Optická komunikace - Optical communication

Námořní signální lampa , forma optické komunikace, která používá uzávěry a obvykle se používá s Morseovou abecedou (2002)

Optická komunikace , také známá jako optická telekomunikace , je komunikace na dálku pomocí světla k přenosu informací. Lze jej provést vizuálně nebo pomocí elektronických zařízení . Nejdříve základní formy optické komunikace sahají několik tisíciletí, zatímco nejstarší elektrické zařízení vytvořené k tomu byl fotofon , vynalezený v roce 1880.

Optický komunikační systém používá vysílač , který kóduje zprávu do optického signálu , kanál , který přenáší signál na místo určení, a přijímač , který reprodukuje zprávu z přijatého optického signálu. Pokud není použito elektronické zařízení, je „přijímačem“ osoba, která vizuálně pozoruje a interpretuje signál, který může být buď jednoduchý (například přítomnost požáru majáku ), nebo složitý (například světla používající barevné kódy nebo blikající v Morseově abecedě) sekvence).

Ve vesmíru byla zavedena optická komunikace volného prostoru, zatímco pozemské formy jsou přirozeně omezeny geografií, počasím a dostupností světla. Tento článek poskytuje základní úvod do různých forem optické komunikace.

Vizuální formy

Vizuální techniky jako kouřové signály , požáry majáků , hydraulické telegrafy , vlajky lodí a semaforové linky byly nejčasnějšími formami optické komunikace. Hydraulické telegrafní semafory pocházejí ze 4. století př. N. L. V Řecku. Tísňové světlice jsou stále používány námořníky v případě nouze, zatímco majáky a navigační světla se používají ke komunikaci navigačních nebezpečí.

Heliograf používá zrcadlo , aby odrážel sluneční světlo do vzdáleného pozorovatele. Když signalizátor nakloní zrcadlo tak, aby odráželo sluneční světlo, vzdálený pozorovatel uvidí záblesky světla, které lze použít k přenosu předem připraveného signálního kódu. Námořní lodě často podobným způsobem používají signální lampy a Morseovu abecedu .

Piloti letadel často k bezpečnému přistání používají světelné systémy promítané podle vizuálního přibližovacího sklonu (VASI), zejména v noci. Vojenská letadla přistávající na letadlové lodi používají podobný systém ke správnému přistání na palubě lodi. Systém barevného světla sděluje výšku letadla vzhledem ke standardnímu přistávacímu kluzáku . Také letištní kontrolní věže stále používají lampy Aldis k přenosu pokynů do letadel, jejichž rádia selhala.

Semaforová čára

Replika jedné z Chappeových semaforových věží (18. století).

‚Semafor telegraf‘ , která se také nazývá ‚ semafor linie‘, ‚optický telegraf‘, ‚spouště telegraf řetězce‘, ‚Chappe telegrafní‘ nebo ‚Napoleonský semafor‘, je systém použit pro předávání informací prostřednictvím vizuálních signálů, za použití věže s otočnými rameny nebo roletami, známé také jako čepele nebo pádla. Informace jsou kódovány polohou mechanických prvků; čte se, když je závěrka v pevné poloze.

Semaforové linie byly předchůdcem elektrického telegrafu . Byli mnohem rychlejší než jezdci v poště, když předávali zprávy na velké vzdálenosti, ale mnohem dražší a méně soukromí než elektrické telegrafní linky, které je později nahradily. Maximální vzdálenost, kterou může dvojice semaforových telegrafních stanic překonat, je omezena geografií, počasím a dostupností světla; v praxi tedy většina optických telegrafů používala k překonání větších vzdáleností linky předávací stanice. Každá přenosová stanice by také vyžadovala, aby její kvalifikovaní operátoři-pozorovatelé přenášeli zprávy tam a zpět přes linku.

Moderní design semaforů poprvé předvídal britský polymath Robert Hooke , který v roce 1684 předložil Royal Society živý a komplexní přehled vizuální telegrafie . Jeho návrh (který byl motivován vojenskými obavami po bitvě u Vídně v předchozím roce) nebyl během jeho života uveden do praxe.

První operační optická semaforová linka dorazila v roce 1792, kterou vytvořil francouzský inženýr Claude Chappe a jeho bratři, kterým se podařilo pokrýt Francii sítí 556 stanic o celkové délce 4800 kilometrů. To bylo používáno pro vojenské a národní komunikace až do 1850s.

