Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ эффективносги применения оитоэлектронных каналов в информационных системах и сетях, обоснование применения оитоэлектронных атмосферных каналов в интегрированных системах передачи, хранении и обработки информации 9
1.1. Анатаз систем оптоэлектронных атмосферных каналов 9
1.2. Особенности организации вычислительных сетей и ИСХ 11
1.3 Тип связей системы обмена 15
1.4 Управление передачей информации в канале 17
1.5 Технико-экономическое обоснование необходимости применения OAK в ИСХ 22
Глава 2. Разработка схемотехнических и системотехнических решений для оптоэлектронных устройств передачи данных 29
2.1. Разработка схем и решений для преодоления факторов влияющих на работу оптического атмосферного канала передачи информации 29
2.2 Топология сетей на основе OAK 45
2.3 Разработка принципиальных электрических схем OAK 47
2.3.1 Приемник оптического атмосферного канапа 48
2.3.2 Передатчик оптического атмосферного канала 51
2.3.3 Силовой коммутатор излучающего ИК-диода 52
Глава 3. Принципы программно-аппаратной реализации оитоэлектронных систем 56
3.1 Расчет различных вариантов построения оптической системы для безаберрационной оптики и идеальной оптической среды 56
3.2 Описание алгоритма расчета 59
3.3. Методы и принципы построения оптического атмосферного канала и его подсистем.
60
3.4 Анализ и выбор системы кодирования 64
3.4.1.Анализ структуры кодирования 65
3.4.2. Кадр и его элементы 67
3.4.3. Протокол передачи информации 68
3.5 Разработка конструктивной схемы и рабочих чертежей оптико-механических узлов OAK 68
3.6 Инсталляция OAK на объекте 70
3.7 Разработка способов борьбы с паразитной засветкой в атмосферном оптическом канале связи 74
3.7.1. Оценка мощности наводимого излучения при установка источника на оптической оси за одним из ППМ . 75
3.7.2. Оценка возможность введения излучения со стороны 77
Глава 4. Эксплуатация оптоэлектронных приборов и устройств 19
4.1. Система параметров оптоэлектронных приборов 80
4.1.1. Система параметров излучающих диодов 81
4.1.2. Система параметров фотоприемников для оптоэлектронных приборов и систем...82
4.1.3. Система параметров оптоэлектронных атмосферных каналов 84
4.2. Методы измерения параметров оптоэлектронных приборов 94
4.2.1. Методы измерения параметров излучающих диодов для оптоэлектронных
атмосферных каналов 95
4.2.2. Методы измерения параметров фотодиодов для оптоэлектронных атмосферных каналов 98
4.2.3. Методы измерения параметров цифровых оптоэлектронных атмосферных каналов 100
4.3 Экспериментальная оценка устойчивости оптоэлектронных атмосферных каналов
(OAK) при различных эксплуатационных воздействиях 103
4.3.1 Методология проведения испытаний 103
4.3.2 Описание контрольно-измерительных установок 105
4.3.3 Испытания OAK 106
4.4 Разработка методологии испытаний аппаратуры ЛАЛС 110
4.4.1 Пример тактико-технических характеристик аппаратуры ЛАЛС 111
4.4.3 Реализация методики испытаний канала в составе ЛВС 116
4.4.4. Анализ выбора трассы испытаний и определение выбора позиций для установки ЛАЛС 119
4.4.5 Оценка параметров кабеля снижения аппаратуры ЛАЛС «МОСТ» 120
4.4.6 Оценка интерфейсного модуля аппаратуры ЛАЛС «МОСТ» 121
4.4.7. Полученные результаты испытаний аппаратуры 121
Заключение 123
Библиографический список использованной литературы 125
Приложение 1 127
Приложение 2 129
- Технико-экономическое обоснование необходимости применения OAK в ИСХ
- Разработка схем и решений для преодоления факторов влияющих на работу оптического атмосферного канала передачи информации
- Оценка мощности наводимого излучения при установка источника на оптической оси за одним из ППМ
- Система параметров оптоэлектронных атмосферных каналов
Введение к работе
За последние годы в мире достигнут небывалый прогресс в области компьютерных технологий, возросло их повсеместное внедрение во все сферы жизни и деятельности современного общества. На базе компьютерных телекоммуникационных сетей осуществляются дистанционное обучение, широкополосный доступ в Интернет, ІР-телефония и т.д. Характер и богатое разнообразие информации, огромные объемы, являются причиной и движущей силой роста производительности телекоммуникационных систем, и компьютерных сетей различного функционального назначения: электронная почта, передача голосовых сообщений, службы новостей, работа с базами данных и т. д.
