RU67226U1

RU67226U1 - OPEN OPTICAL COMMUNICATION INTERNAL DEVICE

Info

Publication number: RU67226U1
Application number: RU2007113317/22U
Authority: RU
Inventors: Андрей Андреевич Катанович; Сергей Александрович Лобов; Валерий Павлович Чемиренко
Priority date: 2007-04-09
Filing date: 2007-04-09
Publication date: 2007-10-10

Abstract

Полезная модель относится к области электрорадиотехники, а именно к внутрикорабельной открытой оптической связи и может использовано для аварийной связи внутри отсеков кораблей, судов и других закрытых объектов. Достигаемым техническим результатом является повышение надежности, увеличение дальности связи и уменьшения массо-габаритных характеристик. Сущность полезной модели заключается в том, что в качестве оптического излучателя используется полупроводниковый инжекторный лазер типа ЛПИ-101 соединенный с модулятором его накачки, при этом указанный лазер имеет не идентичные диограммы направленности, обеспечивающие дальность связи до 20 м и более. Ил.6.The utility model relates to the field of electro-radio engineering, namely to intra-ship open optical communication and can be used for emergency communications inside the compartments of ships, ships and other closed objects. Achievable technical result is to increase reliability, increase communication range and reduce weight and size characteristics. The essence of the utility model is that an LPI-101 type semiconductor injection laser connected to a pump modulator is used as an optical emitter, while this laser has non-identical directivity diagrams that provide a communication range of up to 20 m or more. Fig. 6.

Description

Полезная модель относится к области электрорадиотехники, а именно к внутриобъектовой оптической связи и может использоваться как одна из подсистем аварийной внутрикорабельной связи.The utility model relates to the field of electro-radio engineering, namely to intra-object optical communication and can be used as one of the subsystems of emergency intra-ship communication.

В последнее десятилетие получило распостранение использование полупроводниковых излучателей (светодиодов) в открытых системах свяжи между подвижными надводными и наземными объектами, а также внутри подвижных объектов. Обладая высокой направленностью оптического излучения, небольшими объемом и массой излучателя, оптические линии связи обеспечивают скрытность передачи информации, полную развязку абонентов между собой, нечувствительность к электромагнитным помехам, что очень важно для судовых систем связи, в том числе для кораблей и подводных лодок.In the last decade, the use of semiconductor emitters (LEDs) in open communication systems between mobile surface and ground objects, as well as inside moving objects, has become widespread. Possessing a high directivity of optical radiation, a small volume and mass of the emitter, optical communication lines provide stealth information transmission, complete isolation of the subscribers between each other, insensitivity to electromagnetic interference, which is very important for ship communication systems, including ships and submarines.

Важным фактором при разработке открытых линий связи является выбор оптимальной мощности оптического излучения. С одной стороны, излучатель должен обладать достаточно высокой мощностью при малых габаритах всего устройства, а с другой - излучаемая энергия не должна превышать максимально допустимого значения.An important factor in the development of open communication lines is the choice of the optimal optical radiation power. On the one hand, the emitter should have a sufficiently high power with the small dimensions of the entire device, and on the other hand, the radiated energy should not exceed the maximum permissible value.

Известны легкие беспроводные телефоны Н1406, электрическая часть которых выполнена на интегральных микросхемах, а также с использованием светоизлучающих диодов. /ИК-головные телефоны. Радио, 1987, №3. С.61/Known for light cordless telephones H1406, the electrical part of which is made on integrated circuits, as well as using light emitting diodes. / IR head phones. Radio, 1987, No. 3. P.61 /

Телефоны питаются от двух малогабаритных аккумуляторов, заключенных в отдельный корпус.Phones are powered by two small batteries, enclosed in a separate housing.

Прототипом заявляемого устройства является «Тракт ИК передачи звука в цветном телевизоре СТ 4070 «Лева». /Шлемов К.Д. Оптико-электронные преобразователи для оптических систем связи. - Техника средств связи. Серия. Внутриобъектовая Связь, 1982, вып.2, С 116-125/.The prototype of the claimed device is the "IR transmission of sound in a color TV ST 4070" Leva ". / Shlemov K.D. Optoelectronic converters for optical communication systems. - Communication technology. Series. Intra-Object Communication, 1982, issue 2, C 116-125 /.

