный линк на 3 километра на лазерных модемах
TL;DR В статье описывается наш опыт построения беспроводного соединения на расстоянии 3 километра с помощью лазерных модемов Lantastica TZR без использования радио. Вывод: это действительно работает, реальная ширина канала
950Mbit/s в дуплексе при задержках <1мс.
Обычно, для таких задач используют классические радиомосты вроде ubiquiti и mikrotik и мало кто представляет, что радио — не единственный доступный способ. Оказывается, лазерные модемы существуют в гражданском исполнении, открыто продаются и даже не требуют лицензии.
Мы на практике пройдем все шаги по настройке лазерного линка: от монтажа оборудования на крыше до настройки и тестирования полосы пропускания и задержек.
Основные фичи лазерного модема:
-
Не использует радиочастоты — данные передаются с помощью лазерного луча в невидимом глазу диапазоне 780
Теория
Схематическое изображение приципа работы лазерного модема
Как это работает на практике: Каждый модем имеет передатчик на лазерном диоде и приемник на фотодиоде. Модемы «светят» друг в друга лазером с длиной волны 780 или 850 нанометров. Лазерный модем требователен к точности прицеливания, поэтому встроенные моторы автоматически регулируют положение передатчика и линзы для наиболее точного попадания. Также автоматически регулируется яркость лазера и расходимость пучка, в зависимости от погодных условий.
На выходе устройство подключается в обычную Ethernet-сеть через витую пару или оптику.
Ограничения погодных условий
Так как для передачи данных нужна прямая видимость, осадки в виде снега, дождя, тумана затрудняют передачу данных. В случае ухудшения видимости устройства увеличивают яркость и уменьшают угловой размер светового пучка. Так же устройство может снижать скорость передачи данных, для обеспечения лучший помехостойкости.
Производитель заявляет, что устройство успешно работает до 99% времени в году в погодных условиях средней полосы России. При ухудшении погодных условий модем переходит на режим пониженной скорости 200Mbit/s. Для повышения надежности линка предлагается использовать дублирование канала с помощью радио моста, который может автоматически включаться по команде с лазерного модема, в случае полной утраты связи на лазерном линке.
Таблица доступности лазерного линка в течение года по заявлению производителя модема:
| Дальность | Максимальная скорость | Пониженная скорость | Резервный канал |
|---|---|---|---|
| 1км | 99% | 0,9% | 0,1% |
| 3км | 98% | 1,5% | 0,5% |
| 5км | 95% | 3% | 2% |
Технические характеристики
- Скорость Full Duplex: на дальности 3км — 1 Gbit/s (98% времени в году) + 100Mbit/s (1,5%); на 5км — 1 Gbit/s (95%) + 100 Mbit/s (3%).
Часто производители беспроводного оборудования указывают суммарную скорость в обоих направлениях, например при TX 50Mbit/s и RX 50Mbit/s указывается скорость 100Mbit/s. Поэтому важно обращать внимание на параметр duplex. - Порт SFP, два порта Ethernet (один с PoE out)
- Встроенный обогрев для работы в зимнее время
- Максимальное потребление 15 Ватт в теплое время года; 65 Ватт в холодное время
- Рабочие температуры: от -50°C до +50°C, защищенность IP65.
Монтаж
Нам нужно было соединить два здания через реку на расстоянии около 3км. Дело происходит под Санкт-Петербургом. Тянуть оптическую линию через Неву задача вполне реальная, но стоимость такого проекта в десятки, если не в сотни раз дороже, чем любой из вариантов беспроводного моста.
Первым делом проводим разведку местности, убеждаемся, что есть прямая видимость между крышами домов, и считаем примерное расстояние между точками с помощью карты.
Расстояние между двумя зданиями, на которые будут установлены модемы
Видим, что нужная точка находится в прямой видимости и не загораживается деревьями. Важно учитывать, что деревья могут вырасти за пару лет.