Основное назначение современных информационных телекоммуникационных и вычислительных систем и сетей - это сбор, преобразование, передача, обработка, хранение и отображение информации. Каждая из перечисленных функциональных составляющих определяется уровнем развития элементной базы и технологического совершенства того или иного оборудования входящего в систему: будь то датчик, преобразователь кода, канал связи, процессор и т.д.
Непрерывный рост уровня интеграции элементной базы аппаратуры, информационных систем, разработка высокоскоростных микропроцессоров (до 1 млрд оп/сек) такими ведущими фирмами как Intel, IBM, Motorola, DEC и других, позволил создать высокоскоростной канал Gigabit Ethernet со скоростью передачи исчисляемой гигабитами информации в секунду.
В настоящее время на многих коммерческих линиях используется скорость передачи в сотни Мбит/с, но уже в ближайшее время ожидается переход на более высокие скорости от 1 Гбит/с и выше.
Сказанное позволяет сделать вывод, что именно элементная база обеспечивает прогресс и формирует облик аппаратуры современных информационных систем и компьютерных сетей.
Смена поколений высокопроизводительных вычислительных машин (ВВМ) происходило в среднем через 4-5 лет, сейчас же этот период сократился до 1-3 года, в данный момент ведется интенсивная разработка элементной базы ВВМ шестого и седьмого поколения на интегральных схемах с высокой степенью интеграции. А также ведутся непрерывные работы над созданием интегральных схем на основе нано технологий, устройств с возможностью использования в своей работе свойств света и на основе различных других физических принципов.
Так, например акустоэлектронные процессоры имеют эквивалентное быстродействие на 2-3 порядка выше обычных микроэлектронных. Такой процессор, изготовленный фирмой Motorola (США) производит 1024 точечных комплексных преобразований Фурье за 5 мс. В США, Японии и ряде европейских стран ведутся разработки оптоэлектронных устройств обработки информации: анализаторов спектра, оптоэлектронных процессоров и т.д. На базе этих устройств уже созданы универсальные оптические вычислительные системы (по своим возможностям намного превосходящие существующие электронные ВВМ с быстродействием 1012 ...1014 бит/с). Так как основной фактор, сдерживающий увеличение скорости передачи информации по медным проводам и кабелям - это «скин-эффект», когда при увеличении скорости битов (частоты сигнала) электрический ток в проводнике перераспределяется так, что большая его часть протекает по наружной поверхности, что приводит к повышению собственного электрического сопротивления проводника и затуханию полезного информационного сигнала. За рубежом в сетях относящихся к классу SOHO (small office - home office), т.е. сетях офисного и домашнего применения, широко используется витая пара (ВП) типа 10 BaseT двух типов UTP (Unshielded Twisted Pair неэкранированная ВП) и STP (Shielded Twisted Pair - неэкранированная ВП). ВП описывается совокупностью характеристик - категорий. Типовая длина ВП - 100 м, категория 5 имеет диапазон частот пропускания сигналов 100 Мгц, т.е. обеспечивает скорость передачи до 100 Мбит/с. Раньше использовался еще коаксиальный кабель, но в данный момент он практически не применяется. Еще большую пропускную способность имеет оптический кабель поскольку нечувствителен к электромагнитным помехам, но накладывает дополнительные ограничения на свою гибкость и качество протяжки, а также немаловажную роль играет цена, как за сам кабель, так и за устройства сопряжения (поэтому в сегменте SOHO практически не применяется).
Получается что использование витых пар проводов и коаксиальных кабелей, уже на сегодняшний день накладывает ограничение на быстродействие и максимальную протяжённость информационной сети, а использование оптоволоконного кабеля ограничение по цене.
Использование в качестве коммуникационной среды передачи радио-эфира (РЭ) как решает многие проблемы так и создает другие ограничения которые заключаются в следующем:
практически полная занятость всех частот существующими радиостанциями, спутниковой, релейной и другими видами радиосвязи как местного, так и глобального назначения;
чрезвычайно высокая коммерческая стоимость эфирного времени и связанные с ним ограничения выхода в эфир;
непростая инсталляция антенных систем, большое энергопотребление (особенно при передаче на большие расстояния) - передающих станций и как следствие высокая себестоимость изготовления и эксплуатации;
низкая помехозащищенность от внешних атмосферных явлений и электромагнитных излучений, от электросиловых объектов, создающих электромагнитный фон в эфире;
отсутствие скрытности в работе, возможность обнаружения и несанкционированного доступа к информации;
необходимость защиты от радиоизлучения обслуживающего персонала станции.
Конечно нужно отметить, что не все эти ограничения так критичны для полноценного использования и большинство из этих ограничений активно нейтрализуются и решаются в настоящее время.
