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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein Datenkommunikationssysteme und insbesondere optische Freiraum-Datenkommunikationsnetze.
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Allgemeiner Stand der
Technik
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Traditionelle Telekommunikationssysteme, die
zwei oder mehr Standorte mit physischem Draht oder Kabel verbinden,
sind im allgemeinen auf relativ langsame Anwendungen mit relativ
geringer Kapazität
begrenzt. Um diese Begrenzungen zu behandeln, verwenden in jüngster Zeit
entwickelte Systeme Lichtwellenleiter. Die Lichtwellenleiter erfordern
jedoch immer noch eine physische Kabelverbindung. Um diese Begrenzung
zu entfernen, wurden Systeme entwickelt, die die Freiraumübertragung
einer oder mehrerer mit Daten modulierter Lichtstrahlen verwenden.
Systeme, die solche Strahlen verwenden, verbessern die Datengeschwindigkeit
und Kapazitätsraten
(bis zu 10 Gbps) sehr gegenüber
traditionellen drahtgestützten
Systemen und vermeiden gleichzeitig die Infrastrukturkosten traditioneller
Kommunikationssysteme des Legens von Faserkabel, um einen Standort
in dem System physisch mit einem anderen zu verbinden. Anstelle
von Kabeln bestehen optische Freiraum-Kommunikationssysteme teilweise aus
mindestens einem Sendeteleskop und mindestens einem Empfangsteleskop
zum Senden bzw. Empfangen von Informationen zwischen zwei oder mehr
Kommunikationsstandorten. Jedes dieser Teleskope enthält Optik,
die mindestens aus einem Primärspiegel
und einem Sekundärspiegel
oder einer Linse besteht. Das Sendeteleskop verwendet seine Optik
zum Senden des Lichtstrahls zu dem Empfangsteleskop. Das Empfangsteleskop
verwendet seine Optik zum Fokussieren des ankommenden Lichtstrahls
auf die Fokalebene des Teleskops. Im allgemeinen ist jedes Teleskop
an ein Kommunikationsnetz oder an eine andere Quelle bzw. an ein
anderes Ziel von Informationen angeschlossen. Im Betrieb empfängt das
Sendeteleskop Informationen über
Kabel oder drahtlose Übertragung
von seinem jeweiligen Netzwerk und sendet dann einen mit diesen
Informationen modulierten Lichtstrahl zu einem oder mehreren Ziel-Empfangsteleskopen.
Jedes Empfangsteleskop leitet Daten dann über eine Kabel- oder drahtlose Übertragung
zu seinem beabsichtigten Ziel in seinem jeweiligen Netzwerk weiter.
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Die oben erwähnten Freiraum-Kommunikationssysteme
hätten
deshalb scheinbar die Vorteile verringerter Kosten bei der Installation
und Wartung physischer festverdrahteter Teile von Netzwerken, während gleichzeitig
die Übertragungskapazität vergrößert wird.
Die optische Freiraumkommunikation kann jedoch durch vielfältige Faktoren
behindert werden. Zum Beispiel können
Zellen mit variierenden Temperaturen, die vom Boden aufsteigen,
zu turbulenten Volumen der Atmosphäre mit verschiedenem Berechnungsindex
führen.
Bei kleineren turbulenten Störungen
wird, wenn der Lichtstrahl durch diese Bereiche verläuft, ein
Teil des Lichtstrahls gebeugt, um so eine Verzerrung des gesendeten
Lichtstrahls zu verursachen. Wenn das turbulente Volumen groß genug
ist, kann der gesamte Strahl gebeugt werden, solange bis er nicht
mehr in der Fokalebene des Empfangsteleskops auf den Lichtwellenleiter
einfällt,
wodurch ein Zustand entsteht, der als Strahlwanderung bekannt ist
und die Kommunikation unterbrechen kann. Außerdem kann es zum Beispiel
durch Nebel oder Schnee in der Atmosphäre zwischen dem Sende- und
dem Empfangsteleskop zu einer Dämpfung des
Lichtstrahls kommen.
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Alternativ dazu kann es zu Kommunikationsunterbrechungen
kommen, wenn sich das Sende- und/oder das Empfangsteleskop aufgrund
vielfältiger Faktoren
wie zum Beispiel Wind, thermische Effekte, Vibration der Teleskopanbringungen
oder unbeabsichtigte Bewegung eines oder beider der Teleskope bewegt,
sodaß nicht
mehr die maximale Amplitude des gesendeten Strahls auf dem Lichtwellenleiter
in der Fokalebene des Empfangsteleskops einfällt, was zu einem Verlust der
Kommunikationskonnektivität führt.
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Aus EP-A-0 398 596 ist eine atmosphärische Kommunikationsstrecke
mit zwei Sendern/Empfängern
bekannt, die sich an jedem Ende einer Unterbrechung von Lichtwellenleiter
befinden. Das Licht wird von einem Sendeteil eines Senders/Empfängers zur atmosphärischen Übertragung
zu einem Empfangsteil eines Senders/Empfängers expandiert und kollimiert.