Место установки второго модема
Сперва устанавливается кронштейн на треногу с помощью анкеров. Он должен выдерживать ветровые нагрузки и не вибрировать.
Для первичного наведения на удаленный модем используется оптический прицел, в какой-то момент монтажники становятся похожи на снайперов.
Первичное позиционирование кронштейна с помощью оптического прицела
Теперь можно устанавливать модем. Важно помнить, что лазерное излучение опасно для глаз и соблюдать технику безопасности. Нельзя смотреть в стекло работающего модема.
Для доступа к контактам снимается задняя крышка устройства.
Финальный вид модема после установки и снятия защитных пленок
Монтаж второй точки и остальные фото под спойлером:
Вид со второй крыши на первый модем
Вид установленного модема
Установка SFP модуля
Вид установленного модема с закрытой крышкой
Настройка
Опционально в модем может устанавливаться камера, снимающая в инфракрасном диапазоне, она служит для визуальной оценки условий работы, проверки загрязненности стекла и т.д. Видеопоток с камеры можно получить в обычном формате RTSP и интегрировать в систему видеонаблюдения.
Так выглядит изображение с камеры внутри модема, установленного на нашей второй точке. Луч с противоположного модема виден на изображении как яркая переливающаяся точка.
Видео с камеры внутри модема. Видно световое пятно противоположного модема
Telnet-интерфейс
Настройка аппаратов происходит через консольный telnet. Рассмотрим поэтапно шаги первичной настройки. Для подключения к консоли модема можно использовать встроенный в Windows telnet-клиент, либо putty.
Производитель использует особую терминологию для консольных команд: интерактивные меню называются скриптами, действия внутри скрипта называются командами.
В модемах установлены моторы для автоматического наведения, которые с завода идут в режиме парковки. Для начала настройки нужно снять моторы с парковки: либо с помощью кнопки на модеме, либо командой в консоли.
Для этого запускаем скрипт trk и в нем выполняем команду .go /z
После этого запускаем автоматическую настройку поочередно на каждом модеме. Она занимает около десяти минут. За это время с помощью моторов модем максимально точно наводится на противоположный.
Успешное завершение работы скрипта автонастройки
Теперь, когда модемы настроены, можем проверить корректность настройки и качество сигнала, для этого входим в скрипт мониторинга, который отображает текущий уровень сигнала, текущий трафик, статистику сбоев и точную дальность линка, которая у нас оказалась 3059 метров.
Скрипт мониторинга показывает уровень сигнала, текущий трафик и статистику сбоев
Нас интересуют следующие метрики:
Divergence — расходимость пучка в мрад (миллирадиан), в нашем случае это 1.96 и 1.74 мрад.
Gain — текущий уровень яркости лазера.
CINR — (Carrier to Interference + Noise Ratio) отношение уровня сигнала к уровню шума.
FSO Speed — скорость, на которой работает оптический линк, в нашем случае 1000 мегабит.
Так выглядит настроенный линк: видеопоток и скрипт мониторинга запущенные на двух модемах одновременно.
Виедо: изображение с камер на модемах и статистика подключения
Тестирование
Настройка завершена, можно переходить к реальным тестам. Для начала измерим полосу пропускания с помощью утилиты jperf, это аналог iperf3 для Windows. Реально доступная ширина канала оказалась в районе 950 мегабит симметрично в обе стороны, то есть в режиме дуплекса. Это очень хороший результат.
(Кликабельно) Замеры полосы пропускания.
Обычно радиомосты, построенные на протоколе WiFi или проприетарных аналогах вроде nv2 от Mikrotik, вносят задержку в районе 2мс. У лазерных модемов, в идеальных условиях, задержка оказалась неотличима от кабельного подключения <1мс. Ниже скриншот с обычной утилитой ping, запущенной до удаленного хоста, находящегося за лазерным линком.
