Способ приема-передачи информации и устройство для приема-передачи информации
Изобретение относится к области оптической связи, в частности цифровой связи, осуществляемой в инфракрасном диапазоне оптического спектра. Способ включает формирование оптического сигнала на светодиоде передатчика посредством задания на нем импульса управляющего напряжения и направление сфокусированного оптического пучка на приемное устройство. Передачу информации осуществляют с использованием светодиода повышенной мощности, формируют оптический сигнал, при этом импульсы управляющего напряжения задают на светодиоде с глубиной модуляции, лежащей в пределах 25-95%, с формированием заданного тока "0" и обеспечивают ускоренное приведение светодиода в состояние "1" за счет установленной формы управляющих импульсов. Устройство для приема-передачи информации включает блок питания, медиаконвертер, приемник оптического сигнала с фотодиодом и передатчик со светодиодом, оснащенные оптическими линзами. Светодиод выполнен повышенной мощности, передатчик снабжен включенными последовательно светодиоду первым резистором для задания глубины модуляции рабочего тока светодиода, вторым резистором для ограничения пикового тока светодиода и третьим резистором для формирования рабочего тока светодиода. Техническим результатом является обеспечение значительного повышения помехоустойчивости системы связи и, как следствие, дальности связи при заданном коэффициенте доступности. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области оптической связи, в частности цифровой связи, осуществляемой в инфракрасном диапазоне оптического спектра.
При осуществлении беспроводной оптической связи существуют технические проблемы, связанные с повышением вероятности гарантированной связи в аномальных условиях среды и при передаче информации на более дальние расстояния.
Известен способ передачи информации, включающий формирование нескольких оптических пучков, модулирование их одним и тем же сигналом и направление на одно приемное устройство, по крайней мере, двух пучков одновременно [Описание изобретения к патенту РФ №2195077 от 04.07.2001, МПК7 Н04В 10/10, опубл. 20.12.2002. Бюл. №35]. Изобретение решает задачу обеспечения надежности связи и снижение энергопотерь на ее осуществление.
Возможность формирования нескольких оптических пучков и последующее манипулирование ими существенно усложняют схему работы устройства. При этом повышается устойчивость к случайным помехам типа пролетающих птиц, но не решается проблема роста атмосферного затухания оптического сигнала вследствие изменения погодных условий (снег, туман и т.п.).
Наиболее близким по совокупности существенных признаков заявляемому способу является технология работы системы беспроводной оптической связи [Описание изобретения к патенту РФ №2223604 от 11.06.2002, МПК7 Н04В 10/10, опубл. 10.02.2004. Бюл. №4], заключающаяся в модулировании электрического сигнала кабельной среды передачи и его конвертировании в электрический сигнал необходимого формата. После этого преобразованный электрический сигнал поступает на передающий канал, где усиливается и преобразуется в оптический сигнал на светодиоде передатчика посредством задания на светодиоде импульса управляющего напряжения, далее фокусируется в оптический пучок и направляется на приемное устройство. Особенностью схемы, реализующей данную технологию, является дублирование процесса передачи данных с использованием вспомогательного оптического канала с лазерным излучателем.
Технология обеспечивает повышение вероятности гарантированной связи в сложных метеоусловиях и снижение затрат на ее осуществление.
Реализация данного способа приема-передачи информации существенно усложняет конструкцию оборудования. При этом выбор светодиода ограничивается маломощными модификациями вследствие недостаточного быстродействия более мощных светодиодов, в то время как повышение мощности прибора при сохранении быстродействия могло бы решить проблемы более эффективно без существенного усложнения конструкции.
Задача, решаемая первым изобретением группы, и достигаемый технический результат заключаются в повышении помехоустойчивости и, как следствие, дальности связи при заданном коэффициенте доступности. Дополнительным результатом будет снижение затрат на обеспечение качественной связи.
