ОПТИЧЕСКИЙ БЕСКАБЕЛЬНЫЙ ТЕЛЕФОН

Изобретение относится к технике бескабельной оптической связи и предназначено для использования в оптических переговорных аппаратах, в частности, в детских играх, бытовых и служебных условиях для скрытной передачи конфиденциальной информации с затрудненным несанкционированным доступом, в аппаратуре охраны, сигнализации и дистанционного управления.
Известен оптический телефон [1], в передатчике которого в качестве источника оптического излучения используется лампочка, по нити накаливания которой пропускается электрический ток, изменяющийся по закону передаваемого информационного сигнала. Инерционность процесса изменения температуры нити накаливания и яркости свечения лампочки ограничивают быстродействие оптического передатчика и полосу пропускаемых частот.
Известен оптический телефон [2] (прототип), состоящий:
- из инфракрасного передатчика, в котором в качестве источника инфракрасного излучения используется полупроводниковый светодиод, промодулированный непосредственно по мощности излучения электрическими импульсами с длительностью, пропорциональной текущему значению информационного сигнала, при постоянном периоде их следования;
- из инфракрасного приемника, в котором в качестве чувствительного к инфракрасному излучению элемента использован полупроводниковый фотодиод;
- из оптических линзовых антенн.
У прототипа имеются следующие недостатки:
1. электрическая схема приемопередатчика сложна вследствие использования широтно-импульсной модуляции излучения светодиода
передатчика и системы автоматической регулировки усиления с управляемым аттенюатором в цепи обратной связи усилителя фотодиода;
2. чувствительность оптического приемника невысока по причине прямой модуляции оптического излучения по мощности;
3. помехозащищенность оптического приемника низка ввиду сильной зависимости качества приема от попадания на приемный фотодиод внешних шумовых оптических помех;
4. параметры приемопередатчика изменяются во времени из-за недостаточной стабилизации режимов электрических цепей;
5. взаимное наведение оптических приемника и передатчика усложнено из-за размещения светодиода передатчика и фотодиода приемника строго в фокальных плоскостях соответствующих антенн, что требует высокой угловой точности наведения на абонента, затрудняет ведение связи «с рук» и требует жесткую механическую опору и фиксацию оптических приемника и передатчика во внешних штативах, а также из-за отсутствия средства визуального взаимного наведения оптических приемопередатчиков абонентов, что усложняет установление связи в темное время суток;
6. отсутствуют режим энергосбережения во время отсутствия оптического сигнала абонента, а также индикация заряда батарей. Задачами предлагаемой полезной модели являются:
- упрощение электрической схемы и повышение помехозащищенности оптического телефона;
- повышение чувствительности оптического приемника;
- эффективное подавление низкочастотных составляющих фототока приемника, возникающих при действии внешних помеховых оптических засветок;
- стабилизация электрических параметров оптического телефона;
- упрощение взаимного наведения оптических телефонов и удобство эксплуатации;
- сбережение энергоресурса элементов питания. Поставленные задачи решаются за счет того, что:
- оптический телефон построен по трансиверной схеме, использует частотную модуляцию поднесущей частоты, а в приемный канал дополнительно включен усилитель поднесущей частоты с постоянным коэффициентом усиления без системы автоматической регулировки усиления;
- для модуляции/демодуляции частотно-модулированной поднесущей использован синхронный детектор на основе системы фазовой автоподстройки частоты;
- приемный фотодиод нагружен непосредственно на радиочастотный фильтр, состоящий из цепочки связанных параллельных контуров;
- применен последовательный стабилизатор напряжения питания с малым падением напряжения на управляющем элементе;
- светодиод передающего канала и фотодиод приемного канала вынесены из фокальных плоскостей соответственно передающей и приемной линзовых антенн, устранена жесткая механическая опора оптического приемопередатчика в виде внешнего штатива, введены визирная трубка и световой красный маркер, а также световые индикаторы режимов «прием», «передача» и остаточной зарядки элементов питания;
- оптический телефон оборудован системой шумоподавления для автоматического переключения аппарата из режима «ожидание» в режим «прием» при появлении оптического сигнала абонента и обратно по окончании сеанса связи.