Задержка как у проводного подключения
Заключение
В целом впечатление положительное, заявленные характеристики соответствуют реальным. Особенно радует полное отсутствие задержки. Настройка пока остается сложной, без помощи производителя я бы не разобрался. Хотелось бы иметь веб-интерфейс, вместо консоли. Цена одного модема от 170 тыс. рублей, в зависимости от комплектации. Схожие по характеристикам решения вроде AirFiber стоят в районе 110тыс. рублей.
Спасибо компании НПК Катарсис за предоставленное оборудование и инженерам компании за помощь в настройке.
Организация устройства приема и передачи информации по оптическому каналу при помощи использования лазерного излучения малой мощности
Березина, А. А. Организация устройства приема и передачи информации по оптическому каналу при помощи использования лазерного излучения малой мощности / А. А. Березина. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 30 (320). — С. 20-22. — URL: https://moluch.ru/archive/320/72819/ (дата обращения: 18.03.2023).
В настоящей статье освещены вопросы реализации программной и аппаратной части простого устройства передачи информации по открытому оптическому каналу посредством использования направленного лазерного луча.
Ключевые слова: передача информации, лазерное излучение, программный алгоритм, широтно-импульсная модуляция, устройство приема, фотодиод.
При наличии требований об отсутствии проложения множества информационных проводников между сообщающимися элементами какой-либо технической системы, или в условиях, где избыточные проводные соединения способны оказывать негативное воздействие на работу устройства приемо-передающего тракта, применение метода организации беспроводной передачи информации может являться эффективным решением.
Беспроводная передача информации может быть организована различными способами, из которых наибольшее применение нашли передачи форматов Bluetooth и Wi-Fi, основным недостатком которых могут являться невысокие помехоустойчивость и степень защищенности информационного канала [1]. Также, множество устройств работают на радиочастотах, используемых для этих технологий, что приводит к снижению скорости передачи информации. Эти недостатки исключает способ применения инфракрасного канала, в свою очередь обладающего недостатком приемо-передачи на малые расстояния.
Одним из способов беспроводной передачи информации, не использующим радиодиапазон и, соответственно, исключающим недостатки описанных выше, может являться способ передачи информации по оптическому каналу при помощи использования направленного лазерного излучения.
1. Общая структура приема и передачи информации при помощи лазера
Устройство приема и передачи информации лазерным излучением включает в себя электронно-вычислительную машину (ЭВМ) оператора, лазерный луч с управляемой микроконтроллером широтно-импульсной модуляцией, устройство приема на основе фотодиодов и устройство вывода полученных данных. Общая структурная схема устройства приемо-передающего информационного тракта, организованного при помощи лазерного излучения приведена на рисунке 1.
Рис. 1. Общая структурная схема устройства приемо-передающего информационного тракта, организованного при помощи лазерного излучения
Оператор формирует массив данных, содержащий необходимую к передаче информацию, в виде двоичного кода, поступающего на логические выходы микроконтроллера с широтно-импульсной модуляцией, являющейся основой управления излучением блока модуляции. Далее, модулированный лазерный луч, интерпретируемый заданной последовательностью, приходит парциальными пакетами на поверхность фотодиодов, выводы которых подключаются к АЦП устройства приема, после чего, принятая информация поступает на устройство вывода данных. Общий схематичный вид такой передачи приведен на рисунке 2 в виде упрощенной модели.
Рис. 2. Общий схематичный вид приемо-передачи в виде упрощенной модели
2. Программно-аппаратная реализация модуляции лазерного луча
Аппаратная реализация модуляции лазерного излучения обусловлена работой каскада электрической схемы силового тактирующего ключа на основе N-канального полевого транзистора, проиллюстрированного на рисунке 3.
Рис. 3. Каскад электрический схемы силового тактирующего ключа на основе N-канального полевого транзистора
Напряжение питания, приходящее с выходов источника на сток N– канального транзистора, подается на вход лазерного излучателя с временными задержками, дублируемыми частотами управляющего сигнала, приходящего с микроконтроллера на затвор. Важнейшей характеристикой транзистора, в данном режиме работы, является сопротивление его открытого канала, что очень важно учитывать при выборе модели транзистора [2].
