ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ УПРАВЛЯЮЩИХ СИГНАЛОВ
FIBRE-OPTIC SYSTEM FOR TRANSMITTING CONTROL SIGNALS

Изобретение относится к устройствам автоматики и телемеханики и может быть использовано для приема и передачи управляющих и информационных сигналов в системах автоматики, телемеханики и различных устройствах связи.
Известна волоконно-оптическая система для передачи управляющих сигналов (см. патент РФ №2155449 от 22.10.2000, МПК Н04В 10/00, «Линия передачи цифрового оптического сигнала», Александровский М.И., Вороненко В.П., Фаерберг О.И.; Бюл. №33, опубл. 27.08.2000). Линия передачи цифрового оптического сигнала содержит усилитель-модулятор, лазерный генератор, устройство стабилизации мощности лазера, среду передачи оптического сигнала, первое и второе согласующие устройства, фотодетектор, предварительный усилитель, усилитель, устройство автоматической регулировки усиления, устройство восстановления тактовой частоты, при этом выход усилителя-модулятора соединен с первым входом лазерного генератора, первый выход которого соединен со входом первого согласующего устройства, выход которого соединен со входом среды передачи оптического сигнала, выход которой соединен со входом второго согласующего устройства, выход которого соединен с первым входом фотодетектора, второй выход лазерного генератора соединен со входом устройства стабилизации мощности лазера, первый выход которого соединен с первым входом усилителя-модулятора, а второй выход соединен со вторым входом лазерного генератора, выход усилителя соединен со входом устройства восстановления тактовой частоты и входом устройства автоматической регулировки усиления, выход которого соединен с первым входом усилителя и вторым входом фотодетектора. В линию передачи цифрового оптического сигнала включены первый и второй преобразователи сигнала, N формирующих фильтров, N фазовых генераторов, (N-1) предварительно усилителей, усилитель-формирователь накачки, устройство формирования сигнала, при этом вход линии передачи является входом первого преобразователя сигнала, выход которого соединен со вторым входом усилителя-модулятора, выход фотодетектора соединен со входом первого формирующего фильтра, выход каждого из N формирующих фильтров соединен с первым входом соответствующего фазового регенератора, выход которого соединен со входом соответствующего предварительного усилителя, выход N-го предварительного усилителя соединен со вторым входом усилителя, выход которого соединен с первым входом усилителя-формирователя накачки и первым входом устройства формирования сигнала, выход которого соединен со входом второго преобразователя сигнала, выход которого является выходом линии передачи, выход устройства восстановления тактовой частоты соединен со вторым входом усилителя-формирователя накачки, первый и второй выходы которого соединены соответственно со вторыми входами каждого из N фазовых регенераторов и со вторым входом устройства формирования сигнала.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатком известного устройства является его сложность, низкая защищенность передаваемой информации, отсутствие второго канала для передачи ответных сигналов.
Задачей, решаемой предлагаемым техническим решением, является создание волоконно-оптической системы для передачи управляющих сигналов с расширенными функциональными возможностями.
Достигаемым техническим результатом заявляемой системы является повышение уровня защищенности передаваемых сигналов.
Для достижения технического результата в волоконно-оптической системе для передачи управляющих сигналов, содержащей приемный и передающий адаптеры, последний из которых содержит последовательно соединенные ключ-модулятор и оптический генератор, выход которого через первый волоконно-оптический кабель соединен со входом фотодетектора приемного адаптера, включающий в себя усилитель, формирователь сигналов и выходное устройство согласования, новым является то, что в каждый адаптер дополнительно введено микропроцессорное устройство с криптографическим блоком и стабилизатор тока генератора, при этом в передающий адаптер дополнительно введены входное устройство согласования, первые вход и выход которого являются первыми входом и выходом волоконно-оптической системы для передачи управляющих сигналов, формирователь случайной последовательности и последовательно соединенные формирователь цифрового сигнала, усилитель и фотодетектор, выход стабилизатора тока генератора соединен с первым входом ключа-модулятора, второй вход которого соединен с первым выходом микропроцессорного устройства, второй выход и первый вход которого соединены со вторыми входом и выходом входного устройства согласования соответственно, выход формирователя цифрового сигнала соединен со вторым входом микропроцессорного устройства, третий вход которого соединен с выходом формирователя случайной последовательности, а в приемный адаптер дополнительно введены последовательно соединенные ключ-модулятор и оптический генератор, выход которого через второй волоконно-оптический кабель соединен со входом фотодетектора передающего адаптера, при этом фотодетектор, усилитель и формирователь сигналов соединены последовательно, выход формирователя сигналов соединен с первым входом микропроцессорного устройства, второй вход и первый выход которого соединены с первыми выходом и входом выходного устройства согласования соответственно, вторые выход и вход которого являются вторыми выходом и входом волоконно-оптической системы для передачи управляющих сигналов, второй выход микропроцессорного устройства соединен с первым входом ключа-модулятора, второй вход которого соединен с выходом стабилизатора тока генератора.