В силу проведенного выше анализа сред передачи данных и причин, сдерживающих повышения их быстродействия, становится актуальной задача внедрения в существующие телекоммуникационные системы и компьютерные сети каналов работающих на принципах оптической связи, то есть открытых оптоэлектронных атмосферных каналов (OAK) для сегмента SOHO и оптоволоконных каналов связи, для компаний и организаций, которым необходим высокоскоростной широкополосный доступ. Носителем информации и в том, и в другом канале является световой луч (или поток фотонов), длина волны излучения которого лежит в инфракрасном диапазоне от 0,8 до 2,2 мкм.
Достоинствами построенных на основе ВОЛС и OAK оптоэлектронных информационных сетей являются:
высокая скорость передачи информации (свыше единиц и десятков Гбит/с);
отсутствие ограничений на оптический диапазон длин волн (частот), свобода оптического эфира;
малые габариты оптоэлектронных передающих и приемных систем, их малое энергопотребление;
высокая помехозащищенность от электромагнитных излучений как внешних, так и внутренних в самой аппаратуре;
скрытность передачи информации сложность обнаружения и несанкционированного доступа;
пожаро- и взрывобезопасность в процессе эксплуатации;
экологическая безопасность.
Из-за отсутствия ограничений на оптический диапазон длин волн и нейтральность последних по отношению друг к другу поясняется уникальная возможность спектрального уплотнения информационных сигналов, передаваемых по оптическому каналу связи и, соответственно скорости передачи до сотен Гбит/с.
Кроме перечисленных достоинств коммуникационные системы и сети, будучи построены на основе OAK, не требует материальных затрат, связанных с прокладкой кабельной сети, что весьма важно для густонаселенных городов с множеством подземных и наземных коммуникаций.
Внедрение оптоэлектронных технологий в существующие корпоративные вычислительные сети позволит решить следующие задачи:
обеспечение беспроводного доступа к информационным ресурсам;
организация беспроводной связи между рабочими станциями локальной сети и реализация доступа к ее информационным ресурсам;
объединение удаленных ЛВС и рабочих станций в единую оптическую сеть, реализация по оптическим каналам удаленного стационарного доступа пользователей ЛВС к сети- Internet и информационным ресурсам со скоростью десяти Гбит/с;
обеспечение гибкости топологии сети (при пользовании OAK), когда имеется возможность динамического изменения топологии сети при подключении, передвижении и отключении пользователей без значительных потерь времени;
использование как резервного канала связи.
Таким образом, внедрение оптоэлектронных технологий в компьютерные сети, использование в коммуникационных системах оптоволоконных каналов и оптоэлектронных атмосферных каналов позволит создать в ближайшее время новое поколение сетей с повышенной надёжностью и быстродействием. Что показывают и статистические данные полученные из США (страна, которая ведет наиболее интенсивные исследования и разработки в этой области). В соответствии с прогнозом, объем продаж продукции оптоэлектроники возрастает с 75 млрд.
долл. в 1993 г до 463 млрд. долл. в 2013 г. причем как видно из графика, объем растет экспоненциально и есть все основания полагать, что это продолжится, либо произойдет большой скачек в сторону еще большего увеличения, это может произойти при разработке оптоэлектронных микропроцессоров и микросхем. При этом будет гарантированно значительно возрастать доля функционально законченных изделий оптоэлектроники, существенно будет расти уровень интеграции оборудования, в котором используется оптоэлектроника, например, лазерные принтеры, переносные компьютеры, носители информации и т. д. В прогнозе также представлена динамика объема продаж изделий оптоэлектроники за прогнозируемый период по отраслям промышленности.
млрд, долл.
OAK
твердотельные .-''" носители
оптическая память
волоконно оптические системы связи
дисплеи
годы
Рис.1.1 Прогноз динамики развития рынка оптоэлектронных устройств
Именно поэтому рассмотрение задач по реализации OAK и решению целого ряда проблем связанных с этим и посвящена настоящая работа.
Технико-экономическое обоснование необходимости применения OAK в ИСХ
ИСХ включает, как правило, три взаимосвязанные подсети: базовую сеть передачи данных (СПД), компьютерную сеть и периферийные вычислительные сети пользователей. Это могут быть локальные вычислительные сети (ЛВС) организации, корпоративные вычислительные сети, объединяющие несколько ЛВС организаций, входящих в состав корпорации и др.
Базовая СПД - совокупность телекоммуникационных средств связи и узлов связи (УС). Узел связи - совокупность средств коммутации и передачи данных в одном пункте - принимают данные, поступающие по каналам связи, и передают данные в каналы, ведущие к пользователям (периферийные сети организаций). УС реализуется на основе коммутационной вычислительной машины (КВМ) и аппаратуры передачи данных. КВМ выбирает целесообразный путь передачи данных.
