RU2757997C1 - Digital atmospheric optical communication system - Google Patents
Digital atmospheric optical communication system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2757997C1 RU2757997C1 RU2020123187A RU2020123187A RU2757997C1 RU 2757997 C1 RU2757997 C1 RU 2757997C1 RU 2020123187 A RU2020123187 A RU 2020123187A RU 2020123187 A RU2020123187 A RU 2020123187A RU 2757997 C1 RU2757997 C1 RU 2757997C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- optical transmitter
- optical communication
- digital
- ultraviolet
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике оптической связи и передачи информации и может быть использовано для организации связи между различными подвижными и стационарными наземными, надводными, воздушными и подводными объектами, а также в аппаратуре атмосферной и космической связи.The invention relates to techniques for optical communication and information transmission and can be used to organize communication between various mobile and stationary ground, surface, air and underwater objects, as well as in atmospheric and space communication equipment.
Известны системы оптической связи, обеспечивающие обмен информацией между наземными, воздушными, надводными и подводными объектами, состоящие из передающего канала, включающего в себя источник излучения в виде светодиода или лазера и оптическую систему, формирующую оптический пучок или оптический импульс заданной формы, и из приемного канала, включающего в себя объектив и фотоприемник в виде линейки или матрицы чувствительных элементов [1. Патент RU 2703797 от 05.02.2019; 2. Патент RU 2697389 от 22.03.2018; 3. Патент RU 2451397 от 14.10.2009; 4. Патент RU 2608757 от 15.10.2012; RU 2653528 от 19.09.2016. 5. Заявка RU 2020101994 от 17.01.2020].Known optical communication systems that provide information exchange between ground, air, surface and underwater objects, consisting of a transmission channel, including a radiation source in the form of an LED or laser and an optical system that forms an optical beam or optical pulse of a given shape, and from the receiving channel , which includes a lens and a photodetector in the form of a ruler or a matrix of sensitive elements [1. Patent RU 2703797 dated 02/05/2019; 2. Patent RU 2697389 dated 03.22.2018; 3. Patent RU 2451397 dated 14.10.2009; 4. Patent RU 2608757 from 15.10.2012; RU 2653528 dated 09.19.2016. 5. Application RU 2020101994 dated 17.01.2020].
Наиболее близким к заявляемой системе оптической связи является цифровая система оптической связи [Волков С.А., Овсянкин С.В. Особенности демодуляции современных оптических сигналов // Техника радиосвязи. - 2016. - №1. - С. 64-71], содержащая модулятор и оптический передатчик, соединенные последовательно, оптоэлектронный приемник, аналого-цифровой преобразователь и цифровой демодулятор, соединенные последовательно, при этом выход оптического передатчика и вход оптоэлектронного приемника соединены оптическим каналом связи.Closest to the claimed optical communication system is a digital optical communication system [SA Volkov, SV Ovsyankin. Features of demodulation of modern optical signals // Radio communication technology. - 2016. - No. 1. - P. 64-71], containing a modulator and an optical transmitter connected in series, an optoelectronic receiver, an analog-to-digital converter and a digital demodulator connected in series, while the output of the optical transmitter and the input of the optoelectronic receiver are connected by an optical communication channel.
Недостатками аналогов и прототипа являются следующие:The disadvantages of analogs and the prototype are as follows:
- передача и прием информационных сигналов осуществляются на одной несущей частоте, что не обеспечивает требуемое отношение сигнал/шум в принимаемом сообщении;- transmission and reception of information signals are carried out on the same carrier frequency, which does not provide the required signal-to-noise ratio in the received message;
- невозможность передачи и приема информационных сигналов на нескольких несущих одновременно;- the impossibility of transmitting and receiving information signals on several carriers at the same time;
- существующие оптоэлектронные приемники не могут одновременно работать и в ультрафиолетовом, и в инфракрасном диапазонах длин волн оптического излучения;- existing optoelectronic receivers cannot simultaneously operate in the ultraviolet and infrared ranges of optical radiation wavelengths;
- низкая помехозащищенность при работе в дневных условиях, характеризуемых высоким уровнем фотонного шума, обусловленного солнечным излучением;- low noise immunity when working in daytime conditions, characterized by a high level of photon noise caused by solar radiation;
- демаскировка факта оптической связи в видимом диапазоне оптического излучения.- unmasking the fact of optical communication in the visible range of optical radiation.