Mnoho národních služeb přijalo signalizační systémy odlišné od systému Chappe. Například Británie a Švédsko přijaly systémy roletových panelů (v rozporu s tvrzením bratrů Chappe, že úhlové tyče jsou viditelnější). Ve Španělsku vyvinul inženýr Agustín de Betancourt svůj vlastní systém, který tento stát přijal. Tento systém byl mnoha odborníky v Evropě považován za lepší než Chappeův, dokonce i ve Francii.

Tyto systémy byly populární na konci 18. až počátku 19. století, ale nemohly konkurovat elektrickému telegrafu a do roku 1880 byly zcela vyřazeny z provozu.

Semaforové signální vlajky

Námořní signalizátor přenášející zprávu vlajkovým semaforem (2002).

Semaforové vlajky jsou systém pro přenos informací na dálku pomocí vizuálních signálů s ručními vlajkami, tyčemi, disky, pádly nebo příležitostně holými nebo rukavičkovými rukama. Informace jsou kódovány polohou vlajek, předmětů nebo paží; čte se, když jsou ve pevné poloze.

Semafory byly přijaty a široce používány (s ručními vlajkami nahrazujícími mechanická ramena závěrkových semaforů ) v námořním světě v 19. století. Stále se používají při doplňování plavby na moři a jsou přijatelné pro nouzovou komunikaci za denního světla nebo pomocí světelných hůlek místo vlajek v noci.

Novější systém semaforů s vlajkami používá dva krátké póly se čtvercovými vlajkami, které signalizátor drží na různých pozicích, aby přenášel písmena abecedy a čísla. Vysílač drží jeden pól v každé ruce a vysouvá každé rameno v jednom z osmi možných směrů. S výjimkou klidové polohy se příznaky nemohou překrývat. Vlajky jsou barevně odlišeny podle toho, zda jsou signály vysílány po moři nebo po zemi. Na moři jsou vlajky zbarveny červeně a žlutě ( vlajky Oscara ), zatímco na souši jsou bílé a modré ( vlajky Papa ). Vlajky nejsou povinné, pouze zvyšují viditelnost znaků.

Signální lampy

Řídící letového provozu drží lehkou pušku signálu, který může být použit k přímému letadel zažívá selhání rádia (2007).

Signální lampy (například lampy Aldis) jsou vizuální signalizační zařízení pro optickou komunikaci (obvykle používající Morseovu abecedu). Moderní signální lampy jsou zaostřená lampa, která může produkovat světelný puls. Ve velkých verzích je tohoto impulzu dosaženo otevíráním a zavíráním rolet namontovaných před lampou, a to buď ručně ovládaným tlakovým spínačem, nebo v pozdějších verzích automaticky.

U ručních lamp se konkávní zrcadlo nakloní spouští, aby se světlo zaostřilo na pulzy. Lampy jsou obvykle vybaveny nějakou formou optického zaměřovače a jsou nejčastěji rozmístěny na námořních plavidlech a používají se také v letištních řídicích věžích s kódovanými světelnými signály letectví .

Letecké světelné signály se používají v případě poruchy rádia , letadla, které není vybaveno rádiem, nebo v případě sluchově postiženého pilota. Řídící letového provozu k řízení takových letadel dlouho používali signální světelná děla. Lampa světelné zbraně má zaostřený jasný paprsek schopný vyzařovat tři různé barvy: červenou, bílou a zelenou. Tyto barvy mohou být blikající nebo rovnoměrné a poskytují různé pokyny letadlům za letu nebo na zemi (například „schváleno pro přistání“ nebo „schváleno pro vzlet“). Piloti mohou pokyny potvrdit kroutením křídel svého letadla, pohybem křidélek , jsou-li na zemi, nebo blikáním přistávacích nebo navigačních světel v noci. Pouze 12 jednoduchých standardizovaných pokynů je namířeno na letadla pomocí signálních světel, protože systém není využíván s Morseovým kódem .

Heliograf

Heliograf : Australané využívající heliograf v severní Africe (1940).

Heliograf ( řecký : Ἥλιος Helios , což znamená „slunce“, a γραφειν graphein , což znamená „zápis“) je bezdrátový solární telegraf , že signály záblesky slunečního světla (obvykle s využitím Morse kód ), odráží v zrcadle . Blesky jsou vytvářeny krátkodobým otočením zrcadla nebo přerušením paprsku závěrkou.