Базовая СПД - ядро вычислительной сети. Она обеспечивает физическое объединение узлов связи (или КВМ) и главных вычислительных машин (ГВМ) в единую вычислительную сеть ИСХ.
ГВМ выполняют обработку и хранение информации в основных центрах хранения информационных ресурсов, например, библиотека ГПНТБ, фонд ВИНИТИ и др. Каналы передачи информации (состоящие из «кодера-декодера», приемопередатчиков и т.д.), предназначенные для передачи информации периферийным пользователям.
Основная функция сопряжения сводится к преобразованию данных центров хранения информации (т.е. данных, циркулирующих в базовой СПД) в кодированную форму, обеспечивающую их передачу каналами, связывающими УС с периферийной вычислительной сетью и преобразование кода канала в код периферийной сети.
Периферийная вычислительная сеть (ПВС) - это совокупность персональных компьютеров организаций культуры, научно-исследовательских институтов и организаций образования и др. и сетеобразующих устройств (повторителей, концентраторов и др.).
Контроль состояния ИСХ и управление ее функционированием обеспечиваются административной системой, включающих в себя контролирующие компьютеры и программные средства, с помощью которых производится включение и выключение сети и ее компонентов, контролируется ее работоспособность, устанавливается режим функционирования компонентов, систем и вычислительной сети ИСХ в целом, учитывая объем услуг, предоставляемых организациям и т.д.
Потенциальные возможности современных компьютерных сетей и телекоммуникационных систем, создаваемых на традиционных радио- и электротехнических принципах имеют реальные физические ограничения, которых отдельные виды компьютерной техники или уже достигли сегодня, или подойдут к ним в ближайшем будущем.
Такое положение приводит к тому, что указанные средства становятся реальным тормозом дальнейшего прогресса многих видов телекоммуникационных систем и компьютерных сетей, особенно для информационной техники двойного применения.
Преодоление этих трудностей на современном этапе становится возможным при использовании новых физических принципов передачи и обработки информации, и прежде всего при использовании оптического излучения [1,5].
Оптоэлектроника является одним из самых актуальных направлений современной электроники, и это не случайно [1,2]. Приборы, устройства, системы и сети оптоэлектроники характеризуются исключительной функциональной широтой, они успешно используются во всех звеньях компьютерных сетей и телекоммуникационных систем для сбора, передачи, обработки информации, формирования исполнительных цифровых команд для управления исполнительными узлами (как правило, электротехническими) объекта. [1,6].
В настоящее время для снижения затрат при доведении информации до потребителя (абонента ЛВС предприятия, организации и т.д., то есть решения проблемы «последней мили») широко используется радиосвязь (среди сетевых интеграторов использование радиосвязи в компьютерных сетях получило определение «беспроводной информационной технологии», «беспроводных методов», «беспроводной связи»). Беспроводная радиосвязь в ЛВС обеспечивает скорость передачи данных до 11 Мбит/с [1,7].
Интенсивное внедрение радиосредств в компьютерные сети и телекоммуникационные системы обусловлено прежде всего высокой развитостью радиотехнических методов и технологичностью выпускаемых промышленностью радиосредств (радиомодемов) и сравнительной дешевизной радиооборудования.
Беспроводная радиосвязь для компьютерных сетей работает в диапазоне частот 2,4 - 6,1 ГГц и использует для передачи информационного сигнала технологию широкополосного и шумоподобного сигнала [1,4], которая первоначально использовалась для военных целей, а в последние годы успешно применяется в гражданских компьютерных сетях. Однако радиосвязь, как и все электротехнические средства передачи информации (в том числе и проводные линии и кабели), использующие для передачи информации сантиметровый и миллиметровый диапазоны электромагнитных волн, имеет присущие электросвязи недостатки: радиоканал свободно прослушивается дистанционно и пеленгуется; узость доступного диапазона частот ограничивает скорость передачи информации; работа радиосистемы в этом диапазоне частот зависит от состояния атмосферы, то есть возможны «замирание» и «пропадание» сигнала. Кроме того любая радиосистема передавая в эфир полезную информацию, является источником помехи для близлежащей другой радиосистемы (то есть первая, радиосистема «подавляет» вторую). Поэтому для возможности работы радиосистемы общего применения в заданном районе (городе, сельской местности и т.д.) необходимо получение разрешения Госсвязьнадзора, что зачастую в условиях города приводит к невозможности организации радиосети в заданном месте. Концепция передачи информации на основе оптоэлектронных методов прорабатывалась в течении многих лет (особенно для военного применения) и интерес к ней в настоящее время в гражданских компьютерных сетях расширяется в связи с возрастающими потребностями в высокоскоростных беспроводных каналах связи. Преимущества использования оптоэлектронной атмосферной передачи информации, то есть передачи в сетях на основе инфракрасных (диапазон оптического излучения 0,82-1,6 мкм) полупроводниковых светодиодов и лазерных диодов по сравнению с другими беспроводными решениями определяются следующим.
