стационарным сггутником / « 47 ООО км. Таким образом, потери на трассе (Х/4 я/)* будут около 275 дБ. Вычисления, приведенные в табл. 16.2, показывают, что ожидаемый уровень мощности на входе приемника порядка 0,2 иВт (- 67 дБм). Показано, что оптический гетеродинный приемник, использующий охлаждаемый фотодиод из теллу-рида кадмия с добавкой ртути обеспечивает на практике достижение этого уровня чуствительности приемника. Уровень шума приемника, измеренный при скорости передачи данных 300 Мбит/с, оказался равным входной мощности шума и составил - 84 дБм. Это находится в пределах 10 дБ квантового предега детектирования, равного Л/А/. Было устаиовлеио, что отношение сигиал-шум, равное 14 дБ, достаточно для обеспечения вероятности ошибки менее, чем 10~*. Таким образом, уровень сигнала - 70 дБм или 0,1 нВт должен быть достаточным, причем в наших вычислениях имеется неучтенный запас мощности в 3 дБ. Увеличение чувствительности на два или три порядка по сравнению с прямым детектированием иа длинах волн в области 1 мкм может быть отиесеио частично за счет уменьшения квантового (дробового) шума и частично за счет использования гетеродиииого метода детектирования.

В качестве гетеродина использовался небольшой световодиый лазер на СО, с внешней стабилизацией. Он давал 65 мВт выходной мощности и обеспечивал перестройку по частоте в пределах ±300 МГц ирн нестабильности частоты 150 кГц.

Интересной особеииостью оптической спутниковой системы является наличие доплеровского изменения частоты в принимаемой волгге, вызываемого относительным передвижением источника излучения и приемника. Относительная скорость передвижения геостационарного

Фотадтектор

Источник излучения

В кодпой - зрачон

Вторичное параболическое

зеркало

Вторичнал

диагональ

Первичное параВоли-Чесное зеркало

Зеркало слежения

Рис. 16.15. Оптическая система, разработанная для спутникового связного приемопередатчика. (Взято нз [16.4] ©, 1977, 1ЕЕЕ]

И низкоорбитальиого спутников может доходить до 8 км/с, что создает доплеровский сдвиг частоты более чем на ± 700 МГц иа длине волиы 10,6 мкм. Если /с - частота излучаемой волны, а /г - частота принимаемой волиы, то доплеровский сдвиг частоты

Af = /r-/c = /cV/c = vA. (16.5.1)

При данных значениях (v = 8 км/с, Я, = 10,6 мкм) Д/ = 755 МГц.

Из этого примера видно, что в будущих системах связи для ближнего и дальнего космоса лазерная связь может играть важную роль. Но она всегда будет конкурировать с микроволновыми системами связи, которые уже разработаны и проверены в земных условиях.

ЗАДАЧИ

16.1. Передатчик открытой оптической системы связи состоит нз диффузного источника излучения, работающего на длине волны 0,85 мкм, и оптической системы с апертурой 8. Определить предельный диаметр источника излучения, при котором расходимость пучка будет дифракционно ограниченной.

16.2. В простой открытой оптической системе связи в качестве источника излучения использован светодиод, который прн нормальном смещении представляет собой диффузный источник диаметром 0,1 мм. излучающий в воздух 10 мВт. В приемнике в качестве детектора использован фотодиод с диаметром светочувствительной площадки 1 мм. Для обеспечения требуемых характеристик системы мощиоть падающего на фотодиод излучения должна быть не менее 1 иВт.

а) Определить энергетическую яркость источника излучения и его нормальную интенсивность.

б) Найти максимальную дальность связи, обеспечиваемую этой системой, если не используются никакие коллимирующие устройства в передатчике и фокусирующие устройства в приемнике.

в) Вычислить, во сколько раз увеличится дальность связи, если сначала установить в передатчике коллимирующую длину диаметром 50 мм, а затем такую же линзу использовать для фокусировки принимаемого излучения на фотодетекторе.