Достаточно простой алгоритм временных задержек, определяемый информацией в виде двоичного кода и представляющий из себя простой набор двух команд считывания логических нуля и единицы, может быть реализован практически в любой среде программирования микроконтроллерных устройств. В рамках написания данной статьи были использованы популярная среда разработки «Arduino IDE» и соответствующая отладочная аппаратная платформа «Arduino Uno» на базе микроконтроллера ATmega328. Листинг простого программного алгоритма, способствующего передаче информации за счет регулирования величины модуляции лазера представлен на рисунке 4.
Рис. 4. Листинг программного алгоритма, способствующего передаче информации за счет регулирования модуляции лазера
В алгоритме, листинг которого проиллюстрирован на рисунке 4, в качестве порта с ШИМ-модуляцией использовался 9 порт платы Arduino Uno, а в качестве временной задержки был выбран интервал в 250 мсек.
Заключение
Передача информации по оптическому каналу с использованием направленного лазерного излучения может являться оптимальным решением в условиях, где необходимо передавать информацию на немалые расстояния, при собственной помехозащищенности и надежности канала связи. Примером подобных условий, может являться космическое пространство, где к конструкции секторов антенны управляемой формы, помимо приема информации и корректной работы, предъявляются требования минимизировать собственную массу, что обеспечивается исключением большого количества проводов. В настоящей статье, на примере упрощенного представления, был освещен метод организации приемо-передающего тракта по оптическому каналу с использованием лазерного луча.
Лазерная связь — еще один способ беспроводной связи
Сегодня невозможно представить себе нашу жизнь без компьютеров и сетей на их основе. Человечество стоит на пороге нового мира, в котором будет создано единое информационное пространство. В этом мире осуществлению коммуникаций больше не будут препятствовать ни физические границы, ни время, ни расстояния.
Сейчас во всем мире существует огромное количество сетей, выполняющих различные функции и решающих множество разнообразных задач. Раньше или позже, но всегда наступает момент, когда пропускная способность сети бывает исчерпана и требуется проложить новые линии связи. Внутри здания это сделать относительно легко, но уже при соединении двух соседних зданий начинаются сложности. Требуются специальные разрешения, согласования, лицензии на проведение работ, а также выполнение целого ряда сложных технических требований и удовлетворение немалых финансовых запросов организаций, распоряжающихся землей или канализацией. Как правило, сразу же выясняется, что самый короткий путь между двумя зданиями — это не прямая. И совсем необязательно, что длина этого пути будет сопоставима с расстоянием между этими зданиями.
Конечно, всем известно беспроводное решение на основе различного радиооборудования (радиомодемов, малоканальных радиорелейных линий, микроволновых цифровых передатчиков). Но количество сложностей не уменьшается. Эфир перенасыщен и получить разрешение на использование радиооборудования весьма непросто, а иногда — даже невозможно. Да и пропускная способность этого оборудования существенно зависит от его стоимости.
Мы предлагаем воспользоваться новым экономичным видом беспроводной связи, который возник совсем недавно, — лазерной связью. Наибольшее развитие эта технология получила в США, где и была разработана. Лазерная связь обеспечивает экономичное решение проблемы надежной и высокоскоростной ближней связи (1,2 км), которая может возникнуть при объединении телекоммуникационных систем разных зданий. Ее использование позволит осуществить интеграцию локальных сетей с глобальными, интеграцию удаленных друг от друга локальных сетей, а также обеспечить нужды цифровой телефонии. Лазерная связь поддерживает все необходимые для этих целей интерфейсы — от RS-232 до АТМ.
Как осуществляется лазерная связь?
