БЕСПРОВОДНАЯ ДУПЛЕКСНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ Российский патент 2002 года по МПК H04B10/00 

Изобретение относится к системам беспроводной оптической светодиодной связи и может быть использовано в системах цифровой связи, в частности для беспроводного обмена информацией, например, между ЭВМ, находящимися в том числе либо в подвижном состоянии друг относительно друга, либо разделенными препятствием для использования проводных средств связи.

Известна оптическая система связи, использующая два терминала, расположенных на концах образованной ими оптической линии связи [1] . Каждый терминал включает в себя совокупность лазерных передатчиков, которые излучают совокупность лазерных пучков, несущих информационные сигналы, которые принимаются на другом терминале и некогерентно суммируются. Недостатком такой системы является необходимость использования лазерных передатчиков, дорогостоящих и технически сложных при длительной эксплуатации.

Известна оптическая система связи (2), которая выбрана в качестве ближайшего аналога. Известная система обеспечивает беспроводной обмен информацией и содержит передающую и приемную части, выполненные в виде оптического передатчика и оптического приемника. Недостатками известной системы являются влияние аномалий среды связи на устойчивость связи, при необходимости обеспечения высоких скоростей передачи информации, и на дальность связи, а также невысокий срок службы при достаточно больших затратах на производство и эксплуатацию.

К аномалиям среды связи, приводящим к ухудшению связи, относятся:
1) атмосферные явления, такие как туманы, дожди, снег, влияющие на затухание сигнала в линии связи;
2) деформации и медленные колебания зданий и конструкций, на которые устанавливаются оптические приемники и оптические передатчики (излучатели), приводящие к потере или частичному снижению уровня принимаемого сигнала за счет нарушения взаимного наведения оптических приемников и оптических передатчиков (излучателей) противоположных пунктов связи;
3) пересечение линий связи непрозрачными объектами, например птицами, которые могут вызвать резкое, кратковременное ослабление сигнала;
4) блуждание положения и изменение углов прихода светового луча на апертуру оптического приемника при прохождении через тепловые потоки прогретой солнцем прозрачной турбулентной атмосферы, приводящие к флуктуациям световой мощности на фотодиоде оптического приемника, которые при больших амплитудах могут привести к ухудшению качества связи.

Техническими результатами, на достижение которых направлено данное изобретение, являются минимизация снижения качества связи, вызванного действием приведенных выше факторов, а также снижение затрат на производство и эксплуатацию при повышении надежности и безопасности предлагаемой системы беспроводной светодиодной оптической дуплексной системы связи.

При этом общими существенными признаками заявляемой системы и ближайшего аналога являются передающая часть, состоящая из первого оптического передатчика (оптического излучателя), и приемная часть, состоящая из первого оптического приемника, при этом первый оптический передатчик и первый оптический приемник образуют первый оптический приемопередатчик ПП1. Отличие заявленного изобретения от ближайшего аналога, позволяющее получить указанные технические результаты, заключается в том, что введен второй оптический приемопередатчик ПП2, аналогичный первому, при этом первый и второй приемопередатчики расположены на противоположных концах образованной ими беспроводной оптической линии связи, вход первого оптического передатчика каждого из указанных приемопередатчиков связан с выходом соответствующего конвертера через модулятор, выход первого оптического приемника каждого из указанных приемопередатчиков связан с входом соответствующего демодулятора, выход которого связан с входом соответствующего конвертера, при этом первый оптический передатчик и первый оптический приемник каждого из указанных приемопередатчиков расположены на прямой, соединяющей их оптические оси в плоскости, перпендикулярной их оптическим осям, и пространственно разнесены (на расстояние d≥30 см) относительно друг друга, первый оптический передатчик каждого из указанных приемопередатчиков выполнен в виде последовательно установленных друг за другом и оптически связанных светодиода и оптического конденсора [3] , причем вход светодиода является входом первого оптического передатчика, а выход оптического конденсора является выходом первого оптического передатчика каждого из указанных приемопередатчиков, первый оптический приемник каждого из указанных приемопередатчиков выполнен в виде последовательно установленных друг за другом и оптически связанных оптического конденсора, диафрагмы и фотодиода, при этом расстояние Δ между фотодиодом и диафрагмой, находящейся в фокальной плоскости оптического конденсора, определяется по формуле
Δ = bF/Дк,
где b - диаметр светочувствительной площадки фотодиода;
Дк - диаметр линзы оптического конденсора;
F - фокусное расстояние оптического конденсора, отмеряемое от линзы оптического конденсора до центра отверстия диафрагмы.