Im Empfänger
wird der empfangene Strahl optisch auf ein Ende eines Lichtwellenleiters
fokussiert, um Licht in diesen Lichtwellenleiter einzukoppeln. Die
Optik in den Sendern/Empfängern
ist auf einer Plattform angebracht, die in Echtzeit einstellbar
ist, um das empfangene Signal zu optimieren. Die optische Ausrichtung
kann automatisch durch Steuern des Senders aufrechterhalten werden.
Die Sender und die Empfänger
erfordern außer
dem ankommenden Strahl keine Kommunikation, um die optische Ausrichtung
aufrechtzuerhalten, und erfordern keine zusätzlichen Bit in dem Datenstrom
zur Telemetrie.
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Aus US-A-3 497 697 ist ein optisches
Freiraum-Kommunikationssystem
bekannt, wobei die zwischen einem lokalen Oszillatorsignal und einem ankommenden
Kommunikationssignal erzeugte Interferenz dazu verwendet wird, zu
bestimmen, ob der Empfangs-Sender/Empfänger mit
dem gesendeten Strahl ausgerichtet ist. Wenn das ankommende Signal
und das des lokalen Oszillators perfekt ausgerichtet sind, wird
das Ausgangssignal eines Fotodetektors, auf dem die Signale jeweils
einfallen, maximiert. Mit dem Ausgangssignal des Fotodetektors werden Steuerungsantriebe
für eine
Steuereinheit gelenkt, um so das Empfängersystem mit dem ankommenden
Signal auszurichten. Das Empfängersystem
ist mit dem ankommenden Laserstrahl ausgerichtet, wenn die Wechselstromkomponente
des Fotodetektors nicht mehr fluktuiert und maximiert wird.
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Aus US-A-5 347 387 ist ein selbstausrichtender
lokaler Sender/Empfänger
bekannt, wobei ein von der Optik eines fernen Sender/Empfängers getrenntes
Fernbaken zur Bereitstellung eines Signals zum Ausrichten des lokalen
Senders/Empfängers
mit dem fernen Sender/Empfänger
verwendet wird. Nach der Ausrichtung sendet die Optik des fernen Senders/Empfängers ein
Kommunikationssignal zu dem lokalen Sender/Empfänger.
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Kurzdarstellung der Erfindung Die
oben erwähnten
Probleme, die mit dem Verlust der Kommunikation verbunden sind,
der auf einer durch Dämpfung
oder Turbulenz verursachte Strahlwanderung oder Bewegung der Teleskope
zurückzuführen ist, werden
mit der vorliegenden Erfindung im wesentlichen beseitigt. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird als Reaktion auf eine gemessene Abnahme der Empfangssignalamplitude
die auf dem Empfangslichtwellenleiter im Empfangsteleskop einfallende
Signalamplitude entweder durch Dithern des gesendeten Lichtstrahls,
des Empfangslichtwellenleiters oder von beiden variiert. Die Ausrichtung
des gesendeten Lichtstrahls und des Empfangsteleskops wird durch Verwendung
der Messung im Empfangsteleskop eines der Amplitude des empfangenen
Lichtstrahls zugeordneten Signalparameters, wie zum Beispiel der Empfangssignalleistung,
erzielt, um die Variation der Bewegung entweder des gesendeten Lichtstrahls oder
des Empfangslichtwellenleiters zu steuern, damit sie eine Koinzidenz
der maximalen Amplitude des Strahls und des Empfangslichtwellenleiters
in der Empfangsfokalebene bewirkt.
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Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird der in der Fokalebene des Sendeteleskops
befindliche Lichtwellenleiter in einem variablen Muster, wie zum
Beispiel in einem Kreis mit variablem Radius, gedithert. Die Auswirkung
dieses Ditherns besteht darin, den gesendeten Lichtstrahl in einem
Muster oszillieren zu lassen, das diesem Dithermuster entspricht,
wodurch wiederum die Empfangssignalamplitude des Bildes auf der
Fokalebene des Empfangsteleskops oszilliert. Ein Signalparameter,
wie zum Beispiel die Empfangssignalleistung am Lichtwellenleiter
in der Fokalebene des Empfangsteleskops wird dann gemessen, während der
Strahl oszilliert. Durch Vergleichen der Phase der bekannten Oszillationsbewegung
des Lichtwellenleiters mit der Phase der gemessenen Leistung des Empfangssignals
wird eine Phasenverschiebung bestimmt. Mit der Leistungsmessung
und der Phasenverschiebungsbestimmung werden dann sowohl die Richtung
als auch der Betrag der Bewegung des Sendelichtwellenleiters bestimmt,
die bzw. der notwendig ist, um die Empfangssignalamplitude am Empfangslichtwellenleiter
zu maximieren. Während die
Empfangssignalamplitude des Bildes auf der Fokalebene des Empfangsteleskops
zunimmt, wird der Radius des Ditherns des gesendeten Lichtwellenleiters
vermindert. Eine maximale Signalamplitude wird durch iteratives
Messen der Empfangssignalleistung, Bewegen des Sendelichtwellenleiters,
um eine größere Empfangssignalleistung
zu erzielen, und Reduzieren des Radius des Dithermusters erreicht.
Das Ergebnis ist eine Suchfunktion, wobei die maximale Empfangssignalamplitude
gesucht und dann aufrechterhalten wird, indem schrittweise feinere
Einstellungen an der Position des Sendelichtwellenleiters und dem
Dithermusterradius vorgenommen werden.