Проведенный анализ и эксплуатация показали, что:
- построение оптического телефона по трансиверной схеме с использованием частотной модуляции поднесущей частоты и введение в приемный канал усилителя поднесущей частоты с постоянным в рабочем диапазоне коэффициентом усиления и с исключенной из схемы системы
автоматической регулировки усиления заметно упростило электрическую схему устройства;
- использование синхронного детектора с фазовой автоподстройкой частоты для модуляции в передающем канале и демодуляции в приемном канале одновременно повысило чувствительность приемного канала и расширило полосу частот передаваемого/принимаемого речевого сигнала;
- нагружение приемного фотодиода непосредственно на радиочастотный фильтр в виде цепочки связанных параллельных контуров привело к эффективному подавлению шумовых составляющих фототока, вызванных внешней засветкой фотодиода оптическими помехами;
- применение последовательного стабилизатора напряжения питания характеризующегося малым падением напряжения на управляющем элементе, стабилизировало электрические параметры оптического телефона в условиях глубокого разряда элементов питания;
- смещение инфракрасного светодиода передатчика и фотодиода приемника из фокальной плоскости передающей и приемной линзовых антенн позволило осуществлять связь абонентов «с рук» без необходимости жесткой пространственной фиксации оптического оптических телефонов с помощью внешнего штатива, а оборудование оптического телефона прицельными устройствами - визирной трубкой и световым красным маркером - упростило процедуру пространственного поиска и взаимного наведения оптических телефонов абонентов не только в дневное, но и в темное время суток, индикаторы режима приема, передачи и остаточной зарядки элементов питания внесли удобство в эксплуатацию оптического телефона;
- оборудование оптического телефона системой шумоподавления и благодаря этому, введение функции автоматического переключения приемного канала из режима «ожидание» (при отсутствии или слабом сигнале на входе приемника) в режим «прием» (при уровне сигнала, превышающем определенный порог) привело к экономии энергии
элементов питания и увеличило время эксплуатации оптического телефона от одного комплекта элементов питания.
На фиг.1 показан общий вид оптического телефона, на фиг.2 - органы управления и индикации работы приемопередатчика, вынесенные на заднюю и верхнюю панели корпуса оптического телефона, на фиг.3 - структурная схема предлагаемого устройства.
На верхней панели (см. фиг.1, 2) расположена ручка включения/выключения приемопередатчика и регулировки громкости в режиме приема (1); ручка включения/выключения шумоподавителя и регулировки порога шумоподавителя (2); тумблер (3) включения/выключения светового маркера; кнопка переключения режимов «прием»/«передача» (4).
На переднюю панель вынесены приемная (5) и передающая (6) линзовые антенны; световой маркер (7) и входное окно прицела (8) визирной трубки.
На задней панели размещены выходное окно (9) визирной трубки, микрофон (10), громкоговоритель (11), световые индикаторы режима «прием» (12), режима «передача» (13), остаточного заряда батарей питания (14).
На боковых стенках расположены узлы крепления (15) ремня (16) для переноса приемопередатчика.
Оптический телефон включает два канала: передающий (ПРД) - (на фиг.3 - нижняя цепь блоков) и приемный (ПРМ) - (на фиг.3 - верхняя цепь блоков).
У обоих каналов имеется общий блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) (21), включающий в себя генератор управляемый напряжением (ГУН), фазовый дискриминатор (ФД) и фильтр низкой частоты (ФНЧ).
В состав передающего канала входит микрофон (17), микрофонный усилитель (18), электронный ключ на входе (19) и на выходе (20) блока
ФАПЧ (21), усилитель-формирователь передаваемой поднесущей частоты (22), мощный ключевой каскад (23), ПК - излучающий светодиод (24), передающая оптическая линзовая антенна (25), пучок передаваемого модулированного ИК излучения (26).
В состав приемного канала входят приемная линзовая антенна (28), перехватывающая приходящий модулированный ИК пучок (27), оптический инфракрасный фильтр (29), фотодиод (30), радиочастотный фильтр (31) в виде цепи параллельных связанных контуров, усилитель принимаемой поднесущей частоты (32), электронный ключ на входе (33) и на выходе (34) блока ФАЛ (21), усилитель звуковой частоты (35) и громкоговоритель (36).
Работа оптического телефона в режиме «передача» обеспечивается следующими блоками (фиг.3): микрофон (17) улавливает звуковые колебания абонента, желающего передать свою речь, и преобразует их в электрический сигнал, который далее усиливается микрофонным усилителем (18). В режиме «передача» электронные ключи (19) и (20) находятся в замкнутом состоянии, а ключи (33) и (34) - в разомкнутом. С выхода микрофонного усилителя (19) сигнал поступает на генератор управляемый напряжением (ГУН) системы ФАПЧ (21), где генерируется поднесущая и осуществляется ее частотная модуляция по закону звукового сигнала, с выхода ГУН сигнал, близкий по форме к меандру, через электронный ключ (20) поступает на вход усилителя-формирователя поднесущей частоты (22), и далее на управляющий вход мощного ключевого каскада (23), нагрузкой которого служит инфракрасный излучающий светодиод (24). Оптическое излучение светодиода (24) формируется передающей оптической антенной - короткофокусной линзой - в инфракрасный пучок (26) с расходимостью порядка трех угловых градусов.