г) Определить требуемую точность наведения луча на приемник, если упомя нутая в пункте в) линза передатчика имеет апертуру 4.

16.3. Доказать справедливость формулы (16.2.13).

16.4. Пучок на выходе 10-ваттного лазера иа углекислом газе имеет гауссов профиль интенсивности. Лазер должен быть использован в качестве источника излучения в оптической системе связи, работающей иа длине волиы 10,6 мкм.

После расширения пучка до характеристического радиуса диаметр выходной апертуры стал равен 50 мм.

а) Вычислить плотность мощности в центре пучка на расстоянии 100 км (затуханием в атмосфере пренебречь). Получить ответ в нВт/мм*.

б) Определить требуемую точность наведения пучка на приемник, чтобы обеспечить изменение плотности мощности падающего на малоразмерный фотодетек-тор излучения при переходе от центра пучка к краю в пределах, определяемых коэффициентом ехр (-0,09), т. е. в пределах 9 % плотности мощности в центре.

в) Выразить общие потери при передаче (в дБ) в виде суммы коэффициента усиления антенны передатчика, коэффициента усиления антенны приемника и основных потерь передачи на трассе, приняв Лу= nrl " r IO""* м.

16.5. Приведенные на рис. 16.5 результаты измерения потерь в атмосфере показывают, что на длине волны 10,6 мкм потери на поглощение составляют около 25 % на дальности 1,8 км.

а) Получить этот результат в виде затухания, выраженного в дБкм.

б) Определить влияние этих потерь на величину принимаемой мощности на трассе длиной 100 км для условий задачи 16.4.

16.6. а) Исходя из энергии электронов на верхнем и нижнем лазерных уровнях, определить оптимальный КПД, который мог бы быть получен, если бы можно было использовать всю мощность накачки для возбуждения электронов с основного на верхний рабочий энергетический уровень лазера. Воспользоваться рис. 16.6 и 16.9 и начти значения этих «идеальных» КПД для неодимового лазера и лазера на углекислом газе.

б) Проанализировать основные эффекты, приводящие к значительному уменьшению фактических КПЦ, лaзJpoв по сравнению с «идеальным» КПД, найденным в а).

16.7. Оптическая длина резонатора неодимового лазера равна 15 см. Определить время пролета фотона в нем. Исходя из этого, найти приближенную длительность импульса лазерного излучения при использовании накачки и определить ожидаемую частоту повторения этих импульсов, если перевести лазер в режим синхронизации мод.

16.8. Определить расчетные пороговые длины воли для материалов фоюкато-дов, приведенных в табл. 16.1 и сравнить найденные значения с данными рис. 16.11.

16.9. Сравнить между собой значения шума, создаваемого фоном, и квантового шума, определяемого (16.4.25), если гетеродинный фотодетектор, работающий на квантовом пределе детектирования, направлен непосредственно на Солице. Принять спектральную облученность, создаваемую Солнцем иа длине волиы 10,6 мк.м, равной 0,2 Втм-.мкм"-, квантовую эффективность фотодетектора - 0,2, площадь фотодетектора - 1 мм. На основании полученных результатов прокомментировать утверждение, сделанное в конце § 16.4.

16.10. Сравнить значения коэффициента усиления антенны и расходимости луча, приведенные в § 16.5.2, с теоретическими, найденными по формулам § 16.2.

РЕЗЮМЕ

Открытые оптические системы связи в настоящее время играют незначительную роль и применяются в случаях, когда один из терминалов должен быть подвижным или необходимо пересечь трудные участки местности. Они всегда вынуждены конкурировать с радио- и микроволновыми линиями связи и чувствительны к атмосферным условиям. В отличие от волоконно-оптических систем связи здесь возможен более широкий выбор компонентов для источника излучения и фотодетектора, а также способов модуляции.