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Bei einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nicht der Sendelichtwellenleiter
gedithert, sondern die Position des Empfangslichtwellenleiters in
oder in der Nähe
der Fokalebene des Empfangsteleskops in einem variablen Muster, um
den Punkt der maximalen Signalamplitude zu finden. Durch Verwendung
der oben beschriebenen Phasenverschiebungsmeßtechnik kann der Empfangslichtwellenleiter
schrittweise näher
an den Punkt in der Fokalebene gerückt werden, an dem der Lichtstrahl
fokussiert wird (also dem Punkt der maximalen Empfangsamplitude
des empfangenen Lichtstrahls). Wie bei der obigen Ausführungsform
wird, während
diese Bewegung stattfindet, der Radius des kreisförmigen Dithermusters
verringert, um schrittweise feinere Einstellungen der Position des
Empfangslichtwellenleiters zu ermöglichen.
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Falls atmosphärische Störungen den Weg des gesendeten
Strahls verändern
oder wenn Störungen
sowohl am Sende- als auch am Empfangsteleskop auftreten, kann ein
Dithern sowohl des gesendeten Strahls als auch des Empfangslichtwellenleiters
notwendig sein, um Koinzidenz der maximalen gesendeten Signalamplitude
und des Empfangslichtwellenleiters zu erzielen.
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Die Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung werden durch Verwendung eines Spiegelentwurfs ermöglicht,
der die Fläche
der Fokalebene der Teleskope vergrößert. Genauer gesagt verwenden diese
Ausführungsformen
einen Entwurf, durch den die Form des Primär- und des Sekundärspiegels durch
eine variable Kegelkonstante gekennzeichnet ist, um die Fläche der
Fokalebene der Teleskope zu maximieren. Die Verwendung solcher Spiegel
in Freiraum-Laserkommunikationssystemen ist der Gegenstand einer
gleichzeitig mit der vorliegenden eingereichten und gleichzeitig
anhängigen
Anmeldung mit dem Titel „Telescope
for Free Space Optical Communication System", laufende Nr. 09/679,159.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 zeigt
ein optisches Freiraum-Kommunikationssystem,
das eine vorbekannte Teleskopvorrichtung verwendet, während normaler
Kommunikationsbedingungen;
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2 zeigt
ein optisches Freiraum-Kommunikationssystem,
das eine vorbekannte Sendeteleskopvorrichtung verwendet, wobei eine
Störung,
wie zum Beispiel eine unbeabsichtigte Bewegung des Teleskops, zu
einer Abweichung des gesendeten Strahls von seinem beabsichtigten
Weg und somit zu einer reduzierten Empfangssignalamplitude führt;
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3 zeigt
ein optisches Freiraum-Kommunikationssystem,
das eine vorbekannte Empfangsteleskopvorrichtung verwendet, wobei
eine Störung, wie
zum Beispiel eine unbeabsichtigte Bewegung des Teleskops, zu einer
reduzierten Empfangssignalamplitude führt;
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4 zeigt
ein optisches Freiraum-Kommunikationssystem,
das eine vorbekannte Teleskopvorrichtung verwendet, wobei Störungen aufgrund
von Turbulenzen, Dämpfung
oder relativer Winkelfehlausrichtung zwischen dem Sende- und dem Empfangsteleskop
den Kommunikationsverlust verursachen;
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5 zeigt
das Kommunikationssystem der vorliegenden Erfindung, wodurch der
gesendete Lichtstrahl in einem variablen Muster gedithert wird;
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6 zeigt
eine Ansicht der in 5 als
A-A' bezeichneten
orthogonalen Ebene und weiterhin ein representatives Muster in dieser
Ebene, mit dem der Sendelichtwellenleiter und daher der gesendete Lichtstrahl
gedithert wird, um eine auf dem Empfangsteleskop einfallende maximale
Signalamplitude zu erzielen;
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7 zeigt
ein representatives Muster, mit dem der Empfangslichtwellenleiter
in oder in der Nähe
der Fokalebene des Empfangsteleskops gedithert wird, um eine maximale
Signalamplitude des Empfangssignals zu erzielen;
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8 zeigt
eine graphische Darstellung der Oszillation des gesendeten Strahls
oder des Empfangslichtwellenleiters und die entsprechende gemessene
Empfangssignalleistung als Funktion der Zeit, die eine Bestimmung
der Phasenverschiebung ermöglicht;
und
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9 zeigt
ein Flußdiagramm,
das die Schritte der vorliegenden Erfindung beschreibt.
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Ausführliche
Beschreibung
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1 zeigt
ein Diagramm zweier vorbekannter optischer Kommunikationsteleskope 101 und 102 während normaler
Betriebsbedingungen in einem optischen Freiraum-Kommunikationssystem.
Der Laser 130 erzeugt einen optischen Lichtstrahl, der
mit aus dem Netzwerk 110 empfangenen Daten moduliert wird.
Das Sendeteleskop 101 empfängt das modulierte optische
Signal über
den Lichtwellenleiter 106. Der Primärspiegel 120 und der
Sekundärspiegel 121 formen
optisch den modulierten Lichtstrahl, sodaß, wenn das Sendeteleskop 101 und
das Empfangsteleskop 102 ordnungsgemäß ausgerichtet sind, der Strahl
auf der Fokalebene des Empfangsteleskops einfällt. Das Empfangstelekop 102 verwendet
seine Optik, die aus einem Primärspiegel 122 und
einem Sekundärspiegel 123 besteht,
zur Fokussierung des ankommenden modulierten Lichtstrahls 103 auf
den Empfangslichtwellenleiter 112 in der Fokalebene des Empfangsteleskops 102.