Для получения заявленного технического результата в известном способе приема-передачи информации, включающем формирование оптического сигнала на светодиоде передатчика посредством задания на нем импульса управляющего напряжения и направление сфокусированного оптического пучка на приемное устройство, передачу информации осуществляют с использованием светодиода повышенной мощности, формируют оптический сигнал повышенной мощности, при этом импульсы управляющего напряжения задают на светодиоде с глубиной модуляции, лежащей в пределах 25-95%, с формированием заданного тока "0" и обеспечивают ускоренное приведение светодиода в состояние "1" за счет установленной формы управляющих импульсов.
Кроме этого:
- управляющее воздействие осуществляют с помощью пакета маломощных быстродействующих ключей;
- прием-передачу информации осуществляют с использованием кода NRZ или NRZI и применением скремблирования данных при передаче и дескремблирования - при приеме;
- импульс управляющего напряжения на светодиоде в начальный момент задают с превышением величины тока по сравнению с рабочим током и длительностью, достаточной для ускоренного приведения светодиода в состояние излучения со 100% мощностью, после чего управляющее напряжение снижается и поддерживается на уровне, достаточном для поддержания данного состояния светодиода.
Известна беспроводная дуплексная оптическая система связи, содержащая два расположенных на противоположных концах образованной ими линии оптической связи приемопередатчика, состоящих из самостоятельных оптических передатчиков и оптических приемников каждый, оборудованные соответствующей элементной базой [Описание изобретения №2178954 от 01.03.2001, МПК7 Н04В 10/00, опубл. 27.01.2002. Бюл. №3]. Система решает задачу минимизации снижения качества связи, вызванного аномалиями среды связи, а также снижает затраты на производство и эксплуатацию при повышении надежности и безопасности.
Известное устройство решает поставленную задачу за счет умножения количества каналов связи, передающих одну и ту же информацию.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков заявляемому устройству является система беспроводной оптической связи, т.е. устройство для приема-передачи информации [Описание изобретения к патенту РФ №2223604 от 11.06.2002, МПК7 Н04В 10/10, опубл. 10.02.2004. Бюл. №4]. Система содержит основной передающий оптический канал со светодиодным излучателем и приемный оптический канал с фотодиодным приемником, связанные с конвертером и оснащенные соответствующей оптикой. Кроме этого, система содержит вспомогательный передающий оптический канал с лазерным излучателем.
Система решает задачу повышения вероятности гарантированной связи в сложных метеоусловиях при одновременном снижении затрат на эксплуатацию системы оптической связи.
К недостаткам системы можно отнести тот факт, что выбор светодиода, как упоминалось выше, ограничивается маломощными модификациями вследствие недостаточного быстродействия более мощных светодиодов, в то время как повышение мощности прибора при сохранении быстродействия могло бы решить проблемы более эффективно без существенного усложнения конструкции. Кроме этого, применение в одном устройстве двух различных передающих каналов делает систему более дорогой.
Задача, решаемая вторым изобретением группы, и достигаемый технический результат заключаются в повышении помехоустойчивости и, как следствие, дальности связи при заданном коэффициенте доступности. Дополнительным результатом будет снижение затрат на обеспечение качественной связи.
Для получения заявленного технического результата в известном устройстве для приема-передачи информации, включающем блок питания, медиаконвертер, приемник оптического сигнала с фотодиодом и передатчик со светодиодом, оснащенные оптическими линзами, светодиод выполнен повышенной мощности, передатчик снабжен включенными последовательно светодиоду первым резистором для задания глубины модуляции рабочего тока светодиода и вторым резистором для ограничения пикового тока светодиода.
Кроме этого:
- между первым резистором и вторым резистором расположен пакет маломощных быстродействующих ключей, связанный с преобразователем уровня сигнала;
- передатчик снабжен включенными последовательно светодиоду третьим резистором для формирования рабочего тока светодиода и установленным параллельно ему конденсатором для формирования начального импульса тока светодиода;
- устройство снабжено прибором контроля тока светодиода, подсоединенным ко второму резистору, при этом напряжение в точке соединения пропорционально току светодиода;
- устройство снабжено скремблером и дескремблером, расположенными на участке между передатчиком и медиаконвертером и между приемником и медиаконвертером соответственно;
- устройство снабжено скремблером и дескремблером, входящими в состав медиаконвертера.
