Общим способом передачи информации с помощью электромагнитного излучения и в оптическом, и в радиодиапазоне, по волноводам и в открытом пространстве является последовательная передача. Частотное разделение каналов в радиодиапазоне, как и технология WDM в оптическом диапазоне, не образует параллельную передачу в одном канале, а создает некоторое количество последовательных каналов.
Практически единственным способом параллельной передачи информации является передача двумерного изображения по волноводу, который может быть разного исполнения – от металлического, до волоконнооптического. Оптические многомодовые волноводы обладают способностью воспроизводить изображение объекта, находящегося в его входном сечении (z=0), в последовательности синфазных сечений, удаленных от входа на расстояния zs–sL (L – расстояние до первого синфазного сечения, зависящее от типа волновода и его параметров, s – порядковый номер синфазного сечения). В последние годы все больше появляется публикаций, в которых рассматривается возможность передачи изображений по многомодовому волокну. Например, типичное волокно с диаметром сердцевины 100 мкм может нести до 10 000 мод и в принципе передавать изображение примерно с таким же количеством пикселей. Однако в таком волокне каждая из индивидуальных мод распространяется с несколько иной скоростью, что приводит к амплитудным и фазовым искажениям изображения и образованию спекл-структуры.
В то же время в оптике и других областях, использующих волновые процессы, существует и используется эффект, который можно рассматривать как параллельную передачу информации, – голография. Уникальность голографии состоит в том, что информация об исходном объекте передается в пространстве монохроматическим волновым фронтом (т.е. в одном частотном канале) и формирует подлежащую регистрации интерференционную картину большого объема за время, равное одному периоду опорной волны (в оптической голографии – за 0,002 пикосекунды).
Постановка задачи
Рассмотрим более общую, чем передача изображений, задачу – передачу произвольной цифровой информации. В существующих системах для передачи по каналам связи исходного цифрового информационного блока он представляется в виде одномерного массива. В процессе передачи информационный блок поэлементно поступает в канал связи и тем самым разворачивается во времени, превращаясь в сигнал, длительность которого пропорциональна числу элементов массива. Оборудование для передачи и приема лока��изовано в двух точках пространства (источник света и фотоприемник в оптическом канале, антенна передатчика и приемника в радиоканале). Процесс формирования голограммы отличается от процесса передачи информации. Тем не менее, голографию можно рассмотреть как метод передачи информации из области пространства, где находится объект, в область пространства, где формируется его голограмма. В процессе формировании голограммы передаваемый информационный блок является изображением объекта, которое передается в одном пространственном канале и формирует матрицу голограммы. При этом информация передается в пространстве параллельно (все точки одновременно).
Если голографию использовать для передачи информации, то изображения объектов на передающей стороне формируется одно за другим с некоторой тактовой частотой и с такой же частотой на приемной стороне регистрируются голограммы. Можно считать, что при голографической передаче информации происходит преобразование матрицы пространства-времени, дающее возможность параллельной передачи (развертка информации во времени, используемая при последовательной передаче, заменяется разверткой в пространстве). Таким образом, информация развернута в пространстве по площади принимаемой голограммы, а во времени используются две локальные точки – момент формирования объекта и момент формирования голограммы.
Голография предоставляет выбор из двух вариантов места проведения цифровой голографической обработки. Первый вариант – прямое голографическое преобразование – формирование в плоскости передатчика изображения, распространение волнового фронта, регистрация в приемнике голограммы и восстановление исходного изображения путем цифровой обработки голограммы. Второй вариант – обратное голографическое преобразование – формирование в плоскости передатчика голограммы исходного изображения и передача волнового фронта голограммы. В этом случае в плоскости приемника формируется исходное изображение. Выбор варианта зависит от того, где больше доступных вычислительных ресурсов – в приемнике или передатчике.