Разработка схем и решений для преодоления факторов влияющих на работу оптического атмосферного канала передачи информации
Как показали исследования, дефекты, возникающие в кристалле полупроводника излучающего диода при воздействии эксплуатационных факторов, представляют собой неустойчивую систему, которую можно привести в устойчивое состояние при воздействии на полупроводник повышенной температуры или пропускании через него импульса тока. При пропускании через кристалл полупроводника коротких импульсов тока электроны, захваченные дефектами в узлах решетки, освобождаются и переходят обратно в зону проводимости. Барьер, препятствующий рекомбинации пар Френкеля, снижается и дефекты исчезают, этот эффект в полупроводниках ИД нами был использован в передающих устройствах и также привел к повышению устойчивости при воздействий эксплуатационных факторов.
Передающее устройство, в котором для разрушения дефектов, возникающих при воздействии ИИ, используется «отжигающий» импульс тока, работает следующим образом (см, рис 2.6). Информационные сигналы в коде без возврата к нулю NRZ поступают с источника 1 информационных сигналов на первый вход логической схемы И-2, открытой по второму входу положительным уровнем напряжения 22. снимаемым с выхода демодулятора 14. С выхода И-2 сигналы поступают на информационный вход D-триггера 3. тактируемого сигналами 23, которые передаются с выхода выделителя 13 тактовой частоты. Далее информационные сигналы 24 с выхода D-триггера 3 поступают на вход кодирующего блока 4, где они преобразуются из кода NRZ в код с возвратом к нулю RZ типа «Манчестер II». Затем информационные сигналы усиливаются формирователем токовых импульсов 6 и передаются на излучающий диод 8. Оптический сигнал с последнего поступает с одной стороны в атмосферу, а с другой - на фотодиод 9 в цепи обратной связи.
Фототок фотодиода 9 усиливается усилителем фототока 10 и передается на вход порогового устройства 12. Пороговое устройство сравнивает уровень входного сигнала усилителя 10 с опорным уровнем Uon источника напряжения 11. Если амплитуда напряжения превышает Uon, то на выходе порогового устройства 12 появляется информационный сигнал, который поступает на выделитель тактовой частоты 13, Последний формирует тактовые импульсы из информационной последовательности сигналов и задает тактовые импульсы в D-триггер 3 и одновременно запитывает формирователь уровня 14. Положительный постоянный уровень на выходе формирователя 14 поддерживает открытое состояние входной схемы И-2 и закрытое состояние второй логической схемы И-16.
При воздействии ИИ излучательная мощность ИД 8 падает, уровень сигнала на входе порогового устройства 12 становится ниже заданного уровня порогового устройства Uon и на выходе выделителя тактовой частоты 13 устанавливается нулевой сигнал, который приводит D-триггер 3 в режим заполнения. Одновременно на выходе формирователя уровня 14 устанавливается нулевой сигнал, запирающий логическую схему И-16. Далее включается счетчик импульсов 17, который фиксирует тактовые импульсы, поступающие с генератора тактовых импульсов 3 в течение двух тактовых интервалов. По истечении этого времени на выходе блокинг-генератора 19 появляется импульс тока, который пропускается через излучающий диод 8. После восстановления излучательной мощности оптического сигнала ИД счетчик 17 и блокинг-генератор 19 отключаются, а на излучающий диод 8 вновь поступают информационные импульсы последовательности сигналов с усилителями формирователя тока 6. Передаточная характеристика фотодиода близка к линейной, поэтому функции формирования передаточной характеристики приемного оконечного устройства (ПОУ) для OAK и компенсации потерь энергии при двойном преобразовании (электрической энергии в оптическую и оптической в электрическую), а также компенсации потерь в оптическом канале следует возложить на схему обработки сигнала фотодиода (схему усиления, схему формирования и коррекции сигнала). Основными требованиями, которым должны удовлетворять эти схемы, являются; усиление тока фотоприемника до уровня, необходимого для работы формирователя во всем диапазоне температур; компенсация темпового тока фотодиода с целью повышения чувствительности схемы при воздействии различных эксплуатационных факторов; высокое быстродействие ПОУ при различных эксплуатационных условиях.