Der Empfangslichtwellenleiter 112 sendet dann das modulierte
optische Signal zu dem Empfänger 129,
der die Daten aus dem Strahl demoduliert und die Daten in elektrischem
Format zu Vernetzungsgeräten
in dem Netzwerk 109 weiterleitet, die die Daten in diesem
Netzwerk weiter verbreiten.
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In bestimmten Situationen kann es
jedoch sein, daß nicht
die maximale Amplitude des Lichtstrahls 103, der von dem
Sendeteleskop 101 gesendet wird, voll auf dem Lichtwellenleiter
in der Fokalebene des Empfangsteleskops 102 einfällt. Zum
Beispiel zeigt 2 den
Fall, daß eine
Störung
in dem Sendeteleskop zu einer Abweichung des gesendeten Lichtstrahls
von seinem beabsichtigten Weg führt. Wenn
der Sendelichtwellenleiter ein optisches Signal zu dem Sendeteleskop 201 sendet,
bildet in diesem Fall die Optik des Teleskops den Strahl 203 so,
daß er
nur teilweise auf dem Empfangsteleskop 202 einfällt. Obwohl
das empfangene Lichtstrahlbild weiter auf dem Empfangslichtwellenleiter 212 einfällt, fällt weniger Lichtenergie
auf diesen Lichtwellenleiter ein. Folglich ist die Amplitude des
von dem Empfangslichtwellenleiter 212 empfangenen Bildes
vermindert.
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In einem in 3 gezeigten anderen Fall entsteht eine
Störung
am Empfangsteleskop. In diesem Fall fällt zwar weiter die maximale
Amplitude des gesendeten Strahls 303 auf dem Empfangsteleskop 302 ein,
aber das Bild auf der Empfangsfokalebene 313 bewegt sich
in bezug auf den Empfangslichtwellenleiter 312 zum Beispiel zu dem
Punkt 311. Das Ergebnis ist, daß die Amplitude des Signals,
das von dem Empfangslichtwellenleiter 312 empfangen wird, vermindert
ist.
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4 zeigt
einen dritten Fall einer Störung, die
auftritt, wenn turbulente Zellen variierender Temperatur in der
Atmosphäre
und Dämpfung
zwischen dem Sende- und dem Empfangsteleskop 401 bzw. 402 besteht.
Wenn der gesendete Strahl 403 die Turbulenz 404 und/oder
die Dämpfung 405 durchläuft, kann
der Strahl von seinem beabsichtigten Weg abweichen und die Amplitude
des Signalbildes auf der Fokalebene des Empfangsteleskops kann verringert werden.
Wenn genug Turbulenz oder Dämpfung
in dem Weg zwischen dem Sende- und
dem Empfangsteleskop vorhanden ist, kann die Abweichung oder Reduktion
der Amplitude einen solchen Betrag aufweisen, daß bewirkt wird, daß der gesendete
Lichtstrahl nicht auf dem Lichtwellenleiter 412 in der
Fokalebene des Empfangsteleskops 402 einfällt.
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5 zeigt
ein Freiraum-Kommunikationssystem gemäß der vorliegenden Erfindung,
wobei der Sende- und der Empfangslichtwellenleiter gedithert werden
können,
um maximale Empfangssignalleistung zu erreichen. Bei dieser Ausführungsform erzeugt
wieder der Laser 530 einen Lichtstrahl, der von dem Modulator 504 mit
Daten aus dem Netzwerk 510 moduliert wird. Der Lichtstrahl
wird dann über den
Lichtwellenleiter 506 zu dem Sendeteleskop 501 gesendet,
das den Strahl über
den freien Raum zum Empfangsteleskop 502 sendet. Der Lichtstrahl
wird in den Lichtwellenleiter 512 in der Fokalebene des Empfangsteleskops 502 fokussiert.
Der Fotodetektor 508 wandelt das optische Signal in ein
elektrisches Signal um, das zur Demodulation der Daten aus dem Lichtstrahl
zum Empfänger 529 gesendet
wird. Die Signalleistung des elektrischen Signals wird, dann durch
den Leistungsmesser 531 gemessen. Wenn atmosphärische Störungen oder
Störungen
an einem der Teleskope bewirken, daß nicht die maximale Amplitude
des Lichtstrahls 503 auf den Empfangslichtwellenleiter 512 einfällt, fällt die
Signalleistung des optischen Signals an dem Lichtwellenleiter 512 ab, was
zu einem erkennbaren Leistungsabfall durch den Leistungsmesser 531 führt.