Лазерная связь в отличие от GSM связи позволяет осуществлять соединения типа «точка-точка» со скоростью передачи информации до 155 Мбит/с. В компьютерных и телефонных сетях лазерная связь обеспечивает обмен информацией в режиме полного дуплекса. Для приложений, не требующих высокой скорости передачи (например, для передачи видеосигнала и сигналов управления в системах технологического и охранного телевидения), имеется специальное экономичное решение с полудуплексным обменом. Когда требуется объединить не только компьютерные, но и телефонные сети, могут применяться модели лазерных устройств со встроенным мультиплексором для одновременной передачи трафика ЛВС и цифровых групповых потоков телефонии (Е1/ИКМ30).
Лазерные устройства могут осуществлять передачу любого сетевого потока, который доставляется им при помощи оптоволокна или медного кабеля в прямом и обратном направлениях. Передатчик преобразует электрические сигналы в модулированное излучение лазера в инфракрасном диапазоне с длиной волны 820 нм и мощностью до 40 мВт. В качестве среды распространения лазерная связь использует атмосферу. Затем лазерный луч попадает в приемник, имеющий максимальную чувствительность в диапазоне длины волны излучения. Приемник производит преобразование излучения лазера в сигналы используемого электрического или оптического интерфейса. Так осуществляется связь с помощью лазерных систем.
Семейства, модели и их особенности
В этом разделе мы хотим представить Вам три семейства наиболее популярных в США лазерных систем — LOO, OmniBeam 2000 и OmniBeam 4000 (таблица 1). Семейство LOO является базовым и позволяет осуществлять передачу данных и голосовых сообщений на расстояние до 1000 м. Семейство OmniBeam 2000 имеет аналогичные возможности, но действует на большее расстояние (до 1200 м) и может передавать видеоизображения и комбинацию данных и речи. Семейство OmniBeam 4000 может осуществлять высокоскоростную передачу данных: от 34 до 52 Мбит/с на расстояние до 1200 м и от 100 до 155 Мбит/с — до 1000 м. На рынке представлены и другие семейства лазерных систем, но они либо покрывают меньшее расстояние, либо поддерживают меньшее количество протоколов.
Таблица 1.
Ethernet (10 Мбит/с)
Token Ring (416 Мбит/с)
Комбинация данных и речи
Высокоскоростная передача данных (34-155 Мбит/с)
Каждое из семейств включает в себя набор моделей, поддерживающих различные коммуникационные протоколы (таблица 2). В семейство LOO входят экономичные модели, которые обеспечивают передачу на расстояние до 200 м (буква «S» в конце наименования).
Таблица 2.
Модель
LOO-28
LOO-28S
LOO-38
LOO-38S
OB2046
OB2846
OB2000E1
OB2000E
OB4000
Поддерживаемый протокол
Ethernet IEEE802.3 FOIRL
Ethernet IEEE802.3 AUI
E1CCITT G.703 DA-15
Ethernet IEEE802.3 FOIRL и E1 CCITT G.703 DA-15
E1 CCITT G.703 DA-15
Ethernet IEEE802.3 FOIRL
Е3; SONET1/OC1; ATM52; Fast Ethernet 802.3U; FDDI; SONET3/OC3; ATM155
Несомненным достоинством лазерных устройств связи является их совместимость с большинством телекоммуникационного оборудования различного назначения (концентраторов, маршрутизаторов, повторителей, мостов, мультиплексоров и АТС).
Установка лазерных систем
Немаловажным этапом создания системы является ее инсталляция. Собственно включение занимает ничтожно малое время по сравнению с монтажом и настройкой лазерного оборудования, которые продолжаются несколько часов при условии их выполнения хорошо обученными и оснащенными специалистами. При этом от качества выполнения этих операций будет зависеть и качество работы самой системы. Поэтому перед представлением типовых вариантов включения мы хотели бы уделить некоторое внимание этим вопросам.
При наружном размещении приемопередатчики могут устанавливаться на поверхности крыш или стен. Лазер монтируется на специальной жесткой опоре, обычно металлической которая крепится к стене здания. Опора также обеспечивает возможность регулировки угла наклона и азимута луча.
