СИСТЕМА ОТКРЫТОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
OPEN OPTICAL COMMUNICATION SYSTEM

Изобретение относится к области оптической связи и может быть использовано для связи между абонентами, находящимися в отсеках кораблей, судов, а также между кораблями и берегом.
В настоящее время оптическая электроника применяется на кораблях, судах и подводных лодках [Катанович А.А., Николашин Ю.Л. Корабельные оптические системы связи. СПб., Судостроение, 2009, 239 с.]. Важной проблемой, возникающей при внедрении корабельных оптических систем связи, является преобразование акустических сигналов в электрические и, наоборот, из-за огромного количества механизмов, создающих помехи на объекте. Оптическая связь не производит электромагнитные излучения и сама нечувствительна к электромагнитным полям.
Аналогом системы согласно изобретению является оптическая система открытой связи. Патент РФ на ПМ №62316. БИ №3, 2007 г.
Она содержит: оптический передатчик, нелинейно-оптический кристалл, лазер накачки, сепаратор, два фотоприемника, дифференциальный усилитель и оптический приемник.
Прототипом является внутрикорабельное устройство открытой оптической связи. Патент РФ на ПМ №67226. БИ №28, 2007 г.
Устройство содержит: оптический передатчик, электронная схема которого включает в себя микрофон, последовательно соединенный с микрофонным усилителем, преобразователем аналогового сигнала частотно-импульсной модуляции и излучателем, а также оптический приемник, состоящий из фотодетектора, последовательно соединенного с усилителем импульсов, демодулятора и громкоговорителя.
Недостатками как аналога, так и прототипа являются большие потери световой энергии и малый диапазон преобразования акустического сигнала в электрический и наоборот. Не обеспечивается стабильность работы системы из-за технологических проблем, вызванных прежде всего необходимостью обеспечения стабильности работы системы и оптимизации отношения сигнал-шум. Источником шума является, в первую очередь, фотодетектор.
Цель изобретения - повышение помехоустойчивости, надежности и увеличение дальности связи.
Поставленная цель достигается тем, что система открытой оптической связи, состоящая из оптического передатчика, электронная система которого включает в себя электроакустический преобразователь (микрофон), последовательно соединенный с микрофонным усилителем, преобразователем аналогового сигнала и излучателем, а электронная схема оптического приемника состоит из фотодетектора, последовательно соединенная с усилителем импульсов, демодулятором и громкоговорителем, при этом микрофонный усилитель передатчика выполнен на интегральной микросхеме, в цепь отрицательной обратной связи которого выведен управляемый аттенюатор на основе полевого транзистора, причем выходной сигнал микрофонного усилителя подается на вход каскада сравнения, на выход этого же каскада поступает сигнал с выхода формирователя, образованного последовательно соединенными мультивибратором и интегратором, выходной сигнала каскада сравнения поступает на двухкаскадный ключевой усилитель мощности, нагрузкой которого является светоизлучающий диод, со светоизлучающего диода оптическое излучение поступает на фотодетектор, с которого сигнал поступает на резонансный усилитель, в цепь которого включен резонансный контур, настроенный на частоту 30-60 кГц, затем выходное напряжение каскада поступает на усилитель с системой автоматического регулирования усиления (АРУ), при этом детектирование сигнала осуществляется двухполупериодным выпрямителем, нагруженным на двухзвенный фильтр нижних частот, и далее напряжение сигнала поступает через демодулятор на громкоговоритель, причем оптические системы передатчика и приемника идентичны и представляют собой плоско-выпуклые линзы диаметром 60 мм с фокусным расстоянием 80 мм, в фокальных плоскостях линз передатчика установлен излучающий диод, а в приемник - фоточувствительная поверхность фотодиода.
На фиг.1 представлена предлагаемая система, на фиг.2 - амплитудная характеристика компрессора, на фиг.3 - принципиальная схема оптического передатчика, на фиг.4 - принципиальная схема оптического приемника.
Система открытой оптической связи содержит:
1 - микрофон типа МФ52; 2 - микрофонный усилитель; 3 - каскад сравнения; 4 - выходной каскад; 5 - излучатель (светоизлучающий диод типа VD3); 6 - фотодетектор; 7 - резонансный усилитель; 8 - усилитель с АРУ; 9 - двухполупериодный усилитель; 10 - демодулятор; 11 - громкоговоритель.
Рассмотрим прохождение сигнала на принципиальной схеме оптического передатчика фиг.3.
Сигнал с микрофона 1 поступает на микрофонный усилитель 2, выполненный на интегральной микросхеме ДА1, в цепь отрицательной обратной связи которого выведен управляемый аттенюатор на основе транзистора VT1. Выходной сигнал усилителя 2 подается на вход каскада сравнения 3 на транзисторе ДА2.5. На вход этого же каскада поступает сигнал треугольной формы с выхода формирователя, образованного последовательно соединенными мультивибратором на основе микросхем ДА2.1, ДА2.2 и интегратором на ДА2.3 и ДА2.4. В моменты равенства мгновенных значений напряжение усилителя и формирователя треугольного напряжения происходит формирование фронта и среза выходных импульсов каскада. Таким образом, генерируются прямоугольные импульсы, длительность которых пропорциональна мгновенным значениям информационного сигнала. Выходной сигнал каскада сравнения 3 поступает на двухкаскадный ключевой усилитель мощности 4 на транзисторах VT2, VT3, нагрузкой которого является светоизлучающий диод VD3 (излучатель 5).
