Методы получения радиолокационной информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Методы получения радиолокационной информации
• 2. Системы ЦОС
• 3. Оптоволокно
• 3.1 Стандарты оптических волокон

3.2 Разъемы оптических волокон

3.3 Передача информации по оптоволокну

• 4. Гигабитный Ethernet(1000base-T)28
• 5. VPX стандарт
• Заключение
• Список литературы
• Введение
• Радиолокация - область радиоэлектроники, занимающаяся применением радиоволн для обнаружения, определения координат и измерения параметров движения различных объектов. Все объекты наблюдения в радиолокации называются целями. К ним относятся, например, корабли, самолёты, танки и др. Операции, выполняемые в радиолокации для обнаружения целей, измерения их координат и параметров движения, называются радиолокационным наблюдением.
• Структура радиолокационного канала. Она включает в себя собственно РЛС, носитель РЛС, среду распространения радиоволн, группу объектов, систему навигации и систему индикации и управления каналом (рис.%). Все эти элементы структуры участвуют в процессе обнаружения и определения характеристик заданных объектов.
• Группа объектов состоит из заданных объектов (целей), вспомогательных объектов (ориентиров), сопутствующих объектов (фона), объектов излучающих или переизлучающих помеховые сигналы (источников помех).
• Цели - заданные объекты, которые могут иметь различную физическую природу: воздушные цели (самолёты, ракеты, облака, дождь, турбулентности атмосферы и т.п.), наземные цели (скопление войск и отдельные виды техники, взлётные полосы аэродромов и сельскохозяйственные угодья, инженерные сооружения и дороги и т.п.), морские цели (корабли, ледовые поля, морская поверхность).
• Ориентиры - вспомогательные объекты, которые помогают решать основную задачу обнаружения и определения характеристик целей. Так, например, ориентир - объект с известными координатами - используется для высокоточного определения координат целей, расположенных вблизи от этого объекта. Фон - сопутствующие объекты, которые обычно препятствуют обнаружению целей. Так, если малоразмерная цель наблюдается на фоне подстилающей (земной) поверхности, то фон маскирует цель. Сигнал от фона намного превышает сигнал от цели, что требует особой системы обработки сигналов для подавления сигнала фона и выделения сигнала цели.

Размещено на http://www.allbest.ru/

• Рисунок 1. Структура радиолокационного канала.
• радиолокационный канал оптический волокно
• Активные и пассивные источники помех являются объектами, которые излучают или переизлучают сигналы, мешающие обнаружению сигналов цели. Помехи обычно используются в процессе радиоэлектронной борьбы, однако они могут быть и непреднамеренными (естественными), например в виде излучения других радиопередающих устройств. Пассивные помехи создаются специальными отражателями (облака диполей, аэрозолей и других образований), отражения от которых маскируют сигналы целей.
• Среда распространения радиоволн - пространство между РЛС и объектом. Обычно считается, что электромагнитная волна от объекта до РЛС распространяется прямолинейно и с постоянной скоростью. Наличие неоднородности среды (коэффициента преломления) вносит ошибки в процесс измерения характеристик цели, а потери энергии вследствие поглощения в среде приводят к уменьшению дальности обнаружения целей. Поэтому при решении радиолокационных задач требуется учитывать характеристики среды распространения.
• РЛС - включает в себя собственно аппаратуру РЛС («железо») и программное обеспечение (ПО) работы РЛС. Аппаратура РЛС включает в себя следующие основные блоки:
• антенные и приёмо-передающие модули. Антенно-фидерные устройства модулей обеспечивают направленное излучение и приём радиоволн с учётом их поляризации. Передающие модули обеспечивают усиление, амплитудную и фазовую модуляцию радиочастотных колебаний. Приёмные модули обеспечивают малошумящее усиление и преобразование частоты принимаемых радиочастотных колебаний;
• синтезатор сигналов, который генерирует колебания заданной радиочастоты, частот модуляции и преобразования для приёмопередающих модулей;
• процессор обработки сигналов, выполняющий с помощью аналоговых и цифровых устройств заданный алгоритм обработки принимаемых колебаний (синтезирования апертуры);
• БЦВМ управления и обработки данных, обеспечивающая согласование работы и режимов всех устройств РЛС и носителя РЛС в соответствии с решаемой задачей, а также обработку данных с выхода сигнального процессора.
• Кроме перечисленных составных частей РЛС, в неё также входят устройства технической диагностики, источники питания, сеть распределения сигналов и коммутационные устройства.
• Система навигации снабжает необходимой информацией системы обработки сигналов управления.
• Система индикации и управления обеспечивает связь между оператором и РЛС с использованием устройств отображения информации интеллектуальных систем управления, реализуемых с помощью ЭВМ.
• Носитель РЛС выполняет не только транспортные функции, но и обеспечивает заданное пространственное положение РЛС (траекторию), исходя из задачи формирования требуемого пространственно-временного траекторного сигнала.
• В соответствии с заданным режимом работы синтезатор сигналов вырабатывает высокочастотные колебания несущей частоты зондирующего сигнала, а также частоты преобразования и модуляции сигналов.
• Излучённая электромагнитная волна, пройдя среду распространения от РЛС до объекта, формирует поле облучения объекта. В зависимости от свойств объекта и параметров поля облучения, характеризуемых функцией отражения объекта, формируется рассеянная объектом ЭМВ, распространяющаяся в сторону РЛС. Отражённая от объекта ЭМВ, пройдя среду распространения от объекта до РЛС, возбуждает поле на апертуре приёмных антенных модулей.
• Процессор обработки сигналов и БЦВМ выполняют заданные алгоритмы синтезирования апертуры, обнаружения, определения координат и распознавания цели, обеспечения помехозащищённости и другие алгоритмы. Полученные данные используются оператором и подаются в другие системы (разведка, оружие, оборона и т.п.).
• 1. Методы получения радиолокационной информации
• Носителями информации о целях являются принимаемые РЛ сигналы. Прием этих сигналов обеспечивается в результате вторичного излучения, переизлучения или собственного излучения радиоволн целью. Различают соответственно активную радиолокацию с пассивным ответом, активную радиолокацию с активным ответом и пассивную радиолокацию.
• Активная радиолокация с пассивным ответом основана на использовании эффекта вторичного излучения (отражения) радиоволн (рис. 1, а). Активный ее характер состоит в облучении цели мощными зондирующими колебаниями. Пассивным ответом на облучение является вторичное излучение радиоволн. Особенности вторичного излучения существенно влияют на характер этого метода радиолокации. На активную радиолокацию с пассивным ответом существенно влияет также и характер размещения приемной и передающей аппаратуры на позиции. Если приемная позиция совмещена с передающей, активное РЛ средство называют совмещенным.
• Совмещенное средство часто содержит одну антенну, коммутируемую поочередно на передачу и прием. Возможен разнос приемной и передающей позиций на расстояние d, называемое базой. Базы бывают не только постоянными d = const (рис. 1, б), но и переменными (рис. 1, в). Приемный пункт, например головка самонаведения (рис. 1, в), располагается на ракете, так что d = var. Наряду с однобазовыми (двухпозиционными) разнесенными активными РЛ средствами возможны многобазовые (многопозиционные). В связи с усложнением задач радиолокации интерес к разнесенным РЛ средствам в последнее время существенно возрастает.