Задача изобретения - повышение помехозащищенности и пропускной способности системы оптической связи и обеспечение скрытности ее работы.The objective of the invention is to increase the noise immunity and throughput of the optical communication system and ensure the secrecy of its operation.
Технический результат достигается за счет того, что в цифровую систему оптической связи, содержащую последовательно соединенные модулятор и оптический передатчик, последовательно соединенные оптоэлектронный приемник, аналого-цифровой преобразователь и цифровой демодулятор, при этом выход оптического передатчика соединен с оптическим каналом связи, введены блок контроллеров оптического передатчика, соединенный с управляющими входами оптического передатчика, и блок перестраиваемых оптических фильтров, установленный между входом оптоэлектронного приемника и выходом оптического канала связи, при этом оптоэлектронный приемник выполнен в виде оптически последовательно оптически сопряженных приемной оптической системы и набора приемников ультрафиолетового и инфракрасного рабочих спектральных диапазонов оптического излучения, выходы которых являются входами аналого-цифрового преобразователя, который выполнен многоканальным, оптический передатчик выполнен в виде набора перестраиваемых по частоте ультрафиолетового и инфракрасного лазеров, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами контроллера оптического передатчика, информационным сигналом модулируют одновременно излучение оптического передатчика на нескольких несущих частотах, которое одновременно принимают несколькими ультрафиолетовыми и инфракрасными приемниками, при этом несущие частоты излучения оптического передатчика согласованы по электромагнитному спектру с фраунгоферовыми линиями поглощения в ультрафиолетовом и в инфракрасном диапазонах оптического излучения, а оптоэлектронный приемник обеспечивает прием информационных сигналов на несущих частотах ультрафиолетового и инфракрасного излучения в нескольких спектральных диапазонах, соответствующих фраунгоферовым линиям поглощения.The technical result is achieved due to the fact that in a digital optical communication system containing a series-connected modulator and an optical transmitter, a series-connected optoelectronic receiver, an analog-to-digital converter and a digital demodulator, while the output of the optical transmitter is connected to an optical communication channel, an optical control unit is introduced transmitter connected to the control inputs of the optical transmitter, and a block of tunable optical filters installed between the input of the optoelectronic receiver and the output of the optical communication channel, while the optoelectronic receiver is made in the form of optically sequentially optically coupled receiving optical system and a set of receivers for ultraviolet and infrared operating spectral ranges of the optical radiation, the outputs of which are the inputs of an analog-to-digital converter, which is made multi-channel, the optical transmitter is made in the form of a set of tunable frequencies e of ultraviolet and infrared lasers, the control inputs of which are connected to the corresponding outputs of the controller of the optical transmitter, the information signal modulates simultaneously the radiation of the optical transmitter at several carrier frequencies, which is simultaneously received by several ultraviolet and infrared receivers, while the carrier frequencies of the radiation of the optical transmitter are coordinated in the electromagnetic spectrum with Fraunhofer absorption lines in the ultraviolet and infrared ranges of optical radiation, and the optoelectronic receiver provides reception of information signals at carrier frequencies of ultraviolet and infrared radiation in several spectral ranges corresponding to Fraunhofer absorption lines.
Блок перестраиваемых оптических фильтров выполнен в виде набора узкополосных интерференционных светофильтров, согласованных по спектру с несущими частотами принимаемых информационных сигналов.The block of tunable optical filters is made in the form of a set of narrow-band interference filters, spectrally matched with the carrier frequencies of the received information signals.
Оптоэлектронный приемник обеспечивает прием информационных сигналов на несущих частотах ультрафиолетового и инфракрасного излучения в нескольких спектральных диапазонах, соответствующих фраунгоферовым линиям поглощения. При этом передача и прием информационных сигналов осуществляются через атмосферный и/или через космический оптический канал связи.The optoelectronic receiver provides reception of information signals at carrier frequencies of ultraviolet and infrared radiation in several spectral ranges corresponding to Fraunhofer absorption lines. In this case, the transmission and reception of information signals are carried out through the atmospheric and / or through the space optical communication channel.
Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами:The claimed invention is illustrated by drawings:
- фиг. 1 - функциональная схема цифровой системы атмосферной оптической связи;- fig. 1 is a functional diagram of a digital atmospheric optical communication system;
- фиг. 2 - блок оптического передатчика.- fig. 2 - optical transmitter unit.