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Bei einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird, wenn eine Störung in dem Sendeteleskop auftritt,
der Sendelichtwellenleiter 503 gedithert, um die maximale
Empfangsleistung wieder herzustellen. Um das Dithern einzuleiten, sendet
die Steuerung 532 im Empfangsteleskop ein Signal zu der
Steuerung 523 in dem Sendeteleskop. Die Steuerung 523 erzeugt
dann Signale, die motorisierte Stufen 521 und 522 steuern,
um den Sendelichtwellenleiter 506 und daher den Lichtstrahl 503 in einem
kreisförmigen
Dithermuster zu bewegen. Als Folge variiert die Amplitude des Bildes
des empfangenen Strahls in der Fokalebene des Empfangsteleskops 502 gemäß der Bewegung
des gesendeten Strahls.
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6 stellt
die in 5 als A-A' bezeichnete Ebene
dar, die orthogonal zu der Längsachse
des Empfangsteleskops ist, in der sich der Primärspiegel dieses Teleskops befindet. 6 zeigt weiter die Bewegung
des Querschnitts des gesendeten Lichtstrahls in dieser Ebene, die
sich aus dem Dithern des Sendelichtwellenleiters 506 in 5 ergibt. Wenn eine Störung im
Sendeteleskop den Weg des gesendeten Strahls vor jedem Dithern verändert hat,
fällt der
gesendete Strahl und daher die maximale gesendete Signalamplitude
auf den Bereich 601 ein. Der Punkt 603 stellt
die Position des Empfangsteleskops dar. Da nicht die maximale Signalamplitude
des gesendeten Lichtstrahls, befindlich am Punkt 601, auf dem
Empfangsteleskop 603 einfällt, erkennt der Leistungsmesser 531 in 5 einen Leistungsabfall
unter eine spezifizierte Schwelle. Folglich wird, wie oben beschrieben,
der Sendelichtwellenleiter 506 in 5 in einem kreisförmigen Muster gedithert, was zu
einem entsprechenden kreisförmigen
Muster 604 des gesendeten Strahls mit Ursprung 601 und
Radius R mit der Bezeichnung 606 führt. Um dieses Muster einzuleiten,
wird der Sendelichtwellenleiter so bewegt, daß der gesendete Strahl entlang
dem Radius 606 zu dem Punkt 602 auf dem Umfang
des kreisförmigen
Musters 604 bewegt wird und beginnt, das kreisförmige Dithermuster 604 in
der Richtung 605 um den Ursprung des Kreises 601 herum
zu transitieren.
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Wieder mit Bezug auf 5 werden, während der Sendelichtwellenleiter 506 gedithert
wird, von dem Leistungsmesser 531 Empfangssignalleistungsmessungen
genommen und zu einem Phasenregelkreis (PLL) 511 gesendet.
Phasenregelkreise sind in der Technik wohl bekannt. Der PLL 511 empfängt Signale,
die das Ditheroszillationsmuster aus der Steuerung 523 im
Sendeteleskop darstellen. Der PLL 511 isoliert dann die
Vertikal- und Horizontalkomponenten der Ditheroszillation des Sendelichtwellenleiters 506.
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8 zeigt
eine graphische Darstellung der Vertikal- und Horizontalkomponenten 801 bzw. 802 der
Bewegung des gesendeten Strahls, während der Strahl einen Zyklus
des Dithermusters 604 in 6 abschließt. Die
Variable T entlang der horizontalen Achse ist als die Zeit definiert,
die das Dithermuster braucht, um am Zyklus abzuschließen. Die
Komponente 803 in 8 zeigt
außerdem
die von dem Leistungsmesser 531 in 5 gemessene Leistung im Empfangsteleskop,
entsprechend dem Dithermuster 604 in 6. Während
der gesendete Strahl durch das Dithermuster 604 bewegt
wird, vergleicht der PLL 511 die Phasenabweichungen zwischen
den Vertikal- und Horizontalkomponenten der Bewegung 801 und 802 in 8 mit der gemessenen Signalleistung 803 im
Empfangsteleskop. Der PLL 511 gibt dann Horizontal- und
Vertikalphasenfehlerwerte aus, die diesen Abweichungen entsprechen.
Diese Fehlerwerte und die gemessene Leistung geben die Winkelrichtung
und den Betrag der Bewegung, des Ursprungs 601 des kreisförmigen Dithermusters 604 an,
die bzw. der notwendig ist, um einen Einfall der maximalen Amplitude
des gesendeten Strahls 602 auf dem Empfangslichtwellenleiter 512 in
der Fokalebene des Empfangsteleskops 603 zu erzielen. Während der
Ursprung 601 des Dithermusters 604 und entsprechend
die Maximalamplitude des gesendeten Strahls näher zu dem Empfangsteleskop 603 bewegt werden,
werden durch Reduzieren des Radius 606 des Dithermusters
feinere Bewegungen ermöglicht. Somit
kann man durch iteratives Messen der Empfangssignalleistung, Einstellen
der Position des Ursprungs des Dithermusters des gesendeten Strahls und
Verringern des Radius des Dithermusters, um zunehmend feinere Einstellungen
zu erhalten, die maximale Empfangsleistung erreichen.
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Für
Fachleute ist erkennbar, daß das
Dithern des gesendeten Strahls nur solche Störungen vollständig korrigiert,
deren Ursprung im Sendeteleskop liegt. Wenn zum Beispiel das Sendeteleskop
unbeabsichtigt bewegt wird, fällt
der gesendete Strahl möglicherweise
nicht vollständig
auf dem Empfangsteleskop ein, was zu einer verringerten Empfangsamplitude
führt.