• Рис. 1. Обобщенные структурные схемы, поясняющие сущность методов радиолокации.
• Активная радиолокация с активным ответом (вторичная радиолокация) позволяет получать надежную информацию о своих объектах (например, о кораблях, самолетах, танках и т. д.). Для этого их облучают (рис. 1, г) запросными (зондирующими) сигналами. На объектах устанавливают ответчики, т. е. приемопередатчики, переизлучающие принятые (излучающие ответные) сигналы. Несущие частоты, законы модуляции (коды) запросных и ответных сигналов могут изменяться в широких пределах. Это обеспечивает опознавание государственной принадлежности объектов («свой - чужой») и индивидуальное опознавание. Активный ответ широко применяется также в задачах УВД.
• Пассивная радиолокация использует собственные излучения элементов цели и их ближайшей окрестности. Излучения создают нагретые участки поверхности, связные, локационные и навигационные средства (обеспечения безопасности полета в том числе), средства РЭП, ионизированные образования различного вида. В общем случае средство пассивной радиолокации может быть размещено на одной (рис. 1, д) или нескольких разнесенных позициях. На принципах пассивной радиолокации работают, в частности, средства радиотехнической разведки излучений. Пассивные и активные РЛ средства могут составить единое целое - это будут активно-пассивные РЛК.
• Важное значение для активных и активно-пассивных СРЛ имеет характер зондирования пространства. Увеличивая отношение размеров антенны к длине волны, добиваются, как известно, высокой направленности антенн.
• Высокая направленность зондирующего излучения обеспечивает концентрацию его энергии, облегчая последующее выделение отраженных сигналов. Зондирование различных участков пространства часто проводится поэтому неодновременно, т. е. наряду с одновременным обзором участков пространства реализуется последовательный обзор. Поскольку колебания, излучаемые в каждом направлении, обычно модулированы во времени, законы модуляции для различных направлений не совпадают.
• В этом случае имеет место пространственно-временная модуляция зондирующих колебаний. Она достигается путем временнуй модуляции в передатчиках и перемещения характеристик направленности передающих антенн в пространстве. Возможные виды пространственно-временной модуляции обеспечивают последовательный обзор пространства по жесткой программе либо по гибкой - в зависимости от результатов текущих наблюдений. Для повышения оперативности обзора используют антенны с электрическим управлением положением луча типа ФАР. На параметры принимаемых РЛ сигналов и их использование для измерения координат целей влияют свойства среды, в которой распространяются радиоволны. Простейшим и основным является случай распространения в свободном пространстве, которое принято полагать: 1) однородным; 2) изотропным; 3) недиспергирующим. Это значит, что скорость распространения радиоволн: 1) одинакова для всех элементов этого пространства; 2) не зависит от направления распространения и поляризации волны; 3) не зависит от частоты колебаний (с ? 3 10⁸ м/с). Зондирующий и отраженный сигналы распространяются по прямолинейным траекториям без искажения своей формы. Времена запаздывания tз отраженных от точечных целей сигналов относительно зондирующих определяются для разнесенных (рис. 1, б) и совмещенных (рис. 1, а) РЛС соотношениями
• tз = (Д1 + Д2)/с и tз = 2Д/с.
• Дальность до цели кодируется тем самым во временной структуре принимаемых колебаний. Для совмещенных РЛС дальность однозначно определяется временем запаздывания:
• Дц = с tз/2.
• При использовании разнесенных пунктов приема или одной многоэлементной антенны можно говорить о пространственно-временнуй структуре принимаемых колебаний. Набор временных запаздываний характеризует не только дальности, но и угловые положения целей. При малом разносе приемных элементов (в пределах ФАР), когда разностью запаздываний огибающих сигналов до приемных элементов можно пренебречь, угловая координата цели находится по распределению начальных фаз принимаемых колебаний. С этим же распределением связано формирование ДНА. Вращая ДНА (сканируя), можно сравнительно просто измерять угловые координаты - азимуты и углы места целей, например, по максимуму отраженного сигнала (рис. 2, а), обеспечивать их угловое разрешение (рис. 2, б). Информация о различных угловых направлениях при одноканальном приеме поступает последовательно во времени, при многоканальном (когда характеристики рис. 2, б относятся к разным каналам приема) ее можно получать параллельно, практически одновременно.
• Рис. 2. Схема, иллюстрирующая принцип измерения угловых координат и разрешения целей
• Рис. 3. Структурная схема простейшей импульсной РЛС
• Реализацию принципов обнаружения целей, измерения их угловых координат и дальности поясним на примере структурной схемы простейшей активной импульсной РЛС с совмещенной приемопередающей антенной и одним приемным каналом (рис. 3). Важным элементом РЛС является синхронизатор, запускающий ее основные элементы. Зондирование короткими радиоимпульсами обеспечивает неодновременность приема и излучения. Это позволяет использовать общую антенну, коммутируемую антенным переключателем на передачу и прием.
• После излучения ЗС антенна соединяется с приемником. ИКО обеспечивает возможность обнаружения оператором вторичного излучения цели, измерения дальности до цели и ее угловых координат (азимута). Предусматривается использование цепей автоматики. Последние связывают индикаторное устройство с антенной, выдают информацию о текущем положении ДНА, а значит, угловых координатах целей, а также управление этой диаграммой (контур управления на рис. 3 не показан).
• В более общем случае прием может быть многоканальным, длительность сигнала не обязательно должна быть малой. Приемная и передающая антенны могут быть разделены (даже в совмещенной локации).
• Существенную роль в радиолокации играет фактор движения целей, вызывающий изменение временных запаздываний отдельных элементов, а значит, всей структуры сигналов. Так, радиальное движение цели относительно совмещенной импульсной РЛС: 1) изменяет запаздывание последовательно принимаемых импульсов; 2) приводит к известному из физики изменению несущей частоты - эффекту Доплера. Оба эффекта порознь могут использоваться для измерения радиальных скоростей цели и их скоростного разрешения. Как поясняется ниже, они - проявления эффекта трансформации сигнала за счет движения цели. Селекция по скорости широко используется для защиты от пассивных помех.
• При любом из методов радиолокации приходящие сигналы часто оказываются слабыми. Особенно это относится к активной радиолокации, где имеет место двукратное рассеяние энергии: на пути до цели и обратно. Для выделения слабых сигналов принимают ряд мер: увеличивают по возможности габариты передающей и приемной антенн, среднюю мощность зондирующих колебаний; применяют высокочувствительные (малошумящие) входные элементы радиоприемных устройств.
• 2. Системы ЦОС