На рис. 2.7 приведена структурная схема ПОУ OAK. В зависимости от функционального назначения OAK (межблочная развязка, связь между объектами и т.п.) схема может быть реализована различными путями. В простейшем случае роль схемы обработки сигнала может выполнять обычный базовый ТТЛ-вентиль. Исключение из схемы вентиля многоэмиттерного транзистора, как это сделано в схеме оптоэлектронного переключателя К249ЛП1, увеличивает чувствительность схемы. При этом следует различать три режима работы фотодиода ФД, подключенного к усилителю фототока: потенциальный, токовый и вентильный (рис. 2.8).
Потенциальный режим используется, в основном, при высоких значениях фототока для получения надежного потенциала отпирания входного транзистора (11ЭБ « 0,7 В) усилителя фототока. При таком включении последовательно с ФД и параллельно переходу эмиттер-база необходимо установить достаточно большое сопротивление (более 30 кОм), что при типичном значении емкости ФД (С = 6 пФ) и низком значении фототока приводит к высоким значениям времени срабатывания схемы ПОУ.
Оценка мощности наводимого излучения при установка источника на оптической оси за одним из ППМ
Для управления работой приемо/передающих модулей используется микропроцессорная система. Она состоит из набора датчиков напряжения, управляемых ключей, интерфейсом для взаимодействия с управляющей ЭВМ и специализированной сети, в которой находятся измерители температуры и АЦП.
Датчики напряжения контролируют работу подсистемы питания и сигнализируют о колебания напряжения питания. Ключи управления используются для управления питанием подсистемы формирователя и подсистемы борьбы с конденсацией влаги на линзах. Вся собранная информация с датчиков напряжения, АЦП и температурных датчиков передается в управляющую ЭВМ. Команды на ключи даются с управляющей ЭВМ за исключением ситуации, когда напряжение питания одного из блоков превышает максимально допустимое значение. В таких аварийных ситуациях питания приемо/передающих модулей отключается. В состав подсистемы входит и блок питания приемо/передающих модулей, который формирует необходимые напряжения для схем приемо/передающих модулей. 5. Подсистема «трансивер». Данная подсистема формирует информационные кадры из полученных пакетов, кодируют их и затем они подаются на вход подсистемы формирователя. Полученный кодированный сигнал из подсистемы «преобразования ИК излучения в электрические импульсы» декодируется, и из него формируются пакеты для последующей передачи в смежную сеть. Код, используемый при кодировании информационных кадров, обеспечивает низкое значение среднего уровня тока на излучателе. 6.Подсистема «управляющая ЭВМ». Она состоит из универсальной ЭВМ, к которой подсоединяются подсистемы: «сопряжения со смежными сетями» и «трансивер». Данная подсистема управляет взаимодействием OAK и смежных сетей между собой, управлением работой приемо/передающих модулей.. Полученные информационные пакеты из смежной сети преобразуются и передаются в подсистему «трансивер», полученные информационные пакеты из подсистемы «трансивер» упаковываются и передаются обратно в смежную сеть. Весь протокол взаимодействия, начиная с канального уровня и выше, выполняется данной подсистемой. Так как она построена на универсальной ЭВМ, то в качестве управляющей программы используется сетевая операционная система Linux, что дает возможность в будущем подстраивать систему под любые смежные и сети и протоколы обмена. Получая информацию о состоянии подсистем приемо/передающих модулей, управляющая ЭВМ формирует команды для изменения режима работы приемо/передающих модулей. При получении данных о падении напряжении питания ниже определенного уровня, на приемо/передающих модулях, передается команда на отключение напряжения питания приемо/передающих модулей. При получении сигнала о превышении температуры внутри приемо/передающих модулей над температурой на линзе, в холодное время года, в приемо/передающий модуль передается команда на включение нагревательного элемента на линзах. При достижении равенства между ними передается команда на отключение нагревательного элемента. При работе с нагревательным элементом выполнение всех команд контролируется через датчики напряжения. Монитор уровня выходной мощности позволяет управляющей ЭВМ сделать выводы о состоянии излучателя и в случае его неисправности просигнализировать оператору о необходимости его замены. Монитор уровня входного сигнала сигнализирует о необходимости изменения параметров в подсистеме приема сигнала. Данная подсистема является наиболее важной так как, она соединяем в себе в себе все остальные. Через нее проходят не только внешние информационные пакеты, но и все внутренние события обрабатываются здесь. 