In einem solchen Fall kann der Sendelichtwellenleiter, wie oben
beschrieben, gedithert werden, um den gesendeten Weg des Lichtstrahls
so zu bewegen, daß er
wieder vollständig
auf dem Empfangsteleskop einfällt
und entsprechend wieder die maximale gesendete Signalamplitude auf
dem Empfangslichtwellenleiter in der Fokalebene dieses Teleskops einfällt. Wenn
im Empfangsteleskop eine Störung auftritt,
führt jedoch
ein einfaches Maximieren der Signalamplitude, die auf dem Empfangsteleskop
einfällt,
nicht unbedingt zu der Koinzidenz der maximalen gesendeten Signalamplitude
und des Empfangslichtwellenleiters. Stattdessen können Korrekturmaßnahmen
im Empfangsteleskop notwendig sein.
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Deshalb betrifft eine zweite Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung die Situation, wenn eine Störung im
Empfangsteleskop auftritt, was zu einer Verringerung der Empfangssignalamplitude
am Empfangslichtwellenleiter des Empfangsteleskops führt. Wenn
eine Störung
im Empfangsteleskop auftritt, wie zum Beispiel wenn das Teleskop
unbeabsichtigt bewegt wird, ist das Ergebnis eine Änderung
des Einfallwinkels des gesendeten Lichtstrahls in bezug auf das
Empfangsteleskop. Eine solche Änderung
führt zu
einer Bewegung des Bildes des empfangenen Strahls in der Empfangsfokalebene
von dem Punkt weg, an dem das Bild vollständig auf dem Empfangslichtwellenleiter
einfällt.
Dies führt
zu einem entsprechenden Abfall der Amplitude des auf dem Empfangslichtwellenleiter
einfallenden Empfangssignals. Anstatt den Sendelichtwellenleiter
zu dithern, wird deshalb, wenn eine Störung im Empfangsteleskop auftritt,
der Empfangslichtwellenleiter in dem Empfangsteleskop gedithert,
während
die Position des Bildes des empfangenen Strahls in der Fokalebene des
Empfangsteleskops 502 konstant bleibt. 7 stellt die Bewegung des Empfangslichtwellenleiters 512 am
Ursprung 701 des Kreises 704 mit Bezug auf den
festen Punkt der maximalen Amplitude 703 in der Fokalebene
des Empfangsteleskops dar.
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Wenn der Leistungmesser 531 in 5 einen Abfall der Empfangssignalleistung
mißt,
der sich aus diesem Abfall der Amplitude ergibt, erzeugt die Steuerung 532 Signale,
die bewirken, daß die
motorisierten Stufen 526 und 527 den Empfangslichtwellenleiter 512 in
einem kreisförmigen
Dithermuster (704 in 7)
bewegen. Der Empfangslichtwellenleiter 512 bewegt sich
von dem Ursprung 701 des Kreises 704 aus entlang
dem Radius 706 zu dem Punkt 702 und leitet das
kreisförmige
Dithermuster in der Richtung 705 um den Ursprung 701 ein.
Der PLL 511 vergleicht die Phase der Empfangsleistung mit
der Phase der Vertikal- und Horizontalkomponenten der Bewegung des
Lichtwellenleiters 512. Der PLL 511 gibt dann
Fehlerwerte aus, um den Betrag und die Richtung der Bewegung anzugeben,
der bzw. die notwendig sind, um den Ursprung des Dithermusters 704 so
zu bewegen, daß der
Punkt der maximalen Empfangsleistung 703 auf dem Empfangslichtwellenleiter 512 einfällt. Während sich
der Ursprung des Dithermusters 704 dem Punkt der maximalen
Leistung 703 annähert,
werden durch Verringern des Radius 706 des Dithermusters
feinere Bewegungen ermöglicht.
Auf diese Weise kann man die maximale Empfangsleistung durch iteratives
Messen der Empfangssignalleistung, Einstellen der Position des Ursprungs des
Dithermusters des Empfangslichtwellenleiters und Reduzieren des
Radius des Dithermusters, um zunehmend feinere Einstellungen zu
erhalten, erreichen.
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Es sollte beachtet werden, daß die obigen Ausführungsformen
nur die Fälle
behandeln, wenn eine Störung
lokal entweder im Sende- oder im Empfangsteleskop auftritt. Wie
bereits besprochen, wird die optische Freiraumkommunikation jedoch
häufig durch
atmosphärische
Störungen
zwischen dem Sende- und dem Empfangsteleskop beeinflußt. In einem
solchen Fall kann es notwendig sein, sowohl den gesendeten Strahl
als auch den Empfangslichtwellenleiter entweder gleichzeitig oder
sequenziell zu dithern, um Koinzidenz der maximalen Amplitude des gesendeten
Lichtstrahls und des Empfangslichtwellenleiters zu erzielen. Wenn
zum Beispiel eine oder mehrere Störungen in der Atmosphäre entlang
dem Weg des gesendeten Strahls zwischen dem Sende- und dem Empfangsteleskop
auftreten, kann das resultierende Bild auf dem Teleskop eine verringerte Amplitude
aufweisen, ähnlich
dem Fall, wenn eine Störung
im Sendeteleskop auftritt. Außerdem
kann dieses selbe Bild durch die atmosphärischen Störungen zu einem neuen Punkt
in der Empfangsfokalebene bewegt werden, ähnlich dem Fall, wenn eine
Störung
im Empfangsteleskop auftritt. Folglich kann in solchen Fällen atmosphärischer
Störungen
die maximale Amplitude nur durch Dithern auf die beschriebene Weise
sowohl des gesendeten Strahls (um die Amplitude des gesendeten Strahls,
der auf dem Empfangsteleskop einfällt, zu maximieren) als auch des
Empfangslichtwellenleiters (um den Empfangslichtwellenleiter zu
dem Punkt zu bewegen, an dem die maximale Amplitude auf diesem Lichtwellenleiter einfällt) erzielt
werden. Man erhält
somit die, maximale gesendete Signalamplitude durch iteratives Messen
der Signalleistung, Dithern entweder des Sende- oder des Empfangslichtwellenleiters
oder Dithern von beiden und Bewegen entweder eines oder beider dieser
Lichtwellenleiter zu einer neuen Position in der Fokalebene des
jeweiligen Teleskops, um die Empfangssignalamplitude zu maximieren.