Этап 1. Цифровая фильтрация и спектральный анализ

На этом этапе развития (1965--1975 гг.) основной предметной областью теории ЦОС были цифровая фильтрация и спектральный анализ (рис 2), причем оба направления рассматривались с общей позиции частотных представлений. Общей основой развивающихся направлений был синтез цифровых фильтров частотной селекции. Базовые положения теории ЦОС закладывались и апробировались фактически на теории дискретных систем и теории цепей с использованием известного к тому времени набора машинных алгоритмов и, прежде всего, алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ).

Рис 2 - основной предметной областью теории ЦОС

К числу основных проблем, получивших эффективное решение в эти годы, относятся: машинная аппроксимация функции передачи цифровых фильтров (ЦФ) в классе фильтров с конечной (КИХ-фильтров) и бесконечной (БИХ-фильтров) импульсной характеристикой, разработка алгоритмов высокоскоростной свертки и малошумящих структур БИХ-фильтров, построение цифровых спектроанализаторов на основе использования полосовых фильтров и алгоритма БПФ.

Возможности технической реализации цифровых фильтров и спектроанализаторов в этот период можно охарактеризовать как этап машинного моделирования в реальном времени с применением малых ЭВМ или специализированных устройств, построенных на ИС средней степени интеграции. Первые цифровые устройства с позиции сегодняшних представлений обладали низкой эффективностью и имели крайне ограниченное применение, связанное, как правило, с военными технологиями. Однако прогнозируемые успехи в области микроэлектроники и цифровой схемотехники вселяли надежду на скорое радикальное изменение подобного состояния дел.

Этап 2. Многоскоростная фильтрация и адаптивная обработка сигналов

В начале 70-х годов появляются первые однокристальные микропроцессоры (МП) - «провозвестники» новой волны компьютерной революции. Начинается новый этап становления техники ЦОС и компьютерных технологий.

Открываются новые возможности и возникают новые проблемы. Теория ЦОС входит в очередной этап своего развития, который условно можно ограничить периодом с 1975 по 1985 г. Именно в этот период формируются четыре основных взаимосвязанных направления современной теории ЦОС (рис.3).

Первое направление -- цифровая частотная селекция сигналов, закрепляет и систематизирует достижения в области проектирования цифровых полосовых фильтров и их наборов. Наиболее оригинальные работы в этом направлении были связаны с развитием теории многоскоростной обработки сигналов на основе эффектов прореживания по времени и по частоте.

Второе направление -- быстрые алгоритмы обработки сигналов, ориентировано на построение высокоскоростных алгоритмов ЦОС путем исключения «избыточности» операций преобразования и замены трудоемких операций умножения операциями сложения и сдвига (многочисленные модификации алгоритма БПФ и методы теоретико-числовых преобразований).

Рис 3 - Направления современной теории ЦОС

Третье направление -- адаптивная и оптимальная обработка сигналов, охватывает широкий спектр методов решения задач оптимальной фильтрации (фильтры Винера, Калмана и др.) и обработки сигналов в условиях априорной неопределенности о характере исследуемого динамического процесса.

Четвертое направление -- обработка многомерных сигналов и полей, является естественным развитием обработки одномерных сигналов на случай многомерных цифровых систем.

Указанные направления взаимосвязаны друг с другом, и эта взаимосвязь базируется как на общей математической основе, «питающей» все четыре направления, так и на прямом использовании основных положений и методов одних направлений в других.

