СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ С ПОМОЩЬЮ ЛИНЕЙНО-ПОЛЯРИЗОВАННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Полезная модель относится к передаче импульсов электромагнитных волн через передающую среду в форме сигналов и соответствующей передаче информации.
Система передачи (трансляции) в данном аспекте включает в себя три основных компонента: передатчик, приемник и сигнал.
Под сигналом понимается - «...знак, физический процесс или явление, несущие сообщение о каком-либо событии, явлении, состоянии объекта наблюдения либо передающие команды управления, оповещения и т.д.. Совокупностью сигналов можно отобразить любое сколь угодно сложное событие. Сигнал может быть механическим (деформация, перемещение), тепловым (повышение температуры), световым (вспышка света, зрительный образ), электрическим (импульс тока, радиоволны) и др. Информация, содержащаяся в сообщении, обычно представляется изменением одного или нескольких параметров сигнала - его амплитуды (интенсивности), длительности, частоты, ширины спектра, поляризации и т.д. Сигналы могут преобразовываться (без изменения содержания сообщения) из одного вида в другой, например непрерывные - в дискретные (квантование сигнала), звуковые в электрические, электрические в световые» («Политехнический словарь» под ред. А.Ю.Ишлинского - М.: Советская энциклопедия, 1989. - 656 с.; с.478-479). «Импульсный сигнал (импульс) изменение какой-либо физической величины (электромагнитного поля, механического смещения и т.п.) в течение некоторого конечного промежутка времени. С распространением импульсного сигнала обычно связан перенос энергии и, следовательно, передача определенной информации. Одиночные импульсные сигналы называют видеоимпульсами; форма их может быть различной. ... Последовательность импульсных сигналов характеризуется также скважностью - безразмерной величиной, равной отношению периода повторения импульсного сигнала к длительности одиночного импульсного сигнала. ... Импульсный сигнал применяется в технике связи. Передача информации в этом случае осуществляется путем модуляции колебаний. ...» («Физика - большой энциклопедический словарь» под ред. A.M.Прохорова - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. - 944 с.; с.218).
Импульсный сигнал в данном аспекте рассматривается как физическая (материальная) сущность, регистрируемая техническими средствами, как физическая величина, параметры которой меняются для отображения содержащейся в сигнале информации.
Под информацией понимается - «совокупность каких-либо сведений, данных, передаваемых людьми устно (в форме речи), письменно (в виде текста, таблицы, рисунков,
чертежей, условных обозначений) либо другим способом (например, с помощью звуковых или световых сигналов, электрических и нервных импульсов, перепадов давления или температуры... Информация может иметь непрерывный (аналоговая) или прерывистый (дискретный) характер» («Политехнический словарь» под ред. А.Ю.Ишлинского - М.: Советская энциклопедия, 1989. - 656 с.; с.199).
Под электромагнитными волнами понимается - «возмущения электромагнитного поля (т.е. переменное электромагнитное поле), распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью (скорость света). Электромагнитные волны, кроме некоторых специальных случаев, - поперечные волны: в каждой точке поля электромагнитных волн векторы Е и Н напряженностей электрического и магнитного полей колеблются, оставаясь в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения электромагнитных волн. Кроме того, в каждой точке векторы Е и Н колеблются в одной фазе и всегда взаимно перпендикулярны. ... В зависимости от частоты (или длины волны в вакууме), а также от источников излучения и способов возбуждения различают следующие виды электромагнитных волн: радиоволны, оптическое излучение, рентгеновское излучение и гамма-излучение» («Политехнический словарь» под ред. А.Ю.Ишлинского - М.: Советская энциклопедия, 1989. - 656 с.; с.616).