Введение в каждый адаптер микропроцессорного устройства с криптографическим блоком позволяет выполнять обработку передаваемых сигналов и криптографические преобразования, а стабилизатор тока генератора обеспечивает стабилизацию питания ключа-модулятора. Использование второго канала передачи сигналов позволяет расширить функциональные возможности системы за счет передачи ответных сигналов от объекта управления.
Указанная совокупность существенных признаков позволяет повысить качество передаваемых сигналов и уровень их защищенности за счет выполнения криптографических преобразований информации, передаваемой по волоконно-оптической системе.
На чертеже представлена схема волоконно-оптической системы для передачи управляющих сигналов.
Волоконно-оптическая система для передачи управляющих сигналов содержит (см. чертеж) передающий 1 и приемный 2 адаптеры, первый 3 и второй 4 волоконно-оптические кабели. Передающий адаптер содержит следующие блоки: входное устройство согласования 5, микропроцессорное устройство 6 с криптографическим блоком, ключ-модулятор 7, стабилизатор тока генератора 8, оптический генератор 9, фотодетектор 10, усилитель 11, формирователь сигналов 12, формирователь случайной последовательности 13. Приемный адаптер содержит следующие блоки: ключ-модулятор 14, стабилизатор тока генератора 15, оптический генератор 16, фотодетектор 17, усилитель 18, формирователь сигналов 19, микропроцессорное устройство 20 с криптографическим блоком, выходное устройство согласования 21.
Первый 3 и второй 4 волоконно-оптические кабели могут быть выполнены каждый в виде либо отдельного волоконно-оптического кабеля, либо в виде одного волоконно-оптического кабеля, содержащего в себе два и более оптических волокон. Тип волоконно-оптического кабеля подбирается с учетом выбранных типов оптического генератора и фотодетектора, а также с учетом требуемой дальности передачи сигналов.
Входное устройство согласования 5 может быть выполнено как на специализированных микросхемах (например, МАХ232 для интерфейса RS-232), так и на обычных компонентах, при этом желательно обеспечить гальваническую развязку контактов внешнего разъема от остальной схемы с помощью оптронов.
Микропроцессорные устройства 6, 20 с криптографическими блоками могут быть выполнены на основе любого микропроцессора или микроконтроллера, способного обеспечить выполнение требуемого объема вычислений, при этом криптографический блок может быть реализован как программным способом (в виде программных кодов, записанных в ПЗУ), так и аппаратным (в виде отдельного микроконтроллера или специализированного шифропроцессора). Для выполнения криптографических преобразований сигналов могут быть использованы стандартные криптографические алгоритмы (например, DES или ГОСТ 28147-89).
Ключи-модуляторы 7, 14 могут быть выполнены на микросхемах электронных коммутаторов или на биполярных (полевых) транзисторах, обладающих достаточной мощностью и быстродействием для управления оптическими генераторами 9, 16, в качестве которых можно использовать любой излучающий диод, сверхлюминесцентный диод, полупроводниковый лазер или передающий оптоэлектронный модуль.
Стабилизаторы тока генератора 8, 15 обеспечивают питание ключей-модуляторов 7, 14 стабильным током, что повышает стабильность мощности выходного сигнала оптических генераторов 9, 16. Стабилизаторы могут быть реализованы на основе любой токостабилизирующей схемы.