Изобретения иллюстрируются чертежами, где:
на фиг.1 изображена схема устройства для приема-передачи информации;
на фиг.2 показан фрагмент схемы устройства - передатчик со светодиодом;
на фиг.3. показана зависимость тока на светодиоде от времени для случая использования режима глубины модуляции менее 100%;
на фиг.4. - зависимость тока на светодиоде от времени для случая совместного использования режимов глубины модуляции менее 100% и формирования импульса управляющего напряжения с превышением величины начального тока Imax над током "1" (I1).
Способ приема-передачи информации может быть реализован с помощью соответствующего устройства, которое включает блок питания 1, медиаконвертер 2, приемник 3 оптического сигнала с фотодиодом 4 и передатчик 5 со светодиодом 6, оснащенные оптическими линзами 7 и 8. Светодиод 6 выполнен повышенной мощности, передатчик 5 снабжен включенными последовательно светодиоду 6 первым резистором 9 для задания глубины модуляции рабочего тока I1 светодиода 6 и вторым резистором 10 для ограничения пикового тока Imax светодиода 6, между которыми может быть расположен пакет маломощных быстродействующих ключей 11, связанный с преобразователем 12 уровня сигнала. Приемник 3 сигнала и передатчик 5 имеют ответные приемник и передатчик (условно не показаны), расположенные на некотором удалении друг от друга.
Кроме этого, передатчик 5 снабжен включенными последовательно светодиоду 6 третьим резистором 13 для формирования рабочего тока I1 светодиода 6 и установленным параллельно ему конденсатором 14 для формирования начального импульса тока Imax светодиода 6, а само устройство снабжено прибором 15 контроля тока светодиода 6, подсоединенным ко второму резистору 10, при этом напряжение в точке соединения 16 пропорционально току светодиода 6.
Также устройство для приема-передачи информации дополнительно может быть снабжено скремблером 17 и дескремблером 18, расположенными на участке между передатчиком 5 и медиаконвертером 2 и между приемником 3 и медиаконвертером 2 соответственно, т.е. могут быть выполнены в качестве самостоятельных устройств. Точно так же скремблер 17 и дескремблер 18 могут входить в состав медиаконвертера 2.
Устройство для приема-передачи информации реализует способ, который заключается в формировании оптического сигнала на светодиоде 6 передатчика 5 посредством задания на нем импульса управляющего напряжения и направлении сфокусированного оптического пучка на ответное приемное устройство. Особенностью способа является то, что передачу информации осуществляют с использованием светодиода 6 повышенной мощности, формируют оптический сигнал повышенной мощности, при этом импульсы управляющего напряжения задают на светодиоде 6 с глубиной модуляции (поз.19), лежащей в пределах 25-95%, с формированием заданного тока "0" - I0 и обеспечивают ускоренное приведение светодиода 6 в состояние "1" I1 за счет установленной формы управляющих импульсов, при этом управляющее воздействие осуществляют с помощью пакета маломощных быстродействующих ключей 11, которые ранее традиционно использовались для коммутации многоразрядных высокоскоростных цифровых магистралей.
Прием и передача информации могут быть осуществлены с использованием кода NRZ или NRZI и применением скремблирования данных при передаче и дескремблирования - при приеме и, дополнительно, импульс управляющего напряжения на светодиоде 6 в начальный момент задают с превышением величины тока (поз.20) по сравнению с рабочим током I1 и длительностью, достаточной для ускоренного приведения светодиода 6 в состояние излучения со 100% мощностью, после чего управляющее напряжение снижается и поддерживается на уровне, достаточном для поддержания данного состояния светодиода 6.
Проанализируем признаки изобретений.
