Оптоэлектронные атмосферные каналы с малой длиной трассы
На правах рукописи
МЕРЗЛОВ ЛЕОНИД ЮРЬЕВИЧ Оптоэлектронные атмосферные каналы с малой длиной трассы Специальность: 05.12.13, Системы, сети и устройства телекоммуникаций
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва – 2007
Работа выполнена в Московском государственном институте электроники и математики (Техническом университете) _ название организации Научный руководитель (консультант) д.т.н., профессор Дмитриев Виктор Петрович _ ученая степень, ученое звание, фамилия, имя, отчество.
Официальные оппоненты:
ученая степень, ученое звание, фамилия, имя, отчество.
ученая степень, ученое звание, фамилия, имя, отчество.
ученая степень, ученое звание, фамилия, имя, отчество.
Ведущая организация_ название
Защита состоится _ на заседании дата, время диссертационного совета Д 212.133.06 при Московском государственном институте электроники и математики, шифр совета, название организации, при которой создан совет, адрес
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института электроники и математики _ название организации, при которой создан совет
Автореферат разослан дата
Ученый секретарь диссертационного совета Грачев Н.Н. _ фамилия, и., о.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы Рост спроса на широкополосные услуги требует внедрения прогрессивных сетевых технологий на участке абонентского доступа.
Оптимальным механизмом предоставления информации является применение беспроводных систем. Использование в качестве носителя информации оптического излучения, а среды передачи - открытых каналов – атмосферы, является быстроразвивающимся и перспективным направлением оптоэлектроники. Наиболее распространенными стандартами беспроводных сетей сейчас являются IEEE 802.11b и 802.11g. Оборудование по этим стандартам работает в диапазоне 2,4 ГГц и способно передавать данные с максимальной скоростью 11 и 54 Мбит/с, соответственно. Очень часто системные интеграторы и телекоммуникационные компании отказываются от беспроводного решения проблемы последней мили из-за невозможности в силу ряда причин применить оборудование радиосвязи. Происходит это из-за того, что далеко не все специалисты имеют доступ к информации о технологии беспроводной передачи информации, которая не использует излучение в радиодиапазоне, а порой имеют о ней весьма искаженные представления.
В настоящее время существует две области применения беспроводной инфракрасной технологии связи:
• "точка-точка" связь между кабельными системами (компьютерными и телефонными сетями), находящимися в разных зданиях на расстояниях до 10 км;
• связь между приборами внутри одного помещения (беспроводные LAN, связь между компьютерами и периферией и пр.).
В перечисленных областях связи существуют решения, использующие радиодиапазон. И в радио-, и в инфракрасных технологиях есть плюсы и минусы. Чтобы в конкретной ситуации сделать адекватный выбор той или иной технологии, необходимо знать достоинства и недостатки каждого метода.
В России, для использования любого радиопередающего устройства, мощность излучения которого превышает 50 мВт и с частотой излучения вплоть до 100 ГГц, необходимо зарегистрировать его в соответствующих государственных органах. Кроме этого, для использования любого излучающего в радиодиапазоне устройства, необходимо получить разрешение в Госкомитете по радиочастотам и других государственных и муниципальных органах, что влечет за собой дополнительные затраты средств, времени и нервов. В отличие от России, в большинстве развитых стран существуют диапазоны частот, для использования которых не требуется никаких разрешений. Большой спектр беспроводных устройств связи, выпускаемых за рубежом, рассчитан на работу именно в этих диапазонах. В данном аспекте уникальность инфракрасных технологий беспроводной связи заключается в том, что мощность излучения передатчика не превышает 50 мВт. В системах инфракрасной беспроводной связи отсутствуют радиоизлучающие устройства. Несмотря на это, устройства для беспроводной оптической связи, как и любое оборудование связи, должны иметь сертификат Министерства связи РФ.
Другими важными достоинствами инфракрасных (ИК) технологий беспроводной связи являются:
• практически полная неподверженность электромагнитным помехам;
• высокая защищенность канала связи от несанкционированного доступа.
Ниже приведена краткая таблица предельных характеристик обоих методов.
Таблица 1 Сравнительная таблица характеристик Радио ИК до 50 до 4 (при Дальность связи, км.