В режиме «прием» функционируют следующие блоки оптического телефона (фиг.3): Инфракрасное оптическое излучение (27) падает на
приемную оптическую антенну, выполненную в виде короткофокусной линзы, за которой установлен инфракрасный светофильтр (29). Приемный фотодиод (30) находится вне фокальной плоскости приемной линзы (28), в результате принимаемое инфракрасное излучение засвечивает всю его рабочую поверхность даже при не совсем точном наведении на передатчик, вследствие чего принимаемое оптическое излучение преобразуется в электрический сигнал. Нагрузкой приемного фотодиода (30) служит радиочастотный фильтр поднесущей частоты (31), к выходу которого подключен усилитель поднесущей частоты (32). В режиме «прием» электронные ключи (33) и (34) находятся в замкнутом состоянии, а ключи (19) и (20) - в разомкнутом. С выхода усилителя поднесущей частоты (32), через электронный ключ (33) сигнал подается на вход системы ФАПЧ (21), выполняющей роль синхронного детектора частотной модуляции, далее демодулированный сигнал звуковой частоты, через фильтр ФНЧ и электронный ключ (34) поступает на вход усилителя низкой частоты (35), нагрузкой которого служит громкоговоритель (36).
Предлагаемая полезная модель - оптический беспроводной телефон-действует следующим образом. Находясь на противоположных концах линии связи (обычно на расстоянии прямой видимости), абоненты оснащены оптическими телефонами, изображенными на фиг.1, позволяющими поддерживать симплексную связь.
Поворотом по часовой стрелке до щелчка ручки (1) абоненты включают свои оптические телефоны. Глядя сквозь визирную трубку, через ее выходное окно (8), абоненты зрительно находят друг друга. Абонент, желающий осуществить передачу сообщения, путем нажатия кнопки (4) переводит свой аппарат в режим «передача», при этом на лицевой панели его аппарата загорается световой маркер (7) красного цвета, а на задней панели - световой индикатор режима «передача» (13). На приемной стороне линии связи абонент благодаря световому маркеру, включенному на аппарате передающего абонента, визуально находит
световой маркер передающего абонента даже в темное время суток. При ненадобности (в условиях хорошей видимости) световой маркер (7) отключается тумблером (3). Передающий абонент, сохраняя нажатое состояние кнопки (4) и удерживая принимающего абонента в центре поля зрения визирной трубки (что гарантирует взаимное наведение передающей оптической антенны (25) и выходного инфракрасного пучка передатчика на антенну принимающего абонента) ровным голосом в микрофон (10) передает сообщение. При этом инфракрасный пучок, проходя в атмосфере дистанцию связи (до 400 м), попадает на приемную линзовую антенну принимающего абонента. На приемном аппарате загорится индикатор «прием» (12), и из громкоговорителя принимающего абонента будет слышно передаваемое речевое сообщение. Громкость принимаемого сообщения регулируется ручкой (1).
По окончании передачи сообщения передающий абонент отпускает кнопку «прием»/«передача» (4), в результате чего его аппарат переходит из режима «передача» в режим «прием», при этом гаснет его световой маркер (7) и индикатор «передача» (13).
По окончании передачи при желании принимающий абонент, путем нажатия и удержания кнопки «прием»/«передача» (4) на своем аппарате может перейти в режим «передача» и ответить на сообщение: ответная информация будет передаваться по линии связи в обратном направлении.
При продолжительной работе с оптическим телефоном для увеличения ресурса элементов питания удобно использовать шумоподавитель. Шумоподавитель снижает уровень шума громкоговорителя в промежутках между приемом сообщений. Он представляет собой пороговое устройство с изменяемым порогом срабатывания. При уровне сигнала ниже порога шумоподавитель отключает усилитель низкой частоты (35) (громкоговоритель замолкает). Приемопередатчик переходит в режим с малым энергопотреблением (режим «ожидание»). При превышении сигнала уровня порога, включается
усилитель низкой частоты (35), и приемопередатчик переходит в режим «прием» (из громкоговорителя слышен звук).
Настройка порога шумоподавителя осуществляется по следующему алгоритму:
Во время приема сообщения отвести приемопередатчик в сторону от абонента. При выходе абонента за поле зрения визирной трубки в громкоговорителе слышен шум. Повернуть ручку шумоподавителя (2) по часовой стрелке до такого положения, в котором громкоговоритель замолкнет, что означает переход оптического телефона в режим «ожидание». Затем навести визирную трубку на передающего абонента, при этом оптический телефон автоматически переходит из режима «ожидание» в режим «прием» и из громкоговорителя будет слышен звук речи абонента. Затем, повторно отведя приемопередатчик в сторону, убедиться в четкости срабатывания системы шумоподавителя.