ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩИЙ БЛОК ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2004 года по МПК H04B10/12 

Изобретение относится к устройствам волоконно-оптических систем передачи информации и может быть использовано в качестве приемопередающего блока для передачи цифровой информации с ограниченным доступом по неконтролируемой территории.

Известен терминал волоконно-оптической системы из патента “Безопасная волоконно-оптическая информационная передающая система” (Патент США №4435850 от 03.06.1984 г.). Устройство по своему функциональному назначению и составу наиболее близко к заявляемому устройству и поэтому взято за прототип.

Устройство состоит из оптического передатчика, оптического приемника и контура тревоги.

Оптический передатчик состоит из отрезка выходного оптического волокна 5, светоизлучающего диода 14, устройства управления 13, оптической цепи стабилизации средней оптической мощности, содержащей оптический ответвитель, контрольный фотодиод 15 и предусилитель. Кроме того, в передатчике использованы устройство контроля передачи 16, частотный мультиплексор 12, узкополосный фильтр 11, модулятор 10.

Оптический приемник содержит входное оптическое волокно 5, фотодиод 17, трансимпедансный усилитель 18, усилители 19 и 20, демодулятор 24, компаратор напряжения 22, широкополосный фильтр 23, узкополосный фильтр 21.

Контур тревоги состоит из порогового компаратора 25, звукового излучателя тревоги 26, светового индикатора тревоги 27.

Устройство работает следующим образом. Входные информационные сигналы поступают на модулятор 10, где происходит частотная модуляция: "0" преобразуется в сигнал FSK "0", а "1" - в сигнал FSK "1". Сигнал тактовой частоты через узкополосный фильтр 11 поступает на первый вход мультиплексора 12, на второй вход которого поступает сигнал с модулятора 10. Мультиплексор смешивает информационные сигналы в один сигнал, который поступает на информационный вход устройства управления светоизлучающим диодом (СИД) 13. Выходной ток устройства 13 протекает через СИД, который излучает оптический сигнал в выходной отрезок оптического волокна 5. Часть излучения через оптический ответвитель поступает в цепь оптической обратной связи.

Половина оптической мощности попадает на контрольный фотодиод, сигнал с которого усиливается предусилителем и поступает на вход управления устройства 13. Тем самым производится стабилизация средней излучаемой мощности СИД. Устройство контроля передачи 16 подает сигнал разрешения передачи на входы управления устройства 13 и мультиплексора 12, разрешая тем самым прохождение сигналов на СИД. Устройство 16 управляется постоянным уровнем, поступающим с контура тревоги.

Оптический сигнал после прохождения по волоконно-оптической линии передачи через входной отрезок оптического волокна 5 поступает на фотодиод 17, который включен на вход трансимпедансного усилителя 18. Электрический сигнал с выхода усилителя 18 передается на входы усилителей 19 и 20. Причем на вход усилителя 19 сигнал подается через разделительный конденсатор, то есть без постоянной составляющей. С выхода усилителя 19 через широкополосный фильтр 23 переменная составляющая поступает на демодулятор 24, где выделяются информационные сигналы в формате, соответствующем входным сигналам.

С выхода усилителя 20 полный сигнал поступает на вход узкополосного фильтра 21 и порогового компаратора 25. Фильтр 21 выделяет из входного сигнала сигнал тактовой частоты, который форматируется по амплитуде компаратором напряжения 22 и поступает на выход.

Пороговый компаратор производит сравнение постоянной составляющей (величиной информационных сигналов можно пренебречь) с верхним и нижним уровнями напряжения. Если входной сигнал больше нижнего уровня, но ниже верхнего, на выходе компаратора формируется постоянный уровень разрешения передачи, который поступает на вход устройства 16. В противном случае уровень разрешения отсутствует, что является сигналом для звукового излучателя сигнала тревоги 26 и светового индикатора 27.

К недостаткам данного устройства следует отнести следующие:

1. Ограничение по скорости передачи информации, вызванное применением частотной модуляции информационных сигналов.

2. Невысокую точность контроля. Контроль по постоянному уровню имеет большую ошибку из-за влияния на величину уровня дрейфа параметров приемного оптического модуля и усилителя.