низкоскоростной связи до 10 Мбит/с) до 54 до Скорость передачи информации, Мбит/с 10-9 10- Вероятность ошибки передачи Да (вплоть до Влияние Нет электромагнитных невозможности связи) помех Влияние атмосферных Дождь Туман, дым, снег помех Получение разрешений Госкомитет по Разрешения не нужны радиочастотам, Госсвязьнадзор и пр.
Защита информации Сигнал легко Сигнал не перехватывается (кроме перехватывается радио мостов, использующих шумоподобные широкополосные сигналы) В настоящее время, из недорогих решений для организации устойчивой связи на 500 метров и скорость 10 Мбит/с, существует только кабельная система. Стоимость оборудования, не считая кабельной системы, при использовании технологии xDSL, составит не более чем 400$ США. Срок развертывания сети по такой технологии составит от 1 дня. Необходимо также учесть возможность прокладки кабельной сети.
Применение радиомодемов на такие короткие расстояния не оправдывает себя из-за стоимости оборудования, которая начинается от 3500$ США.
Применение технологии Wi-Fi, которая рассчитана на потребителя, не дает необходимой надежности связи. Так, например, при стоимости оборудования в 1000$, процент ошибочных пакетов при PDU 1000 байт составляет 8%.
Все перечисленные недостатки существующего оборудования устранены в ОАК на малые дистанции. При ориентировочной стоимости комплекта оборудования в 800$ США, можно развертывать надежные линии связи за короткие сроки введения в эксплуатацию.
Основываясь на неоспоримых положительных сторонах ИК-излучения в современном мире, а также на перечисленных существующих проблемах стандартных средств связи на такие расстояния, тематика проводимых в диссертационной работе исследований и полученные результаты являются актуальными и имеют важное прикладное и народно-хозяйственное значение.
Цель работы Основываясь на неоспоримых положительных сторонах ИК-излучения в современном мире, была поставлена цель: разработать недорогое, быстроинсталлируемое, ориентированное на конечного пользователя, устройство связи на расстояние до 500 метров, использующее инфракрасное излучение.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
• Исследование существующих ОАК и их параметров;
• Разработка (ОАК), оптических атмосферных каналов рассчитанных для работы на малые расстояния;
• Снижение стоимости оконечного оборудования за счет введения новых конструктивных решений.
Методы исследования В процессе решения поставленных задач использовались методы системного анализа, методов структурного синтеза и программирования, ключевые положения трудов отечественных и зарубежных ученых, посвященных теории передачи сигналов с использованием ОАК, публикации по рассматриваемой проблеме, а также данных полученных автором путем теоретических и экспериментальных исследований.
Достоверность и обоснованность результатов Достоверность и обоснованность результатов, приведенных в работе, подтверждается сходимостью данных, полученных автором в результате макетных и натурных испытаний.
Научная новизна Научная новизна заключается в предложенной схеме приемо передающих модулей (ППМ), которая подразумевает использование ППМ без дополнительного внешнего оборудования. То есть, для организации двусторонней связи между двумя персональными компьютерами не потребуется каких-либо медиа-конвертеров или устройств согласования.
Вдобавок, для снижения стоимости, предложена модель переноса основных функций ППМ реализованных на схемотехническом уровне, на программный уровень.
Практическая значимость Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:
• использовать инфракрасную систему связи широким кругом пользователей, в связи с ее низкой стоимостью;
• повысить конкурентоспособность разработок отечественных оптических атмосферных каналов связи;
• обеспечить возможность их практического применения.
Реализация и внедрение результатов работы Научно-исследовательские работы по созданию оптоэлектронного атмосферного канала проводились на основании федеральной целевой “Исследования научно-технической программы и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники” на 2002-2006 годы (“Интегрированные системы хранения и обработки информации для обеспечения научных исследований, культуры и образования”).
Результаты диссертационной работы были использованы при написании отчетов НИР: “Интегрированные системы хранения и обработки информации для обеспечения научных исследований, культуры и образования” (5-й, 6-й, 7-й, 8-й этапы НИР по государственному контракту № 37.053.11.0054) федеральной целевой научно-технической программы “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники” на 2002-2006 годы, а также 9-й, 10-й, 11-й, 12-й этапы НИР по государственному контракту № 37.053.11.0054.