7. Подсистема борьбы с конденсацией влаги на линзах. В ее состав входят температурные датчики, расположенные, на линзах и в объеме приемо/передающих модулей, нагревательные элементы на линзах и управляемый ключ. Подсистема обеспечивает подавление образование конденсата на линзах за счет, разности-температуры на линзе и в объеме приемо/передающих модулей. Вся информация с температурных датчиков поступает в управляющую ЭВМ, которая и принимает решение об необходимых действиях. Описанные элементы OAK показывают, что его работа зависит от взаимодействия всех подсистем между собой. Такое построение системы передачи информации позволяет получать точную информацию о состоянии канала связи, прогнозировать аварийные ситуации и предотвращать их, изменять параметры приемо/передающих модулей при изменении параметров атмосферы и дает возможность интегрировать OAK в любую вычислительную сеть. Использование в качестве управляющей программы ОС Linux позволяет предоставить весь спектр сетевых сервисов, которые необходимы для полного использования OAK в составе вычислительной и телекоммуникационной сети. Информационные каналы, построены на основе ИК излучения, предъявляют ряд требований к системе передачи информации: 1. она должна стабильно работать в широком динамическом диапазоне, как по уровню сигнала, так и по ширине импульса, 2. она должна обеспечивать однозначный прием логических примитивов, 3. она должна сигнализировать о потери «логического» канала. Рассмотрим систему кодирования с использованием относительной фазовой модуляцией. При использовании данной метода кодирования, информация передается логическими «примитивами», где номер примитива кодируется длительностью интервала времени между фронтами соседних импульсов. Каждый примитив, в свою очередь, кодирует от 2-8 битов информации. Данный способ кодирования позволяет с высокой эффективностью использовать канал, но для его работы важно иметь низкие колебания фазы принимаемого сигнала. Данное требование невозможно выполнить в данном варианте канала, по этой причине пришлось от него отказаться. Следующий вариант кодирования - это последовательная передача битов информации. Данный способ кодирования очень давно используется в системах связи и зарекомендовал себя как доступный и надежный способ передачи информации. Использования его в нашем канале осложняется тем, что он не обеспечивает-сигнализацию,.при потери «логического» канала, т.к. для кодирования логического «нуля» используется пауза. В контексте нашего канала - пауза может возникнуть при возникновении препятствия на пути луча. Так же из-за широких колебаний длительности сигнала может возникнуть проблема с синхронизацией внутри блока данных. В результате анализа я предлагаю систему кодирования, которая объединяет в себе оба способа кодирования и удовлетворяет всем требованиям.
Система параметров оптоэлектронных атмосферных каналов
Фотоприемник как преобразователь энергии излучения является важнейшим элементом любого ОЭП. Именно фотоприемник в современных ОЭП определяет основные выходные параметры: ток, коммутируемое напряжение, быстродействие и др.
В то же время условия применения фотоприемников в ОЭП отличаются от условий применения фотоприемников, работающих с внешними источниками излучения (например, в ИК-технике, в приборах ночного видения и т.п.). Как правило, для нормального функционирования ОЭП в различных эксплуатационных и электрических режимах мощность излучающего диода задается такой, чтобы условия приема оптического излучения были оптимальные. Поэтому такие характеристики фотоприемников, как удельная обнаружительная способность, пороговая чувствительность, эффективное поле зрения фотоприемника [4.9], не обязательны для фотоприемников, используемых в ОЭП.
Свойства фотоприемников для ОЭП наиболее полно могут быть описаны системой параметров, выражающих зависимость уровней сигнала и шума на выходе фотоприемника от различных факторов: силы падающего излучения, скорости изменения воздействующего излучения, температуры окружающей среды, напряжения питания и др.
