Построение волоконно-оптической распределенной информационно-измерительной системы с акустооптической коммутацией каналов

3. Воловач В.И. Статистические характеристики регулярных сигналов телекоммуникационных каналов [Текст] / В.И. Воловач, А.Е. Рогозин // Вестник Волжского университета имени В.Н. Татищева. Серия «Информатика». - Вып. 18. - 2011. - С. 97-103.

4. Воловач В.И. К вопросу определения взаимного влияния сигналов разовых сообщений и регулярной информации при совместной передаче по телекоммуникационным каналам [Текст] / В.И. Воловач, А.Е. Рогозин // Наука - промышленности и сервису: сб. ст. Шестой международной научно-практической конференции. Ч. II / Поволжский гос. ун-т сервиса. -Тольятти: Изд-во ПВГУС, 2012. - С. 275-281.

5. Воловач В.И. Методы обработки сигналов при передаче разовых сообщений по телекоммуникаци-

— Информационные комплексы и системы

онным каналам [Текст] / В.И. Воловач, А.Е. Рогозин // Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации (ITRT-2012): сб. статей II Международной заочной научно-технической конференции. Ч. 1 / Поволжский гос. ун-т сервиса. - Тольятти: Изд-во ПВГУС, 2012. - С. 332-340.

7. Bapaкин И.Е. Системы связи с шумоподобны-ми сигналами [Текст] / И.Е. Варакин. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.

8. Уорд Р. Различение псевдослучайных сигналов методом последовательной оценки [Текст] / Р. Уорд // Зарубежная радиоэлектроника. - 1966.-№ 8. - С. 24-27.

Давыдов А.И. Davidov A.I.

аспирант Уфимского государственного университета экономики и сервиса, Россия, г. Уфа

Мухамадиев А.А. Mukhamadiev A.A.

кандидат технических наук, доцент Уфимского государственного университета экономики и сервиса, Россия, г. Уфа

Ураксеев М.А. Urakseev Ш.А.

доктор технических наук, профессор Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа

УДК 681.335

ПОСТРОЕНИЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ

РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ С АКУСТООПТИЧЕСКОЙ КОММУТАЦИЕЙ КАНАЛОВ

В статье рассмотрена структура волоконно-оптической распределенной информационно-измерительной системы с акустооптической коммутацией каналов. Приведен принцип работы акустооп-тического кросс-коммутатора и его структура.

Ключевые слова: информационная измерительная система, акустооптический, кросс-коммутатор, волоконно-оптические линии связи.

CREATION OF THE FIBER OPTICAL DISTRIBUTED INFORMATION MEASURING SYSTEM WITH ACOUSTO-OPTIC CHANNEL SWITCHING

The structure of the fiber optical distributed information measuring system with acousto-optic channel switching is considered. Acousto-optic cross-switch work principles and its structure.

Key words: information-measuring system, acousto-optical, cross-switch, fiber optical lines.

Волоконно-оптические датчики и волоконная оптика находят широкое применение в современных информационно-измерительных системах (ИИС). Это обусловлено многопараметровостью оптического сигнала, содержащего одновременно информацию об изменяющихся во времени и пространстве фазе, амплитуде, длине волны и поляризации.

Другим преимуществом волоконно-оптических технологий в ИИС является высокая пропускная способность оптических линий связи.

Поскольку волоконно-оптические информационно-измерительные системы все чаще имеют распределенную структуру, существует необходимость в коммутации систем на базе новейших технологий оптической коммутации, мультиплексирования сигналов и оптической обработки информации. Оптические коммутаторы являются одним из основных компонентов построения волоконно-

оптических линий связи (ВОЛС) информационно-измерительных систем [1].

Наилучшими характеристиками обладает аку-стооптический (АО) коммутатор, принцип работы которого основан на дифракции света на бегущей ультразвуковой волне в оптически прозрачном материале. Бегущую ультразвуковую волну создает пьезоэлектрический преобразователь, присоединенный к активному кристаллу. В результате распространения плоской акустической волны в кристалле образуются периодические слои изменения показателя преломления, представляющие для падающего света периодическую дифракционную решетку, движущуюся со скоростью звука.

Рассмотрим структуру волоконно-оптической линии связи распределенной информационно-измерительной системы с акустооптической коммутацией каналов (рис. 1).