Апробация результатов исследования Основные теоретические и практические научные результаты, полученные в диссертации, докладывались и обсуждались на научно технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов 2003);
МИЭМ.(Москва, Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ (Москва, 2004);
INFORMATION AND TELECOMMUNICATION TECHNOLOGIES IN INTELLIGENT SYSTEMS Proceedings of International Conference Barcelona, Spain May 22 29, 2004;
Научно-технической конференции студентов, аспирантов и 2005).
молодых преподавателей МИЕМ(Москва, Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых преподавателей МИЕМ (Москва, 2007). Данные выступления являлись одновременно и апробацией работы.
На защиту выносятся:
Основными положениями, выносимыми на защиту, являются:
• структурная модель ОАК на малые дистанции;
• расчет и наблюдение за параметрами канала передачи данных;
• макетирование блоков ППМ.
Публикации По теме диссертации опубликовано 13 работ: 7 научных статей в журналах;
6 тезисов докладов на международных и всероссийских школах семинарах и научно-технических конференциях, в том числе принято участие в написании 2-х отчетов о НИР.
Структура работы Структура диссертации состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 75 наименований и одного приложения.
Объем работы без приложений 167 страницы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, определены направления исследований и рассмотрено логическое построение работы по главам.
В первой главе изложены основные моменты применения оптоэлектронных атмосферных каналов на малые дистанции. Приведены основные плюсы и минусы применения ОАК. Даны факторы, которые влияют на устойчивую работу ППМ в реальных условиях. Одним из основных факторов, определяющих возможность применения ОАК, является устойчивость связи при воздействии помех различного происхождения как естественного, так и искусственного, в частности, снега, тумана, дыма и других явлений, снижающих прозрачность атмосферы.
Анализ экспериментальных данных показал следующее. В условиях отсутствия факторов, снижающих прозрачность атмосферы, вероятность ошибки передачи составляет в зависимости от модели ОАК от 10-8 до 10-9.
При постепенном ухудшении погодных условий или задымлении воздуха вероятность ошибки передачи плавно растет до 10-6, а затем происходит резкое увеличение вероятности ошибки, и связь рвется (это относится к случаям, когда расстояние между приемо-передающими блоками составляет несколько километров). После улучшения атмосферных условий связь восстанавливается.
На рис. 1 показана зависимость вероятности отказов канала из-за погодных условий (снег – сильный дождь, доступность канала и число минут 100% неработоспособности за год). Если требуется эффективность, рекомендуется использовать резервные широкополосные каналы или ISDN.
Рис. 1 Зависимость вероятности отказа канала от расстояния в условиях плохой погоды Таким образом, характеристикой воздействия атмосферы на связь можно считать средний процент нерабочего времени, то есть периода, в течение которого связь отсутствовала. В частности, для линии, рассчитанной на дальность связи 1 км и при длине волны излучателя 820 нм, влияние естественных помех практически не ощущается, то есть линия функционирует при любых погодных условиях. С увеличением расстояния возрастают помехи, и на дальности 10 км неблагоприятные для связи условия наблюдаются в течение срока, длительность которого составляет 1,5-2% от общего времени работы за год. Причем снегопад является виновником отсутствия связи в половине всех случаев, на долю тумана приходится 30% и дыма - 20%.
Особо следует отметить тот факт, что дождь не оказывает серьезных помех для связи в ИК-диапазоне, тогда как для радиорелейных линий, работающих на высоких частотах (десятки ГГц), дождь является вредным фактором. Связано это с тем, что распространение в атмосфере инфракрасного и СВЧ-излучения происходит по разным физическим законам. "На пальцах" это можно описать следующим образом. ИК излучение подчиняется, в основном, законам оптики. Капли дождя, как и тумана, рассеивают видимый свет и ИК-излучение путем отражения части луча от поверхности капли и преломления луча внутри капли. Однако во время дождя на единицу объема приходится значительно меньше капель, чем во время тумана, поэтому дождь существенно меньше рассеивает ИК излучение. Во время же распространения СВЧ-волн происходит примерно следующее. При дожде в атмосфере распределена в виде капель масса воды.
Являясь проводником, она создает своего рода экран, который препятствует распространению электромагнитных волн. Кстати, во время тумана количество воды, взвешенной в воздухе, гораздо меньше, чем при дожде, поэтому туман не оказывает помех распространению радиоволн.