Излучатель, находящийся на панели телевизора над громкоговорителем, состоит из восьми последовательно включенных светодиодов. Электрическая схема передатчика включает в себя усилитель с ИМ-детектором. Выход ИМ-детектора соединен с усилительным каскадом, подключенным к базовым цепям симметричного мультивибратора. При отсутствии сигнала средняя частота мультивибратора устанавливается равной 93,7 кГц, нагрузкой оконечного каскада являются светодиоды. Фотодиод приемника ИК излучения подключен ко входу The emitter located on the TV panel above the loudspeaker consists of eight LEDs connected in series. The transmitter circuitry includes an amplifier with an IM detector. The output of the IM detector is connected to an amplifier stage connected to the base circuits of a symmetric multivibrator. In the absence of a signal, the average multivibrator frequency is set equal to 93.7 kHz, the LEDs are the load of the terminal stage. The photodiode of the infrared receiver is connected to the input

усилителя, обладающего большим коэффициентом усиления при малых собственных шумах и высокой стабильности параметров. Принятый сигнал затем подается на резонансный усилитель и демодулятор. Нагрузкой УНЧ являются телефоны.an amplifier with a large gain at low noise and high stability parameters. The received signal is then fed to a resonant amplifier and a demodulator. The load of the ULF are telephones.

Недостатками как аналога, так и прототипа является то, что в рассматриваемых устройствах использованы светодиоды, создающие большой угол обзора. Однако создать равномерное поле излучения практически не удается даже при большом количестве светодиодов. Стоимость такого количества светодиодов становится соизмеримой со стоимостью полупроводникового лазера с импульсной мощностью в 1-2 Вт. Диограмма излучения лазера не имеет провала, а установка его на передатчике не вызывает конструктивных трудностей.The disadvantages of both the analogue and the prototype is that the LEDs used in the devices under consideration create a large viewing angle. However, it is practically impossible to create a uniform radiation field even with a large number of LEDs. The cost of such a number of LEDs becomes comparable with the cost of a semiconductor laser with a pulse power of 1-2 watts. The laser radiation diagram has no failure, and its installation on the transmitter does not cause structural difficulties.

Целью полезной модели является повышение надежности, увеличение дальности связи и уменьшения массо-габаритных характеристик.The purpose of the utility model is to increase reliability, increase communication range and reduce weight and size characteristics.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, состоящее из оптического передатчика, электронной схемы, которая включает в себя микрофон, последовательно соединенный с усилителем низкой частоты, преобразователем аналогового сигнала - частотно импульсная модуляция и излучателем, а электронная схема оптического приемника состоит из фотодетектора последовательно соединенного с усилителем импульсов, демодулятором и головными телефонами, при этом излучатель оптического передатчика выполнен в виде полупроводникового инжекторного лазера, типа ЛПИ-101 соединенного с модулятором его накачки, причем фотодетектор выполнена виде фотодиода типа ФД27к, который через усилитель импульсов последовательно соединен с формирователем импульсов, фильтром и усилителем низкой частоты, головными телефонами или громкоговорителем.This goal is achieved in that in a device consisting of an optical transmitter, an electronic circuit that includes a microphone connected in series with a low-frequency amplifier, an analog signal converter - pulse frequency modulation and a radiator, and the electronic circuit of the optical receiver consists of a photodetector connected in series with a pulse amplifier, demodulator and headphones, while the emitter of the optical transmitter is made in the form of a semiconductor injection laser, type ЛПИ-101 connected to its pump modulator, and the photodetector is made in the form of a photodiode type ФД27к, which through a pulse amplifier is connected in series with a pulse shaper, a filter and a low-frequency amplifier, head phones or a loudspeaker.

Структурная схема предлагаемого устройства приведена на ФИГ.1. Она состоит из передатчика и приемника, В передатчик входит: 1 - ларингофон; 2 - усилитесь низкой частоты; 3 - преобразователь аналогового сигнала - частотно импульсная модуляция (ЧИМ); 4 - модулятор накачки; 5 - полупроводниковый инжекторный лазер типа ЛПИ-101. В приемник входит: 6 - фотодетектор (фотодиод) типа ФД2к; 7 - импульсный усилитель; 8 - формирователь импульсов; 9 - фильтр низкой частоты; 10 - усилитель низкой частоты; 11 - головные телефоны или громкоговоритель.The structural diagram of the proposed device is shown in FIG.1. It consists of a transmitter and a receiver. The transmitter includes: 1 - laryngophone; 2 - amplify low frequency; 3 - analog signal converter - pulse frequency modulation (PFM); 4 - pump modulator; 5 - semiconductor injection laser type LPI-101. The receiver includes: 6 - photodetector (photodiode) type FD2k; 7 - pulse amplifier; 8 - pulse shaper; 9 - low-pass filter; 10 - low frequency amplifier; 11 - head phones or loudspeaker.