Функциональная схема включает в себя следующие функциональные элементы (см. фиг. 1, 2): 1 - входной информационный сигнал; 2 - модулятор оптического излучения; 3 - оптический передатчик; 31 - перестраиваемый по частоте ультрафиолетовый (УФ)-лазер; 32 - перестраиваемый по частоте инфракрасный (ИК)-лазер; 4 - блок контроллеров оптического передатчика; 41 - контроллер УФ-лазера; 42 - контроллер ИК-лазера u=[uУФ, uИК] - вектор управляющих сигналов контроллера оптического передатчика; uУФ - управляющий сигнал ультрафиолетового лазера; uИК - управляющий сигнал инфракрасного лазера; 5 - атмосферный оптический канал связи; 6 - цифровой оптический приемник; 7 - блок перестраиваемых оптических фильтров; 8 - приемная оптическая система; 9 - блок приемников УФ- 91 и ИК- 92 излучения; 10 - многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 11 - цифровой демодулятор; 12 - выходной цифровой сигнал, - при этом блок контроллеров оптического передатчика соединен с управляющими входами оптического передатчика 3, блок перестраиваемых оптических фильтров установлен на входе оптоэлектронного приемника, оптоэлектронный приемник выполнен в виде последовательно оптически сопряженных приемной оптической системы и блока приемников ультрафиолетового и инфракрасного рабочих спектральных диапазонов оптического излучения, выходы которых соединены с входами аналого-цифрового преобразователя, который выполнен многоканальным, оптический передатчик выполнен в виде набора перестраиваемых по частоте ультрафиолетового и инфракрасного лазеров, управляющие входы которых соединены соответственно с выходами контроллера УФ-лазера и контроллера ИК-лазера.The functional diagram includes the following functional elements (see Fig. 1, 2): 1 - input information signal; 2 - optical radiation modulator; 3 - optical transmitter; 3 1 - frequency tunable ultraviolet (UV) laser; 3 2 - frequency tunable infrared (IR) laser; 4 - block of controllers of the optical transmitter; 4 1 - UV laser controller; 4 2 - IR laser controller u = [u UV , u IR ] - vector of control signals of the optical transmitter controller; u UV - control signal of the ultraviolet laser; u IR - infrared laser control signal; 5 - atmospheric optical communication channel; 6 - digital optical receiver; 7 - block of tunable optical filters; 8 - receiving optical system; 9 - block of receivers of UV-9 1 and IR-9 2 radiation; 10 - multichannel analog-to-digital converter (ADC); 11 - digital demodulator; 12 - digital output signal, while the control unit of the optical transmitter is connected to the control inputs of the
В заявляемой цифровой системе атмосферной оптической связи предусмотрена передача информационного сигнала на нескольких несущих частотах оптического диапазона, которые совпадают со спектральными диапазонами, соответствующими спектральным диапазонам фраунгоферовых линий поглощения. Это позволяет, с одной стороны, избавиться от влияния фонового (фотонного) шума от солнечного излучения на фраунгоферовых линиях, то есть существенно улучшить помехозащищенность системы связи, а, с другой стороны, еще больше увеличить отношение сигнал/шум, так как при приеме одного и того же информационного сигнала на n несущих частотах сигналы суммируются линейно, а аддитивные шумы в смеси с полезным сигналом - среднеквадратично, в результате чего отношение сигнал/шум на выходе оптоэлектронного приемника возрастает в корень квадратный из n. Рассмотрим систему уравнений, представляющих собой выходные сигналы u1, u2, …, un приемников УФ- и ИК-излучения, выраженные суммой полезных сигналов S1, S2, …, Sn и шумов N1, N2, …, Nn:The claimed digital atmospheric optical communication system provides for the transmission of an information signal at several carrier frequencies of the optical range, which coincide with the spectral ranges corresponding to the spectral ranges of Fraunhofer absorption lines. This allows, on the one hand, to get rid of the influence of the background (photon) noise from solar radiation on Fraunhofer lines, that is, to significantly improve the noise immunity of the communication system, and, on the other hand, to further increase the signal-to-noise ratio, since when receiving one and of the same information signal at n carrier frequencies, the signals are summed linearly, and the additive noise mixed with the useful signal is rms, as a result of which the signal-to-noise ratio at the output of the optoelectronic receiver increases by the square root of n. Consider a system of equations representing the output signals u 1 , u 2 , ..., u n of UV and IR radiation receivers, expressed as the sum of useful signals S 1 , S 2 , ..., S n and noise N 1 , N 2 , ..., N n :
Найдем отношение сигнал/шум S/N:Find the signal-to-noise ratio S / N:
Из последнего выражения следует, что отношение сигнал/шум в принятом информационном сигнале возрастает в n0,5 раз. Так, например, при использовании 9 несущих частот для передачи информационного сигнала отношение сигнал/шум в принятом сообщении возрастет в 3 раза.From the last expression it follows that the signal-to-noise ratio in the received information signal increases n 0.5 times. So, for example, when using 9 carrier frequencies for transmitting an information signal, the signal-to-noise ratio in the received message will increase 3 times.