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Obwohl die obigen Ausführungsformen
implizieren, daß das
Dithern nur nach einem erkannten Abfall der Signalamplitude eingeleitet
wird, ist für Fachleute
erkennbar, daß das
Dithern entweder im Sende- oder im Empfangsteleskop oder in beiden
Teleskopen auch konstant während
des Kommunikationsbetriebs aufrechterhalten werden kann. Wenn ein starkes
Kommunikationssignal zwischen einem Sende- und einem Empfangsteleskop
besteht, ist in einem solchen Fall die von dem Dithermuster umschlossene
Fläche
relativ klein, um das stärkstmögliche Signal
aufrechtzuerhalten. Sobald die Empfangssignalleistung unter eine
definierte Schwelle absinkt, kann die Fläche des Dithermusters in jedem Teleskop
jedoch vergrößert werden,
um gemäß den obigen
Ausführungsformen
ein stärkeres
Signal zu suchen. Sobald ein stärkeres
Signal erkannt wird, wird die Fläche
des Dithermusters wieder verringert. Wenn die Kommunikationskonnektivität vollständig verloren
geht (z.B. als Folge von Turbulenzen, relativer Winkelfehlausrichtung
zwischen Teleskopen usw.), kann der Durchmesser des Dithermusters
erweitert werden, sodaß der
Sendestrahl und/oder der Empfangslichtwellenleiter relativ breit über eine größere Fläche variiert
werden, um zu versuchen, die Kommunikation wieder herzustellen.
Wiederum kann, wenn die Kommunikation erfolgreich wieder hergestellt
wird, das Dithermuster dann wieder auf dem Punkt in der Fokalebene
des relevanten Teleskops, der das stärkste Empfangssignal ergibt,
zentriert und der Durchmesser des Dithermusters verringert werden.
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Die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung
können
in der operationalen optischen Freiraumkommunikation, wie allgemein
durch die Schritte in 9 gezeigt,
verwendet werden. Während
der normalen Kommunikation wird im Schritt 901 die Empfangssignalleistung
gemessen. In Schritt 902 wird das Dithern als Reaktion
auf eine gemessene Signalleistung, die unter einer spezifizierten Schwelle
liegt, eingeleitet. Sobald diese maximal mögliche Signalleistung erreicht
ist, wird das Dithern entweder angehalten oder mit einem bestimmten
Minimalpegel fortgesetzt.
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Es wurden oben lediglich die Prinzipien
der Erfindung veranschaulicht. Es versteht sich also, daß Fachleute
verschiedene Anordnungen konzipieren werden können, die zwar hier nicht ausführlich beschrieben
oder gezeigt wurden, aber die Prinzipien der Erfindung realisieren
und in den Schutzumfang der angefügten Ansprüche fallen. Außerdem sind
alle Beispiele und alle Konditionalsprache, die hier angeführt werden,
hauptsächlich
ausdrücklich
nur für
pädagogische
Zwecke bestimmt, um dem Leser das Verständnis der Prinzipien der Erfindung
und der von den Erfindern zur Erzielung eines Fortschritts in der Technik
beigetragenen Konzepte zu erleichtern und sollen nicht als Einschränkung auf
solche spezifisch angeführten
Beispiele und Bedingungen aufgefaßt werden. Außerdem sollen
alle Aussagen, die hier Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung
sowie spezifische Beispiele für
diese anführen,
auch funktionale Äquivalente
dieser umschließen.