Под передатчиком 5 следует понимать всю схему преобразования электрических сигналов (данных) в сигнал управления светодиодом 6. В свою очередь, под светодиодом 6 повышенной мощности следует подразумевать такой светодиод, который позволяет повысить мощность сигнала по сравнению с типовым светодиодом, традиционно используемым для выполнения аналогичной функции передачи оптического сигнала. С другой стороны, мощный светодиод 6 потенциально не способен обеспечить заданное быстродействие схемы передачи сигналов. На разрешение этого технического противоречия и направлены изобретения.
В зависимости от конкретного типа светодиода 6, обладающего своими собственными параметрами, для обеспечения быстродействия используется резкие модуляции, когда ток на светодиоде 6 меняется от 100% до некоей величины, например 40% (глубина модуляции в этом случае составит 60%). Тем самым логической "1" будет соответствовать ток I1 100%, а логическому "0" - I0 - 40%. При этом светодиод 6 не выключается полностью, а находится в "разогретом" состоянии, которое обеспечивает увеличенную скорость повторного выхода на 100% загрузку - более скорый заряд емкости светодиода 6 и, соответственно, достижение его оптимальной яркости свечения за счет установленной таким образом формы управляющих импульсов. Этого достаточно для обеспечения необходимого быстродействия оптической системы на мощных светодиодах
Глубина модуляции выбирается с учетом параметров конкретных моделей светодиодов, при этом глубина 25% обеспечивает минимально допустимый уровень для надежного определения логического уровня приемником сигнала, глубина 95% обеспечивает минимально выраженный эффект повышения быстродействия светодиода.
Для управления мощным светодиодом требуется мощный ключ, который отличается низким быстродействием. Данное противоречие решено тем, что взамен одного мощного ключа используют пакет маломощных, но зато быстродействующих ключей. Не исключено, что в скором времени появятся сравнительно дешевые мощные ключи, отличающиеся необходимой скоростью срабатывания.
Таким образом, перечисленные признаки также обеспечивают необходимое быстродействие оптической системы на мощных светодиодах.
Для дальнейшего увеличения скорости срабатывания светодиода можно варьировать высотой (амплитудой) пика управляющего напряжения и его шириной. У мощного светодиода 6 нарастание свечения происходит с определенной задержкой во времени. Механическое повышение напряжения на светодиоде 6 приводит к резкому сокращению ресурса его работы. Тем не менее, светодиод 6 допускает кратковременное повышение силы тока. Использование данного технического решения позволяет без ущерба эксплуатационных характеристик светодиода 6 обеспечить максимальную крутизну фронтов, т.е. скорость нарастания мощности излучения, выделив более четко границу перехода между логическими "0" и "1". На практике это выглядит как более скорый заряд емкости светодиода 6 за счет большего тока Imax начального импульса по сравнению с током I1 установившегося рабочего режима, вследствие чего светодиод 6 быстрее достигает оптимальной яркости свечения. После выхода на рабочий режим управляющее напряжение возвращается к номинальному.
Реализацию изобретений рассмотрим на следующих примерах.
Пример 1. Иллюстрирует устройство с минимально необходимым для его функционирования набором оборудования и элементов и, соответственно, способ приема-передачи информации, который оно обеспечивает.
Устройство для приема-передачи информации содержит типовое оборудование, собранное на обычной элементной базе, а именно блок питания 1, медиаконвертер 2, оптический приемник 3 с фотодиодом 4 и оптическую систему с линзой 7. Особенности устройства проявляются в используемом светодиоде 6, которым может быть, например, светодиод типа ИРС2-870 с мощностью до 8 Вт, обычно используемые для целей ИК-подсветки, и в передатчике 5, реализующем схему его управления. В качестве медиаконвертера 2 может быть использована микросхема KS8993 [www.micrel.com].
Для задания глубины модуляции рабочего тока светодиода 6 применяется резистор 9 типа SMD мощностью 1 Вт и др., для ограничения пикового тока светодиода 6 применяется резистор 10 такого же типа и др. В качестве ключа 11 применяется, например, транзистор Si2328DS [www.vishav.com] (резистор 13 и конденсатор 14 в схеме отсутствуют).