При этом вход оптического конденсора является входом оптического приемника каждого из указанных приемопередатчиков, а выход фотодиода является выходом первого оптического приемника каждого приемопередатчика, причем ширина диаграммы направленности указанных оптического передатчика и оптического приемника формируется в пределах от 30 до 60 угловых минут, при этом угол θ, характеризующий ширину диаграммы направленности, определяется из условия
tg2θ = a/F,
где а - диаметр отверстия диафрагмы;
F - фокусное расстояние оптического конденсора, отмеряемое от линзы оптического конденсора до центра отверстия диафрагмы.

Кроме того, конвертер выполнен в виде преобразователя, осуществляющего преобразование сигнала входной дискретной информации в кодированный сигнал с использованием кода Манчестер при передаче по линии связи и обратное преобразование на приеме.

Описанная оптическая система является двухэлементной, так как использует в каждом оптическом приемопередатчике один оптический передатчик (оптический излучатель) и один оптический приемник, образующие два канала связи. При двухэлементном оптическом приемопередатчике пространственный разнос оптического передатчика и оптического приемника создает для каждого луча дуплексной беспроводной оптической линии связи свой путь распространения луча и создает два канала связи. Вероятность одновременного возникновения условий для максимального отклонения луча по обоим путям распространения, а значит и вероятность одновременного сбоя связи по обоим каналам снижается по сравнению со случаем распространения по общему пути.

При этом предлагаемая система может быть выполнена четырехэлементной. В этом случае в каждый из указанных приемопередатчиков вводится по второму оптическому передатчику и оптическому приемнику, выполненным аналогично первому оптическому передатчику и первому оптическому приемнику, образующим вместе четыре канала связи, при этом указанные оптические передатчики и приемники каждого приемопередатчика также пространственно разнесены в плоскости, перпендикулярной их оптическим осям относительно прямой, соединяющей их оптические оси в указанной плоскости, при этом указанные оптические передатчики и приемники первого приемопередатчика расположены в последовательности: первый оптический приемник, первый оптический передатчик, второй оптический приемник, второй оптический передатчик, а во втором приемопередатчике относительно первого приемопередатчика расположены в последовательности - первый оптический передатчик, первый оптический приемник, второй оптический передатчик, второй оптический приемник (или наоборот) с их пространственным разнесением относительно друг друга в каждом из указанных приемопередатчиков (на расстояние d/2, где d≥30 см). При этом выходы (фотодиодов) первого и второго оптических приемников каждого из указанных приемопередатчиков связаны с входом соответствующего демодулятора через сумматор, а выходы второго оптического передатчика в каждом из указанных приемопередатчиков связаны с соответствующим модулятором.

Сущность заявленного изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показано расположение (пространственный разнос) оптических передатчиков (оптических излучателей) и оптических приемников двухэлементных первого и второго приемопередатчиков оптической системы связи и геометрия распространения оптических лучей, излучаемых оптическими передатчиками; на фиг. 2 показано расположение (пространственный разнос) оптических передатчиков (оптических излучателей) и оптических приемников четырехэлементных первого и второго приемопередатчиков оптической системы связи и геометрия распространения оптических лучей, излучаемых оптическими передатчиками; на фиг. 3 - блок-схема оптической системы связи для двухэлементных приемопередатчиков; на фиг. 4 показана блок-схема оптической системы связи для четырехэлементных приемопередатчиков; на фиг. 5 - схема оптического приемника (расположение элементов оптического приемника).