Работает устройство следующим образом. С выхода микрофона 1 сигнал поступает на усилитель низкой частоты 2, где усиливается до уровня 1-2 В и поступает на преобразователь 3 аналогового сигнала в последовательность импульсов с изменяющейся частотой следования. Зависимость частоты следования импульсов от амплитуды переменного сигнала преобразователя приведены на ФИГ.2. Модуляторы 4 и лазером 5 импульс преобразуется в оптическое излучение. Излученные импульсы принимаются фотодиодом 6, усиливаются импульсным усилителем 7 с коэффициентом К=1000 и подаются на формирователь 8 длительности и амплитуды (Т_имп.=0,5 мкс. U_имп.=9 В). Далее The device operates as follows. From the output of the microphone 1, the signal is fed to a low-frequency amplifier 2, where it is amplified to a level of 1-2 V and fed to the converter 3 of the analog signal in a pulse sequence with a variable repetition rate. The dependence of the pulse repetition rate on the amplitude of the variable signal of the Converter are shown in FIG. 2. Modulators 4 and a laser 5 pulse is converted into optical radiation. The emitted pulses are received by the photodiode 6, amplified by a pulse amplifier 7 with a coefficient of K = 1000 and fed to the shaper 8 of duration and amplitude (T _imp. = 0.5 μs. U _imp. = 9 V). Further

восстановленные импульсы подаются на фильт 9 низкой частоты с частотой среза 7 кГц и крутизной спада 18 дБ/окт. При отсутствии передаваемого сигнала сигнал на выходе фильтра также отсутствует, а при наличии сигнала последний усиливается усилителем низкой частоты 10 и поступает на телоефоны или громкоговоритель 11. Амплитудно-частотная характеристика приемного тракта приведена на ФИГ.3, из которой видно, что в диапазоне от 5о Гц до 7 кГц характеристика тракта линейная. Коэффициент нелинейных искажений составляет не более 1% при сигнале 2-2,5 В.the reconstructed pulses are fed to a low-pass filter 9 with a cutoff frequency of 7 kHz and a slope of 18 dB / oct. In the absence of a transmitted signal, the signal at the output of the filter is also absent, and in the presence of a signal, the latter is amplified by a low-frequency amplifier 10 and supplied to telephones or a loudspeaker 11. The frequency response of the receiving path is shown in FIG. 3, which shows that in the range from 5 ° Hz to 7 kHz path characteristic linear. The coefficient of nonlinear distortion is not more than 1% at a signal of 2-2.5 V.

На качестве речевого сигнала значительное влияние оказывает диограмма направленности оптического излучения лазера, приведенная на Фиг.4, в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Особенностью полупроводниковых лазеров является то, что указанные диограммы не идентичны, т.е. различаются по углу расходимости в 2-3 раза, что является положительным фактором, т.к. в вертикальной плоскости толщина светового потока достаточна в пределах 1,5 м на дальности в 15-20 м.The quality of the speech signal is significantly influenced by the directivity diagram of the laser optical radiation shown in FIG. 4 in horizontal and vertical planes. A feature of semiconductor lasers is that these diagrams are not identical, i.e. differ in the divergence angle by 2-3 times, which is a positive factor, because in the vertical plane, the luminous flux thickness is sufficient within 1.5 m at a distance of 15-20 m.

Электрические схемы оптического передатчика и приемника оптического излучения приведены на Фнг.5 и 6. Схемы выполнены на дискретных элементах широкого применения. Так, в качестве транзисторов используются КТ 315 А.Б; КТ3 61 А.Б. Приведенные на Фиг.5 и 6 электрические принципиальные схемы выполнены в виде двух микросборок, что повысит технологичность сборки, улучшит массо-габаритные характеристики и снизит стоимость при серийном изготовлении устройства.The electrical circuits of the optical transmitter and receiver of optical radiation are shown in Figs. 5 and 6. The circuits are made on discrete elements of wide application. So, CT 315 A.B are used as transistors; KT3 61 A.B. The electrical circuit diagrams shown in FIGS. 5 and 6 are made in the form of two microassemblies, which will increase the manufacturability of the assembly, improve the mass-dimensional characteristics and reduce the cost of mass production of the device.