Основными характеристиками фотоприемника для ОЭП являются: амплитудная (энергетическая или световая), определяющая зависимость фототока (фотоЭДС) от уровня возбуждающего потока излучения; временная, определяющая зависимость выходного сигнала от скорости изменения потока излучения; шумовая, определяющая зависимость спектральной плотности мощности шума от частоты; вольт-амперная, определяющая зависимость общего тока через приемник (фототока и темнового тока) от значений приложенных напряжений; управления, определяющая зависимость напряжения включения фототиристора от управляющего светового потока излучающего диода. Однако фотоприемник для ОЭП не всегда должен иметь полный набор этих характеристик. Для проектирования и применения оптоэлектронных приборов и устройств достаточно вместо перечисленных характеристик иметь набор (систему) параметров, отражающих основные свойства фотоприемника при определенных питающих напряжениях и режимах эксплуатации (табл. 4.2). Параметры оптоэлектронных атмосферных каналов (OAK), с учетом конструктивного исполнения и функционального назначения можно разделить на следующие группы: параметры сопряжения входных и выходных электрических цепей; динамические параметры; параметры, описывающие передаточные и энергетические характеристики; параметры размерно-соединительные (длина канала, число каналов, конфигурация электрических выводов и т.п.). Двоичная информация в цифровых информационных системах, выполненных на элементах потенциального типа, представляется в виде двух уровней напряжений: лог. О и лог. 1. Выходное напряжение OAK зависит не только от уровня входного сигнала, но и параметров компонентов схемы и допусков на эти параметры, от температуры, изменений напряжений питания, нагрузочных условий и т.п. В результате образуется целая область выходных напряжений, соответствующая определенному уровню входного сигнала. Следовательно, имеет смысл говорить не об уровнях лог. О и лог. 1, а об областях лог. О и лог. 1, представляющих двоичную информацию. Термины «уровень лог. О» и «уровень лог. 1» будут характеризовать крайние значения напряжения: области лог.«0 - ближайшие к области лог. 1, области лог. 1 -ближайшие к области лог. 0. Свойства- OAK наиболее- полно выявляются- при- помощи- их передаточных-характеристик, которые представляют собой зависимость выходного напряжения OAK от входного сигнала. На рис. 4.1. а, б приведены передаточные характеристики инвертирующего (а) и неинвертирующего OAK (б) в случае, когда передающее оконечное устройство представлено одним излучающим диодом. Здесь, как и в технической документации на все выпускаемые цифровые микросхемы и оптоэлектронные переключатели, за уровень лог. О принят низкий уровень напряжения, а за уровень лог. 1 - высокий. Оптоэлектронный канал должен обладать такой передаточной характеристикой, которая обеспечивала бы однозначное его переключение из одного логического состояния в другое при переходе входного сигнала, например из области лог. О в область лог. 1 и обратно, а также устойчивое сохранение определенного логического состояния при входном сигнале, неизменно находящемся либо в области лог. О, либо в области лог. 1. В реальных цифровых информационных системах во входной цепи OAK могут появиться помехи, вызывающие изменение уровня напряжения на выходе этого канала. В результате выходное напряжение может выйти за допустимые границы соответствующей логической области. Для получения необходимой надежности и быстродействия требуется, чтобы при максимальном входном токе лог. О (Ювх.тах -если передающее оконечное устройство (ПОУ) OAK состоит из излучающего диода) и максимальном входном напряжении лог. О (ІІОвх.тах - если ПОУ OAK содержит согласующий каскад) выходное напряжение OAK было больше минимального выходного напряжения лог. 1 (ІЛвх.тіп), а при минимальном входном токе лог. 1 ІІВХ.ПЛІП - если ПОУ OAK - излучающий диод) и минимальном входном напряжении лог. 1 (ІЛвх.тіп - если ПОУ OAK - согласующий каскад излучающего диода) - меньше максимального выходного напряжения лог. О (иОвыъ.тах) на выходе инвертирующего OAK и больше минимального выходного напряжения лог. 1 (ІЛвьіх.тіп) на выходе неинвертирующего OAK. Значение выходного тока (напряжения), при котором напряжение на выходе инвертирующего OAK равно минимальному входному напряжению лог. 1 (Швых.тах) или максимальному выходному напряжению лог. О (ІІОвьіх.тах) на выходе неинвертирующего OAK, будем называть пороговым током лог. О (Юпор -если ПОУ OAK - излучающий диод) и пороговым напряжением лог. О (Шпор - если ПОУ OAK - согласующий каскад), а значение входного тока (напряжения), при котором напряжение на выходе инвертирующего OAK равно максимальному выходу напряжения лог. О (иОвых.тах) или минимальному выходному напряжению лог 1 (ІИвьіх.тіп) на выходе неинвертирующего OAK, будем называть пороговым током лог. 1 (И пор - если ПОУ OAK - согласующий каскад).
Разность между пороговым током лог. О (Юпор) или пороговым напряжением (UOnop) и максимальным выходным током лог. О (Ювх.тах) (максимальным входным напряжением лог. О (ІЮвх.тах)), а также между пороговым током лог. 1 (И пор) или пороговым напряжением (Шпор) и минимальным входным током лог. 1 (Ивх.тіп) (или минимальным входным напряжением лог. 1 (ІЛвх.тіп)) определяет статическую помехоустойчивость OAK.
Импульсная помехоустойчивость OAK может быть во много раз ниже статической, если длительность помех становится соизмеримой с длительностью переходных процессов, протекающих в этом OAK. Поскольку большинство помех в цифровых системах появляется в форме импульсов, то импульсная помехоустойчивость становится более важной, чем статическая.
Похожие диссертации на Разработка устройств и систем передачи информации на основе оптоэлектронных атмосферных каналов