Рассмотрены причины не распространенности открытых оптических систем передачи информации. Проведен обзор ОАК, выпускаемых в настоящее время как в России, так и в странах зарубежья. Основными параметрами, которым уделялось большее внимание, были (на что смотрит конечный пользователь): легкость установки и настройки, надежность, скорость передачи, рабочая дистанция, доступность канала передачи данных на протяжении года, неприхотливость в обслуживании, стоимость, безопасность. На основании обзора литературы сделан вывод о том, что большинство зарубежных фирм выпускают ОАК с параметрами, предназначенными для работы в корпоративных сетях. То есть обеспечивается практически безотказный уровень связи на больших скоростях – свыше 100 Мбит/с. Такой подход не может не повлиять на стоимость оборудования, которая лежит в диапазоне 3-10 тысяч долларов.
Далее в этой главе обзорно рассмотрены другие аспекты применения оптоэлектронных систем – работа ОАК в космосе и использование данного вида связи при организации линии на небольшие расстояния. Сделаны выводы об основных недостатках существующих систем. Были сформированы и поставлены основные требования к ОАК с малой длиной трассы, а также был определен ход дальнейшего исследования.
Во второй главе рассмотрена оптико-механическая модель ОАК.
Приведен вариант расчета оптической системы для безаберрационной оптики и идеальной среды. Представлен предварительный расчет энергетических и оптико-механических технических данных ОАК с малой дистанцией.
Расчет оптической системы сводится к определению доли излучаемой ИИ мощности, попадающей на ФП. Очевидно, что чем эта доля больше, тем эффективнее передача оптического сигнала. В соответствии с законами геометрической оптики, максимально возможное соотношение между Pпер и Pпр для безаберрационной оптической системы выглядит следующем образом:
1 Dпер Dпр L 10 = (1) Pпр. max 4 L U max A Исходя из оптико-геометрической схемы построения ОАК имеем:
L Множитель 10 10 представляет собой долю потерь мощности излучения в среде.
L Обозначим эту долю как K = 10 10. При прозрачной непоглощающей среде = 0 и K = 1.
Pпр при K = 1.
Подсчитаем Pии Примем в качестве исходных следующие тактико-технические данные устройства.
Таблица 2 Тактико-технические данные устройства Наименование параметра Усл. Значение Обозн.
Lmax 500 м Максимальное расстояние между передатчиком и приемником Оптический передатчик ИК излучающий диод 2Umax 120-2,1 рад Линейный угол излучения источника излучения 0,6·10-3 м A Размер источника излучения p-i-n ИК Фотоприемный элемент фотодиод Pпор -42 дБм Пороговая чувствительность Vинф 10 Мбит/сек Скорость приемо-передачи 0, Функциональная надежность системы, не менее (20х13х20) Габариты одного приемо-передающего модуля, не более см Дополнительно выберем параметры элементов оптической системы, ограниченный ее габаритами.
Таблица 3 Параметры элементов оптической системы Наименование параметра Усл. Значение Обозн.
Dпер 0,080 м Диаметр линзы оптического передатчика Dпр 0,080 м Диаметр линзы приемника F 0,160 м Фокусное расстояние линзы передатчика Подставляя данные из таблицы 2 и 3 в формулу (1) получим для полностью прозрачной атмосферы:
1 8 10 2 8 10 2 Pпр = 4 10 2 1,05 0,6 10 3 = 1,6 (2) Pии 4 В логарифмических единицах ослабления сигнала при = 0 составит величину:
Pпр = 10 lg 1,6 10 4 = 38дБ B( = 0) = 10 lg (3) Pии По данным наблюдений на широте г. Москвы, затухание оптического сигнала в ИК-диапазоне с = 0,9 мкм с достоверностью 0,95 не превышает 7,5 дБ/км.
Для дистанции L = 500 м это затухание не превысит величины:
B( = 7,5) = L = 7,5 0,5 = 3,75дБ (4) Суммируя это значение с ( = 0), получим значение общего ослабления сигнала оптического излучения:
B = B( = 0) + B( = 7,5) = 38 3,75) = 41,75дБ (5) Таким образом, для надежной связи соотношение между оптической мощностью (Pии) излучателя и пороговой мощностью (Pпор) фотоприемного устройства должно быть не менее этой величины.
Далее, зная Pпор (см. табл. 2.2) легко определить Pии:
Bии = Pпор B = 42 + 41,75 = 0,25дБм (6) Bии = 10 lg Pии, отсюда : Pии 10 мВт Это вполне реализуемое значение мощности ИК излучающего диода.