Под поляризацией волн понимается - «нарушение осевой симметрии поперечной волны относительно направления распространения этой волны. В неполяризованной волне колебания векторов s и v смещения и скорости в случае упругих волн или векторов Е и Н напряженностей электрического и магнитного полей в случае электромагнитных волн в каждой точке пространства по всевозможным направлениям в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, быстро и беспорядочно сменяют друг друга, так что ни одно из этих направлений колебаний не является преимущественным. Поперечную волну называют поляризованной, если в каждой точке пространства направление колебаний сохраняется неизменным или изменяется с течением времени по определенному закону. Плоско-поляризованной (линейно-поляризованной) называют волну с неизменным направлением колебанием соответственно векторов s или Е. Если концы этих векторов описывают с течением времени окружности или эллипсы, то волну называют циркулярно- или эллиптически-поляризованной» («Политехнический словарь» под ред. А.Ю.Ишлинского - М.: Советская энциклопедия, 1989. - 656 с.; с.404). Плоскостью поляризации называют плоскость, в которой лежат Е и световой луч («Советский энциклопедический словарь» под ред. A.M.Прохорова - М.: Советская энциклопедия, 1987. - 1600 с.; с.1037).
Импульсы линейно-поляризованных электромагнитных волн в данном аспекте рассматриваются как прерывное испускание линейно-поляризованных электромагнитных волн, т.е. последовательное чередование конечных временных промежутков отсутствия
излучения и конечных временных промежутков непрерывного испускания вышеуказанных волн.
Повышение пропускной способности каналов передачи электронной информации является, по прежнему, актуальной задачей (Десурвир Э., «Световая связь: пятое поколение», журнал «В мире науки», №3 за 1992 г., с.58-66, с.60; журнал "Наука и жизнь", подписной индекс 70601, №11 за 2004 г., с.38).
Известны системы передачи информации, в которых при передачи модулируется интенсивность света, его частота или фаза (Десурвир Э., «Световая связь: пятое поколение», журнал «В мире науки», №3 за 1992 г., с.58-66, с.60). Модуляция колебаний - это медленное по сравнению с периодом колебаний изменение амплитуды, частоты или фазы колебаний по определенному закону. Соответственно различаются амплитудная, частотная и фазовая модуляция колебаний. Возможна и смешанная модуляция (например, амплитудно-фазовая). При любом способе модуляции колебаний скорость изменения амплитуды, частоты или фазы должна быть достаточно малой, чтобы за период Т колебаний модулируемый параметр почти не изменился. Модуляция колебаний применяется для передачи с помощью электромагнитных волн радио- или оптических диапазонов, а также акустических волн. «Передатчиком» сигнала является синусоидальные колебания высокой частоты w. Амплитуда, частота или фаза этих колебаний, а в случае света и поляризация модулируется передаваемым сигналом («Физика - большой энциклопедический словарь» под ред. A.M.Прохорова - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. - 944 с.; с.428).
Недостатком модулирующих систем и импульсных сигналов является принципиальное ограничение по модулирующей частоте, которая всегда меньше модулируемой составляющей сигнала. Например, для излучений видимого и ближнего ИК диапазонов света с частотами 100-800 ТГц (Терагерц) возможны частоты модуляции с верхним пределом до 0,1-1 ТГц («Физика - большой энциклопедический словарь» под ред. A.M.Прохорова - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. - 944 с.; с.429). То есть, изменение передающее информацию происходит примерно в 1000 раз медленнее изменения несущего излучения.
Для повышения
Ближайшим аналогом является следующая система передачи информации:
- отдельный бит информации кодируется наличием или отсутствием светового импульса, в частности солитона длительностью 10 пс
- световые импульсы могут быть двух различных ориентации плоскости поляризации
- система включает в себя передатчик и приемник световых импульсов; в частности кодирующие и декодирующие устройства преобразования входной информации в электрические сигналы и обратно, передатчик и приемник для преобразования электрических
сигналов в свет и обратно, световод (оптическое волокно) (Десурвир Э., «Световая связь: пятое поколение», журнал «В мире науки», №3 за 1992 г., с.58-66, с.65-66). Следует отметить, что поляризация в прототипе используется для удвоения каналов передачи информации на одной частоте, поскольку два световых луча с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации непосредственно не интерферируют (см. «Физика - большой энциклопедический словарь» под ред. A.M.Прохорова - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. - 944 с.; с.575).
Недостатком прототипа является ограниченность информации, которую несет один импульсный сигнал. В прототипе эту проблему решают с помощью организации дополнительных каналов на соседних, близлежащих частотах излучения.
Задачей полезной модели является повышение пропускной способности отдельного канала для передачи электронной информации. Достигаемый технический результат - увеличение информации передаваемой одним импульсным сигналом без снижения частотных характеристик импульсных сигналов.