При этом на указанных фигурах введены следующие обозначения:
ПП1 - первый оптический приемопередатчик,
ПП2 - второй оптический приемопередатчик,
ОПр 11 - первый оптический приемник первого ПП1,
ОП 11 - первый оптический передатчик первого ПП1,
ОПр 21 - первый оптический приемник второго ПП2,
ОП 21 - первый оптический передатчик второго ПП2,
ОПр 12 - второй оптический приемник первого ПП1,
ОП 12 - второй оптический передатчик первого ПП1,
ОПр 22 - второй оптический приемник второго ПП2,
ОП 22 - второй оптический передатчик второго ПП2,
M1 - модулятор первого ПП1,
М2 - модулятор второго ПП2,
ДМ1 - демодулятор первого ПП1,
ДМ2 - демодулятор второго ПП2,
Σ₁ - сумматор первого ПП1,
Σ₂ - сумматор второго ПП2,
ФД - фотодиоды соответствующих оптических приемников (ФД11, ФД12, ФД21, Ф Д22),
OK - оптические конденсоры соответствующих оптических передатчиков (ОК11, ОК21, OK12, ОК22) и оптические конденсоры соответствующих оптических приемников (ОК11, ОК21, ОК12, ОК22),
К1 - конвертер первого приемопередатчика ПП1,
К2 - конвертер второго приемопередатчика ПП2,
СД - светодиод соответствующих оптических передатчиков (СД11, СД12, СД21, СД22),
а - диаметр отверстия диафрагмы,
b - диаметр светочувствительной площадки фотодиода,
F - фокусное расстояние оптического конденсора, отмеряемое от линзы оптического конденсора до центра отверстия диафрагмы,
Дк - диаметр линзы оптического конденсора.

Система беспроводной оптической дуплексной связи, использующая двухэлементные приемопередатчики (фиг. 3), состоит из двух одинаковых по составу полукомплектов, в каждый из которых входят оптический приемопередатчик, модулятор, демодулятор и конвертер. В рабочем состоянии первый и второй оптические приемопередатчики (ПП1 и ПП2) соответствующих полукомплектов, расположенные на противоположных концах образованной ими линии оптической связи, наводятся друг на друга. При этом конвертеры подсоединяются к цифровой сети обмена (передачи и приема) информацией. Поскольку предлагаемая система дуплексная и операции передачи и приема информации от одного полукомплекта к другому в обоих направлениях происходят одинаково, рассмотрим только процесс передачи информации по линии (каналу) связи от первого полукомплекта ко второму при двухэлементных приемопередатчиках (ПП1 и ПП2). Входная информация (входной дискретный сигнал) из цифровой сети поступает на конвертер К1 первого ПП1, где кодируется с использованием кода типа "Манчестер" и подается в логических уровнях на модулятор M1, управляющий излучением светодиода СД11 оптического передатчика (оптического излучателя) ОП11 таким образом, что при передаче логической "1" световые импульсы излучаются в первой половине заданного тактового интервала, а при передаче логического "0" - во второй половине. Сигнал, излучаемый светодиодом, попадает на оптический конденсор OK11 первого оптического передатчика ОП11, который формирует ширину диаграммы направленности оптического передатчика (оптического излучателя) в пределах от 30 до 60 угловых минут. Кодирование типа "Манчестер" используется, поскольку оно обеспечивает устойчивость к импульсным помехам и снижает вероятность ложной тревоги при одинаковых с прототипом соотношениях сигнал/шум. В коде типа Манчестер для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При таком кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня к высокому, а ноль - обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных, то такой код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами и, кроме того, имеет еще одно преимущество, так как для передачи данных используется два уровня сигнала.