Этап З. Оптимальное проектирование на сигнальных процессорах

В первой половине 80-х годов сначала фирма NEC (Япония), затем фирма TexasInstruments (США) объявило промышленном выпуске первых сигнальных процессоров mPD7720 и TMS32010 и тем самым ознаменовали открытие новой эры в технике ЦОС -- эры СБИС обработки сигналов. Новый класс микропроцессорных систем фактически представлял собой семейство однокристальных микро-ЭВМ, ориентированных внутренней архитектурой на высокоэффективную программно-аппаратную реализацию классических алгоритмов ЦОС. За относительно короткий промежуток времени -- 15 лет, цифровые процессоры обработки сигналов (ЦПОС) прошли несколько этапов развития. В конкурентную борьбу на рынке перспективных электронных технологий вступили такие фирмы, как Motorola, AnalogDevices, AT&T, SGS Thomson (США) и др. В результате интенсивных разработок в значительной степени выросли вычислительная производительность и внутренние ресурсы однокристальных ЦПОС, появились мощные программные и аппаратные средства поддержки микропроцессорных систем ЦОС. Уменьшение стоимости и расширение функциональных возможностей СБИС обработки сигналов способствовали широкому практическому использованию методов ЦОС в различных сферах научной и производственной деятельности человека.

Новый этап развития теории ЦОС (с середины 80-х годов) -- интенсивное внедрение методов обработки цифровых сигналов с применением однокристальных ЦПОС и многопроцессорных систем, построенных на их основе. Теория ЦОС, поступательно двигаясь во всех указанных выше направлениях, все в большей степени развивается в направлении практического использования в конкретных областях с учетом ограничений, накладываемых внутренними ресурсами применяемых сигнальных процессоров. Традиционно базовыми областями применения техники ЦОС остаются: цифровая обработка речи, звука, изображений, а также статистическая ЦОС в радиотехнике, связи и управлении. Но именно в этот период методы и техника ЦОС из сферы, как правило, военных технологий, переходят в сферу интенсивных коммерческих разработок.

Острая конкурентная борьба на рынке новых информационных и компьютерных технологий способствовала прорыву в области методологии и техники проектирования систем ЦОС, обеспечивающему значительное сокращение сроков разработок. Формулируется общая концепция оптимального автоматизированного проектирования систем ЦОС. Создаются мощные программные средства поддержки автоматизированного проектирования, начиная с этапа моделирования системы и заканчивая схемотехнической реализацией на сигнальных процессорах и СБИС обработки сигналов. К их числу относятся такие интегрированные оболочки, как MATLAB фирмы TheMathWorks, Inc., Hypersignal фирмы Нурегсерtion, Inc., пакеты по синтезу цифровых фильтров QEDesign фирмы MomentumDataSystems (США), DIFID и PICLOR фирмы «Радис, Лтд» (Россия) и др. Разработка многопроцессорных систем ЦОС, ориентированных на обработку потоков информации в темпе их поступления, потребовала создания специализированных программных средств управления -- операционных систем реального времени (ОСРВ), оптимизированных для систем ЦОС. Получили известность и широкое использование ОСРВ SPOX фирмы SpectromMicrosystems, Inc. (США) и Virtuoso фирмы EonicSystems, Inc. (Бельгия).

Этап 4. Однокристальные многопроцессорные системы и оптимальное проектирование на ПЛИС

Современный этап развития методов и техники обработки сигналов во второй половине 90-х годов определяется как новыми уникальными возможностями однокристальных многопроцессорных ЦПОС (семейство TMS320C80), так и применением архитектурно перепрограммируемых СБИС ЦОС на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Имея до 1 млн. логических вентилей на кристалле и работая на внутренней тактовой частоте до нескольких сотен мегагерц, ПЛИС обработки сигналов прочно занимают свою нишу между специализированными заказными СБИС и универсальными ЦПОС, интенсивно расширяя сферу применения перепрограммируемых СБИС ЦОС и вытесняя с рынка высоких технологий сигнальные процессоры.

Проектируемые на ПЛИС системы сочетают в себе сверхвысокую производительность заказных СБИС и высокую гибкость ЦПОС на уровне архитектурной адаптации к заданному классу алгоритмов, а также возможность размещения на одном кристалле ПЛИС всей структуры системы, включая нестандартную периферию. В тех случаях, когда проектируемая система должна быть ориентирована на решение сложных, разветвленных алгоритмов обработки в реальном времени на различных скоростях потоков входных данных, наивысшая эффективность достигается при совместном использовании ПЛИС и сигнальных процессоров.

Новая концепция построения системы ЦОС базируется на широком использовании потенциальных возможностей ПЛИС и методике оптимального проектирования, гарантирующей достижимость заданных показателей качества при минимальных аппаратных затратах. При этом акцент, по-прежнему, смещается в сторону прикладных систем, разработка и промышленное внедрение которых идут нарастающими темпами.

Вместе с тем и вопросы общей теории ЦОС не теряют своей значимости. К числу наиболее актуальных задач теории и техники ЦОС относятся:

- систематизация методов и алгоритмов обработки цифровых сигналов по различным направлениям и создание пакетов прикладных программ по автоматизированному проектированию систем ЦОС;

- разработка методики и пакетов прикладных программ оптимального проектирования систем ЦОС на сигнальных процессорах и ПЛИС;

- развитие новых концепций по основным направлениям теории ЦОС -- многоскоростная обработка, быстрые алгоритмы, адаптивная обработка, спектральное оценивание, частотно-временная обработка, вейвлетовские и фрактальные преобразования, нелинейная фильтрация, обработка многомерных сигналов и др.

3. Оптоволокно

Оптоволоконные линии предназначены для перемещения больших объемов данных на очень высоких скоростях. В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов. Это относительно надежный (защищенный) способ передачи, поскольку электрические сигналы при этом не передаются. Следовательно, оптоволоконный кабель нельзя вскрыть и перехватить данные, от чего не застрахован любой кабель, проводящий электрические сигналы. Кроме того, такие проблемы передачи информации по проводам как электромагнитные помехи, перекрестные помехи (переходное затухание) и необходимость заземления, полностью устраняются. Вдобавок, чрезвычайно уменьшается погонное затухание, позволяя протягивать оптоволоконные связи без регенерации сигналов на много большие дистанции, достигающие 120 км.

