Устройство передачи данных через открытый оптический атмосферный канал связи

Устройство передачи данных через открытый оптический атмосферный канал связи

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области электрорадиотехники и может применяться при проектировании устройств передачи данных по информационным сетям.

Освоение все более коротких волн в радиосвязи привело к возникновению оптических систем связи, использующих либо волоконную оптику, либо беспроводной, т.е. открытый атмосферный оптический канал.

Известны различные варианты систем передачи данных с использованием открытого атмосферного оптического канала. В некоторых из них в качестве активного излучающего элемента используется светодиод, т.е. некогерентный инфракрасный источник излучения (см. http://www. infrared, ru/products/box10m-2.html [1] и Дмитриев В.П., Блюмин А.В., Вишневский В.М., Жданов B.C., Коган Л. М."0птоэлектронные инфракрасные каналы передачи информации для распределенных вычислительных сетей". Сборник докладов международной конференции "Методы и алгоритмы цифровых и информационных систем". Болгария, София, 1997 [2]). Кроме того, известно, что в состав указанных устройств, кроме оптического передатчика, входят фотоприемное устройство и узлы обработки принимаемых и передаваемых сигналов. Совокупность конструктивно объединенных указанных узлов образует оптический приемопередатчик. Два устройства, состоящие из двух идентичных оптических приемопередатчиков и расположенные на одной оптической оси по трассе, составляют канал связи, работающий в дуплексном режиме.

Одним из существенных недостатков указанных устройств является резкая зависимость качества (надежности) связи от состояния атмосферы (среды распространения оптического сигнала). Это вынуждает разработчиков подобных систем ограничивать протяженность (дальность действия) канала, исходя из наихудших атмосферных условий. Известно, что наступление таких условий - крайне редкое явление (см. В.А.Смирнов "Введение в оптическую радиоэлектронику". Сов. Радио. М. 1973 г. [3]). Поэтому известные схемы построения таких устройств более 95% времени работы не реализуют своих возможностей ни по скорости передачи данных, ни по протяженности канала. Указанный недостаток вынуждает разработчиков добиваться достижения предельных параметров (скорость передачи, дальность) за счет повышения плотности энергии оптического излучения путем уменьшения угла его расходимости (см. патент США №6775480 [4]), так и за счет увеличения тока "накачки" (см. патент США №6760532 [5]). Все это требует наличия электромеханических устройств стабилизации положения луча и резко усложняет и удорожает аппаратуру. Использование для этих же целей твердотельных источников когерентного излучения (лазерных диодов) требует тех же сложных устройств и, кроме того, ухудшает экологическую безопасность и надежность системы.

Наиболее близким к заявляемому решению является конструкция оптической линии связи, предложенная в [6] (изобретение №94006045, Россия), которая и выбрана в качестве прототипа. В этой конструкции восстановление качества связи, ухудшающейся из-за увеличения потерь в атмосферной среде, предлагается повысить путем увеличения мощности оптического передатчика. При этом, действительно, увеличивается уровень принимаемого сигнала на приемной стороне канала связи, и, соответственно, отношение этого сигнала к его шумовой составляющей.

Основным недостатком такого устройства является необходимость создания большого и редко используемого избыточного запаса по мощности передаваемого сигнала. В качестве обоснования такого утверждения приведем следующие конкретные данные, приведенные в [3]:

1. "средний туман" на широте Москвы наблюдается суммарно не чаще, чем 30-35 часов в течение года;.

2. Изменение атмосферной среды от состояния "слабого" до "среднего" тумана уменьшает ее прозрачность на 25 дБ/км.

Для компенсации таких потерь сигнала на приемной стороне при дистанции связи 1 км необходимо увеличить мощность излучаемого сигнала на передающей стороне более чем в 300 раз. Необходимость такого запаса усложняет технические решения устройства, ухудшает его массогабаритные и экономические показатели и приводит к сокращению дальности связи до расстояния, на котором качество связи будет приемлемым для всего спектра состояний атмосферы.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности связи и минимизация зависимости качества связи от атмосферных условий.

Технический результат достигается за счет нового подхода к принципу построения узлов обработки принимаемых и передаваемых сигналов, при котором стабилизирующим параметром канала связи является надежность связи, реализуемая путем поддержания соотношения сигнал/шум в пределах заданной величины. Поддержание такого соотношения достигается за счет дискретного изменения временных параметров сигнала с синхронным подключением частотных фильтров. При таком построении системы она "отслеживает" параметры, 5 влияющие на состояние канала связи:

- состояние среды;

- изменение положения светового пятна за счет температурных воздействий на конструктивные элементы приемопередатчика;

- установка приемопередатчиков на большее расстояние и т.д.

Таким образом, предлагаемая система и, соответственно, канал связи, являются адаптивными. Алгоритм работы адаптивной системы поясняется на Фиг.1, где

U_С - величина амплитуды аналогового сигнала на выходе фотоприемного 15 устройства;

U_ш - величина шумовой составляющей аналогового сигнала на выходе фотоприемного устройства;

U_S/U_ш - отношение "сигнал - шум" - характеристика качества принимаемого сигнала;

t_и - длительность оптического импульса на выходе передатчика;

t_{и 1}, t_{и 2},...t_{и i} фиксированные значения длительности оптического импульса на выходе передатчика;

t_{и min}, t_{и max} - минимальное и максимальное значения длительности оптического импульса на выходе передатчика.

