بخشی از مقاله
چکیده
در مقاله حاضر ملاحظات مربوط به طراحی و ساخت سامانه مخابرات لیزري بیسیم زیر آب ارائه شدهاست. این سامانه شامل سه بخش اصلی فرستنده، کانال انتقال و گیرنده است. در ابتدا با بررسی عوامل تأثیرگذار بر انتشار نور لیزر در کانال انتقال، لیزر با طولموج 532 نانومتر به عنوان منبع نور برگزیده شدهاست. سپس ساختمان سیستم فرستنده و گیرنده مورد بررسی قرار گرفتهاست. هر کدام از این سیستمها شامل دو بخش نرمافزاري و سختافزاري هستند . بخش سختافزاري در سیستم فرستنده شامل منبع نور، مدار کنترل و مدار واسط ارتباط با درگاه رایانه و در سیستم گیرنده شامل آشکارساز نوري، مدار تنظیم و تقویت ولتاژ، مدار حذف نویز و واسط ارتباط با درگاه رایانه است.
در بخش نرمافزاري به منظور کنترل ارسال، دریافت و پردازش اطلاعات مبادله شده از نرمافزار MATLAB استفاده شدهاست . برقراري ارتباط میان بخش سختافزاري و نرمافزاري در فرستنده و گیرنده از طریق درگاه USB یک رایانه و به وسیله ماژول مبدل USB به Serial تحت پروتکل سریال امکان پذیر است. در نهایت تست میدانی سامانه مذکور در کانال شبیهسازي انتشار امواج در زیرآب دانشکده فیزیک دانشگاه علم و صنعت ایران انجام پذیرفته است . این سامانه توانایی انتقال انواع مختلف اطلاعات - صوت، متن، تصویر و غیره - را حداقل تا 30متر و با پهناي باند حداکثر 3 مگابیت در هر ثانیه دارد.
واژههاي کلیدي:مخابرات لیزري زیرآب، فرستنده، گیرنده، نرمافزار MATLAB، مدولاسیون دیجیتال، پروتکل ارتباطی Serial
-1 مقدمه
امروزه افزایش نیاز بشر به استفاده از منابع و معادن زیر آب و نیز افزایش فعالیتهاي تحقیقاتی، نظامی، صنعتی و غیره در زیر آب، لزوم بررسی و تحقیق در زمینه مخابرات زیر آب و ساخت سامانههاي ارتباطی بر این اساس را بیش از پیش آشکار نمودهاست. در این میان نمونههایی همچون مخابرات نوري فیبري در زیر آب، مزایاي متعددي از جمله ایجاد پهناي باند زیاد و عدم تأثیر پذیري از محیط را فراهم میکند . اما بسیاري از کاربردهاي زیرآبی نیازمند مخابراتی با انعطافپذیري بالا هستند. براي مثال ایجاد ارتباط بین دو زیردریایی متحرك یا ارسال اطلاعات کنترل از راه دور براي شناورها، به مخابرات بیسیمنیازمند است - . - Doniec et al, 2010 به همین سبب است که مخابرات بیسیم در زیر آب از اهمیت بالایی برخوردار است.
از آنجایی که بر خلاف لینکهاي مخابراتی روي آب، فرکانسهاي رادیویی و مایکروویو در محیط آب منتشر نمیشوند، استفاده از مخابرات RF در زیر آب با چالش هاي بسیاري روبهرو است - . - Brundage,2010 در دهههاي اخیر، لینکهاي مخابرات آکوستیکی براي کاربرد در زیر آب مورد توجه قرار گرفتهاند که داراي محدودیتهایی از جمله پهناي باند کم و امنیت پایین در تبادل اطلاعات هستند - کاظمیان و همکاران، . - 1393 براي انتقال اطلاعات با حجم زیاد و با کمترین تأخیر ممکن در زیر آب، روشهاي مخابراتی بسیار سریع و کارآمدي مورد نیاز است . یکی از روشهاي ارتباطی در اتمسفر که در آب نیز قابل بهکارگیري است، مخابرات لیزري فضاي آزاد است - . - Bouchet,2006 از مزایاي این روش بهرهگیري از دیودهاي نوري و دیودهاي لیزري است که بهدلیل توان مصرفی کم، ولتاژ عملکرد پایین، طول عمر زیاد، قیمت مناسب، امنیت ارتباطی و شنود ناپذیري و امکان فراهم آوردن پهناي باند زیاد، مورد توجه قرار گرفتهاست - ماتسو،. - 1932 هر کدام از روشهاي ارتباطی موجود، با توجه به ویژگیهاي منحصر فرد به خود، قابلیت استفاده براي کاربرد خاصی را دارند.