Оптическое излучение первого оптического передатчика ОП11 (первого приемопередатчика ПП1) облучает оптический конденсор OK1 2 первого оптического приемника ОПр12 (второго ПП2, см. луч 2 на фиг. 1). Оптическая энергия, собранная оптическим конденсором первого оптического приемника второго ПП2, направляется через отверстие диафрагмы на фотодиод ФД12, преобразуется в электрический сигнал и направляется затем на демодулятор ДМ2. При этом оптический конденсор оптического приемника формирует ширину диаграммы направленности также в пределах от 30 до 60 угловых минут. В демодуляторе ДМ2 второго ПП2 сигнал преобразуется в логические уровни кода типа "Манчестер" и подается на конвертер К2 второго ПП2, где преобразуется в информационный сигнал в соответствии с требованиями сетевых протоколов и направляется в цифровую сеть передачи информации. При этом для снижения вероятности сбоев связи при пересечении линий связи непрозрачными предметами в системе применяется пространственный разнос оптического приемника и оптического передатчика (в плоскости, перпендикулярной их оптическим осям) каждого приемопередатчика (на расстояние d≥30 см), что исключает одновременный сбой по обоим каналам дуплексной линии связи.

При двухэлементном оптическом приемопередатчике разнос оптических приборов создает для каждого канала дуплексной линии связи свой путь распространения луча (луч 1, луч 2 на фиг. 1). Вероятность одновременного возникновения условий для максимального отклонения луча по обоим путям распространения, а значит, и вероятность одновременного сбоя связи по обоим каналам снижается по сравнению со случаем распространения по общему пути.

По сути, предлагаемая система с двухэлементными приемопередатчиками с использованием двух путей (двух каналов связи) распространения лучей обеспечивает (лучи 1, 2 на фиг. 1) и осуществляет интегральное суммирование сигналов по двум разнесенным путям распространения лучей. Образованное таким образом интегральное суммирование в системе связи реализует схему передачи, приема и обработки информации, при которой одновременный сбой по обоим каналам возможен только при одновременном сбое связи по двум путям распространения лучей.

Для снижения плотности светового потока на поверхности фотодиода, а следовательно, и для повышения ресурса работы светодиодов, используется специальная оптическая схема каждого из оптических приемников (фиг. 5), согласно которой в фокальной плоскости объектива устанавливается диафрагма, формирующая угол зрения оптического приемника (ширину диаграммы направленности), при этом угол θ, характеризующий ширину диаграммы направленности, определяется из условия
tg2θ = a/F,
при этом фотодиод располагается за диафрагмой на расстоянии Δ, обеспечивающем снижение плотности светового потока, попадающего на фотодиод, без снижения величины световой мощности указанного потока, при этом
Δ = bF/Дк.
Для устранения влияния деформаций и медленных колебаний зданий и конструкций нормируется ширина диаграммы направленности оптических передатчиков (расходимость лучей) и приемников (угол зрения). Допустимые значения ширины диаграммы направленности оптических передатчиков и приемников ограничиваются как по максимуму, так и по минимуму и выбираются, как было показано выше, в пределах от 30 до 60 угловых минут. Минимальные значения ширины диаграммы направленности обеспечивают отсутствие сбоев связи при рассогласовании взаимного углового наведения, происходящих по причине деформаций и медленных колебаний зданий, максимальные - гарантируют необходимый энергетический потенциал.

В оптической системе связи при использовании четырехэлементных оптических приемопередатчиков ПП1, ПП2 (фиг. 2, 4), каждый из которых состоит из первого оптического передатчика, первого оптического приемника, второго оптического передатчика, второго оптического приемника, расположенных относительно друг друга, как было показано выше, и выполненных аналогично оптическим передатчикам и оптическим приемникам двухэлементных приемопередатчиков ПП1, ПП2, процесс передачи информации происходит следующим образом, при этом поскольку система дуплексная и операции передачи информации от одного приемопередатчика к другому в обоих направлениях происходят одинаково, рассмотрим только процесс передачи информации по каналам связи от первого приемопередатчика ПП1 ко второму приемопередатчику ПП2 (фиг. 2,4).