Рис. 1. Структура волоконно-оптической линии связи распределенной ИИС: 1 - объект исследования, 2 - оптический датчик, 3 - выходной сигнал оптического датчика, 4 - лазер, 5 - оптический сигнал, 6 - оптический изолятор, 7 - оптический модулятор, 8 - оптическая линия передачи, 9 - акустооптический кросс-коммутатор, 10 - фотодетектор, 11 - перестраиваемый по частоте гетеродин (лазер), 12 - поляризационный контроллер, 13 - устройство автоматической подстройки частоты, 14 - демодулятор

Оптический датчик 2 под воздействием электромагнитного излучения объекта исследования 1 в видимом, инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне генерирует на выходе единичный или совокупность сигналов 3. Лазер 4 излучает оптический сигнал 5, соответствующий по содержанию сигналу 3.

Оптический изолятор 6 имеет большой коэффициент пропускания оптического излучения в прямом направлении и весьма малый - в обратном. Такие устройства обычно применяются в высокоскоростных ВОЛС для устранения влияния на полупроводниковый излучатель света, рассеянного в оптической линии передачи сигналов: на разъемных соединителях, участках сварки волокна, разветви-телях и на неоднородностях материала непосредственно в волоконно-оптическом кабеле. Обратно-рассеянное излучение, действуя на активную среду полупроводникового излучателя, вызывает шумы и флуктуации мощности излучения лазера 4.

Оптический сигнал 5 модулируется оптическим модулятором 7 и далее передается по оптической линии передачи 8. В данном случае оптический

сигнал передается по одномодовому оптическому волокну и подается на вход акустооптического кросс-коммутатора 9, осуществляющего коммутацию и мультиплексирование требуемых каналов волоконно-оптических линий связи распределенной ИИС.

Соединенный с требуемым волокном оптический сигнал преобразуется фотодетектором 10 в электрический. Перенос в фототок информации о фазе и частоте падающего на фотоприемник света возможен при когерентном фотодетектировании излучения, при котором на фотоприемник вместе с регистрируемым оптическим сигналом с частотой направляется опорный сигнал с частотой v0. Так, перестраиваемый по частоте гетеродин (лазер) 11 через поляризационный контроллер 12 генерирует опорный сигнал V который может быть скорректирован устройством автоматической подстройки частоты 13.

Фотоприемник, в сущности, регистрирует полную мощность света в пределах ограниченной области интерференционной картины, образованной в результате суперпозиции сигнального и когерент-

Информационные комплексы и системы

ного ему опорного излучений. Если E (t) - мгновенная амплитуда «сигнальной» световой волны в некоторой точке фотоприемника, равная

E

где A1- амплитуда оптического сигнала, vS - частота регистрируемого оптического сигнала, ф5 - фаза регистрируемого оптического сигнала.

E (t) - мгновенная амплитуда опорного сигнала определяется как

E0

где A0- амплитуда опорного оптического сигнала, vS - частота опорного оптического сигнала, фв -фаза опорного оптического сигнала.

Зависящий от времени фототок i(t) фотоприемника прямо пропорционален квадрату суммарной амплитуды оптического поля

i

Подстановкой 1 и 2 в 3, выполнив усреднение по времени (фотоприемник не реагирует на переменные сигналы с оптическими частотами), находим

i(t) ос Ai Ao cos [2п (vs - vo) t + ф - Фо). (4) Выражение 4 описывает переменный сигнал

биений фототока на «промежуточной» (в терминах радиотехники) частотеf = - V который прямо зависит от амплитуд и фаз направляемых на фотодетектор сигналов.

В одномодовых когерентных волоконно-оптических линиях связи непосредственно перед фотоприемником 11 устанавливается линейный поляризатор, либо в оптической схеме гетеродинного фотодетектора используется специальное оптоволокно с сохранением поляризации излучения. На выходе системы электрический цифровой сигнал преобразуется демодулятором 14.

На рис. 2 изображена разветвленная структура волоконно-оптических линий связи распределенной ИИС. Акустооптический кросс-коммутатор позволяет скоммутировать массив входных волокон А^ с массивов выходных оптических волокон А^, обеспечивая одновременную независимую коммутацию сигналов а-ап с возможностью их мультиплексирования [2].

Рис. 2. Разветвленная структура ВОЛС распределенной ИИС с акустооптической кросс-коммутацией

Система акустооптического кросс-коммутатора (рис. 3) состоит из входной подсистемы 1, сферической линзы 2 и выходной подсистемы 3.

Рис. 3. Акустооптический кросс-коммутатор

Входная подсистема 1 идентична выходной подсистеме 3. Эти две подсистемы расположены по противоположным сторонам от линзы 2 и повернуты относительно друг друга на угол 900. Симметрия системы коммутатора позволяет осуществлять коммутацию в дуплексном режиме и использовать входную систему, как выходную, и наоборот.