Предварительный расчет мощности излучения показал, что для реализации ОАК с такими параметрами, сложностей с поиском излучающего диода не возникнет. Рассмотрим состав подсистем ОАК.
Проведен анализ подсистем ОАК: подсистемы формирования ИК излучения, подсистемы преобразования ИК излучения в электрические импульсы, подсистемы управления работой ППМ, подсистемы «трансивер», интерфейсной подсистемы, подсистемы «управляющая ЭВМ». Рассмотрены системы кодирования кадров и его элементов, протоколы передачи данных.
Приведена модель вероятности ошибок при передаче данных по открытому каналу при воздействии внешних атмосферных факторов.
Приведен алгоритм расчета канала передачи данных на малые дистанции с учетом введенных упрощений. Рассчитаны параметры канала с учетом реальных факторов воздействия. Предложены методы защиты ППМ от воздействия фонового излучения. Разработаны конструктивные схемы и рабочие чертежи.
В третьей главе рассмотрены вопросы расчета параметров ОАК.
Вопросы затронули физические законы работы излучающего диода (ИД) в различных эксплутационных условиях, а также реальных достижимых скоростей работы ИД. При рассмотрении быстродействия ИД принята следующая схема.
Рисуснок 2. Эквивалентная электрическая схема возбуждения излучающего диода.
Количество фотонов, испускаемых излучающим диодом в единицу времени Фе(t) определяется из соотношения w Фe (t ) = A / изл p ( x, t )dx (6) где А - площадь перехода;
изл - время жизни излучательной рекомбинации;
p(x,t) - распределение концентрации неосновных носителей (дырок) в базе диода с переходом p-n - типа;
w - толщина базы диода Световой поток Фe(t) связан с накопленным зарядом соотношением Фе (t ) = Q(t ) / e изл = i (t ) p / e изл (7) где p - время жизни дырок в базе диода;
е - заряда электрона;
i(t) мгновенное значение прямого тока, протекающего через излучающий диод.
Расчет параметров переходных процессов необходимо проводить с учетом влияния барьерной емкости р-n перехода Сб. При этом принимается, что в диапазоне величин прямых напряжений на излучающем диоде 0 Uизл Uпр влиянием изменений Сб(Uизл) на параметры переходного процесса нарастания и релаксации излучения можно пренебречь, полагая величину Сб.пр постоянной. При расчете также учитывается эффективное значение емкости перехода Сб.эфф = 1,2Сб (0) (8) Обобщенная эквивалентная схема возбуждения излучающего диода, принятая для расчета, приведена на рис. 3.10. Здесь Uизл - амплитуда импульса напряжения, создающего ток, протекающий через диод и токозадающий резистор Ri. В установившемся режиме через диод протекает прямой ток Iпр, а на диоде устанавливается прямое напряжение Uпр. Этому стационарному состоянию соответствует заряд неосновных носителей Qи = I пр эфф (9) где эфф - эффективное время жизни неосновных носителей в базе диода.
Процесс установления стационарного заряда Qн в базе излучающего диода описывается дифференциальным уравнением Сб.эффU Д (t ) / t + Q(t ) / t + Q(t ) / эфф = [U изл U Д (t )] / Ri (10) Напряжение на диоде Uд(t) связано с величиной заряда неосновных носителей в базе Q(t) соотношением U Д (t ) = T ln[(Q (t ) + Q0 ) / Q0 ] (11) где Q0 - заряд неосновных носителей в базе диода в равновесном состоянии, т = кТ/е - диффузионный потенциал.