Заявляемая цифровая система атмосферной оптической связи работает следующим образом. Лазерное излучение оптического передатчика 3, промодулированное информационным сигналом 1 в модуляторе 2, на нескольких длинах волны, соответствующих линиям поглощения Фраунгофера и заданных, в зависимости от состояния атмосферного канала связи, контроллерами 41 или 42, пройдя среду распространения в виде слоя атмосферы 5, поступает в блок перестраиваемых оптических фильтров 7, где производится фильтрация фотонного шума от фонового солнечного излучения. Далее информационный сигнал на нескольких несущий частотах поступает в приемную оптическую систему в и далее - в оптоэлектронный приемник 9, преобразующий лазерное излучение в электрический сигнал. Многоканальный АЦП 10 преобразует информационный сигнал в цифровую форму и демодулируется в цифровом демодуляторе 11, выходной сигнал 12 которого подвергается дальнейшей обработке (например, автоматическому распознаванию). При высокой прозрачности атмосферы возможно использование как УФ-, так и ИК-диапазона. В случае замутненной атмосферы использование ИК-диапазона более предпочтительно.The claimed digital atmospheric optical communication system operates as follows. Laser radiation of the
Благодаря применению передачи информационного сигнала с помощью нескольких несущих оптического излучения на длинах волн, соответствующих фраунгоферовым линиям поглощения, для передачи информации достигают максимально возможного значения отношения сигнал/фотонный шум, увеличенного в корень квадратный из числа используемых несущих частот. Увеличение пропускной способности достигается за счет перехода в терагерцевый частотный диапазон, характерный для оптического излучения.Due to the use of information signal transmission using several optical radiation carriers at wavelengths corresponding to Fraunhofer absorption lines, the maximum possible value of the signal-to-photon noise ratio, increased by the square root of the number of used carrier frequencies, is achieved for information transmission. The increase in transmission capacity is achieved due to the transition to the terahertz frequency range, characteristic of optical radiation.
Технический результат заключается в повышении помехозащищенности, в увеличении пропускной способности и отношения сигнал/шум в принимаемом сообщении и в обеспечении скрытности работы системы оптической связи при визуальном наблюдении.The technical result consists in increasing the noise immunity, in increasing the bandwidth and signal-to-noise ratio in the received message and in ensuring the secrecy of the optical communication system during visual observation.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020123187A RU2757997C1 (en) | 2020-07-07 | 2020-07-07 | Digital atmospheric optical communication system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020123187A RU2757997C1 (en) | 2020-07-07 | 2020-07-07 | Digital atmospheric optical communication system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2757997C1 true RU2757997C1 (en) | 2021-10-25 |
Family
ID=78289690
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020123187A RU2757997C1 (en) | 2020-07-07 | 2020-07-07 | Digital atmospheric optical communication system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2757997C1 (en) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008038181A2 (en) * | 2006-09-28 | 2008-04-03 | Philips Intellectual Property & Standards Gmbh | Solid-state light source with color feedback and combined communication means |
RU2380834C1 (en) * | 2008-06-23 | 2010-01-27 | Юрий Федорович Кутаев | Method for laser space communications and facility for its implementation |
WO2010100576A1 (en) * | 2009-03-03 | 2010-09-10 | Koninklijke Philips Electronics, N.V. | Method for a personal mobile divace communication of service orders |
WO2016022849A1 (en) * | 2014-08-06 | 2016-02-11 | Interdigital Patent Holdings, Inc. | Device-to-device (d2d) pre-emption and access control |
WO2017042093A1 (en) * | 2015-09-07 | 2017-03-16 | Philips Lighting Holding B.V. | Embedding data into light |
RU2668359C1 (en) * | 2016-07-25 | 2018-09-28 | Сергей Николаевич Григорьев-Фридман | Intercom device based on solid-state laser with pump by laser diode |