Фотодетекторы 10, 17 обеспечивают прием оптического сигнала с волоконно-оптического кабеля и преобразование его в электрический. В качестве фотодетектора используется фотодиод.
Усилители 11, 18 могут быть собраны на микросхемах операционных усилителей и обеспечивают усиление сигнала, поступающего с фотодетекторов 10, 17, до уровня, необходимого для нормальной работы формирователей сигналов 12, 19, которые могут быть выполнены на микросхемах интегральных компараторов напряжения и обеспечивают преобразование аналогового сигнала, поступающего с выхода усилителей 11, 18, в цифровой сигнал.
Формирователь случайной последовательности 13 может быть реализован на основе шумового диода, например, типа 2Г401А и обеспечивает формирование цифровой последовательности с равномерным распределением, необходимой для выполнения преобразований сигналов в криптографическом блоке.
В выходном устройстве согласования 21 реализованы мощные выходные цепи, которые позволяют непосредственно управлять различными элементами автоматики (двигателями, электромагнитными реле и т.д.) и могут быть выполнены на оптоэлектронных реле (например, 5П19Б-5), а цепи приема ответных сигналов от внешнего объекта, которые обычно имеют существенно меньшую мощность, могут быть выполнены на обычных оптронах. Такое решение обеспечивает гальваническую развязку контактов внешнего разъема от остальной схемы.
Волоконно-оптическая система для передачи управляющих сигналов работает следующим образом.
Входные сигналы (в формате либо стандартных интерфейсов, например RS-232, RS-485, USB и т.д., либо в любом другом требуемом формате) от внешней аппаратуры, в качестве которой может использоваться компьютер, поступают на вход входного устройства согласования 5, где преобразуются по форме и длительности к виду, необходимому для работы микросхем микропроцессорного устройства 6 с криптографическим блоком. В зависимости от типа входного сигнала в криптографическом блоке проводится либо его шифрование, либо формирование имитовставки с использованием в качестве открытого ключа числовой последовательности, формируемой формирователем случайной последовательности 13. Полученный сигнал преобразуется в последовательный импульсный код с широтно-импульсной или времяимпульсной модуляцией и поступает на вход ключа-модулятора 7, который управляет оптическим генератором 9. Стабилизатор тока генератора 8 обеспечивает формирование импульсов тока стабильной амплитуды ключом-модулятором 7. Оптическое излучение, формируемое оптическим генератором 9, через первый 3 волоконно-оптический кабель поступает на вход фотодетектора 17 приемного адаптера 2. Принятый фотодетектором 17 сигнал усиливается усилителем 18 и преобразуется формирователем сигналов 19 к уровням, необходимым для работы цифровых микросхем. Далее сигнал передается на вход микропроцессорного устройства 20, где он расшифровывается криптографическим блоком и преобразуется в соответствующие управляющие сигналы. Управляющие сигналы поступают на вход выходного устройства согласования 21, которое обеспечивает формирование необходимых уровней токов и напряжений для управления внешним объектом. Ответный сигнал от внешнего объекта через выходное устройство согласования 21 считывается микропроцессорным устройством 20 (при необходимости подвергается криптографическим преобразованиям) и поступает на вход ключа-модулятора 14, который управляет оптическим генератором 16. Стабилизатор тока генератора 15 обеспечивает формирование импульсов тока стабильной амплитуды ключом-модулятором 14. Оптическое излучение, формируемое оптическим генератором 16, через второй 4 волоконно-оптический кабель поступает на вход фотодетектора 10 передающего адаптера 1. Принятый фотодетектором 10 сигнал усиливается усилителем 11 и преобразуется формирователем сигналов 12 к уровням, необходимым для работы цифровых микросхем. Далее сигнал подается на вход микропроцессорного устройства 6, где он при необходимости расшифровывается криптографическим блоком и преобразуется в соответствующие информационные сигналы, которые через входное согласующее устройство 5 считываются внешней аппаратурой управления.
В целях подтверждения осуществимости заявляемого объекта и достижения технического результата изготовлен и исследован лабораторный макет волоконно-оптической системы для передачи управляющих сигналов, выполненный по приведенной на чертеже схеме. Проведенные испытания подтвердили работоспособность системы и обеспечение заявленных характеристик, что подтверждает практическую ценность заявляемого объекта.