3. Низкую помехоустойчивость из-за необходимости передачи широкого частотного спектра сигналов от нуля до частоты, в несколько раз превышающей тактовую частоту информационных сигналов.

Решаемая техническая задача - увеличение информационной емкости канала передачи с повышением вероятности обнаружения попыток несанкционированного доступа к информации, передаваемой по волоконно-оптическим линиям передачи.

Техническим результатом является снятие ограничения на скорость передачи информации, повышение помехоустойчивости и точности контроля.

Этот технический результат достигается с помощью приемопередающего блока волоконно-оптической системы передачи информации, содержащего оптический передатчик, включающий в себя блок управления и последовательно соединенные устройство управления излучателем, сумматор и излучатель, оптический выход которого соединен через волоконно-оптическую линию передачи с входом оптического приемника, включающего в себя последовательно соединенные приемный оптический модуль, усилитель информационных сигналов и устройство решения, выход которого является выходом приемопередающего блока волоконно-оптической системы передачи информации, контрольный выход излучателя оптически связан со входом контрольного фотодетектора, выход которого соединен со входом интегратора, устройство контроля приемопередающего блока волоконно-оптической системы передачи информации, включающее в себя световой индикатор контроля и звуковой излучатель, при этом вход устройства управления излучателем является входом приемопередающего блока волоконно-оптической системы передачи информации.

Новым является то, что в оптический передатчик дополнительно введены полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом контрольного фотодетектора, а выход соединен со входом детектора, выход которого соединен с первым входом блока управления, выход которого соединен со вторым входом устройства управления излучателем и с первым входом ЦАП, второй вход которого соединен с выходом цифрового генератора, выход ЦАП соединен с первым входом регулятора-сумматора, второй вход которого соединен с выходом интегратора, а выход регулятора-сумматора соединен со вторым входом сумматора, в устройство контроля приемопередающего блока волоконно-оптической системы передачи информации дополнительно введены последовательно соединенные ФНЧ, усилитель контрольного сигнала, ФВЧ, детектор уровня, фильтр полосы контроля, АЦП и цифровой блок контроля, первый выход которого соединен со вторым входом блока управления, второй и третий выходы цифрового блока контроля соединены со входами блоков звукового излучателя и светового индикатора контроля соответственно, вход ФНЧ соединен с выходом приемного оптического модуля.

Совокупность существенных признаков заявляемого устройства позволяет повысить вероятность обнаружения попыток несанкционированного доступа к оптическим информационным сигналам.

На фиг.1 представлена функциональная схема приемопередающего блока, где 1 - устройство управления излучателем; 2 - сумматор; 3 - излучатель; 4 - контрольный фотодетектор; 5 - интегратор; 6 - регулятор-сумматор; 7 - полосовой фильтр; 8 -детектор; 9 - блок управления; 10 - цифроаналоговый преобразователь; 11 - цифровой генератор; 12 - выходная волоконно-оптическая линия передачи; 13 - входная волоконно-оптическая линия передачи; 14 - приемный оптический модуль; 15 - усилитель информационных сигналов; 16 - устройство решения; 17 - фильтр нижних частот; 18 - усилитель контрольного сигнала; 19 - фильтр верхних частот; 20 - детектор уровня; 21 - фильтр полосы контроля; 22 - аналоговой преобразователь; 23 - цифровой блок контроля; 24 - световой индикатор контроля; 25 - звуковой излучатель; 26 -оптический передатчик; 27 - устройство контроля; 28 - оптический приемник.

На фиг.2 показано спектральное распределение полосы частот в приемопередающем блоке.

На фиг.3 представлены оптические сигналы, передаваемые в волоконно-оптической линии передачи.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Входные информационные сигналы поступают на вход устройства управления излучателем 1, где формируется ток модуляции излучателя 3 информационными сигналами. Величина тока может регулироваться по управляющему входу. Выходной сигнал устройства 2 суммируется с током постоянного смещения и контрольным сигналом. Полученная сумма поступает на излучатель 3, который излучает оптический сигнал в соответствии с фиг.3.