Микрофонный усилитель 3 представляет собой компрессор, сжимающий динамический диапазон входного сигнала. Он состоит из дифференциального усилителя DA1, на неинвертирующий вход которого поступает напряжение, развиваемое микрофоном, а на инвертирующий вход - сигнал управляемого аттенюатора. Последний образован резисторами R3, R4 и сопротивлением канала полевого транзистора VT1. На резисторах R6, R7 выполнена цепь отрицательной обратной связи со стока на затвор полевого транзистора, существенно снижающего нелинейные искажения сигнала, обусловленные нелинейностью аттенюатора.
При повышении уровня сигнала выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя на диодах VD2, VD3 снижается, одновременно увеличивается сопротивление канала полевого транзистора, что приводит к уменьшению коэффициента передачи усилителя. Амплитудная характеристика микрофонного усилителя представлена на фиг.2. Полоса пропускания усилителя (250…3000 Гц) сформирована фильтрами, образуемыми конденсатором С1, входным сопротивлением DA1, а также корректирующим конденсатором С2. Сжатие динамического диапазона и ограничение спектра передаваемого сигнала значительно повышает разборчивость сообщений, принимаемых на фоне помех.
При отсутствии информационного сигнала скважность импульсной последовательности на выходе DA2.5 близка к двум. Амплитуда этих импульсов фиксирована и близка к напряжению питания, а длительность пропорциональна мгновенным значениям напряжения входного сигнала. Ключевой усилитель мощности широтно-модулированного сигнала на транзисторах VT2, VT3 обеспечивает импульсный ток в нагрузку около 200 мА.
Оптическое излучение от излучателя 5 через атмосферу поступает на фотодетектор 6, в качестве которого использован кремниевый фотодиод VD1, работающий в фотовольтаическом режиме. Сигнал фотодетектора 6 поступает на резонансный усилитель 7, выполненный на основе микросхемы DA1.1. Для формирования требуемой амплитудно-частотной характеристики в цепь отрицательной обратной связи усилителя включен резонансный контур L1C4, настроенный на частоту широтно-амплитудной модуляции 30...35 кГц. Коэффициент передачи усилителя передачи усилителя в полосе пропускания, близкой к 6 кГц, равен 160…180.
Выходное напряжение каскада поступает на усилитель DA1.2, охваченный системой АРУ 8, в цепь отрицательной обратной связи которого включен управляемый аттенюатор, образованный сопротивлением параллельного контура L2C10 и сопротивлением канала полевого транзистора VT1. Автоматическая стабилизация уровня сигнала достигается за счет изменения глубины отрицательной обратной связи при вариациях напряжения входного сигнала.
Детектирование сигнала осуществляется двухполупериодным выпрямителем 9 на основе диодов VD2 и VD3, нагруженным на двухзвенный фильтр нижних частот. Переменный резистор R8 служит для плавной регулировки уровня выходной мощности. Чувствительность усилителя мощности определяется значением сопротивления резистора R9, устойчивость обеспечивается высокочастотной коррекции R10, C20. Постоянные времени переходных цепей оптического приемника выбраны исходя из получения нижней границы полосы пропускания, близкой к 250 Гц. Фильтры низких частот, введенные в тракт усиления частот, обеспечивают частоту среза около 2,0…3,0 кГц.
Элементы системы открытой оптической связи смонтированы на печатных платах размером 65×45 мм из одностороннего фольгированного стеклопластика.
Оптические системы передатчика и приемника идентичны, конструктивно просты и представляют собой плоско-выпуклые линзы диаметром 60 мм с фокусным расстоянием около 80 мм. В фокальных плоскостях линз передатчика установлен излучающий диод, а в приемник - фоточувствительная поверхность фотодиода.
При настройке оптический передатчик и приемник разносят на некоторое расстояние и тщательно направляют друг на друга по максимуму громкости звучания. В качестве источника сигнала необходимо использовать генератор синусоидального сигнала либо ослабленный делителем выходной сигнал радиоприемника. Поскольку диаграмма направленности оптических антенн весьма высока.
Данная система позволяет обеспечить устойчивую передачу речевого сигнала в отсеках кораблей и судов, а также кораблей с кораблями и береговыми объектами на расстоянии до 2 км, когда угол расходимости не превышают 80° (по уровню 0,7) по горизонтали и 30° по вертикали.
Таким образом, в настоящее время существует возможность оснащения средствами резервной связи кораблей и судов, достаточной для организации помехозащищенной и надежной связи.