В этом случае для удобства монтажа и обслуживания системы ее подключение осуществляется через распределительные коробки (РК). В качестве соединительных кабелей обычно используют оптоволокно для цепей передачи данных и медный кабель для цепей питания и контроля. Если оборудование не имеет оптического интерфейса данных, то возможно использование модели с электрическим интерфейсом или внешнего оптического модема.
Блок питания (БП) приемопередатчика всегда устанавливается внутри помещения и может крепиться на стене или в стойке, которая используется для оборудования ЛВС или кросса структурированных кабельных систем. Рядом может быть установлен и монитор состояний, который служит для дистанционного контроля функционирования приемопередатчиков семейств ОВ2000 и ОВ4000. Его использование позволяет осуществлять диагностику лазерного канала, индикацию величины сигнала, а также закольцовывание сигнала для его проверки.
При внутреннем монтаже лазерных приемопередатчиков необходимо помнить о том, что мощность лазерного излучения падает при прохождении через стекло (не менее 4% на каждом стекле). Другая проблема — капли воды, стекающие по внешней стороне стекла во время дождя. Они играют роль линз и могут привести к рассеиванию луча. Чтобы уменьшить этот эффект, рекомендуется устанавливать оборудование вблизи верхней части стекла.
Для обеспечения качественной связи необходимо учесть некоторые основные требования.
Самым главным из них, без выполнения которого связь будет невозможна, является то, что здания должны находится в пределах прямой видимости, при этом не должно быть непрозрачных препятствий на пути распространения луча. Кроме того, поскольку лазерный луч в области приемника имеет диаметр 2 м, необходимо, чтобы приемопередатчики находились над пешеходами и потоком транспорта на высоте не ниже 5 м. Это связано с обеспечением правил безопасности. Транспорт также является источником газов и пыли, которые влияют на надежность и качество передачи. Луч не должен распространяться в непосредственной близости от линий электропередач или пересекать их. Необходимо учесть возможный рост деревьев, движения их крон при порывах ветра, а также влияние атмосферных осадков и возможные сбои в работе из-за пролетающих птиц.
Правильный выбор приемопередатчика гарантирует устойчивую работу канала во всем диапазоне климатических условий России. Например, при большом диаметре луча уменьшается вероятность сбоев, связанных с атмосферными осадками.
Лазерное оборудование не является источником электромагнитного излучения (ЭМИ). Однако если разместить его вблизи приборов с ЭМИ, то электронное оборудование лазера будет улавливать это излучение, что может вызвать изменение сигнала как в приемнике, так и в передатчике. Это повлияет на качество связи, поэтому не рекомендуется размещать лазерное оборудование вблизи таких источников ЭМИ, как мощные радиостанции, антенны и т.п.
При установке лазера желательно избегать ориентации лазерных приемопередатчиков в направлении восток-запад, так как несколько дней в году солнечные лучи могут на несколько минут перекрыть лазерное излучение, и передача станет невозможной, даже при наличии специальных оптических фильтров в приемнике. Зная, как движется солнце по небосклону в конкретном районе, можно легко решить эту проблему.
Вибрация может вызвать сдвиг лазерного приемопередатчика. Во избежание этого не рекомендуется устанавливать лазерные системы вблизи моторов, компрессоров и т.п.
Рисунок 1. Размещение и подключение лазерных приемопередатчиков.
Несколько типовых способов включения
Лазерная связь поможет решить проблему ближней связи при соединении типа «точка-точка». В качестве примеров рассмотрим несколько типовых вариантов или способов включения. Итак, у вас есть центральный офис (ЦО) и филиал (Ф), в каждом из которых функционирует компьютерная сеть.