Часть оптического сигнала поступает на контрольный фотодетектор 4, который преобразует входной оптический сигнал в электрический сигнал. С выхода фотодетектора 4 сигнал поступает в две цепи: стабилизации средней оптической мощности излучателя и стабилизации амплитуды информационного и контрольного сигналов.

Цепь стабилизации средней мощности содержит интегратор 5 и регулятор-сумматор 6. Интегратор формирует сигнал рассогласования средней излучаемой мощности от заданной. Выходной сигнал поступает на вход устройства 6, которое регулирует ток через излучатель 3, стремясь уменьшить рассогласование до минимума. Одновременно с этим устройство 6 производит модуляцию постоянного тока переменным током контрольного сигнала, который формируется цифровым генератором 11 и преобразуется в аналоговую форму цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) 10.

Цепь стабилизации амплитуды информационного и контрольного сигналов состоит из полосового фильтра 7, детектора 8, блока управления 9. Полосовой фильтр 9 выделяет из сигнала контрольного фотодетектора 4 контрольный сигнал, который детектором 8 преобразуется в постоянный сигнал, величина которого пропорциональна амплитуде контрольного сигнала на входе. По этому входному уровню блок управления 9 формирует постоянные уровни управления опорным напряжением ЦАП 10 и устройством управления излучателем 1. Токи модуляции излучателя изменяются таким образом, чтобы свести к минимуму рассогласование входного постоянного сигнала с заданным напряжением. Кроме того, блок 9 имеет управляющий вход, по которому поступает постоянный сигнал разрешения передачи из устройства контроля 27. В случае отсутствия этого сигнала блок 9 не подает на ЦАП 10 и устройство 1 постоянные уровни, блокируя тем самым передачу информационных и контрольных сигналов.

После прохождения по волоконно-оптической линии передачи 13 оптические сигналы попадают на приемный оптический модуль (ПОМ) 14. ПОМ имеет с в своем составе фотодетектор и усилитель фототока. На выходе ПОМ формируется аналоговый сигнал, пропорциональный входному оптическому сигналу в соответствии с фиг.3. Полученный сигнал поступает на усилитель информационных сигналов 15 и фильтр нижних частот 17. Усилитель 15 представляет из себя полосовой усилитель, полоса которого соответствует полосе информационных сигналов (фиг.2). На выходе устройства 15 - усиленные до требуемой амплитуды информационные сигналы. Устройство решения 16 формирует на выходе цифровые информационные сигналы в требуемом формате. Усилитель 15 может иметь в своем составе автоматическую регулировку усиления (АРУ).

Сигнал, поступающий на фильтр нижних частот 17, фильтруется таким образом, чтобы отделить контрольный сигнал от информационного сигнала. Далее после усиления усилителем 18 и фильтрации фильтром верхних частот 19 в соответствии с фиг.2 выделенный контрольный сигнал поступает на детектор уровня 20. Детектор преобразует амплитуду контрольного сигнала в сигнал постоянного уровня. После этого с помощью фильтра 21 выделяется требуемая полоса контроля (фиг.2). С выхода фильтра сигнал постоянного уровня поступает на аналого-цифровой преобразователь 22 (АЦП), который формирует цифровой сигнал, поступающий для анализа в цифровой блок контроля 23. Блок 23 анализирует изменения входного цифрового сигнала, таким образом, что выделяется опасный сигнал, соответствующий попытке съема информации с волоконно-оптической линии передачи.

В этом случае формируется сигнал тревоги, который поступает на звуковой излучатель 24 и световой индикатор 25. На выходе блока 23 снимается постоянный сигнал разрешения. В случае отсутствия опасного сигнала на выходе блока поддерживается постоянный уровень разрешения. Световой индикатор 25 отражает текущее состояние контролируемых параметров.