Ограничения. Первое – отсутствие электронных средств, способных передавать и обрабатывать информацию со скоростью передачи голограмм в открытом пространстве. Второе – регистрация голограмм реальных изображений требует многоэлементных фотоматриц с большим динамическим диапазоном яркости. Поэтому на первом этапе исследования этой технологии рациональным решением является сокращение объема передаваемой информации и использование для кодирования сообщений простейших изображений – однобитных матриц исходного объекта, например, 16х16. При использовании позиционного кода, как, например, при голографическом кодировании, голограмма простейшего объекта (одной светящейся точки) представляет собой изображение зонной пластинки Френеля (Рис. 1).
В этом случае полезный объем передаваемой информации – 8 бит (две 4-разрядные координаты светящейся точки на изображении объекта размером 16х16, соответствующие координатам центра зон Френеля на голограмме).
В плоскости приемника путем цифровой обработки вычисляются координаты центра зон Френеля, в данном случае это и есть восстановление голограммы. Если аппаратные ресурсы позволяют использовать матрицу источников света, в плоскости передатчика формируется голограмма, а интерференционная картина в плоскости приемника представляет собой изображение точечного источника, координаты которого – передаваемая информация.
Варианты решения задачи параллельной передачи информации
1. Оптическая голография. Для передачи в открытом пространстве в передатчике по блоку передаваемой информации формируетс�� однобитная двоичная оптическая матрица объекта. Элементы матрицы в состоянии «1» – когерентные источники света, образованные оптическими модуляторами плоского фронта, создаваемого лазером, в состоянии «0» излучение отсутствует. Волновой фронт, образованный сферическими волнами элементов матрицы объекта, формирует в плоскости приемника голограмму, которая фиксируется фотоприемной матрицей. Скорость передачи информации определяется быстродействием оптических модуляторов и фотоприемников. Дальность передачи определяется соотношением разрешающей способности среды регистрации голограммы и длины волны используемого излучения – в оптической голографии размером фотоприемной матрицы, количеством и чувствительностью ее элементов и составляет несколько метров. Многократно увеличить дальность можно, используя в качестве элементов матрицы передатчика узконаправленные лазеры. Массив лазеров, наведенных на матрицу приемника, формирует в ее плоскости интерференционную картину. Дальность в этом случае будет определяться турбулентностями атмосферы и соответствовать дальности атмосферных оптических линий связи.
Если будет достигнут успех в области передачи изображений по многомодовому волокну и эти исследования получат практическую реализацию, получат развитие и голографические методы многомодовой параллельной передачи произвольной цифровой информации. В отличие от реальных изображений, требующих высокого пространственного разрешения, цифровую информацию в многомодовом режиме можно передавать в виде небольших голограмм размером от 8х8 до 32х32. Проблема модовой дисперсии и искажений других видов, возникающих при передаче по волокну, в этом случае решается за счет высокой устойчивости голограммы к воздействию искажений. На рис. 2 показана голограмма объекта, имеющего 4 светящиеся точки.
Размер голограммы 32х32, поэтому координаты каждой точки несут 10 бит информации, соответственно, 4 точки обеспечивают передачу 40 бит. На рис. 3. приведен результат восстановления этой голограммы, полученный моделированием в среде MATLAB процесса параллельной передачи информации.
Таким образом, использование оптической голографии позволяет организовать параллельную передачу информации, как в открытом пространстве, так и в многомодовом волокне. Высокая помехоустойчивость голографической передачи позволяет противостоять атмосферным помехам и модовой дисперсии и повысить в 40 и более раз скорость передачи информации по сравнению с последовательной передачей в той же среде распространения.
2. Радиоголография. Начальным этапом развития параллельной передачи информации по радиоканалу является технология пространственно-временного кодирования (STC). Пространственно-временное кодирование реализуется в системах с несколькими антеннами на передающей стороне и несколькими антеннами на приемной стороне, в так называемых системах MIMO (Multiple Input – Multiple Output, множественный ввод – множественный вывод). В литературе описана возможность снижения габаритов антенных устройств MIMO путем использования голографических поверхностей MIMO (Holographic MIMO Surfaces – HMIMOS). При их разработке не ставилась задача создать канал параллельной передачи информации, но они вполне могут найти и такое применение.