На рисунке 2 представлен вариант организации канала связи для случая, в котором требуется объединить Ф и ЦО, использующие в качестве сетевого протокола Ethernet, а в качестве физической среды — коаксиальный кабель (толстый или тонкий). В ЦО находится сервер ЛВС, а в Ф — компьютеры, которые требуется подключить к этому серверу. С помощью лазерных систем, например моделей LOO-28/LOO-28S или ОВ2000Е, вы легко решите эту проблему. Мост устанавливается в ЦО, а повторитель в Ф. Если мост или повторитель имеет оптический интерфейс, то оптический минимодем не потребуется. Лазерные приемопередатчики подключаются посредством сдвоенного оптоволокна. Модель LOO-28S позволит вам осуществлять связь на расстоянии до 213 м, а LOO-28 — до 1000 м при угле «уверенного» приема 3 мрад. Модель ОВ2000Е покрывает расстояние до 1200 м при угле «уверенного» приема 5 мрад. Все эти модели работают в режиме полного дуплекса и обеспечивают скорость передачи 10 Мбит/с.
Рисунок 2. Подключение удаленного сегмента ЛВС Ethernet на основе коаксиального кабеля.
Подобный же вариант объединения двух сетей Ethernet, использующих в качестве физической среды витую пару (10BaseT) приведен на рисунке 3. Его отличие заключается в том, что вместо моста и повторителя используются концентраторы (хабы), имеющие необходимое число разъемов 10BaseT и один интерфейс AUI или FOIRL для подключения лазерных приемопередатчиков. В этом случае необходимо установить лазерный приемопередатчик LOO-38 или LOO-38S, который обеспечивает требуемую скорость передачи в режиме полного дуплекса. Модель LOO-38 может поддерживать связь на расстоянии до 1000 м, а модель LOO-38S — до 213 м.
Рисунок 3. Подключение удаленного сегмента ЛВС Ethernet на основе витой пары.
На рисунке 4 представлен вариант комбинированной передачи данных между двумя ЛВС (Ethernet) и группового цифрового потока E1 (ИКМ30) между двумя УАТС (в ЦО и Ф). Для решения этой проблемы подходит модель ОВ2846, которая обеспечивает передачу данных и речи со скоростью 12 (10+2) Мбит/с на расстояние до 1200 м. ЛВС подключается к приемопередатчику при помощи сдвоенного оптоволокна через стандартный SMA-разъем, а телефонный трафик передается посредством коаксиального кабеля 75 Ом через BNC-разъем. Необходимо отметить тот факт, что мультиплексирование потоков данных и речи не требует дополнительного оборудования и выполняется приемопередатчиками без снижения пропускной способности каждого из них в отдельности.
Рисунок 4. Объединение вычислительных и телефонных сетей.
Вариант осуществления высокоскоростной передачи данных между двумя ЛВС (LAN «A» в ЦО и LAN «B» в Ф) с использованием коммутаторов АТМ и лазерных приемопередатчиков представлен на рисунке 5. Модель ОВ4000 позволит решить проблему высокоскоростной ближней связи оптимальным образом. Вы получите возможность передавать потоки Е3, ОС1, SONET1 и ATM52 с требуемыми скоростями на расстояние до 1200 м, а потоки 100 Base-VG или VG ANYLAN (802.12), 100 Base-FX или Fast Ethernet (802.3), FDDI, TAXI 100/140, OC3, SONET3 и ATM155 с требуемыми скоростями — на расстояние до 1000 м. Передаваемые данные доставляются на лазерный приемопередатчик при помощи стандартного сдвоенного оптоволокна, подключаемого через SMA-разъем.
Рисунок 5. Объединение высокоскоростных телекоммуникационных сетей.
Приведенные примеры не исчерпывают всех возможных вариантов применения лазерного оборудования.
Что выгодней?
Попробуем определить место лазерной связи среди остальных проводных и беспроводных решений, кратко оценив их достоинства и недостатки (таблица 3).
Таблица 3.
Медный кабель
Оптоволокно
Радиоканал
Лазерный канал
от 3 до 7 тыс. дол. за 1 км
до 10 тыс. дол. за 1 км
от 7 до 100 тыс. дол. за комплект
12-22 тыс. дол. за комплект
Время на подготовку и выполнение монтажа
Подготовка работ и прокладка — до 1 месяца; установка HDSL-модемов — несколько часов