Для подтверждения работоспособности заявляемого устройства и экспериментального определения параметров был собран макет приемопередающего блока. Устройство управления излучателем было выполнено на СВЧ транзисторах 2Т382А и источнике тока на операционном усилителе (ОУ) 1401УД2А, сумматор - на резисторе и конденсаторе. В качестве излучателя использовался передающий оптический модуль ПОМ-514, контрольный фотодетектор входит в состав ПОМ, интегратор выполнен на ОУ 1401УД2А, регулятор-сумматор - на транзисторе КТ3102А, полосовой фильтр и блок управления - на ОУ 1402УД2А, детектор - на диодном мосте. В качестве цифрового генератора использовался микроконтроллер PIC 16С628 с программным обеспечением формирования синусоидального сигнала с частотой 1 кГц. ЦАП - микросхема. В качестве приемного оптического модуля использовался ПРОМ-364. Усилитель информационных сигналов выполнен на транзисторах 2Т382А и 2Т3123А, устройство решения - на компараторе 597СА1А. Фильтры нижних и верхних частот, усилитель контрольного сигнала, фильтр полосы контроля выполнены на ОУ 1401УД2А, детектор уровня - на диодном мосте. АЦП и цифровой блок контроля выполнены на основе микроконтроллера PIC 16C717 со специализированным программным обеспечением. В приемопередатчик входит также световой индикатор контроля и звуковой излучатель.

Расчетное значение среднего квадратического напряжения шума составило 2,7 мВ, экспериментальное значение - мгновенное значение шума не превышало величину кванта АЦП - 4,8 мВ. Макет устройства обеспечивал передачу цифровой информации со скоростью 125 Мбит/с и контроль изменения величины внесенных потерь на уровне 0,99-0,98, высокую помехоустойчивость и низкую величину вероятности ложных срабатываний.

Изобретение относится к технике волоконной связи и может использоваться для передачи цифровой информации с ограниченным доступом по неконтролируемой территории. Технический результат - снятие ограничений на скорость передачи информации, повышение помехоустойчивости и точности контроля. Приемопередатчик содержит оптический передатчик, блок управления, устройство управления излучателем, сумматор, излучатель, контрольный фотодетектор, интегратор, регулятор-сумматор, полосовой фильтр, детектор, цифроаналоговый преобразователь, цифровой генератор, усилитель информационных сигналов, устройство решения, фильтр нижних частот, усилитель контрольного сигнала, фильтр верхних частот, детектор уровня, фильтр полосы контроля, аналоговый пребразователь, цифровой блок контроля, световой индикатор контроля, звуковой излучатель, устройство контроля. 3 ил.

Приемопередающий блок волоконно-оптической системы передачи информации, содержащий оптический передатчик, включающий в себя блок управления и последовательно соединенные устройство управления излучателем, сумматор и излучатель, оптический выход которого соединен через волоконно-оптическую линию передачи с входом оптического приемника, включающего в себя последовательно соединенные приемный оптический модуль, усилитель информационных сигналов и устройство решения, выход которого является выходом приемопередающего блока волоконно-оптической системы передачи информации, контрольный выход излучателя оптически связан со входом контрольного фотодетектора, выход которого соединен со входом интегратора, устройство контроля приемопередающего блока волоконно-оптической системы передачи информации, включающее в себя световой индикатор контроля и звуковой излучатель, при этом вход устройства управления излучателем является входом приемопередающего блока волоконно-оптической системы передачи информации, отличающийся тем, что в оптический передатчик дополнительно введены полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом контрольного фотодетектора, а выход соединен со входом детектора, выход которого соединен с первым входом блока управления, выход которого соединен со вторым входом устройства управления излучателем и с первым входом ЦАП, второй вход которого соединен с выходом цифрового генератора, выход ЦАП соединен с первым входом регулятора-сумматора, второй вход которого соединен с выходом интегратора, а выход регулятора-сумматора соединен со вторым входом сумматора, в устройство контроля приемопередающего блока волоконно-оптической системы передачи информации дополнительно введены последовательно соединенные ФНЧ, усилитель контрольного сигнала, ФВЧ, детектор уровня, фильтр полосы контроля, АЦП и цифровой блок контроля, первый выход которого соединен со вторым входом блока управления, второй и третий выходы цифрового блока контроля соединены со входами блоков звукового излучателя и светового индикатора контроля соответственно, вход ФНЧ соединен с выходом приемного оптического модуля.