Информация (сигнал) из цифровой сети поступает на конвертер К1 первого ПП1, где кодируется с использованием кода типа "Манчестер" и подается в логических уровнях на модулятор M1 первого ПП1, управляющий через соответствующие оптические конденсоры ОК11, OK12 излучением светодиодов СД11 и СД12 первого и второго оптических передатчиков ОП11 и ОП12 первого ПП1 таким образом, что при передаче логической "1" световые импульсы излучаются в первой половине заданного тактового интервала, а при передаче логического "0" - во второй. Оптические конденсоры ОК11 и OK12 соответственно первого и второго оптических передатчиков ОП11 и ОП12 формируют ширину диаграммы направленности каждого оптического передатчика (оптического излучателя) в пределах от 30 до 60 угловых минут. Кодирование типа "Манчестер" применяется, как было показано выше, поскольку оно обеспечивает устойчивость к импульсным помехам и снижает вероятность ложной тревогой. Оптическое излучение каждого из оптических передатчиков ОП11 и ОП12 облучает оптические конденсоры ОК21 и ОК22 первого и второго оптических приемников ОПр21 и ОПр22 второго приемопередатчика ПП2 (лучи 1, 2, 3, 4 на фиг. 2). Оптическая энергия, собранная указанными оптическими конденсорами, направляется через соответствующие диафрагмы на соответствующие фотодиоды ФД21 и ФД22, преобразуется в электрические сигналы, суммируемые затем в электронном сумматоре Σ₂ второго ПП2. Оптические конденсоры ОК21 и ОК22 формируют ширину диаграммы направленности соответствующих оптических приемников в пределах от 30 до 60 угловых минут, при этом угол θ, характеризующий ширину диаграммы направленности, также определяется из условия
tg2θ = a/F,
причем оптические приемники в четырехэлементной системе выполнены по той же оптической схеме, что и в двухэлементной системе.

В предлагаемой четырехэлементной системе осуществляется интегральное суммирование сигналов, пришедших по четырем путям распространения лучей, что позволяет реализовать схему передачи и обработки информации, при которой сбой передачи информации по рассматриваемым каналам связи возможен только при одновременном сбое по всем четырем путям распространения лучей.

В демодуляторе ДМ2 второго ПП2 суммарный сигнал с выхода сумматора Σ₂ преобразуется в логические уровни кода типа "Манчестер" и подается на конвертер К2 второго ПП2, где преобразуется в сигналы, соответствующие требованиям сетевых протоколов и направляется в цифровую информационную (потребительскую) сеть.

Если рассматривать четырехэлементную систему передачи и приема информации в целом (два приемопередатчика и соответственно четыре приемника и четыре передатчика), то ее выполнение позволяет образовать интегральную суммирующую систему (так как суммирование за счет геометрии распространения лучей, показанных на фиг. 2, осуществляется в каждом канале связи: оптический передатчик - оптический приемник), которая реализует схему передачи и обработки информации, при которой одновременный сбой по всем каналам возможен только при одновременном сбое по восьми путям распространения лучей (лучи 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 на фиг. 2).

Таким образом, благодаря рассмотренному выше схемному решению беспроводной оптической дуплексной системы связи, за счет использования кода типа "Манчестер", повышается устойчивость к импульсным помехам и обеспечивается меньшая, при одинаковых с прототипом соотношениях сигнал/шум, вероятность ложной тревоги; нормирование ширины диаграммы направленности позволяет при необходимом энергетическом потенциале в линии связи обеспечить отсутствие сбоев связи при рассогласовании взаимного углового наведения. Пространственный разнос оптических передатчиков и приемников на каждом конце (пункте) линии связи снижает вероятность сбоя связи при пересечении ее непрозрачными предметами. Использование специальной схемы оптического приемника позволяет снизить плотность светового потока на поверхности фотодиода и повысить за счет этого ресурс работы светодиода. Обеспечивается снижение затрат на производство в силу того, что светодиоды значительно дешевле лазеров, и кроме того, светодиоды, в отличие от лазеров, полностью безопасны даже при нахождении персонала в непосредственной близости от оптических передатчиков (излучателей). При этом снижаются затраты и на эксплуатацию, так как упрощается процедура взаимного наведения, и снижаются требования к конструкциям, на которые устанавливаются оптические приемники и передатчики.

Источники информации
1. Патент US 5777768 А, М. Кл. Н 04 В 10/100, oпубл. 07.07.1998.

2. Патент RU 2121229 С1, М. Кл. Н 04 В 10/100, oпубл. 27.10.1998 (ближайший аналог).