В исходном состоянии блок питания 1 включен. Из сети Ethernet данные поступают в медиаконвертер 1, где происходит их преобразование в формат NRZ или NRZI, далее поступают на вход преобразователя 12 уровня сигнала, где происходит их преобразование в сигнал управления ключом 11. При поступлении логического сигнала "1" ключ 11 замыкается и происходит заряд емкости светодиода 6 через резисторы 9 и 10, светодиод 6 начинает излучать оптический сигнал, проходящий через коллиматорную линзу 8 и преобразующийся тем самым в параллельный оптический пучок. При поступлении логического "0" ключ 11 размыкается, светимость светодиода 6 уменьшается.
Ответный (принимаемый) оптический сигнал проходит через конденсорную линзу 7 на фотодиод 4, преобразуется в электрический сигнал и поступает на вход трансимпедансного усилителя приемника 3, усиливается и поступает на вход медиаконвертера 2, где преобразуется в сигналы сети Ethernet.
Таким образом происходит обмен информационными данными между двумя пунктами.
Пример 2. Иллюстрирует устройство и способ в одном из возможных вариантов их реализации.
Как и в предыдущем примере, устройство для приема-передачи информации содержит типовое оборудование и дополнительно к этому оснащено конденсатором 14 типа SMD NPO или подобными ему для формирования начального импульса тока светодиода 6. В качестве пакета маломощных быстродействующих ключей 11 используется многоканальный ключ ADG3247 (Аналог Devices www.analog.com), состоящий, например, из 16 малых (маломощных) ключей. В приемнике 3 может быть использован трансимпедансный усилитель типа МАХ3657 [www.maxim-ic.com].
Для формирования рабочего тока I1 светодиода 6 применяется резистор 9 типа SMD мощностью 1 Вт и др., для ограничения пикового тока Imax и измерения рабочего тока I1 светодиода 6 применяется резистор 10 такого же типа SMD мощностью 1 Вт и др., а для формирования начального импульса тока (поз.20) светодиода 6 используют конденсатор 14 и резистор 13 типа SMD мощностью 0,125 Вт. В приемнике 3 может быть использован трансимпедансный усилитель типа МАХ3657 [www.maxim-ic.com].
В исходном состоянии блок питания 1 включен. Из сети Ethernet данные поступают в медиаконвертер 1, где происходит их преобразование в формат NRZ или NRZI, далее поступают на вход преобразователя 12 уровня сигнала, где происходит их преобразование в сигнал управления ключом 11 - аналогично примеру 1. Далее, при поступлении логического сигнала "1" ключ 11 замыкается и происходит быстрый заряд емкости светодиода 6 через резисторы 9, 10 и 13 и конденсатор 14, светодиод 6 начинает излучать оптический сигнал, проходящий через коллиматорную линзу 8 и преобразующийся тем самым в параллельный оптический пучок. После зарядки конденсатора 14 ток течет через светодиод 6 и резисторы 9 и 10. При поступлении логического "0" ключ 11 размыкается, свечение светодиода 6 ослабляется. Конденсатор 14 разряжается через резистор 13.
Ответный (принимаемый) оптический сигнал проходит через конденсорную линзу 7 на фотодиод 4, преобразуется в электрический сигнал и поступает на вход трансимпедансного усилителя приемника 3, усиливается и поступает на вход медиаконвертера 2, где преобразуется в сигналы сети Ethernet.
Существуют типовые схемы определения ухудшения качества сигнала, которые оценивают уровень его прохождения. При ухудшении оптической видимости, например появлении в атмосфере густого тумана, и, как следствие, обнаружении снижения уровня принимаемого сигнала может повышаться уровень напряжения питания передатчика 5, при повышении уровня - снижение. При этом изменяется рабочий ток I1 светодиода 6 и, соответственно, мощность излучения. Иными словами, если обнаруживается ухудшение качества приема сигнала с одной стороны, автоматически повышается уровень передачи на другой стороне.