Технический результат достигается тем, что система передачи информации с помощью последовательности импульсов электромагнитных волн одинаковых частотных характеристик и различной линейной поляризации, включающая кодирующее устройство преобразования входной информации в электрические сигналы, передатчик преобразования электрических сигналов в последовательность импульсов линейно-поляризованных электромагнитных волн, передающую среду, приемник преобразования последовательности импульсов линейно-поляризованных электромагнитных волн в электрические сигналы, декодирующее устройство преобразования электрических сигналов в выходную информацию, причем передатчик содержит устройство излучения, по меньшей мере, части импульсов с индивидуальными ориентациями поляризации в одном из, по меньшей мере, трех различных дискретных угловых положений, определяющих сопоставленные значения информации, выполненное в виде, по меньшей мере, трех согласованно управляемых источников импульсов различно фиксировано ориентированных линейно-поляризационных электромагнитных волн, а приемник снабжен средством распознавания индивидуальной ориентации поляризации импульса электромагнитных волн.
Кроме того, система может быть снабжена средством распознавания индивидуальной ориентации поляризации импульса электромагнитных волн выполненным в виде, по меньшей мере, трех параллельно соединенных детекторов излучения, каждый из которых снабжен входным поляризационным фильтром с различной фиксированной ориентацией в одном из, по меньшей мере, трех различных дискретных угловых положений.
Кроме того, согласованно управляемые источники импульсов различно фиксировано ориентированных линейно-поляризационных электромагнитных волн могут быть выполнены с равными угловыми промежутками между соседними дискретными угловыми положениями поляризации передаваемых импульсов.
Кроме того, согласованно управляемые источники импульсов различно фиксировано ориентированных линейно-поляризационных электромагнитных волн могут быть выполнены с расположением ориентации поляризаций в идентифицируемом интервале.
Кроме того, согласованно управляемые источники импульсов различно фиксировано ориентированных линейно-поляризационных электромагнитных волн могут быть выполнены в виде лазеров.
Кроме того, передающая среда может быть выполнена в виде оптического волокна (световода).
Под дискретностью понимается прерывность, в отличие от непрерывности («Советский энциклопедический словарь» под ред. А.М.Прохорова - М.: Советская энциклопедия, 1987. - 1600 с.; с.395). Угловые ориентации плоскости поляризации импульсов занимают в идентифицируемом диапазоне определенные положения, а иные между этими согласованными - не занимают. Это позволяет установить однозначное соответствие передаваемым значениям информации и однозначно распознавать их при приеме.
Суть полезной модели в том, что в качестве импульсного сигнала используется кратковременный импульс линейно-поляризованных электромагнитных волн, а параметр, служащий для отображения содержащейся в сигнале информации - ориентация плоскости поляризации (вектора Е), которая может принимать для отдельного сигнала одно из фиксированных ориентационных угловых положений. Эти угловые положения (положение вектора Е в плоскости, поперечной направлению излучения) имеют ряд дискретных (прерывных) значений, которые сопоставлены (взаимосвязаны) со значениями передаваемой импульсом информации. При этом для получения сигнального импульса с необходимой ориентацией поляризации используется ряд взаимосвязанных и согласованно управляемых источников линейно-поляризационного излучения. Для передачи конкретного значения информации используется в момент передачи тот импульсный источник, фиксированная ориентация которого совпадает с ориентацией, вытекающей из значения передаваемой информацией. Используется набор (матрица) источников с неизменными, фиксированными ориентациями линейной поляризации. Этот набор источников используется для последовательного их включения/выключения в порядке, который определяет передаваемая информация, которая отображена в ориентациях поляризации импульсов. Прием последовательности импульсов осуществляется с распознаванием их положений
поляризации и, соответственно, с несомой сигнальными импульсами значениями информации.
В заявляемой полезной модели отсутствует модулирование (изменение, управление) направлением поляризации источника излучения, когда осуществляется изменение исходной поляризации модулирующим воздействием, что и медленно по определению (см. модуляции) и достаточно сложно, когда речь идет об изменении ориентации поляризации на десятки градусов.