Оптическое волокно -- чрезвычайно тонкий стеклянный цилиндр, называемый жилой , покрытый слоем стекла, называемого оболочкой, с иным, чем у жилы, коэффициентом преломления. Иногда оптоволокно производят из пластика. Пластик проще в использовании, но он передает световые импульсы на меньшие расстояния по сравнению со стеклянным оптоволокном. Каждое стеклянное оптоволокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с отдельными коннекторами. Одно из них служит для передачи, а другое -- для приема. Жесткость волокон увеличена покрытием из пластика, а прочность -- волокнами из кевлара. Оптоволоконный кабель идеально подходит для создания сетевых магистралей, и в особенности для соединения между зданиями, так как он нечувствителен к влажности и другим внешним условиям. Также он обеспечивает повышенную по сравнению с медью секретность передаваемых данных, поскольку не испускает электромагнитного излучения, и к нему практически невозможно подключиться без разрушения целостности. Недостатки оптоволокна в основном связаны со стоимостью его прокладки и эксплуатации, которые обычно намного выше, чем для медной среды передачи данных. Эта разница стала привычной, тем не менее, в последние годы она стала сглаживаться. Сама оптоволоконная среда только слегка дороже UTP категории 5. Но независимо от указанных преимуществ и недостатков применение оптоволокна приносит с собой другие проблемы, такие как процесс прокладки. Разводка оптоволоконного кабеля в основном ничем не отличается от укладки медного, но присоединение коннекторов требует принципиально иного инструмента и технических навыков.

Существуют два различных типа оптоволоконного кабеля:

многомодовый или мультимодовый кабель, более дешевый, но менее качественный;

одномодовый кабель, более дорогой, но имеет лучшие характеристики по сравнению с первым.

Суть различия между этими двумя типами сводится к разным режимам прохождения световых лучей в кабеле. В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего они достигают приемника одновременно, и форма сигнала почти не искажается. Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает свет только с такой же длиной волны (1,3 мкм). Дисперсия и потери сигнала при этом очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномодового кабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны. Такие приемопередатчики пока еще сравнительно дороги и не долговечны. Однако в перспективе одномодовый кабель должен стать основным типом благодаря своим прекрасным характеристикам. К тому же лазеры имеют большее быстродействие, чем обычные светодиоды. Затухание сигнала в одномодовом кабеле составляет около 5 дБ/км и может быть даже снижено до 1 дБ/км. В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается. Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки 125 мкм (это иногда обозначается как 62,5/125). Для передачи используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем. Длина волны света в многомодовом кабеле равна 0,85 мкм, при этом наблюдается разброс длин волн около 30 - 50 нм. Допустимая длина кабеля составляет 2 - 5 км. Многомодовый кабель - это основной тип оптоволоконного кабеля в настоящее время, так как он дешевле и доступнее. Затухание в многомодовом кабеле больше, чем в одномодовом и составляет 5 - 20 дБ/км. Типичная величина задержки для наиболее распространенных кабелей составляет около 4-- 5 нс/м, что близко к величине задержки в электрических кабелях.

3.1 Стандарты оптических волокон

Если сравнивать многомодовые волокна между собой (рис. 2.1 а, б), то градиентное волокно имеет лучше технические характеристики, чем ступенчатое, по дисперсии. Главным образом это связано с тем, что межмодовая дисперсия в градиентном многомодовом волокне - основной источник дисперсии - значительно меньше, чем в ступенчатом многомодовом волокне, что приводит к большей пропускной способности у градиентного волокна. Одномодовое волокно имеет значительно меньший диаметр сердцевины по сравнению с многомодовым и, как следствие, из-за отсутствия межмодовой дисперсии, более высокую пропускную способность. Однако оно требует использования более дорогих лазерных передатчиков.

В ВОЛС наиболее широкое используются следующие стандарты волокон (табл. 2.1):

Таблица 2.1 Стандарты оптических волокон и области их применения

· многомодовое градиентное волокно 50/125 (рис. 2.1 а);

· многомодовое градиентное волокно 62,5/125 (рис. 2.1 б);

· одномодовое ступенчатое волокно SF (волокно с несмещенной дисперсией или стандартное волокно) 8-10/125 (рис. 2.1 в);

· одномодовое волокно со смещенной дисперсией DSF 8-10/125 (рис. 2.1 г);

· одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (по профилю показателя преломления это волокно схоже с предыдущим типом волокна).

Рис. 2.1 а) Ступенчатое многомодовое волокно

Рис. 2.1 б) Градиентное многомодовое волокно

Рис. 2.1 в) Ступенчатое одномодовое волокно, г) Одномодовое волокно со смещенной дисперсией (DSF или NZDSF)

Большинство устройств волоконной оптики используют область инфракрасного спектра в диапазоне от 800 до 1600 нм в основном в трех окнах прозрачности: 850, 1310 и 1550 нм, рис. 2.8 [1]. Именно окрестности этих трех длин волн образуют локальные минимумы затухания сигнала и обеспечивают бoльшую дальность передачи.

3.2 Разъемы оптических волокон

ST.Был разработан в 1985 году AT&T, ныне Lucent Technologies. Конструкция основана на керамическом наконечнике (феруле) диаметром 2, 5 мм с выпуклой торцевой поверхностью. Фиксация вилки на гнезде выполняется подпружиненным байонетным элементом (подобно разъемам BNC, использующимся для коаксиального кабеля). Разъемы ST - самый дешевый и распространенный в России тип. Он немного лучше, чем SC, приспособлен к тяжелым условиям эксплуатации благодаря простой и прочной металлической конструкции (допускает больше возможностей для применения грубой физической силы).

Как основные недостатки, можно назвать сложность маркировки, трудоемкость подключения, и невозможность создания дуплексной вилки.

