Truyền thông vũ trụ bằng kỹ thuật "Thông tin laser"

Bài viết liên quan

I. NASA thử nghiệm thông tin laser truyền ảnh Mona Lisa lên Mặt trăng

Đầu năm 2013 các nhà khoa học NASA (cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ) cho biết đã ứng dụng thông tin laser để từ một trạm ở Myryland (Mỹ) gửi ảnh Mona Lisa (tranh của Leonardo de Vinci) lên vệ tinh thám hiểm Mặt trăng LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) cách Trái đất 384.400km. Ảnh Mona Lisa mà vệ tinh thám hiểm Mặt Trăng nhận được lại được truyền về Trái đất nhờ máy phát vô tuyến điện từ với mục đích kiểm tra chất lượng anh gửi lên Mặt Trăng bằng thông tin laser. Nếu trực tiếp sử dụng các số liệu thu được để tạo lại ảnh của Mona Lisa ảnh có nhiều lấm chấm trắng đen (hình 1, trái), được giải thích là do tia laser trên đường đi bị các hạt nước mưa, nước đá... cản trở, gây nhiễu. Dùng chương trình lọc, loại bỏ nhiễu như chương trình vẫn dùng để hiện anh từ đĩa CD hoặc DVD, ảnh Mona Lisa có được chất lượng khá cao (hình 1, phải).

Hình 1. Ảnh Mona Lisa NASA truyền từ Trái Đất lên Mặt Trăng bằng thông tin Laser 

a) Ảnh trực tiếp thu được b) Ảnh đã qua xử lý loại nhiễu

Theo NASA đây chỉ là kết quả tốt bước đầu về thông tin laser một chiều ở khoảng cách hành tinh. Trong tương lai gần sẽ có nhiều cải tiến để thông tin laser thay thế cho thông tin sóng điện từ vô tuyến mà hiện nay vần dùng ở các vệ tinh vì thông tin laser có tốc độ truyền tin rất lớn.
Vậy thông tin laser là gì? Ưu điểm và ứng dụng thông tin laser ngày nay như thế nào?

2. Thông tin laser

Thông tin laser là một kỹ thuật thông tin không dây mới được phát triển. Nguyên tắc hoạt động của thông tin laser tương tự như thông tin sợi quang, khác biệt chính là ánh sáng mang thông tin không phải được truyền theo sợi quang mà truyền trong không gian mở thí dụ như trong khí quyển, trong khoảng không vũ trụ v.v... Đặc điểm của thông tin laser là máy phát và máy thu phải thẳng hàng “nhìn thấy được nhau”

Máy phát có đầu vào tiếp nhận thông tin cần truyền đi (âm thanh, hình ảnh v.v...) để điều chế sao cho gửi được thông tin đó vào sóng ánh sáng do điốt phát sáng (LED) hay điốt laser phát ra. Ánh sáng phát ra này đi thẳng vào trong không gian hướng tới máy thu. Máy thu có nhiệm vụ thu sóng ánh sáng mà máy phát gửi đến, xử lý để có được thông tin đã được gửi đi trên sóng ánh sáng.

Nói chung với kỹ thuật vi mạch và kỹ thuật phát ánh sáng mạnh bằng LED hoặc điốt laser hiện nay, máy phát cũng như máy thu dùng cho truyền thông laser khá gọn nhẹ và rẻ tiền.

Để dễ hình dung ta xét thí dụ về một máy phát và máy thu đơn giản học sinh có thể làm được với vật liệu, linh kiện dễ kiếm ở thị trường. Ở sơ đồ máy phát (hình 2) thông tin cần gửi đi thí dụ là âm thanh ca nhạc lấy từ đầu ra của một máy CD được nối vào chỗ V_in. Vi mạch chủ yếu là IC1LM386 có nhiệm vụ khuếch đại âm thanh để làm biến điệu sóng ánh sáng do điốt laser LD1 phát ra. Có thể lấy điốt laser ở bút trỏ làm nhiệm vụ này.

Hình 2. Sơ đồ máy phát (loại đơn giản) ở thông tin laser 

Máy thu (hình 3) có bộ phận thu ánh sáng laser để biến thành tín hiệu điện. Có thể sử dụng tấm pin mặt trời nhỏ ở máy tính con cầm tay làm nhiệm vụ này. Vi mạch chủ yếu 1C2 LM386 tách và khuếch đại tín hiệu thông tin mà sóng ánh sáng từ máy phát gửi đến. Loa LSI là đầu ra cho thông tin (ở đây là âm thanh) máy phát gửi đi máy thu nhận được.