Формирование и регистрация волнового фронта происходит в радиодиапазоне. Матрицы передатчика и приемника – антенные решетки или поверхности HMIMOS. Размер антенных устройств опре��еляется рабочим диапазоном частот. При использовании терагерцового диапазона, планируемого для использования в сетях 6G, размер антенн составит 10– 30 сантиметров, что допустимо для многих стационарных узлов связи. Антенна в данном случае не является фазированной антенной решеткой, ее элементы работают с постоянной фазой, которая измеряется на приемной стороне при совместной юстировке передающей и приемной антенной системы. Каждый элемент антенной решетки фиксирует интенсивность интерференционного поля в одной точке, вся решетка формирует принятую голограмму. В результате последующей цифровой обработки восстанавливается переданный информационный блок.
3. Частотная голография. Еще один вариант преобразования матрицы пространства-времени – это перевод информационного взаимодействия из области пространства–времени в область время–частота. Вместо рассмотренного переноса информационного блока из линейного массива во времени в пространственную матрицу голограммы можно использовать преобразование информационного блока в линейный массив спектра в частотной области. Это в некоторой степени ассоциируется с мультиплексированием с разделением по длине волны (WDM) в оптике, с разделением по частоте (FDM) в радиоканалах, а также с широкополосными технологиями, такими, как кодовое разделение, линейная частотная модуляция и другими, но при сохранении голографического подхода соответствует спектральному голографическому кодированию – голограмма выстраивается в пространстве частот, т.е. форму голограммы, соответствующей передаваемому информационному блоку, имеет спектр сигнала. На передающей стороне исходный информационный блок, например байт, переводится в единичный позиционный код, представляющий собой 256-битный код, содержащий 255 нулей и одну единицу, номер позиции которой задан исходным байтом. По этому одномерному массиву строится одномерная (линейная) голограмма, значения которой округлены до одного бита, т.е. голограмма представляет собой 256-битную последовательность нулей и единиц, содержащихся примерно в равной пропорции. Передаваемый сигнал y(mT) образуется путем сложения гармоник с номерами соответствующими, позициям единиц в линейной голограмме. Такой способ формирования сигнала является одним из видов мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), отличающимся тем, что частоты N ортогональных поднесущих находятся в кратном отношении, а в качестве цифровой модуляции используется амплитудная манипуляция.
При использовании сигнала, длительность которого равна целому числу периодов всех используемых гармоник, его спектр имеет линейчатый вид, соответствующий голограмме виртуального изображения входного блока данных (Рис. 4).
Сигнал y(mT) может быть синтезирован в аналоговом виде, однако во многих случаях точнее и проще проводить цифровой синтез, который может быть реализован двумя способами. Первый способ – алгебраическое сложение N несущих, образующих линейчатый спектр, соответствующий голограмме, второй – обратное быстрое преобразование Фурье голограммы.
Важным параметром сигнала является пик-фактор, который достигает максимума при нулевой начальной фазе используемых несущих. Повышенное значение пик-фактора предъявляет более высокие требования к линейности усилителя. Наилучший результат достигается при распределении начальных фаз несущих по случайному закону. Сигнал в этом случае имеет шумоподобную форму (Рис. 5).
В приемнике вычисляется спектр принятого сигнала. Цифровой массив, представляющий спектр, рассматривается как одномерная голограмма исходного цифрового блока, и декодируется голографическим методом – производится восстановление исходного блока данных по цифровой голограмме.
Ограничения данного метода: необходимость в широком диапазоне частот и наличие ограничения скорости передачи информации из-за требования к длительности сигнала не менее целого периода нижней гармоники используемого диапазона частот.
Предложенные методы перехода от последовательной к параллельной передаче информации в оптическом и радиодиапазоне с использованием голографического преобразования произвольной цифровой информации позволяют существенно повысить скорость передачи данных. Теоретическим пределом пропускной способности таких каналов связи является скорость передачи голограммы – объема информации, содержащейся в трехмерном изображении сложного объекта, в течение длительности одного периода волны электромагнитного излучения. Достигаемый выигрыш в скорости зависит от размеров голограммы, используемого диапазона частот и выбранных параметров кодирования. Разработка аппаратных решений голографического способа передачи информации является предметом дальнейших исследований.