SC. Был разработан японской компанией NTT, с использованием такого же, как в ST, керамического наконечника диаметром 2, 5 мм. Но основная идея заключается в легком пластмассовом корпусе, хорошо защищающим наконечник, и обеспечивающим плавное подключение и отключение одним линейным движением.

Такая конструкция позволяет достичь большой плотности монтажа, и легко адаптируется к удобным сдвоенным разъемам. Поэтому разъемы SC рекомендованы для создания новых систем, и постепенно вытесняют ST.

Дополнительно нужно отметить еще два типа, один из которых используется в смежной отрасли, а другой постепенно набирает популярность.

FC. Очень похож на ST, но с резьбовой фиксацией. Активно используется телефонистами всех стран, но в локальных сетях практически не встречается.

LC. Новый "миниатюрный" разъем, конструктивно идентичный SC. Пока достаточно дорог, и для "дешевых" сетей его применение бессмысленно. Как главный аргумент "за" создатели приводят большую плотность монтажа. Это достаточно серьезный довод, и в отдаленном (по телекоммуникационным меркам) будущем вполне возможно, что он станет основным типом.

3.3 Передача информации по оптоволокну

Если сравнивать с другими способами передачи информации, то порядок величин Тбайт/с просто недостижим. Еще один плюс таких технологий -- это надежность передачи. Передача по оптоволокну не имеет недостатков электрической или радиопередачи сигнала. Отсутствуют помехи, которые могут повредить сигнал, и нет необходимости лицензировать использование радиочастоты. Однако не так много людей представляют себе, как вообще происходит передача информации по оптоволокну, и тем более не знакомы с конкретными реализациями технологий. Мы рассмотрим одну из них -- технологию DWDM (dense wavelength-division multiplexing).

Вначале рассмотрим, как вообще передается информация по оптоволокну. Оптоволокно -- это волновод, по которому распространяются электромагнитные волны с длиной волны порядка тысячи нанометров (10-9 м). Это область инфракрасного излучения, не видимого человеческим глазом. И основная идея состоит в том, что при определенном подборе материала волокна и его диаметра возникает ситуация, когда для некоторых длин волн эта среда становится почти прозрачной и даже при попадании на границу между волокном и внешней средой большая часть энергии отражается обратно внутрь волокна. Тем самым обеспечивается прохождение излучения по волокну без особых потерь, и основная задача -- принять это излучение на другом конце волокна. Конечно, за столь кратким описанием скрывается огромная и трудная работа многих людей. Не надо думать, что такой материал просто создать или что этот эффект очевиден. Наоборот, к этому нужно относиться как к большому открытию, так как сейчас это обеспечивает лучший способ передачи информации. Нужно понимать, что материал волновода -- это уникальная разработка и от его свойств зависит качество передачи данных и уровень помех; изоляция волновода разработана с учетом того, чтобы выход энергии наружу был минимален.

Одной из относительно новых технологий передачи данных является Fiber Channel.

Технология Fiber Channel основывается на применении оптического волокна в качестве среды передачи данных. Наиболее часто встречающимся применением этой технологии в настоящее время являются высокоскоростные сетевые устройства хранения данных (SAN - Storage Area Networks). Такие устройства используются для построения высокопроизводительных кластерных систем. Технология Fiber Channel изначально создавалась как интерфейс, обеспечивающий возможность высокоскоростного обмена данными между жесткими дисками и процессором компьютера. Позже стандарт был дополнен и сейчас определяет механизмы взаимодействия не только систем хранения данных, но и способов взаимодействия нескольких узлов кластерной системы между собой и средствами хранения данных.

Технология Fiber Channel опирается на использование нескольких видов специализированного оборудования: оптический кабель, специализированные коммутаторы и преобразователи (Gigabit Interface Converter - GBIC). GBIC используются для преобразования электрического сигнала в световой и обратно. Стандартом поддерживаются два типа оптических кабелей: одноволновой и многоволновой. Многоволновой кабель имеет больший диаметр и позволяет передачу одновременно нескольких световых волн. Одноволновой кабель обеспечивает наличие единственной световой волны при передаче данных. Наличие нескольких волн (полезная и несколько паразитных) в кабеле ухудшает характеристики среды передачи и, как следствие, многоволновой кабель позволяет передавать данные без повторителей на расстояния примерно в 10 раз меньшие, чем одноволновой.

Технология Fiber Channel имеет несколько преимуществ по сравнению с другими средами передачи данных, важнейшим из которых является скорость. Технология Fiber Channel обеспечивает скорость передачи данных 100 Мбит/с. Вторым важным преимуществом является возможность передачи сигнала на очень большие расстояния. Обмен данными с использованием светового сигнала вместо электрического обеспечивает возможность передачи информации на расстояния до 10-20 км без использования повторителей (при применении одноволнового кабеля). Третьим преимуществом технологии Fiber Channel является полный иммунитет к электромагнитным помехам. Это качество позволяет активно использовать оптическую среду передачи даже в производственных помещениях с большим количеством электромагнитных помех. Четвертое преимущество состоит в полном отсутствии излучения сигнала в окружающую среду, что дает возможность применения Fiber Channel в сетях с повышенными требованиями к безопасности обрабатываемых и хранимых данных.

Основным недостатком технологии Fiber Channel является ее стоимость: оптический кабель со всеми сопутствующими его использованию разъемами и способами монтажа является существенно более дорогим, чем медные кабели.

4. Гигабитный Ethernet(1000base-T)

Разработка стандартов Гигабитного Ethernet привела к спецификациям для медного кабеля UTP, однорежимного волокна и многорежимного волокна. В сетях Гигабитного Ethernet биты транспортируются за долю того времени, которое они занимают в сетях на 100 Мбит/с и 10 Мбит/с. В сигналах, проходящих быстрее, биты становятся более восприимчивыми к шуму, и поэтому синхронизация является критической. Вопрос производительности основан на том, как быстро сетевой адаптер или интерфейс могут изменять уровни напряжения и насколько достоверно это изменение напряжения может быть обнаружено на расстоянии в 100 метров на принимающем адаптере NIC или интерфейсе.