Заявляемая полезная модель может позволить достичь (в частотных диапазонах прототипа или видимого диапазона света с примыкающими областями УФ и ИК) весьма близких между собой абсолютных значений параметров импульсного сигнала:
- период повторения импульсного сигнала (см. скважность);
- период излучения самого импульсного сигнала (см. скважность);
- период изменения между «крайними» значениями ориентации поляризации для соседних импульсных сигналов (этот параметр зависит лишь от быстродействия/темпа включения соответствующего источника);
и, даже, для периода колебаний электромагнитных волн в самом импульсном сигнале в сравнении с тремя вышеуказанными характеристиками, поскольку нет ограничений модулирования колебаний.
Рост информационной пропускной способности канала будет во столько раз больше, на сколько частей удастся разделить диапазон задаваемой и определяемой ориентации поляризации сигнального импульса электромагнитных волн. Так при четырех фиксированных дискретных углах получим два бита в одном сигнале, при восьми - четыре бита и т.д. Соответственно в два и четыре раза увеличится количество передаваемой информации при тех же частотных характеристиках, что у прототипа, т.к. сигнал прототипа несет один бит.
Отличия и преимущества заявляемой полезной модели отражены в таблице.
Заявляемое устройство
Устройство прототипа
Устройство поляризационной импульсной модуляции (может иметь место с применением известных технических решений)
Устройство излучения импульсных сигналов в виде не менее трех
Устройство излучения импульсных сигналов в виде двух источников с фиксированными ориентациями
Устройство излучения импульсных сигналов в виде одного источника с
источников с фиксированными ориентациями поляризации. Источники управляются и работают согласованно для получения последовательности импульсных сигналов с ориентациями поляризации соответствующими последовательности передаваемых значений информации. Источники работают в идентичных частотных режимах электромагнитных волн.
поляризации. Каждый источник образует отдельный независимый информационный канал, работающий автономно. Источники работают в идентичных частотных режимах электромагнитных волн. Имеет место ограничение по количеству источников, поскольку при ином расположении азимутальных ориентации поляризаций излучения будет происходить интерференция и потеря информации. Число каналов информации можно лишь удвоить в идентичных частотных режимах электромагнитных волн.
фиксированной ориентацией поляризации. Ориентация поляризации может модулироваться внешним воздействием на источник. Имеют место присущие принципиальные ограничения по темпу и диапазону модуляции с высокой скоростью, сопоставимой с частотой несущего электромагнитного излучения.
Полезная модель иллюстрируются чертежами, на которых изображено: на фиг.1 - принципиальная схема работы заявляемой системы, на фиг.2 - система передачи информации, на фиг.3 - положения вектора Е напряженности электрического поля в одном из вариантов исполнения.
Система передачи информации включает в себя кодирующее устройство 1 преобразования входной информации в электрические сигналы, выход которого соединен со входом передатчика 2 преобразования электрических сигналов в последовательность импульсов линейно-поляризованных электромагнитных волн, передатчик 2 содержит устройство излучения из источников 3, 4, 5, 6 импульсов линейно-поляризованного излучения (каждый со своим фиксированным углом ориентации поляризации; значения углов дискретны и находятся в диапазоне распознавания), передатчик 2 согласованно управляет источниками 3, 4, 5, 6 для их последовательной работы в нужной последовательности, выходы источников 3, 4, 5, 6 сопряжены с передающей средой, в изображенном варианте это оптическое волокно 7, своим другим концом оптическое волокно 7 сопряжено с детекторами 8, 9, 10, 11 излучения параллельно, детекторы 8, 9, 10, 11 снабжены каждый своим поляризационным фильтром со своей фиксированной осью поляризации, выходы детекторов связаны с приемником 12 преобразования импульсов в электрические сигналы, выход приемника 12 связан со входом устройства 13 декодирования электрических сигналов в выходную информацию.
