Система передачи информации в оптическом канале связи
INFORMATION TRANSMISSION SYSTEM IN AN OPTICAL COMMUNICATION CHANNEL

Изобретение относится к области передачи информации в оптических каналах связи и может быть использовано для беспроводного управления наземными объектами.
В оптическом канале связи, в частности, в ультрафиолетовой (УФ) области спектра частот, происходит рассеивание света в атмосфере на молекулах воды, парах, аэрозолях, пыли и других неоднородностях окружающей среды. Рассеивание света позволяет передавать информацию при отсутствии прямой видимости между передающей и приемной сторонами, но, с другой стороны, приводит к существенному уменьшению мощности сигнала на приемной стороне и ограничивает расстояние установления и поддержания надежной связи величиной примерно 0,7-1,0 км. УФ диапазон света с длинной волны 250-300 нм является солнечно слепым. Излучение Солнца в этом диапазоне практически полностью поглощается верхними слоями атмосферы и лишь в небольшой части достигает поверхности Земли, благодаря чему уровень помех на входе приемника имеет ничтожно малое значение и для связи достаточно небольшой мощности передатчика примерно 10-20 мвт. УФ область спектра весьма перспективна для построения систем атмосферной оптической связи из-за незначительного уровня фоновых помех и бликов от Солнца и большой пропускной способности канала связи. Однако, отношение сигнал-шум на входе приемника, а значит, надежность связи зависят от метеорологической обстановки и неоднородностей атмосферы, а также расположения светорассеивающих объектов, включающих здания, деревья и другие объекты. Повысить надежность связи возможно за счет согласования взаимного пространственного положения оптических осей источника и приемника излучения, а также за счет полосовой фильтрации принятого электрического сигнала в полосе частот используемого вида модуляции.
Предлагаемая система передачи информации в оптическом канале связи может использоваться, например, для управления мобильными объектами в движении и в статическом положении.
Известна система передачи информации в оптическом канале связи, содержащая пространственно разнесенные источник направленного излучения и приемник излучения, устройство модуляции излучения и устройство демодуляции сигнала с приемника. В этой системе передачи информации источник и приемник расположены на одной оптической оси. Источник излучения - лазер или лазерный диод. В качестве приемника излучения используется фотодиод или фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Модулированное излучение через воздушную среду направляется на приемник, который преобразует его в электрический сигнал. Устройство демодуляции восстанавливает передаваемую информацию путем обработки электрического сигнала. (Гауэр Дж. Оптические системы связи. М.: Радиосвязь. - 1989. - с. 423-424).
Основным недостатком этой системы является невозможность передачи информации при наличии любого непрозрачного препятствия и отсутствия прямой видимости от источника до приемника излучения.
Наиболее близкой к предлагаемой системе является система (прототип) передачи информации в оптическом канале связи, содержащая источник направленного в широкий телесный угол излучения, приемник излучения, устройство модуляции излучения и устройство демодуляции сигнала приемника, в которой оптические оси источника излучения и приемника излучения направлены в атмосферу, а регистрация рассеянного ультрафиолетового излучения производится в соответствии с индикатрисой рассеяния находящихся в воздухе рассеивающих элементов в виде пыли, молекул воды и других. В состав приемника входит конденсор приемника излучения, состоящий из нескольких линз, фокусирующих рассеянное атмосферное излучение на фотоприемнике. Химическое покрытие линз конденсатора также обеспечивает фильтрацию ультрафиолетового излучения в полосе частот этого излучения. (Патент РФ №2653528, МПК Н04В 10/00, Мусин Л.Ф., Журенков А.Г. и другие. Система оптической связи. Опубл. 11.05.2018. Бюл. №14).
Недостатком этой системы является недостаточно высокая помехоустойчивость и надежность связи, особенно для мобильных объектов, у которых углы наклона оптических осей источника излучения и приемника излучения могут изменяться в движении, что приводит к изменению уровня электрического сигнала на входе устройства демодуляции приемника. Кроме того, отсутствие электрического полосового фильтра, согласованного с полосой частот модулированного электрического сигнала может приводить к ухудшению связи.
Целью изобретения является повышение помехоустойчивости и надежности связи за счет создания системы, обеспечивающей согласование углов наклона оптических осей источника и приемника излучения, а также введения на приемной стороне электрического полосового фильтра.
Для достижения цели предложена система передачи информации в оптическом канале связи (Фиг. 1), содержащая источник направленного в широкий телесный угол излучения (1), приемник излучения (2), устройство модуляции (3), устройство демодуляции (4), конденсор приемника излучения (5), состоящий из нескольких линз, фокусирующих рассеянное атмосферное излучение на фотоприемнике (6) и фильтрующих излучение в полосе частот оптического сигнала. Оптические оси источника излучения и приемника излучения направлены в атмосферу, а регистрация рассеянного ультрафиолетового излучения производится в соответствии с индикатрисой рассеяния находящихся в воздухе рассеивающих элементов в виде пыли, молекул воды и других. Новым является то, что введены устройство управления оптической осью источника излучения (7) и устройство управления оптической осью приемника излучения (8), которые согласованы между собой и обеспечивают пересечение оптических осей источника и приемника излучения в атмосфере на высоте, не превышающей дальности связи. Устройство управления оптической осью источника излучения передает на приемную сторону координаты источника излучения и углы наклона оптической оси источника излучения относительно горизонтальной плоскости по широте и долготе. Устройство управления оптической осью приемника излучения изменяет направление оси приемника излучения, исходя из расстояния между источником и приемником излучения и углами наклона оптических осей источника и приемника излучения. На входе устройства демодуляции установлен электрический полосовой фильтр (9), который пропускает электрический сигнал в полосе частот модулированного сигнала.