1000 Мбит/с - Гигабитный Ethernet

На этих более высоких скоростях, кодирование и декодирование данных является более сложным. Гигабитный Ethernet использует два отдельных шага кодирования. Передача данных более эффективна, когда используются коды для представления потока битов. Кодирование данных позволяет синхронизацию, эффективное использование полосы пропускания и улучшенных характеристик отношения сигнал-шум.

Ethernet 1000BASE-T обеспечивает полнодуплексную передачу, используя все четыре пары в кабеле Категории 5 или более позднего UTP. Гигабитный Ethernet по медному проводу позволяет увеличение скорости со 100 Мбит/с на одну пару проводов до 125 Мбит/с на пару проводов, или 500 Мбит/с для всех четырех пар. Каждая проводная пара переносит сигналы в полном дуплексе, удваивая 500 Мбит/с до 1000 Мбит/с.

1000BASE-T использует кодирование строки 4D-PAM5, чтобы получить пропускную способность данных в 1 Гбит/с. Эта схема кодирования позволяет передачу сигналов по четырем проводным парам одновременно. Она преобразовывает 8-разрядный байт данных в одновременную передачу четырех кодовых знаков (4D), которые отправляются по носителю, по одному на каждой паре, в виде сигналов , Модулируемых с Амплитудой Импульса 5-го уровня (PAM5). Это означает, что каждый символ соответствует двум битам данных. Поскольку информация перемещается одновременно по четырем путям, схема должна разделять фреймы в передатчике и повторно собирать их в приемнике. Рисунок показывает представление схемы, используемой в Ethernet 1000BASE-T.

1000BASE-T позволяет передачу и прием данных в обоих направлениях - на одном и том же проводе и одновременно. Этот поток трафика создает постоянные коллизии на проводных парах. Эти коллизии приводят к сложным шаблонам напряжения. Гибридные схемы, обнаруживающие сигналы, используют сложные методы, такие как эхоподавление, Прямая коррекция ошибок (FEC) Уровня 1 и разумный выбор уровней напряжения. Используя эти методы, система достигает пропускной способности в 1 гигабит.

Чтобы помочь с синхронизацией, Физический уровень инкапсулирует каждый фрейм с разделителями начала потока и конца потока. Синхронизация цикла поддерживается непрерывными потоками символов IDLE (неактивен), отправляемых на каждую проводную пару во время межкадрового интервала.

В отличие от большинства цифровых сигналов, где обычно есть несколько дискретных уровней напряжения, 1000BASE-T использует множество уровней напряжения. В неактивные периоды на кабеле находятся девять уровней напряжения. Во время передачи данных на кабеле находятся до 17 уровней напряжения. С таким большим количеством состояний, объединенных с эффектами шума, сигнал на проводе больше походит на аналоговый, чем на цифровой. Подобно аналоговой, система более восприимчива к шуму из-за проблем с обжатием и кабелем.

Преимущества Gigabit Ethernet Чтобы поддерживать возрастающие потребности в производительности сети, Gigabit Ethernet включает расширения, касающиеся быстрых волоконно-оптических соединений на физическом уровне (Physical Layer). Это обеспечивает десятикратное увеличение MAC (Media Access Control) на уровне данных (Data Layer), для того чтобы поддерживать видео-конференции и другие приложения с интенсивным трафиком. Gigabit Ethernet является совместимым с наиболее популярной сетевой архитектурой, Ethernet. В 1996 году, согласно научно-исследовательским прогнозам IDC, более 80% вычислительных сетей использовали Ethernet. Ожидается, что преобладание Ethernet продолжится и после 1998 года, особенно если этот совместимый и масштабируемый стандарт перейдет на гигабитовые скорости. В дополнение к широкому выбору на рынке продуктов и производителей это преобладание привело к устойчивым снижениям цен на аппаратные средства Ethernet.

Устойчивое снижение стоимости продуктов Ethernet и Fast Ethernet. Аналогичные тенденции ожидаются в отношении продуктов для Gigabit Ethernet. (Dell Oro Group) Информационно-Технологические отделы компаний, применяющие Fast Ethernet, и в конечном счете Gigabit Ethernet, для увеличения сетевой производительности увидят:

· Возрастающий уровень сетевой производительности, включая локализацию трафика и высокоскоростную межсегментную передачу данных

· Повышение масштабируемости сети -- это позволит легко добавлять пользователей и управлять сетью.

· Снижение, с течением времени общей стоимости аппаратных средств.