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Somit sollte es für Fachleute zum Beispiel erkennbar
sein, daß Diagramme
hier Konzeptansichten von optischen Teleskopen und Lichtstrahlen
darstellen, die zum Zweck der optischen Freiraumkommunikation mit
Daten moduliert werden. Diagramme optischer Komponenten sind bezüglich Abmessung oder
in Beziehung auf andere Komponenten nicht unbedingt genau, sondern
stellen stattdessen lediglich mögliche
physische Anordnungen solcher Komponenten dar. Außerdem ist
für Fachleute
erkennbar, daß alle
in den Diagrammen dargestellten Lichtwellenleiter nur ein Verfahren
zum Übertragen
von Daten zwischen Teleskopen und Netzzielen darstellen. Jedes beliebige
andere Kommunikationsverfahren zum Weiterleiten von Daten von den
Teleskopen zu Netzzielen soll ohne Einschränkung als Alternative zu dem
in dem Diagramm gezeigten Verfahren angesehen werden.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform,
bei der der Sendelichtwellenleiter gedithert wird, übermittelt
außerdem
die Steuerung am Empfangsteleskop die Notwendigkeit, den Sendelichtwellenleiter
zu dithern, über
festverdrahtete Computernetze. Es sollte jedoch für Fachleute
erkennbar sein, daß diese
Rückkopplungsfunktion
durch viele verschiedene Verfahren erreicht werden könnte, darunter,
ohne Einschränkung,
drahtlose Hochfrequenzsender und -Empfänger oder sogar optische Freiraumkommunikation.
Dieses letztere Verfahren könnte
durch Verwendung eines zweiten Paares von Teleskopen erzielt werden,
das zusammen mit dem Sende- und dem Empfangsteleskop angeordnet
ist. Solche Teleskope müßten nicht
mit hoher Bandbreite kommunizieren und könnten deshalb weniger komplex
und weniger kostspielig als die primären Kommunikationsteleskope
sein. Als Alternative könnten die
bereits bestehenden Sende- und Empfangsteleskope das Rückkopplungssignal
zusätzlich
zu ihrer primären
Kommunikationsfunktion senden. In diesem Fall könnte das Kommunikationssystem
eine andere Frequenz für
das Rückkopplungssignal
benutzen, um eine Störung
des primären
Kommunikationssignals zu vermeiden. Für Fachleute ist erkennbar,
daß, wenn
ein zweites Paar von Teleskopen zusammen mit den primären Teleskopen
angeordnet wird, oder wenn beide primären Teleskope senden und empfangen
können,
der Ditheralgorithmus, der Störungen
an einem der Kommunikationsstandorte oder an beiden korrigiert,
wesentlich komplexer wird.
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Zusätzlich erfordert das Dithern
bei den obigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung eine Zeitsynchronisierung zwischen dem
Sende- und dem Empfangsteleskop. Für Fachleute ist erkennbar, daß sich eine
solche Synchronisierung mit vielen verschiedenen Verfahren erzielen
läßt, darunter,
ohne Einschränkung,
die Verwendung stabiler Oszillatoren in jedem Teleskop. Durch eine
solche Synchronisation können
einer oder beide der Standorte die Bewegung des Lichtwellenleiters,
der gedithert wird, präzise
verfolgen. Dies ist notwendig, um die Phase dieser Ditherbewegung
mit der Phase der im Empfangsteleskop gemessenen Empfangssignalleistung
zu vergleichen, wie in den obigen Ausführungsformen beschrieben wurde.
Außerdem
ist für
Fachleute erkennbar, daß auch
ein bestimmtes Verfahren zum Aufrechterhalten der Synchronisation
notwendig ist. Dies läßt sich
ebenfalls mit vielen verschiedenen Verfahren erreichen, darunter,
ohne Einschränkung,
die Verwendung eines Bursts von Informationen von einem Teleskop
zu dem anderen, wodurch eine erwartete Phasenposition entweder des
oszillierenden Lichtwellenleiters oder des gemessenen Empfangsleistungssignals
an einem bestimmten Zeitpunkt angegeben wird. Wenn die erwartete
Phasenposition nicht genau ist, können Einstellungen an der Oszillation
des phasenverschobenen Lichtwellenleiters erforderlich sein.
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Andere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind
ebenfalls nur von repräsentativer
Beschaffenheit. Obwohl motorisierte Stufen als die Mechanismen gezeigt
sind, durch die das Dithern des Sende- oder des Empfangslichtwellenleiters
bewirkt wird, gibt es zum Beispiel viele andere funktionale Äquivalente
zur Erreichung dieses Ditherns, darunter ohne Einschränkung, piezeoelektrische
Treiber. Zusätzlich wird
bei der vorliegenden Erfindung zur Messung und zum Vergleich der
Phase der Empfangssignalleistung mit der Phase der Komponenten der
Ditheroszillationsbewegung ein mit einem Phasenregelkreis gekoppelter
Leistungsmesser verwendet. Dieser Vergleich ist jedoch nur ein Verfahren
zur Ansteuerung der Ditherfunktion. Es könnte jeder beliebige meßbare Signalparameter
in Verbindung mit der Ditherbewegung verwendet werden, um Fehlerwerte
zu erzeugen, mit denen der Ursprung des Dithermusters bewegt wird.
Außerdem
ist ein kreisförmiges
Dithermuster nur ein mögliches
Muster, das verwendet werden könnte,
und ist nicht als andere potentielle Ausführungsformen des Dithermusters
ausschließend gemeint.
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Schließlich ist für Fachleute erkennbar, daß die verschiedenen
Aspekte der vorliegenden Erfindung zusammen in einem Kommunikationssystem implementiert
werden können.
Als Alternative dazu kann jeder Aspekt der vorliegenden Erfindung
als eine „selbständige" Maßnahme zur
Vergrößerung der Kommunikationsverfügbarkeit
implementiert werden. Nichts soll hier fordern, daß alle Aspekte
der vorliegenden Erfindung in einer einzigen Ausführungsform enthalten
sind.