Решив уравнение (10) с учетом (7), (8) и (11) получим выражение для времени нарастания и задержки нарастания:
0,9 H Q(t ){(U / Ri ) (T / Ri ) ln[(Q(t ) Q0 ) / Q0 ] t нар = изл 0,1 H 0, 9 H Q(t )[Q(t ) + Q ] 1 Q(t ) / эфф } + Cб.эффT (12) 0,1 H {(U изл / Ri ) (T / Ri ) ln[(Q (t ) + Q0 ) / Q0 ] Q (t ) / эфф } 0,1 H Q(t ){(U / Ri ) (T / Ri ) ln[(Q(t ) Q0 ) / Q0 ] t зд.нар = H (13) 0,1 H [Q(t ) + Q ] (t ) Q(t ) / эфф }1 + Cб.эффT H ln{(U изл / Ri ) ln[(Q(t ) + 0 ) / Q0 ] 0 / эфф } Приближенное интегрирование выражений (12) и (13) с учетом (9) приводит к следующим формулам:
t нар = ( эфф + 2,2Сб.эффT / I пр ) ln{[9 + 23T / I пр Ri ] /[1 + 23T / I пр Ri ]} (14) t зд.нар = [ эфф + 2Сб.эффT /( I пр + I m )] ln[(1 + I пр / I m ) /(1 + 0,8 I пр / I m )] + (15) + 2[Cб.эффU пр /( I пр + I m )](1 2,2T / U пр ) Одним из схемотехнических путей снижения времени задержки включения в ОАК является способ форсированного заряда барьерной емкости излучающего диода ИД, например благодаря использованию форсирующей RC-цепи передающего оконечного устройства - ПРОУ (рис. 3) R Токозадающий резистор выбирается из условия обеспечения номинального выходного тока 3.
Рис. Принципиальная электрическая схема передающего оконечного устройства ОАК с форсированным включением излучающего диода Рис. 4. Принципиальная электрическая схема передающего оконечного устройства ОАК (а) и его временные характеристики (б): VD1...VD4 кремниевые диоды типа КД R5=(U1вых-Uвх)/Iвх (16) а форсирующая емкость из условия:
C вхU вх /(U вых U вх ) C фор (17) t зд.вкл t вх /(U вых U вх ) где U вых - выходное напряжение в состоянии лог. 1;
U вх - входное напряжение;
( t зд.вкл -требуемое время задержки включения;
Cвх - входная емкость;
tвх - постоянная времени входной цепи.
Другим способом уменьшения времени задержки включения является предварительный заряд барьерной емкости излучающего диода ИД до величины, близкой к пороговому напряжению включения ИД. На рис. приведены принципиальная электрическая схема передающего оконечного устройства с предварительным зарядом барьерной емкости ИД и временные диаграммы его включения.
Также в этой главе приведены законы рассеивания оптического сигнала в атмосфере, законы распространения сигнала и факторы, влияющие на работоспособность канала.
В четвертой главе приведен пример расчета параметров ОАК.
Разработаны принципиальные электрические схемы ОАК: приемник, передатчик, силовой коммутатор излучающего ИК-диода. Рассчитана энергетика наведенного излучения, а также оценена возможность введения излучения со стороны. Предложены конструктивные решения, значительно снижающие стоимость приемо-передающего модуля (ППМ).
При рассмотрении блоков симплексного ОАК, источник информации является определяющим звеном для интерфейсного модуля. Так в зависимости от методов кодирования информации в заданной среде будет меняться и интерфейс преобразования данных для ППМ. Интерфейсный модуль может подвергнуться модернизации в целях уменьшения его стоимости. Задачами интерфейсного модуля является преобразование входного сигнала, к форме сигнала, понятного для модуля оптического передатчика. В случае конструирования ОАК для использования в магистральных линиях, интерфейсный модуль должен быть встроен в ОАК, для чего необходимо применять различную элементную базу. В зависимости от «сложности» входящего протокола будет меняться и сложность схемотехники. Так, при использовании последовательного кода передачи информации, существует простое и недорогое исполнение интерфейсного модуля. В случае применения протокола более высокого уровня ведет за собой использование более сложных схем преобразования сигналов.
Например, при использовании протокола Ethernet, требуется установка маршрутизатора, отвечающего за перенаправление трафика через АОК, что в свою очередь резко удорожит конструкцию в связи с установкой внутри ППМ мини компьютера с функциями интеллектуального анализатора проходящего трафика.
В состав оптического передатчика входит модуль, который отвечает за правильное формирование протекающего тока через инфракрасный излучающий диод, линзовая система формирования выходного оптического луча. Модуль формирователя тока в магистральном исполнении содержит схемы усилителя сигнала для инфракрасного диода (ИД) и схемы ограничения средней мощности поступающей на ИД. От схемы усилителя отказаться нельзя, можно только использовать другую элементную базу.
Использовать другую элементную базу можно в связи с уменьшением вероятности доступности канала при различных погодных условиях и как следствие, снижение излучательной мощности. Линзовая система также может быть упрощена за счет применения разных материалов изготовления корпуса ППМ и материала линз и уменьшения диаметра линз. Изменение размера линз приведет к необходимости изменения излучательной мощности ИД.