На Фиг.3 изображены положения вектора Е - напряженности электрического поля в плоскости, перпендикулярной направлению распространения электромагнитных волн по образцу диаграмм поляризации света (см. «Физика - большой энциклопедический словарь» под ред. А.М.Прохорова - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. - 944 с.; с.575). Импульсные сигналы линейно-поляризованы, линейная поляризация в изображенном варианте может быть в дискретных фиксированных положениях Е1, Е2, Е3, Е4, которые выбираются в диапазоне распознавания. Угловые промежутки между соседними положениями вектора Е могут быть установлены одинаковыми. Вектору Е1 соответствует значение передаваемой (принимаемой) информации «00», вектору Е2 - «01», вектору Е3 - «10», вектору Е4 - «11» в системе двоичной кодировки. Таким образом, один импульсный сигнал в зависимости от своей индивидуальной ориентации поляризации вектора Е может передать два бита информации.
Заявленная полезная модель осуществляется следующим образом. Входящую информацию преобразовывают в электрические импульсы и делят на последовательность значений по два бита, в зависимости от значения информации передатчик 2 излучает одним из источников 3, 4, 5, 6 сигнальный импульс. Источники могут быть выполнены в виде лазеров, излучение лазеров может быть полностью поляризованным (см. «Физика - большой энциклопедический словарь» под ред. A.M.Прохорова - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. - 944 с.; с.576). Излучает импульс тот источник, чье фиксированное положение поляризации соответствует значению передаваемой информации. Источники соединены с оптическим волокном 7 своими выходами. Это могут быть плечи оптического волокна одинаковой длины, сопрягаемые с волокном 7 параллельно. Оптическое волокно или световод способно сохранять поляризацию распространяющегося по нему излучения (см. прототип или журнал «Техника молодежи» №7 за 2004 год, с.6; подписной индекс 70973). Полученные по оптическому волокну (световоду) импульсы принимают приемником 12 с детекторами 8, 9, 10, 11 определения импульсного сигнала и его индивидуальной поляризации. Распознавание индивидуальной ориентации импульсного сигнала производят с помощью известных физических средств, например, поляриметров чувствительность которых достигает 0,0000001 град (см. «Физика - большой энциклопедический словарь» под ред. A.M.Прохорова - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. - 944 с.; с.578). Могут быть также использованы волоконно-оптические сенсоры (см. прототип или журнал «Техника молодежи» №7 за 2004 год, с.6-7; подписной индекс 70973). Ввод из нескольких оптоволокон в одно с сохранением поляризации и, наоборот, распределение оптического импульса из одного оптоволокна в несколько с охранением поляризации - известен из уровня техники (журнал «Техника молодежи» №7 за 2004 год, с.6-7; подписной индекс 70973). По ориентациям поляризации определяют сопоставленные значения информации и декодируют их в выходной форме. Идентифицируемый угловой интервал (диапазон), в котором устанавливаются конечное множество дискретных угловых положений ориентации поляризаций импульсных сигналов, может составлять 90 или 180 градусов в зависимости от используемых технических решений. Большие значения этот интервал не может составлять, так как невозможно отличить в чистом виде поляризационную волну от «перевернутой» на 180 градусов. Эффективность описываемой системы (количество бит информации в одном импульсном сигнале) напрямую зависит от количества распознаваемых дискретных угловых положений в идентифицируемом диапазоне.
Вместе с тем, в заявленной полезной модели могут быть использованы комбинации с другими известными на сегодня технологиями:
- мультиплексирование, работа на нескольких близких между собой волн (частот); каждая частота (волна) независима и отсутствует взаимное наложение (интерференция); помимо прототипа эта технология описана в журнале «КомпьютерПресс» №1 за 2001 г./ технология DWDM (dense wavelength-division multiplexing)/
- амплитудная модуляция; импульсным сигналам помимо индивидуально заданной ориентации поляризации может придаваться несколько значений уровня (амплитуды); соответственно амплитуда также может нести дополнительную информацию; например при двух уровнях (помимо нулевого) произойдет удвоение информации несомой одним импульсным сигналом и т.д.
- фазовая модуляция также принципиально не противоречит описываемой системе
- частотная модуляция возможна, но очевидно менее выгодна по сравнению комбинированию с мультиплексированием.
В качестве передающей среды может быть использовано распространение электромагнитных волн по оптическому волокну (световоду), а также в открытом пространстве по примеру радиорелейной и/или спутниковой связи.
Главное требование к передающей среде - сохранение ориентации плоскости линейной поляризации.
Заявленная полезная модель может быть осуществлена с помощью известных в области техники средств и компонентов и соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".