При ухудшении условий связи соотношение U_с/U_ш уменьшается. В тот момент, когда оно достигнет значения U_с/U_ш=[U_с/U_ш]₁, канал связи дискретно переходит в новый режим работы, при котором происходят следующие изменения его параметров:

- на одну ступень увеличивается длительность импульса передатчика;

- на одну ступень уменьшается полоса пропускания усилителя фотоприемного устройства (ФГТУ).

При этом соотношение U_с/U_ш увеличивается до значения [U_с/U_ш]₂. Если и дальше условия связи ухудшаются, то соотношение U_с/U_ш продолжает падать и описанный цикл повторяется вплоть до t_{и max}. При улучшении условий связи соотношение U_с/U_ш увеличивается. В тот момент, когда оно достигнет значения [U_с/U_ш]₃ канал связи дискретно переходит в новый режим работы, при котором происходят изменения его параметров, обратные описанным выше, вплоть до t_{и min}. Таким образом, отношение t_{и max}/t_{и min} определяет дополнительный запас чувствительности, предоставляемый адаптивной системой.

На Фиг.2 приведена блок-схема устройства, в котором содержатся следующие компоненты:

1 - передающий модуль,

2 - приемный модуль,

3 - фотоприемное устройство (ФПУ),

4 - линейный усилитель с регулируемым усилением (РУ),

5 - регулируемый полосовой фильтр (ПФ),

6 - компаратор,

7 - анализатор,

8 - управляющий модуль (УМ),

9 - среда распространения сигнала,

10 - шина первичных данных,

11 - шина кодированных данных,

12 - шина управления.

Устройство функционирует следующим образом.

Передающий модуль 1 генерирует сигналы оптического излучения с заданными временными и пространственными параметрами. Модуляция излучения осуществляется цифровым информационным сигналом. Кодированный цифровой информационный сигнал поступает на вход передающего модуля (1) через управляющий модуль (8), где производится его вторичное кодирование. После прохождения через 5 среду (9) распространения, ослабленный сигнал поступает на вход фотоприемного устройства (3) приемного модуля (2).

В блоке (3) происходит предварительное усиление и обработка сигнала. С выхода блока (3) аналоговый сигнал поступает на вход линейного усилителя (4) с регулируемым усилением, роль которого состоит в поддержании на своем выходе напряжения в заданном диапазоне при изменении оптического сигнала и, следовательно, входного сигнала усилителя в более широком диапазоне. Выходной сигнал с блока (4) поступает одновременно на вход регулируемого фильтра (5) и анализатора (7). Анализатор (7) представляет собой вычислительное устройство, определяющее усредненное по заданному интервалу времени значение отношения U_с/U_ш и сравнивающее это значение с установленными нижним [U_с/U_ш]₁ и верхним [U_с/U_ш]₂ граничными значениями. В том случае, если текущее значение U_с/U_ш достигает любого из граничных значений, анализатор по шине управления посылает соответствующий цифровой сигнал в управляющий модуль (8). Модуль (8), в свою очередь, в соответствии с записанным в нем алгоритмом производит следующие операции:

- изменяет коэффициент усиления регулируемого усилителя (4),

- изменяет длительность и частоту следования импульсов передающего модуля (1),

- перестраивает полосу пропускания регулируемого фильтра (5),

- через передающий модуль (1) активного полукомплекта посылает на приемный модуль (2) пассивного полукомплекта, т.е. на противоположную сторону канала связи,

- служебную информацию об изменении режима работы канала.

Обработанный таким образом аналоговый сигнал с нормированным значением отношения U_с/U_ш поступает на компаратор (5), на выходе которого формируется информационный цифровой сигнал со стандартными логическими уровнями, кодированный внутренним, т.е. вторичным, кодом, используемым в канале. Этот сигнал по шине (10) первичных данных поступает на управляющий модуль (8), в котором происходит конверсия его кода в первичный и оценка верности принятого информационного блока.

Предлагаемая конструкция реализуется на известных компонентах. В частности, усилитель (4) и анализатор (7) могут быть выполнены на основе промышленно выпускаемых микросхем класса Variable Gain Amplifier и микроконтроллере; регулируемый полосовой фильтр (5) - на микросхемных аналоговых высокочастотных коммутаторах и дискретных компонентах.

Устройство передачи данных через открытый оптический атмосферный канал связи, в котором кодированный цифровой информационный сигнал по шине данных через управляющий модуль, в котором производится его вторичное кодирование, поступает на вход передающего модуля и через среду распространения поступает на вход фотоприемного устройства приемного модуля, отличающееся тем, что в цепь обработки аналогового выходного сигнала фотоприемного устройства последовательно включены регулируемый усилитель и регулируемый фильтр, а также анализатор, на вход которого поступает выходной сигнал с регулируемого усилителя, причем анализатор перестраивает полосу пропускания регулируемого фильтра, изменяет коэффициент усиления регулируемого усилителя и управляет по шине управления в передающем модуле генератором с регулируемой длительностью и частотой следования импульсов, обработанный аналоговый сигнал с регулируемого фильтра поступает на компаратор, на выходе которого формируется информационный сигнал со стандартными логическими уровнями.