Оптический приемник, пожалуй, один из модулей, который нецелесообразно модернизировать по сравнению с магистральной версией. В состав этого модуля входит высокочувствительный приемник со встроенным компаратором, которые выполнены в цельнометаллическом корпусе с оптическим входом.
В случае применения USB интерфейса для ОАК можно б’ольшую часть схемной реализации перенести на программный уровень. В частности интерфейсный модуль заменит все модули вплоть до усилителя ИД. То есть все операции по кодированию, синхронизации и проверки сигнала возьмет на себя программная часть. При таком подходе к проектированию систем возникает отрицательная сторона, которая заключается в использовании мощностей персонального компьютера (ЦПУ, шина данных, память). Однако в настоящее время мощность современных компьютеров настолько велика и не используется на 100%, что для конечного пользователя будет прозрачна работа драйвера, который займет часть процессорного времени.
После проведенного анализа интерфейсов был окончательно выбран интерфейс USB для связи ОАК и персонального компьютера. В ходе дальнейшего анализы были изучены различные схемотехнические решения по взаимодействию через интерфейс USB. В итоге остановились на микросхеме USBN9604 производства National Semiconductor.
USBN9604 - интегрированные контроллеры узлов USB. Устройство обеспечивает улучшенную поддержку DMA с различными возможностями автоматической обработки данных. Устройство совместимо с USB версий 1. и 1.1.
В итоге была разработана схема интерфейсного устройства представленного на рис. и написаны системные драйвера под операционную систему Windows.
D0_S0 USBN9604-28M RC 11 PIC16F 28 CLKIN CLKOUT D1 9 12 RC1 ~MCLR/VPP 1 +5В +5В VCC D2 10 13 RC2 10к D3 14 RC RC 1,5к D4 12 +4,7х 19 D+ VSS 16 RC D5 15k 17 RC D6 14 RA0 18 RC D7 15 20 D ~CS 1 28 RB7 VSS 15к ~RD 2 27 RB ~WR_SC 3 26 RB 26 Xin 24МГц 1м INTR 4 RB Xout 20 +5В 27 VDD ~DACK 18 DRQ 15п 15п V3, +2,2x RA4 +5В 17 AGND A0_ALE 7 22 RB1 ~RESET 16 25 RB GND MODE1 24 CLKOUT GND 23 MODE0 10к 10к +5В Рис. 5. Принципиальная схема интерфейсного модуля.
Далее в этой главе приведена логическая схема распределенной системы по сбору и обработки статистических данных, собранных в результате работы ОАК. Рассмотрены особенности эксплуатации ОАК и методология испытаний ОАК. Приведены результаты натурных испытаний двух образцов ЛАЛС. В результате испытаний при монтаже и юстировке аппаратуры ЛАЛС выявлена неработоспособность испытуемой аппаратуры в заданных условиях. В связи с этим, аппаратура лазерных атмосферных линий связи (ЛАЛС) ЛАЛС – СЛА-10М «Ирис» производства Воронежского НИИ Связи не может использоваться при построении высокоскоростных городских вычислительных сетей. У второго образца результаты испытаний показали целесообразность использования аппаратуры ЛАЛС «МОСТ» производства ООО «Мостком» для оснащения объектов высокоскоростных вычислительных сетей г.Москвы, расположенных на расстоянии до 3-х километров. Указанная аппаратура обеспечивает высокие скорости передачи информации в режиме «точка-точка» (до 95 Мбит/сек) и слабо подвержена влиянию погодных условий. Аппаратура технологична с точки зрения установки и проста в эксплуатации, хотя в период испытаний наблюдались ситуации ухода оптической оси, что требовало вмешательства эксплуатационного персонала.
Основные результаты работы В процессе решения задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие основные результаты:
• Выполнен анализ характеристик и принципов работы атмосферных инфракрасных каналов передачи данных, проанализирована эффективность их применения. Определена область использования ОАК.