3аявляемое устройство позволяет обеспечить устойчивую передачу речевого сигнала в помещении на расстоянии до 20 м при угле расхождения до 80° (по уровню 0,7) по горизонтали и до 30° по вертикали. Кроме того, мощность лазера достаточна (5-7 Вт в импульсе) для использования отраженного от стен или зеркальной поверхности сигнала с целью увеличения дальности передачи.The inventive device allows for stable transmission of a speech signal in a room at a distance of up to 20 m with a divergence angle of up to 80 ° (at a level of 0.7) horizontally and up to 30 ° vertically. In addition, the laser power is sufficient (5-7 W per pulse) to use the signal reflected from the walls or mirror surface in order to increase the transmission distance.

Кроме основных требований к приемнику (минимально возможные массы и габариты, срок службы батарей и излучателей), главным требованием все-таки остается обеспечение безопасности воздействия оптического излучения на зрение человека. Известно, что если световую энергию лазера сфокусировать линзовым объективом до высокой плотности, то, попадая на сетчатку глаза, излучение вызывает ожог. Рядом экспериментов медики определили параметры порогового уровня энергии, который является безопасным для глаза: длительность импульсов - 1 нс ÷ 0,1 с; частота повторения - 10 Гц - 10 кГц; энергия излучения: при дневном излучении - 5·10^-7 Дж/см², в помещении - 2·10^-7 Дж/см²; ночью - 1·10^-7 Дж/см².In addition to the basic requirements for the receiver (the minimum possible masses and dimensions, the life of the batteries and emitters), the main requirement still remains to ensure the safety of the effects of optical radiation on human vision. It is known that if the light energy of a laser is focused by a lens to a high density, then, falling on the retina of the eye, the radiation causes a burn. A series of experiments, doctors determined the parameters of the threshold energy level, which is safe for the eye: pulse duration - 1 ns ÷ 0.1 s; repetition rate - 10 Hz - 10 kHz; radiation energy: during daylight radiation - 5 · 10 ^-7 J / cm ² , indoors - 2 · 10 ^-7 J / cm ² ; at night - 1 · 10 ^-7 J / cm ² .

Для расчета безопасности разрешенной энергии, не вызывающей повреждение глаза, можно пользоваться выражением:To calculate the safety of the allowed energy that does not cause damage to the eye, you can use the expression:

где W - энергия оптического излучения, Дж/см²;where W is the energy of optical radiation, J / cm ² ;

P_имп. - импульсная мощность излучения, Вт;P _imp. - pulsed radiation power, W;

S_ап - площадь апертуры объектива передатчика, см^2; S _ap - area of the aperture of the transmitter lens, cm ^2;

T_имп.- длительность импульса излучения, сT _imp. - radiation pulse duration, s

Для предлагаемого излучателя с Р_имп.=5 Вт, получим W=7·10^-9 Дж/см². Таким образом, если человек приблизится к передатчику на расстояние 5 см от глаз, он не повредит зрение.For the proposed emitter with P _imp. = 5 W, we obtain W = 7 · 10 ^-9 J / cm ² . Thus, if a person approaches the transmitter 5 cm from the eyes, he will not damage his vision.

Заявляемое устройство может найти применение для связи между абонентами в помещениях с большими акустическими шумами (на судах и кораблях), увеличение дальности передачи возможно за счет использования дополнительной фокусирующей оптики.The inventive device can be used for communication between subscribers in rooms with high acoustic noise (on ships and ships), increasing the transmission range is possible through the use of additional focusing optics.

Claims

An intra-ship open optical communication device consisting of an optical transmitter, the electronic circuit of which includes an electro-acoustic transducer (microphone, laryngophones) connected in series with a low-frequency amplifier, an analog signal transducer — pulse-frequency modulation and a radiator, and the electronic circuit of the optical receiver consists of photodetector connected in series with a pulse amplifier, a demodulator and headphones, characterized in that the optical emitter The transmitter is made in the form of a semiconductor injection laser, such as LPI-101, connected to its pump modulator, while the photodetector is made in the form of a PD 27k photodiode, which is connected in series through a pulse amplifier to a pulse former, a low-pass filter, a low-frequency amplifier, and head telephones or loudspeaker.