Это позволит добиться повышения ресурса светодиода 6 и снижения потребляемой мощности в нормальных условиях работы. Для предотвращения перехода системы слежения в колебательный режим в нее может быть введен гистерезис.
Происходит обмен информационными данными между двумя пунктами.
Пример 3. Иллюстрирует устройство и способ в рекомендуемом варианте их реализации.
Как и в предыдущих примерах, устройство для приема-передачи информации содержит типовое оборудование и дополнительно к этому прибор 14 контроля тока светодиода 6, скремблер 16 и дескремблер 17.
Из сети Ethernet данные поступают на вход медиаконвертера, преобразуются в тип NRZ, затем проходят через скремблер, где перемножаются с псевдослучайной последовательностью. Принятые данные проходят через дескремблер, где восстанавливаются в исходное состояние. При этом упрощается битовая синхронизация принимаемых данных, т.к. код NRZ не является самосинхронизирующимся. Остальные преобразования происходят по типу описанных в примерах 1 и 2.
Возможны и другие варианты реализации способа приема-передачи информации и устройства для его осуществления, использующие заявляемый в качестве изобретений принцип и которые по техническим характеристикам будут находиться в пределах между описанными в примерах 1 и 2.
Использование изобретений обеспечивает при незначительном увеличении затрат на их реализацию значительное повышение помехоустойчивости системы связи и, как следствие, дальности связи при заданном коэффициенте доступности. Это позволяет предположить, что данные технические решения будут востребованы на рынке услуг оптической связи.
1. Способ приема-передачи информации, включающий формирование оптического сигнала на светодиоде передатчика посредством задания на нем импульса управляющего напряжения и направление сфокусированного оптического пучка на приемное устройство, отличающийся тем, что передачу информации осуществляют с использованием светодиода типа ИРС2-870 с мощностью до 8 Вт, формируют соответствующий оптический сигнал, при этом импульсы управляющего напряжения задают на светодиоде с глубиной модуляции, лежащей в пределах 25-95%, с формированием заданного тока "0", и обеспечивают ускоренное приведение светодиода в состояние "1" за счет установленной формы управляющих импульсов.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что управляющее воздействие осуществляют с помощью пакета маломощных быстродействующих ключей.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что прием-передачу информации осуществляют с использованием кода NRZ или NRZI и применением скремблирования данных при передаче и дескремблирования - при приеме.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульс управляющего напряжения на светодиоде в начальный момент задают с превышением величины тока по сравнению с рабочим током и длительностью, достаточной для ускоренного приведения светодиода в состояние излучения со 100% мощностью, после чего управляющее напряжение снижается и поддерживается на уровне, достаточном для поддержания данного состояния светодиода.
5. Устройство для приема-передачи информации, включающее блок питания, медиаконвертер, приемник оптического сигнала с фотодиодом и передатчик со светодиодом, оснащенные оптическими линзами, отличающееся тем, что используют светодиод типа ИРС2-870 с мощностью до 8 Вт, при этом передатчик снабжен включенными последовательно светодиоду первым резистором для задания глубины модуляции рабочего тока светодиода, вторым резистором для ограничения пикового тока светодиода, третьим резистором для формирования рабочего тока светодиода и установленным параллельно третьему резистору конденсатором для формирования начального импульса тока светодиода.
6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что между первым резистором и вторым резистором расположен пакет маломощных быстродействующих ключей, связанный с преобразователем уровня сигнала.
7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно снабжено прибором контроля тока светодиода, подсоединенным ко второму резистору, при этом напряжение в точке соединения пропорционально току светодиода.
8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно снабжено скремблером и дескремблером, расположенными на участке между передатчиком и медиаконвертером, и между приемником и медиаконвертером соответственно.
9. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно снабжено скремблером и дескремблером, входящими в состав медиаконвертера.