WO2018204491A1 (en) * | 2017-05-03 | 2018-11-08 | Idac Holdings, Inc. | Method and apparatus for improving hybrid automatic repeat request (harq) feedback performance of enhanced mobile broadband (embb) when impacted by low latency traffic |
-
2020
- 2020-07-07 RU RU2020123187A patent/RU2757997C1/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008038181A2 (en) * | 2006-09-28 | 2008-04-03 | Philips Intellectual Property & Standards Gmbh | Solid-state light source with color feedback and combined communication means |
RU2380834C1 (en) * | 2008-06-23 | 2010-01-27 | Юрий Федорович Кутаев | Method for laser space communications and facility for its implementation |
WO2010100576A1 (en) * | 2009-03-03 | 2010-09-10 | Koninklijke Philips Electronics, N.V. | Method for a personal mobile divace communication of service orders |
WO2016022849A1 (en) * | 2014-08-06 | 2016-02-11 | Interdigital Patent Holdings, Inc. | Device-to-device (d2d) pre-emption and access control |
WO2017042093A1 (en) * | 2015-09-07 | 2017-03-16 | Philips Lighting Holding B.V. | Embedding data into light |
RU2668359C1 (en) * | 2016-07-25 | 2018-09-28 | Сергей Николаевич Григорьев-Фридман | Intercom device based on solid-state laser with pump by laser diode |
WO2018204491A1 (en) * | 2017-05-03 | 2018-11-08 | Idac Holdings, Inc. | Method and apparatus for improving hybrid automatic repeat request (harq) feedback performance of enhanced mobile broadband (embb) when impacted by low latency traffic |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN112924985B (en) | Mixed laser radar for Mars atmospheric detection | |
US4731881A (en) | Narrow spectral bandwidth, UV solar blind detector | |
CN103117796A (en) | Relay retransmission device and relay retransmission method for satellite radio frequency and optical fiber signal transmission data | |
Sui et al. | The evaluation of modulation techniques for underwater wireless optical communications | |
EP1013011B1 (en) | Method and apparatus for laser communication through a lossy medium | |
CN104767565A (en) | Multiple-input Multiple-output (MIMO) light communication method, MIMO light communication device and MIMO light communication system | |
Góis et al. | Development and validation of blue ray, an optical modem for the MEDUSA class AUVs | |
GB1581151A (en) | One-way transmission system | |
CN105388134A (en) | Fluorescence signal enhanced distance-self-adaptation oil spilling monitoring method | |
RU2757997C1 (en) | Digital atmospheric optical communication system | |
CN114268375B (en) | Photon compressed sensing method and system based on chirped fiber grating | |
CN205280585U (en) | Apart from self -adaptation ocean oil spilling monitoring facilities | |
Tabassum et al. | Performance analysis of free space optics link for different cloud conditions | |
Hulea et al. | Mitigation method for the solar irradiation effect in visible light communications | |
Khair et al. | Performance Analysis of Indoor Light Fidelity Technology Propagation Using Fixed and Movable LED Panels. | |
CN201830267U (en) | Photon type digital microwave frequency measuring device adopting phase shift comb type filter array | |
Herji et al. | A study of modulation formats for the blue ray underwater optical modem | |
CN113708843A (en) | Underwater wireless optical communication receiving device with high dynamic range | |
CN102801472A (en) | Ultraviolet communication method based on spread spectrum communication and sliding mean filtering | |
Murugan et al. | BER and eye pattern analysis of 5G optical communication system with filters | |
Kaur et al. | Simulative Analysis of DWDM Systems Using Loop Control in Inter Satellite Optical Wireless Communication Channel for 10,000 km Long Distance Transmission | |
Mamatha et al. | Underwater wireless optical communication-A review | |
CN102723985B (en) | Bandwidth optimization and design method for optical frequency code chips of spectral amplitude encoding/decoding system | |
RU2744941C1 (en) | Optical communication system | |
Basha et al. | Design and implementation of a tuned Analog Front-end for extending VLC transmission range |