در لینکهایی با برد طولانی مخابرات آکوستیکی مورد استفاده قرار میگیرند و در لینکهایی که نیاز به امنیت و پهناي باند بالا است از مخابرات لیزري بیسیم استفاده میشود. از چالشهاي بهکارگیري مخابرات لیزري فضاي آزاد در زیر آب، تضعیف پالسهاي نوري است که در زیر آب بسیار بیشتر از اتمسفر میباشد - Chancey, . - 2005 بنابراین بررسی عوامل تأثیرگذار بر انتشار نور لیزر حائز اهمیت است. همچنین طراحی بخشی که امکان ارسال اطلاعات مورد نظر با نرخ دادة دلخواه و روش مدولاسیون مشخص را در فرستنده فراهم نماید و طراحی مدارهایی که توانایی دریافت، تقویت، حذف نویز و پردازش پالسهاي نوري را در گیرنده دارا باشد از اهمیت ویژهاي برخوردار است. علاوه بر مطالب گفته شده براي اخذ اطلاعات از کاربر و تبدیل آنها به دادههاي قابل ارسال در فرستنده و پردازش و بازگردانی دادهها به اطلاعات قابل ارائه به کاربر درگیرنده، استفاده از یک نرمافزار و برنامهنویسیهاي لازم در آن ضروري است . در این مقاله در قدم نخست ملاحظات طراحی یک لینک مخابراتی لیزري ارائه می شود. سپس طراحی و ساخت فرستنده و گیرنده - مدارات الکترونیکی و اپتیک آنها - مورد بررسی قرار میگیرد. در نهایت جمعبندي صورت میپذیرد.
-2 روش تحقیق
هر سامانه مخابراتی همانگونهکه در شکل 1 به صورت شماتیک نشان داده شدهاست از سه بخش اصلی فرستنده، کانال انتقال و گیرنده تشکیل میشود - . - Chancey, 2005 بنابراین در طراحی یک سامانه مخابراتی علاوه بر ملاحظات سختافزاري و نرمافزاري فرستنده و گیرنده، شناخت خصوصیات مؤثر کانال انتقال حائز اهمیت است. این شناخت مبانی نظري حاکم بر سیستم را شکل میدهد.
در حوزة مخابرات اپتیکی زیر آب، خصوصیات اپتیکی آب دریا و اقیانوس وابسته به موقعیت، زمان و محتویات آلی و معدنی - غیرآلی - به شدت تغییر مینمایند. بر همین اساس تقسیمبندي براي انواع مختلف آب، تحت عنوان تقسیمبندي جرلو صورت پذیرفتهاست - . - Jerlove, 1957 با توجه به آنچه ذکر شد، بخش گستردهاي از حوزة تحقیقات مربوط به مخابرات لیزري بیسیم در زیر آب به تحلیل شرایط انتشاري نور در ناحیه اجرایی اختصاص مییابد - کاظمیان و کاشانی،. - 1391 ارکان اصلی در این بررسیها مدل سازي عوامل تضعیف کنندة نور در زیر آب است که در این میان جذب و پراکندگی بخش عمدة تضعیفها را سبب میشود.
جذب و پراکندگی در آب دریا را می توان شامل دو بخش جذب آب خالص دریا و جذب مواد محلول و مع لق در آب دریا در نظر گرفت - . - Cox Jr ,2007 این عوامل تضعیف، محدودکنندة طول مؤثر لینک مخابراتی هستند. شکل 2 تضعیف کل ناشی از جذب و پراکندگی، براي برخی از انواع مختلف آب جرلو را نشان میدهد. همانطور که در شکل مشاهده می شود، تضعیف نور در آب دریا در پنجرة طولموجی 400 تا 550 نانومتر کمترین مقدار را دارد. بنابراین منبع نور انتخاب شده باید طولموجی در این بازه داشته باشد. لازم به ذکر است که علیرغم انتخاب طولموج بهینه، تضعیف-هاي موجود، منجر به کاهش توان و محدودیت طول لینک مخابراتی میشود.
با توجه به این امر براي ساخت یک لینک مخابراتی با طول معین، توان اولیه لیزر باید به اندازهاي باشد که پس از اعمال تضعیفهاي موجود، توان رسیده به آشکارساز در گیرنده بیشتر از حداقل حساسیت آن باشد.به علاوه بهرهگیري از مدولاسیون مناسب این تلفات را به حداقل رسانده و با یک توان مشخص برد انتقال بیشتري را در اختیار قرار میدهد - آزاد، . - 1392 مدولاسیون عبارت است از سوارکردن سیگنال اطلاعات بر روي سیگنال حاملکه- معمولاً فرکانس بالاتري دارد- به وسیله ایجاد تغییراتی متناسب با آن اطلاعات در یکی از خواص سیگنال حامل - . - Kahn, 2006 در انتخاب روش مدولاسیون لازم است ملاحظات سختافزاري و نرمافزاري سامانه لحاظ شود.