Heliograf byl jednoduchý, ale účinný nástroj pro okamžitou optickou komunikaci na velké vzdálenosti během konce 19. a počátku 20. století. Jeho hlavní použití bylo ve vojenských, průzkumných a lesnických ochranných pracích. Byly standardní záležitostí britské a australské armády až do šedesátých let a pákistánská armáda je používala až v roce 1975.

Elektronické formuláře

V dnešní době řada elektronických systémů opticky přenáší a přijímá informace nesené světelnými impulsy. Vláknové optické komunikační kabely jsou nyní používány k odesílání velké většiny elektronických dat a dálkových telefonních hovorů, které nejsou přenášeny ani rádiem , pozemní mikrovlnnou troubou ani satelitem . Optická komunikace volného prostoru se také každý den používá v různých aplikacích.

Optické vlákno

Optické vlákno je nejběžnějším typem kanálu pro optickou komunikaci. Vysílače v optických vláknových linkách jsou obecně světelné diody (LED) nebo laserové diody . Infračervené světlo se spíše používá spíše než viditelné světlo , protože optická vlákna přenášejí infračervené vlnové délky s menším útlumem a rozptylem . Kódování signálu je obvykle jednoduchá modulace intenzity , i když v laboratoři byla prokázána historicky optická fázová a frekvenční modulace . Potřeba periodické regenerace signálu byla do značné míry nahrazena zavedením vláknového zesilovače dopovaného erbiem , který prodlužoval spojovací vzdálenosti při výrazně nižších nákladech.

Fotofon

Photophone (původně uveden alternativní název, radiotelefon ) je komunikační zařízení, které nemá pro přenos řeči v paprsku světla . To bylo vynalezeno společně Alexanderem Grahamem Bellem a jeho asistentem Charlesem Sumnerem Tainterem 19. února 1880 v Bellově laboratoři 1325 'L' Street ve Washingtonu, DC Oba se měli později stát plnoprávnými spolupracovníky v laboratoři Volta Laboratory Association , kterou vytvořil a financoval Bell .

21. června 1880 vyslal Bellův asistent bezdrátovou hlasovou telefonní zprávu na značnou vzdálenost ze střechy Franklinovy ​​školy do okna Bellovy laboratoře, vzdálené asi 213 metrů.

Bell věřil, že fotofon je jeho nejdůležitější vynález . Z 18 patentů udělených pouze na Bellovo jméno a 12, které sdílel se svými spolupracovníky, byly čtyři pro fotofon, který Bell označoval jako svůj „největší úspěch“ , a reportérovi krátce před svou smrtí řekl, že fotofon byl „největším vynález [jsem] kdy udělal, větší než telefon " .

Fotofon byl předchůdcem komunikačních systémů s optickými vlákny, které od osmdesátých let minulého století dosáhly populárního celosvětového využití. Hlavní patent na fotofon ( americký patent 235 199 Přístroj pro signalizaci a komunikaci, nazvaný Photophone ) byl vydán v prosinci 1880, mnoho desetiletí předtím, než jeho principy začaly mít praktické aplikace.

Optická komunikace do volného prostoru

Systémy optiky volného prostoru (FSO) se používají pro telekomunikaci na „ poslední míli “ a mohou fungovat na vzdálenosti několika kilometrů, pokud je mezi zdrojem a cílem jasná linie vidění a optický přijímač může spolehlivě dekódovat vysílaný informace. Jiné systémy s volným prostorem mohou poskytovat spojení s vysokou rychlostí dat a dlouhým dosahem pomocí malých subsystémů s nízkou hmotností a nízkou spotřebou energie, díky nimž jsou vhodné pro komunikaci ve vesmíru. Různé plánované satelitní konstelace určené k zajištění globálního širokopásmového pokrytí využívají těchto výhod a využívají laserovou komunikaci pro mezisatelitní spojení mezi několika stovkami až tisíci satelitů, což účinně vytváří vesmírnou optickou síť .

Obecněji je přenos neřízených optických signálů znám jako optická bezdrátová komunikace (OWC). Mezi příklady patří komunikace viditelným světlem středního dosahu a IrDA na krátkou vzdálenost pomocí infračervených LED diod.

Viz také

Reference

Citace

Bibliografie

Další čtení