На передающей стороне устройство модуляции (3) изменяет параметры электрического тока в соответствии с входной информацией. При использовании потенциального кодирования электрического тока, например, кодирования без возвращения к нулю (Non Return to Zero, NRZ), для передачи бит информации 0 либо 1 используют два устойчиво различаемых потенциала электрического тока. Битам 0 сопоставляют нулевое напряжение U=0 вольт, а битам 1 - положительное напряжение U>0 вольт.
Основная гармоника электрического сигнала NRZ имеет достаточно низкую частоту, равную N/2 Гц, где N бит/с - битовая скорость передачи цифровой информации в канале связи, что приводит к узкому спектру сигнала. Достоинствами метода потенциального кодирования NRZ также являются хорошая распознаваемость ошибок, благодаря наличию двух резко отличающихся потенциалов, и простота реализации.
Электрические сигналы, соответствующие информации, поступают на вход источника излучения (1), представляющего собой полупроводниковый светодиодный излучатель УФ диапазона волн. В зависимости от напряжения на входе излучателя изменяется интенсивность светового излучения, которое направляется в атмосферу.
Часть рассеянного атмосферой излучения попадает на линзы конденсора (5). Первая линза конденсатора создает параллельный пучок света, вторая линза фильтрует свет в полосе частот УФ излучения, и наконец, третья линза фокусирует излучение на входе фотоприемника, в качестве которого может использоваться фотодиод или ФЭУ, чувствительные к УФ излучению, на выходе которого формируется электрический сигнал потенциального кодирования NRZ.
Сигнал NRZ представляет собой сумму информационного сигнала и шума, который может быть обусловлен не только засветкой приемника излучения, но также и изменением условий распространения УФ излучения. Для мобильных объектов углы наклона оптических осей источника излучения (1) и приемника излучения (2) могут изменяться, например, на подъеме и спуске или других неровностях дороги. Угол излучения источника излучения и угол поля зрения приемника излучения достаточно большой (≈60°), однако при изменениях углов наклона оптических осей, пересечение углов излучения источника и поля зрения приемника излучения может сокращаться, что приводит к уменьшению излучения на входе фотоприемника (6) и ухудшению связи. Например, при наклоне оптических осей источника и приемника излучения более, чем на 30° в разные стороны, углы излучения источника излучения и поля зрения приемника излучения могут вообще не пересекаться. Для надежной связи оптические оси источника излучения и приемника излучения должны постоянно пересекаться в атмосфере, желательно на высоте, не превышающей дальность связи.
0
0
i
i
Устройство управления оптической осью источника излучения (7) определяет координаты источника излучения, например, используя системы спутниковой навигации CPS или Глонасс, и передает на приемную сторону координаты источника излучения. Устройство управления оптической осью приемника излучения (8), используя координаты источника излучения (х,у) и собственные координаты (x,y), вычисляет расстояние d между передатчиком и приемником излучения
0
m
Устройство управления оптической осью источника излучения (7) также определяет и передает на приемную сторону угол наклона α оптической оси источника излучения над горизонтальной плоскостью. Тогда для пересечения оптических осей передатчика и приемника излучений на высоте не более величины d угол наклона оптической оси приемника излучения не должен превышать
1
m
где α - угол наклона оптической оси приемника излучения. При расчетах можно принять d≤700 м.
Управление оптической осью приемника излучения обеспечивает надежность связи при рассогласовании взаимного углового наведения из-за «блуждания» углов наклона оптических осей источника и приемника излучения, например, при движении объектов и изменении условий распространения излучения в атмосфере.
Шумы канала связи расширяют спектр электрического сигнала потенциального кодирования NRZ. Фильтрация сигнала NRZ в полосовом фильтре электрического сигнала (9) снижает уровень шумов. Приближенно верхнюю частоту пропускания полосового фильтра можно оценить величиной
а нижняя частота пропускания полосового фильтра определяется длиной серий 0 и 1 во входной информации. Поскольку вероятность длинных серий 0 и 1 мала, то приближенно можно выбрать
min
max
Например, при N=1 мБит/с будет F=0,125 мГц и F=0,5 мГц.
Затем выполняется демодуляция сигнала NRZ, и в результате восстанавливается электрический сигнал, соответствующий переданной информации.
Достигаемым техническим результатом является повышение помехоустойчивости и надежности связи за счет согласование углов наклона оптических осей источника и приемника излучения, что особенно важно при управлении мобильными объектами. Кроме того, технический результат достигается применением в приемнике электрического полосового фильтра, согласованного с полосой частот используемого вида модуляции.