بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله اصول اولیه طراحی کانال شبیه ساز انتشار امواج نوری و IR در فضای آزاد ارائه شده است. این کانالها توانایی شبیه سازی انتشار چندین کیلومتری این امواج را در محیط آزمایشگاه دارند. اثر آشفتگی جوی بر روی علائم که منجر به افت و خیز سیگنال میشود بررسی شده و با استفاده از مدل توزیع گاما-گاما عملکرد کانال مخابراتی صحت سنجی میشود. از طرف دیگر به وسیله برازش روابط نظری بر توزیع شدت سیگنال مولفه های شبیه سازی کانال جوی قابل استخراج هستند.
.1 مقدمه
امروزه با رشد روز افزون استفاده از اینترنت و رسانه، نیاز به افزایش سرعت انتقال و دسترسی آسانتر توسط شبکههای ارتباطی بیش از پیش احساس میشود. در این میان مخابرات نوری فضای آزاد یک راهکار مؤثر برای انتقال اطلاعات با سرعت چندین گیگابایت بر ثانیه به حساب میآید. استفاده از لیزر به عنوان حامل اطلاعات، پهنای باند بسیار بالاتر از امواج رادیویی ، یک ارتباط امن با اندازههای کوچک، توان مصرفی پایین و بهره بالا را برای شبکهها فراهم میکند.[1-3]
با وجود ویژگی های ذکر شده، این نوع ارتباط دارای چالشهایی بوده که از آن جمله، میرایی و آشفتگی در جبهه موج انتشاری را میتوان نام برد. آشفتگیهای جوی بر دامنه و فاز جبهههای موج منتشر شده در آن تاثیر میگذارند. آشفتگی جوی، باعث ایجاد تغییرات زمانی و فضایی در چگالی هوا میشود که این امر باعث به وجود آمدن افت و خیزهای فضایی و زمانی همبسته در ضریب شکست هوا میگردد.[4] این افت و خیزها که به آشفتگی اپتیکی معروف هستند بر روی دامنه و فاز علائم منتشر شده در جو تأثیر بسزایی دارد.
تاکنون روشهای متعددی برای غلبه بر افت و خیز ها و حتی محو شدگی های علائم نوری در حین انتشار در فضای آزاد پیشنهاد شده است. میانگینگیری از سطح روزنه5]و[6 استفاده از چند گیرنده و فرستنده[7] ، اپتیک تطبیقی[8] و کدگذاری های مختلف علائم نوری[9-11] از جمله این راهکارها هستند. مطالعه راهکارهای ذکر شده در فضای آزاد با مشکلات متعددی مواجه است که مهمترین آنها عدم تسلط بر مولفه های متغیر جوی است.
برای این منظور شبیه سازی کامپیوتری[4] و شبیه سازی آشفتگی نوری در آزمایشگاه[12] پیشنهاد میشود. در شبیه سازی آشفتگی نوری در آزمایشگاه بایستی این مساله را مد نظر قرار داد که از آنجا که پدیده آشفتگی یک فرایند تصادفی است لذا طیف توان آشفتگی تولید شده با طیف توان آشفتگی جو واقعی یعنی طیف توان کلموگروفی معادل باشد .
اثر نهایی چنین آشفتگی در سامانه های مخابرات نوری افت و خیز های تصادفی در سیگنال دریافتی است لذا انتظار میرود مدل توزیع شدت افت و خیز های مصنوعی ایجاد شده روی این سیگنال ها نیز از مدل های توزیع شدت جوی تبعیت کند. مدل توزیع گاما- گاما یکی از مناسبترین توابعی است که امروزه برای برازش روی داده های فضای آزاد بکار گرفته شده است.[15-13] این مدل علاوه بر کاربردی بودن در گستره آشفتگی ضعیف تا قوی میتواند مولفه های تلاطم جوی از جمله ثابت ساختار ضریب شکست جوCn2 را هم بر اساس میزان وردایی افت و خیزها بدست آورد.[4]
.2 شبیه سازی کانال جوی توسط محفظه ایجاد آشفتگی
یکی از بهترین شبیه سازهای کانال جوی که در زمینه شبیه سازی انتشار باریکه لیزری با اهداف متفاوت بکارگرفته شده است محفظههای ایجاد آشفتگی دینامیک است. این شبیه سازها به وسیله ترکیب هوای داغ و سرد تغییرات تصادفی ضریب شکست در مسیر انتشار ایجاد میکنند.[12]با بررسی کانالهای ساخته شده در این زمینه دریافتیم که اغلب این کانالها با محیط فعال بسیار کوچک آشفتگی های بسیار ضعیفی ایجاد میکنند .[13]
محفظه طراحی شده در این مرکز با انعطاف پذیری کافی در تغییر مولفه هایی چون دما ، فشار ،سرعت باد،حجم فعال آشفتگی و تغییر میزان آشفتگی از دیگر محفظه هایی که تاکنون ساخته شده است متمایز است. در شکل - - 1 نمای کلی از اجزای محفظهی طراحی شده را مشاهده میکنید. ابعاد محل تلاطم یا همان منطقه فعال محفظه 25×25×100cm است و در دو طرف محفظه دمندههایی با قابلیت کنترل سرعت دمنده ها تعبیه شدهاند.
در جلوی یک ردیف از دمندهها گرمکن هایی برای تولید هوای داغ قرار دارد که این گرمکنها قابلیت تولید هوای گرم تا 130 درجه سانتیگراد را دارند . به منظور دمش به صورت همگن، در جلوی دمندهها توریهایی با مش بندی های خاص قرار دارد و در دو انتهای محفظه دو پنجره برای خروج هوا و دو پنجره هم در دو طرف محفظه برای عبور باریکه لیزری قرار داده شده است.
به منظور صحت سنجی عملکرد کانال مخابراتی بایستی طیف توان آشفتگی تقریبا با طیف توان آشفتگی جو معادل باشد و از طرفی نوع افت و خیز های منتج شده نیز با مدل های توزیع افت و خیز جوی شباهت داشته باشد [5] لذا آزمایشهای همسانگردی آشفتگی ، همگنی و پس از آن بررسی افت و خیز های سیگنال انجام گرفته است.
پس از عبور باریکه لیزری از محفظه، بوسیله یک آشکار سازموقعیت* ، نوسانات زاویهی فرود پرتو پس از جمع آوری توسط یک عدسی با آهنگ تکرار 3 کیلو هرتز ثبت شد. با بررسی وردایی نوسانات زاویه فرود جبهه موج در امتداد محور xو y میزان همسانگردی آشفتگی قابل محاسبه است. فقط حالاتی از سرعت دمنده ها و قرار گیری مش ها که به ازای آنها 0.90 y x ، تقریبا همسانگردی لازم را داراست.
در شکل - 3 - نمودار تغییرات دما در طول پرتو را مشاهده میکنید. دما توسط دماسنج های نقطه ای در تمام حجم محفظه بررسی شد. همانطور که از دادهای تغییرات دمایی مرکز باریکه لیزری دیده میشود در فاصله 15-100سانتی متری محفظه انتشار، تغییرات دمایی ناچیز است، بنابراین میتوان نتیجه گرفت که محفظه در طول مسیر انتشار لیزر تقرباًی همگن دمایی است. همگنی فشار و سرعت باد هم به همین صورت انجام میگیرد.