5. VPX стандарт

VPX -- новая архитектура встраиваемых систем для жестких условий применения, основанная на современных высокоскоростных последовательных межсоединениях. Стандарт VPX исторически является продолжателем известного стандарта VME, который широко используется при проектировании электроники военного назначения. На сегодняшний день стандарт VME морально устарел, хотя по-прежнему используется рядом компаний в качестве основы для новых разработок . То же самое можно сказать о распространенном стандарте PICMG 2, использующем шину данных CompactPCI [3]. Главная причина, по которой эти стандарты являются сейчас неактуальными, -- низкая пропускная способность используемых параллельных шин данных (для VME64 -- 40 Мбайт/с). В первую очередь, такие низкие показатели не удовлетворяют потребностям приложений, связанных с 126 ISSN 0236-3933. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Приборостроение». 2012 обработкой визуальной информации, а также обработкой данных в широкополосных радиолокационных станциях (РЛС). Кроме того, платы формата 6U (160233 мм) характеризуются недостаточной жесткостью, низкими механическими резонансными частотами и неудовлетворительно работают в условиях сильных вибраций. Основной технологией, позволяющей на сегодняшний день передавать данные на высокой скорости как в пределах одного крейта (корпуса с набором плат), так и между несколькими удаленными устройствами, являются высокоскоростные последовательные трансиверы (приемопередатчики). Такими приемо-передающими устройствами сегодня снабжается все большее число полупроводниковых вычислительных приборов: интегральных микросхем программируемой логики (FPGA), цифровых сигнальных процессоров (DSP), АЦП, ЦАП и др. Дифференциальный способ передачи сигнала, высокая мощность передатчиков, применение различного рода эквалайзеров, компенсирующих искажения сигнала, трехмерные технологии проектирования кристалла позволяют осуществлять передачу данных на скорости до 28 Гбит/с по одной проводной паре. Объединение нескольких высокоскоростных трансиверов позволяет получить скорость передачи 100 Гбит/с и выше по одной шине данных. В настоящее время технология 100 Гбит/c уже является стандартной и предлагается ведущими производителями микросхем (Xilinx, Altera, Texas Instruments), что называется, «под ключ» . Производители предоставляют сведения об особенностях проектирования печатных узлов, дают рекомендации по отладке, предоставляют методики верификации таких проектов, а также обеспечивают их достаточно полную программную поддержку. Возникший разрыв в технологии передачи данных между современными чипами и модулями специального назначения внутри крейтов был учтен при разработке стандартов VPX, VPX REDI и OpenVPX . Требуемая скорость передачи данных в стандарте VPX обеспечивается в первую очередь применением разъемов, специально рассчитанных на передачу высокоскоростных дифференциальных сигналов, которые используются для связи между ячейками устройства с объединительной платой (так называемый бэкплейн).

Такие разъемы представляют собой набор небольших угловых печатных плат (так называемые вафли), объединенных в стек с помощью пластикового держателя. На печатных платах нанесены рисунки проводников различной конфигурации в зависимости от назначения разъема: сигнальные разъемы с дифференциальными или несимметричными дорожками; силовые разъемы с широкими слоями проводящей меди. Ответная часть разъемов, устанавливаемая на бэкплейн, представляет собой набор пружинных контактов, размещаемых в пластиковый держатель. Сигнальные разъемы стандарта VPX имеют гарантированное волновое сопротивление (100 или 50 Ом), что обеспечивается соответствующей конфигурацией проводников и печатной платы разъема. Это позволяет соблюсти условия целостности сигнала при его прохождении от ячейки к ячейке через две пары межсоединений. Силовые разъемы VPX выполняются по технологии изготовления печатных плат из заготовок с толстыми пленками меди (от 75 мкм), что обеспечивает токовую нагрузку до 36 А на разъем, содержащий три силовых «вафли». Таким образом, в устройствах стандарта VPX достигается поддержка энергетически емких быстродействующих цифровых и цифраналоговых схем. Следует также отметить, что обладая хорошими электрическими характеристиками, разъемы VPX имеют высокий уровень виброустойчивости и достаточную механическую прочность. Это достигается как за счет конструкции самих разъемов, так и за счет применения продуманной системы направляющих штырей. При разработке стандарта проведены многочисленные испытания на устойчивость к механическим, температурным, химическим и другим воздействиям, подтвердившие высокую стабильность электрических свойств соединителей.

Не менее значимым фактором в обеспечении скоростных соединений между модулями имеют характеристики объединительной платы. Стандарты VPX предполагают организацию модульных меж- соединений по бэкплейну с помощью высокоскоростных последовательных линий. Существует три типа организации линий передачи данных: одиночные каналы UTP (Ultra-thin Pipe), сдвоенные («тонкие») каналы TP (Thin Pipe) и счетверенные («толстые») каналы FP (Fat Pipe). Каждый канал предусматривает работу как в дуплексном, так и в полудуплексном режимах. Максимальная битовая скорость передачи данных по каждой проводной паре, предусмотренная стандартом, составляет 6 Гбит/с.

Заключение

Стремление увеличить дальность действия привело к тому, что радиолокация, как и многие другие области техники, пережила эпоху «гигантомании». Создавались все более мощные магнетроны, антенны все больших размеров, устанавливавшиеся на гигантских поворотных платформах. Мощность РЛС достигла 10 и более мегаватт в импульсе. Более мощные передатчики создавать было уже физически невозможно: резонаторы и волноводы не выдерживали высокой напряженности электромагнитного поля, в них происходили неуправляемые разряды. Появились данные и о биологической опасности высококонцентрированного излучения РЛС: у людей проживающих вблизи РЛС наблюдались заболевания кроветворной системы, воспаленные лимфатические узлы. Со временем появились нормы на предельную плотность потока СВЧ энергии, допустимые для работы человека (кратковременно допускается до 10 мВт/см2).

Новые требования, предъявляемые к РЛС, привели к разработке совершенно новой техники, новых принципов радиолокации. В настоящее время на современных РЛС импульс посылаемый станцией представляет собой сигнал, закодированный по весьма сложному алгоритму ( наиболее распространен код Баркера), позволяющий получать данные повышенной точности и ряд дополнительных сведений о наблюдаемой цели. С появлением транзисторов и вычислительной техники мощные мегаваттные передатчики ушли в прошлое. На их смену пришли сложные системы РЛС средней мощности объединенные посредством ЭВМ. Благодаря внедрению информационных технологий стала возможна синхронная автоматическая работа нескольких РЛС. Радиолокационные комплексы постоянно совершенствуются, находят новые сферы применения. Однако есть еще масса неизученного, поэтому эта область науки еще долго будет интересна физикам, математикам, радиоинженерам; будет объектом серьезных научных работ и изысканий. Развитие современной науки и техники невозможно представить себе без применения радиолокации, которая используется и в исследовании космоса, и в навигации воздушных и морских судов, и в военной технике ( для обнаружения цели и наведения ракет на цель).

Список литературы

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Радиолокация/

2. http://www.twirpx.com/file/989969/

3. http://learndsp2012.tom.ru