Проведено тестирование двух промышленных образцов систем оптической атмосферной лазерной связи. Поставлены требования к ОАК с малой длиной трассы;
• Разработан алгоритм расчета оптико-механической модели ОАК для безаберрационной оптики с учетом справочных материалов по затуханию оптических сигналов в атмосфере. Рассмотрена схема взаимодействия подсистем приемо-передающего модуля (ППМ) ОАК;
• Рассчитаны элементы конструкции с учетом разных эксплутационных параметров ППМ. Приведен расчет затухания оптического сигнала в атмосфере с реальными параметрами ослабления;
• Рассмотрены вопросы, связанные с технической реализацией ОАК, на основании которых был произведен расчет атмосферного оптического канала на дистанцию 500 метров;
• Разработан блок интерфейсного модуля ОАК и персонального компьютера по интерфейсу USB, который позволил отказаться от некоторых модулей в составе ОАК, что соответственно привело к существенному снижению стоимости.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 1. Мерзлов Л.Ю. Использование WEB-технологий при проведении испытаний информационного инфракрасного канала передачи данных.
Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов института посвященная 40-летию МИЭМ 2002г.
2. Мерзлов Л.Ю. Программно-аппаратная реализация системы мониторинга атмосферного оптического канала передачи данных Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. -М. 2003г.
3. Мерзлов Л.Ю. Автоматический контроль параметров АОК Статья в сборник статей, посвященный 40-летию МИЭМ 4. Мерзлов Л.Ю. Принципы программно-аппаратной реализация интерфейса ПК c АОК малой длиной трассы Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ.
Тезисы докладов. М. 2004 с. 236- 5. Дмитриев В.П., Мерзлов Л.Ю., Бобович П.А.Optical infra-red atmospheric data link with route length up to 500 meters and transfer speed up to 10 Mbit/s INFORMATION AND TELECOMMUNICATION TECHNOLOGIES IN INTELLIGENT SYSTEMS Proceedings of International Conference Barcelona, Spain May 22-29, 2004 с. 62- 6. В.М.Вишневский, В.П.Дмитриев, И.В.Коршунов, Л.Ю. Мерзлов Особенности работы оптоэлектронного атмосферного канала. Научно техническая конференция студентов, аспирантов и молодых преподавателей МИЕМ. Тезисы докладов. –М.: МИЕМ, 2005.
7. Дмитриев В.П., Жданов В.С., Мерзлов Л.Ю. Развитие 3-я оптоэлектронных каналов для образования Международная конференция по информационным и телекоммуникационным технологиям в интеллектуальных системах. Jun 02-09, 2005 Spain, Mallorca 8. В.П. Дмитриев, Л.Ю. Мерзлов, П.А. Бобович. Эффективность внедрения изделий оптоэлектроники в вычислительные и Сборник статей: Russian academy of телекоммуникационные сети.
science Bulgarian academy of science International Workshop Distributed computer and communication networks. DCCN 2005 Processing Sofia, Bulgaria, April 23-29, 2005 Technosphera, Moscow 2005 с. 277- 9. Блюмин А.В., Дмитриев В.П., Дмитриев М.В., Коршунов И.В., Мерзлов Л.Ю. Принципы реализации оптоэлектронных атмосферных Сборник научных трудов Кафедры «Вычислительные системы и каналов.
сети» Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии. Под редакцией проф., д.т.н. Жданова В.С. МИЭМ, М., 2005 с. 163- 10. Дмитриев В.П., Коршунов И.В., Нуруллаев А.Т., Мерзлов Л.Ю.
Экспериментальная оценка оптоэлектронных атмосферных каналов.
Сборник научных трудов Кафедры «Вычислительные системы и сети» Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии. Под редакцией проф., д.т.н. Жданова В.С. МИЭМ, М., 2005 с. 172-185.
11. Дмитриев В.П. Нуруллаев А.Т., Бобович П.А. Мерзлов Л.Ю.
Переходные процессы в оптоэлектронных приборах и системах Сборник «Вычислительные научных трудов Кафедры системы и сети» Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии. Под редакцией проф., д.т.н. Жданова В.С. МИЭМ, М., 2005 с. 186- 12. Мерзлов Л.Ю. Методика расчета оптоэлектронного атмосферного инфракрасного канала связи на малые дистанции. Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ.
Тезисы докладов. –М.~: МИЭМ, 2007. – 469с. С 261-263.
13. Дмитриев В.П., Блюмин А.В., Нуруллаев А.Т., Бобович П.А., Коршунов И.В., Барлыбаев Р.Г. Качество функционирования оптоэлектронного атмосферного канала передачи информации в вычислительных сетях. Журнал: Качество, инновации, образованием.
№2(24). Москва. 2007 с. 29-