Входная и выходная подсистемы представляют собой одномерный массив Аодномодовых оптических волокон £ соответствующий ему одномерный массив микролинз Аь и многоканальный акустооп-тический дефлектор 4. Массивы А и А соединены адгезивом. Каждая пара «микролинза - оптическое волокно» расположены соосно. Массив микролинз Аь расположен так, чтобы направить каждый из световых лучей на соответствующую ему акустоопти-ческую ячейку многоканального акустооптическо-го дефлектора 4 [3].

Оптический сигнал передается по оптическому волокну £ одномерного волоконно-оптического массива Аи коллимируется соответствующей волокну £ микролинзой массива микролинз Аь входной подсистемы 1. Коллимированный оптический сигнал проецируется на соответствующую ячейку АО многоканального дефлектора 4 входной подсистемы 1, который отклоняет его на заданный угол вдоль оси у. Каждая АО ячейка многоканального акустооптического дефлектора 4 индивидуально отклоняет оптический сигнал на заданный угол. Углами отклонения многоканального акустооп-тического дефлектора 4 управляет контроллер (не изображен) [4].

Линза 2 преобразует угол отклонения выходных лучей от многоканального дефлектора 4 в плоскости х и направляет его на соответствующую линзу массива микролинз Аь выходной подсистемы 3, которая фокусирует оптический сигнал в выходное волокно выходной подсистемы 3. Многоканальный АО дефлектор 4 выходной подсистемы 3 не отклоняет оптический сигнал.

Аналогично входной оптический сигнал подсистемы 3 может быть связан с оптическим волокном волоконно-оптического массива А подсистемы 1. Таким образом, система коммутатора может использоваться в дуплексном режиме связи.

Система АО кросс-коммутатора может обеспечить мультиплексирование с временным уплотнением канала, т. е. с разделением передачи информации между двумя и более каналами, чтобы последовательно скоммутировать каждое оптоволокно в выходном волоконно-оптическом массиве А£ подсистемы 3 с входным оптоволокном £ входной подсистемы 1. Например, оптический сигнал, пере-

даваемый по волокнуf входной подсистемы 1, может быть разделен так, что каждому волокну f массива Af выходной подсистемы 3 будет присвоен последовательный интервал времени 2*10-5 с, включая время коммутации АО кросс-коммутатора 10-5 с в начале каждого интервала времени, который позволит многоканальному акустооптическому дефлектору 4 сконфигурировать корректные углы отклонения. В такой системе контроллер (не изображен) может сгенерировать управляющие сигналы так, чтобы оптический сигнал был последовательно связан с каждым (или некоторыми) волокном в волоконно-оптическом массиве A выходной подсистемы 3 в предопределенном порядке и в начале предопределенных интервалов времени [5].

Акустооптическая коммутация каналов волоконно-оптической распределенной ИИС обеспечит высокую скорость переключения линий связи, широкую полосу пропускания частот, поскольку система коммутатора является всеопти-ческой, а отсутствие подвижных частей делает устройство надежным. АО кросс-коммутатор обладает высокой емкостью, что является необходимым условием для построения разветвленной волоконно-оптической ИИС.

Список литературы:

1. Буймистрюк Г.Я. Информационно-измерительная техника и технология на основе волоконно-оптических датчиков и систем: монография [Текст] / Г.Я. Буймистрюк. - СПб.: ИВА, ГРОЦ Минатома, 2005. - 191 с.

2. Дмитриев А.Л. Оптические системы передачи информации: учебное пособие [Текст] / А.Л. Дмитриев. - СПб.: СПбГУИТМО, 2007. - 96 с.

3. Пат. 6236479 Bl США, МПК H04B 10/00. Space-division optical switching system having a multichannel acousto-optical deflector [Text] / Stephane William Raymond Gosselin, Jacques Sapriel; заявитель и патентообладатель France Telecom. - Заявл. 22.05.98; опубл. 22.05.01. - 8 с.

4. Давыдов А.И. Акустооптические коммутаторы информационно-измерительных систем [Текст] / А.И. Давыдов, А.А. Мухамадиев, М.А. Ураксеев // Приборы. - 2012. - № 9. - С. 1-7.

5. Давыдов А.И. Акустооптический коммутатор волоконно-оптических линий связи для информационно-измерительных систем [Текст] /А.И. Давыдов // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. - 2012. - № 4. - С. 12-17.