Tùy theo công suất của laser ở máy phát và môi trường dọc đường đi từ máy phát đến máy thu, khoảng cách truyền được thông tin laser có thể là hàng trăm mét (như ở máy phát, máy thu đơn giản nói trên) cho đến hàng trăm nghìn kilômet (như ở thông tin laser giữa Trái Đất và Mặt Trăng mà NASA đang thử nghiệm). Trên mặt đất, khoảng cách truyền được thông tin laser tối đa chi vào khoảng 2-3 kilomet và rất dễ bị ảnh hưởng vì mưa tuyết, bụi bặm, khói ... Ra khỏi mặt đất, trong không gian vũ trụ, thông tin laser rất thuận lợi vì tia sáng laser hầu như không bị hấp thụ trong chân không.

Những ưu điểm của thông tin laser là:

Giá thành rẻ, dễ triển khai. So với các phương tiện thông tin thường thấy, các máy phát, thu trong thông tin laser nhỏ, nhẹ hơn dễ lắp đặt trên mặt đất cũng như trên vệ tinh.

Hình 3. Sơ đồ máy thu (loại đơn giản) ở thông tin laser

Dùng ánh sáng để truyền tin đi xa nhưng không cần dây như ở thông tin cáp quang, không cần phải đăng ký tần số như ở thông tin vô tuyến điện.

Sóng mang thông tin là sóng ánh sáng tần số rất cao, hàng trăm lần cao hơn tần số vô tuyến. Sóng mang thông tin tần số càng cao thì lưu lượng thông tin truyền đi càng cao, tốc độ truyền thông tin (số bit truyền đi trong một giây) càng lớn, có thể từ vài trăm kilobit/giây cho đến 10 gigabi /giây.

Ở thông tin laser tia sáng phát đi rất mạnh, đi thẳng đến máy thu không lan rộng như ở thông tin vô tuyến, do đó ít tốn năng lượng, khó bị nghe lén, có nghe lén thi rất dễ bị phát hiện.

Nhược điểm chính của thông tin laser là máy phát và máy thu phải thẳng hàng “nhìn thấy được nhau” trong khoảng không gian gần trên mặt đất dễ bị các yếu tố thời tiết như mưa to, tuyết nhiều... cản trở. Hiện nay thông tin laser đã có nhiều ứng dụng trên mặt đất, đặc biệt là trong không gian vũ trụ.

Thông tin cho một sự kiện đặc biệt tô chức ở dã ngoại, thí dụ có biểu diễn sân khấu ca nhạc ở một địa điểm ngoài trời, xa thành phố. Các hình ảnh, âm thanh ... muốn cho đến thẳng công chúng ở xa phải được quay trực tiếp và dùng máy phát thông tin laser để truyền đến máy thu thông tin laser đặt ở thành phố, nơi có nhiều điều kiện phát lại để truyền đi xa bằng thông tin cáp quang, thông tin vô tuyến....vv

Triển khai phát triển và thu theo thông tin laser không cần xin phép như ở thông tin vô tuyến ở đấy việc quản lý tần số luôn luôn chặt chẽ.

Thông tin thiết lập khẩn cấp cho nơi bị thiên tai, ở đây rất nhiều thông tin, hình ảnh... cần truyền đi xa rất kịp thời trong điều kiện dã chiến, nhiều cơ sở thông tin vốn có bị hư hỏng. Máy phát và máy thu thông tin laser rất gọn nhẹ, dễ triển khai nhanh.

Thông tin từ mặt đất lên vệ tinh, từ mặt đất lên các hành tinh gần (Mặt Trăng), thông tin giữa các vệ tinh v.v.. Đây là lĩnh vực có nhiều ứng dụng và phát triển nhất của thông tin laser. Ưu điểm chính ở đây là không gian rộng rãi dễ dàng cho các tia sáng đi thẳng ít bị nhiễu, ít bị hấp thụ. Người ta dễ dàng bố trí thông tin hai chiều, mỗi nơi có cả máy phát và máy thu. Vì máy tương đôi gọn nhẹ nên lắp vào vệ tinh không ảnh hưởng đáng kể đến trọng lượng.

Ý tưởng sử dụng ánh sáng để mang thông tin đã có từ lâu nhưng từ khi có laser phát ra ánh sáng cực mạnh mới phát triển nhanh. Thực ra tên gọi đầy đủ phải là thông tin laser trong không gian tự do (Free Space Laser Communication) để phân biệt với thông tin dùng laser ở cáp quang.

Hình 4. Ứng dụng thông tin laser trong vũ trụ

Tác giả: Nguyễn Xuân Chánh

Chia sẻ bài viết