3. Заказнов Н. П. , Кирюшин С. И. , Кузичев В. И. Теория оптических систем, М. : Машиностроение, 1992, стр. 448.

Изобретение относится к системам беспроводной светодиодной оптической связи и может быть использовано в системах цифровой связи. Сущность изобретения заключается в том, что используются два оптических приемопередатчика, расположенных и выполненных определенным образом на противоположных концах образованной линии оптической связи. При этом предлагаемая оптическая система связи может быть выполнена как двухэлементной, в которой каждый из указанных приемопередатчиков содержит по одному оптическому передатчику (оптическому излучателю) и оптическому приемнику, причем в каждом приемопередатчике оптический передатчик и оптический приемник связаны с соответствующим конвертером соответственно через модулятор и демодулятор, так и четырехэлементной, в которой каждый из указанных приемопередатчиков содержит по два оптических передатчика и два оптических приемника, причем в каждом приемопередатчике два оптических передатчика и два оптических приемника связаны с конвертером соответственно через один модулятор и последовательно соединенные сумматор и демодулятор. Достигаемым техническим результатом является снижение вероятности сбоя связи, повышение устойчивости к помехам, снижение затрат на эксплуатацию и производство. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Беспроводная дуплексная оптическая система связи, содержащая первый оптический приемопередатчик, состоящий из первого оптического передатчика и первого оптического приемника, отличающаяся тем, что введен второй оптический приемопередатчик, аналогичный первому, причем первый и второй оптические приемопередатчики расположены на противоположных концах образованной ими линии оптической связи, вход первого оптического передатчика каждого из указанных приемопередатчиков связан с выходом соответствующего конвертера через модулятор, выход первого оптического приемника каждого из указанных приемопередатчиков связан с входом соответствующего демодулятора, выход которого связан с входом соответствующего конвертера, при этом первый оптический передатчик и первый оптический приемник каждого из указанных приемопередатчиков пространственно разнесены и расположены на прямой, соединяющей их оптические оси в плоскости, перпендикулярной их оптическим осям, первый оптический передатчик каждого из указанных приемопередатчиков выполнен в виде последовательно установленных друг за другом и оптически связанных светодиода и оптического конденсора, причем вход светодиода является входом первого оптического передатчика, а выход оптического конденсора является выходом первого оптического передатчика, первый оптический приемник каждого из указанных приемопередатчиков выполнен в виде последовательно установленных друг за другом и оптически связанных оптического конденсора, диафрагмы и фотодиода, при этом расстояние Δ между фотодиодом и диафрагмой, находящейся в фокальной плоскости оптического конденсора, определяется по формуле
Δ = bF/Дк,
где b - диаметр светочувствительной площадки фотодиода;
Дк - диаметр линзы оптического конденсора;
F - фокусное расстояние оптического конденсора, отмеряемое от линзы оптического конденсора до центра отверстия диафрагмы,
при этом вход оптического конденсора является входом первого оптического приемника, а выход фотодиода является выходом первого оптического приемника каждого из указанных приемопередатчиков, причем ширина диаграммы направленности первого оптического передатчика и первого оптического приемника каждого из указанных приемопередатчиков формируются в пределах от 30 до 60 угл. мин, при этом угол θ, характеризующий ширину диаграммы направленности, определяется из условия
tg2θ = a/F,
где а - диаметр отверстия диафрагмы,
кроме того, конвертер выполнен в виде преобразователя сигналов входной дискретной информации в кодированный сигнал с использованием кода типа "Манчестер" при передаче и с возможностью обратного преобразования сигналов, поступающих с выходов соответствующих демодуляторов при приеме. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в каждый указанный оптический приемопередатчик вводится по второму оптическому передатчику и второму оптическому приемнику, выполненным аналогично первому оптическому передатчику и первому оптическому приемнику и соответственно пространственно расположенным, при этом вход второго оптического передатчика каждого из указанных приемопередатчиков связан с выходом соответствующего модулятора, выходы первого и второго оптических приемников каждого из указанных приемопередатчиков связаны с входом соответствующего демодулятора через сумматор.