nabbla (nabbla1) wrote,
nabbla
nabbla1

Category:

Радиоканал или лазерный луч? ч1: Чувствительность приемника

Попытаюсь систематизировать разрозненную информацию по лазерной связи, пока что нулевое приближение, жирными мазками, в надежде увидеть картину в целом.

Обычно лазерную связь считают естественным продолжением радиосвязи на более высоких частотах, ведь чем выше частота - тем больше каналов мы можем уместить без страха, что займем весь спектр, тем меньше можно сделать приемные и передающие антенны, обеспечивая при этом нужную направленность. Повышение частоты всегда выгодно, но требует разработки новых компонентов, способных хорошо работать на такой частоте, вон, раньше сидели на УКВ, а теперь повсеместно спутники вещают на Ku и даже на Ka. Тогда получается, что дальнейшее наращивание частоты - лишь вопрос времени, а в конце концов мы должны прийти к оптике, причем чем меньше длина волны - тем лучше.

На самом деле ситуация сложнее, даже если пока убрать из рассмотрения атмосферу и вопросы наведения узких лучей. Чем выше частота - тем выше энергия фотонов, из которых по сути и состоит наш сигнал, а значит, при той же мощности их количество резко падает. Принимая слабое оптическое излучение, мы уже "видим" отдельные фотоны и замечаем дробовой шум, статистический характер сигнала, из-за чего получить безошибочно цифровой сигнал становится затруднительно.


На радиочастотах фактором, определяющим максимальную достижимую чувствительность приемника, является тепловой шум. Если входные цепи имеют температуру T, а мы усиливаем диапазон частот Δf, то в придачу к полезному сигналу мы получим шум с мощностью 4kбTΔf. Реально добавленный шум будет больше, и у "ширпотреба" чувствительность будет меньше на 2-3 порядка, но даже она внушает благоговейный трепет.

Скажем, радиоприемник имеет чувствительность 5 мкВ при входном сопротивлении около 50 Ом, это означает входную мощность в 0.5 пВт, т.е 0.5*10-12 Вт (!!!). Телевизору нужна более высокая полоса, не 15 кГц (звук неплохого качества), а все 8 МГц, поэтому у него и чувствительность ниже, уже 50..100 мкВ, т.е 50..200 пВт. Если же использовать охлаждаемый входной усилитель, хитрючие схемотехнические решения (параметрические усилители и иже с ними) и вообще выжимать из устройства максимум, чувствительность можно пододвинуть очень близко к теоретическому максимуму.

Запомним пока, что на каждый МГц полосы будем получать мощность теплового шума около 20 фВт (фемтоватт), а для надежной передачи данных сигнал должен превышать шум еще по крайней мере в 10 раз. Для передачи данных со скоростью 1 МБит/с на приемник должно попадать хотя бы 0.2 пВт полезного сигнала.

Когда мы принимаем оптический сигнал, то определяющим фактором становится уже квантованность этого сигнала. Как правило, считается, что количество принятых фотонов подчиняется распределению Пуассона, ведь передатчик каждую секунду излучает невообразимое N фотонов, но вероятность p, что излученный фотон попадет в приемник крайне мала, а среднее количество попавших фотонов λ=Np - некоторая умеренная величина, десятки штук - типичный Пуассон.

Если применить самый примитивный метод кодирования - On-Off-Keying (OOK)
librarian-1a,
то для получения вероятности ошибки на бит (BER) 10-7 нужно, чтобы на приемник попадало хотя бы 17 фотонов на бит, и это без учета квантовой эффективности и пропускания объектива.

Допустим, что мы передаем информацию на длине волны 550 нм - злобный зеленый лазер. Энергия одного фотона 2.25 эВ, так что для передачи 1 МБит/с (как в предыдущем примере) мы должны подавать на приемник хотя бы 2.25 эВ * 1e6 с^-1 * 17 = 6 пВт полезного сигнала, в 30 раз больше, чем в случае радиоканала!

Становится понятно, почему в лазерных линиях связи стараются использовать ближний ИК, а не видимый свет, хотя казалось бы - есть и зеленые лазеры с нехилым к.п.д, и приемники видимого излучения, способные уловить один-единственный фотон и не дающие ложных срабатываний, взять хотя бы старые добрые ФЭУ. Да, это все хорошо, но фотоны больно крупные! Есть даже идеи "скатиться" до 10 мкм, это уже средний ИК.

Конечно, есть другие методы кодирования сигнала, так, в JPL нежно любят фазо-импульсную модуляцию PPM (Pulse-position modulation), когда время прихода очередного импульса кодирует несколько бит информации. Тогда те же самые 17 фотонов могут кодировать не один бит, а, скажем, 8 бит, как это было сделано на LADEE. Но 16 бит закодировать уже явно не удастся, это потребует около 65536 периодов паузы между импульсами - лазер оказывается недоиспользован. Мало того, PPM-сигнал имеет широкий спектр (чем уже импульс и больше пауза между отдельными импульсами, тем шире спектр), что означает - мы должны ставить светофильтр со столь же широкой полосой пропускания, иначе он смажет фронты! Назначение светофильтра - оградить нас от фоновой засветки приемника, в какой-то момент именно она может стать решающим фактором, определяющим необходимую входную мощность. Сейчас JPL решает задачу фоновой засветки, используя длиннофокусные телескопы с малым полем зрения и диафрагму в фокальной плоскости, чтобы максимально снизить телесный угол, с которого приходит паразитный сигнал.

И уже сейчас стоит упомянуть - в оптической связи объектив передатчика и приемника играют совершенно разные роли. Задача первого - сформировать необходимую диаграмму направленности, а второго - собрать побольше фотончиков. В принципе, для этого необязательно использовать одно большое зеркало с разрешением, ограниченным дифракцией, можно применить несколько маленьких объективов, на каждого по детектору - "счетчику фотонов", а их показания суммировать. Другое дело, что большой объектив дает дополнительную выгоду - пространственную фильтрацию.

Есть распространенное заблуждение - раз длина волны у нас при переходе от радиоволн к оптике уменьшилась на порядки, то мы можем на порядки уменьшить объективы передатчика и приемника и получить ту же пропускную способность, что и раньше при сравнимой мощности. Увы, реальность куда суровее, от аналогий между оптикой и радио толку мало.

Скажем, у нас были сравнимых размеров излучающая "тарелка" на спутнике и приемная на Земле, диаметрами 0.55 м. При переходе к оптическому каналу, мы можем избавиться от тарелки на спутнике, чуть ли не напрямую волокно вывести, что даст прежнюю диаграмму направленности, но вот на Земле понадобится телескоп с зеркалом 0.55 м (или даже больше, учитывая снижение чувствительности приемника) - это уже не кусок металла на кронштейне за 300 рублей, а прибор, достойный обсерватории.

Или надо ставить похожих размеров объективы и на спутнике, и на Земле, но теперь уже точно наводить их друг на друга, и понятно, что связь будет строго индивидуальной.


Продолжение следует...
Tags: работа, странные девайсы
Subscribe

  • Ремонт лыжных мостиков

    Вернулся с сегодняшнего субботника. Очень продуктивно: отремонтировали все ТРИ мостика! Правда, для этого надо было разделиться, благо народу…

  • Гетто-байк

    В субботу во время Великой Октябрьской резни бензопилой умудрился петуха сломать в велосипеде. По счастью, уже на следующий день удалось купить…

  • А всё-таки есть польза от ковариаций

    Вчера опробовал "сценарий", когда варьируем дальность от 1 метра до 11 метров. Получилось, что грамотное усреднение - это взять с огромными весами…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 9 comments