Устройство передачи данных

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Гулаков Иван Романович Зеневич Андрей Олегович Тимофеев Александр Михайлович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Устройство передачи данных, содержащее формирователь цифровых данных, выходом соединенный со входом источника оптического излучения, связанного через нейтральный светофильтр и оптическую линию связи со входом лавинного фотодиода, катод которого соединен с выходом источника постоянного напряжения, а анод - со входом усилителя и первым выводом резистора нагрузки, второй вывод которого соединен с корпусом устройства, выход усилителя соединен со входом амплитудного дискриминатора счетчик импульсов, отличающееся тем, что содержит таймер, -триггер, логический элемент И, линию задержки и генератор прямоугольных импульсов, причем выход амплитудного дискриминатора соединен с первым входом логического элемента И и с -входом -триггера, Фиг. 1 17250 1 2013.06.30 выход таймера соединен с -входом сброса -триггера, входом линии задержки и управляющим входом генератора прямоугольных импульсов, выход -триггера соединен со входом таймера и со вторым входом логического элемента И, выход которого соединен со счетным С-входом счетчика, -вход сброса которого соединен с выходом линии задержки, а первый и второй выходы - с первым и вторым входами генератора прямоугольных импульсов соответственно, выход которого является выходом устройства. Изобретение относится к телекоммуникационным системам, в частности к средствам передачи данных по оптическим каналам связи. Оно может найти применение в квантовых криптографических системах, а также использоваться для передачи информации на дальние расстояния без ретрансляции сигнала по оптическим линиям связи. Известно устройство передачи данных 1, в котором в качестве носителей информации используются отдельные фотоны. Однако в этом устройстве используются два источника оптического излучения с различной длиной волны, один из которых применяется для синхронизации работы источника и приемника данных. Другой источник используется для передачи данных отдельными фотонами. Это усложняет практическую реализацию устройства. Наиболее близким к заявляемому техническим решением является устройство однофотонного кодирования информации 2 (прототип), включающее источник оптического излучения, формирователь цифровых данных, блок синхронизации, линию связи, источник импульсного питания, источник постоянного напряжения, лавинный фотодиод (ЛФД), резистор нагрузки, разделительный конденсатор, усилитель, амплитудный дискриминатор,счетчик импульсов, нейтральный светофильтр. В указанном устройстве осуществляется синхронизация моментов времени передачи и приема данных и обеспечение согласованной работы источника излучения и ЛФД при помощи блока синхронизации. Блок синхронизации подает синхроимпульсы на управляющие входы формирователя цифровых данных и источника импульсного питания. При отсутствии импульсов на выходе блока синхронизации данные в линию связи не поступают, источник импульсного питания не генерирует импульсы напряжения и напряжение на его выходе равно нулю. При этом источник постоянного напряжения подает на ЛФД напряжение обратного смещения, составляющее 99 от напряжения пробоя этого фотодиода. Такая величина напряжения обратного смещения не позволяет ЛФД работать в режиме счета фотонов. При поступлении сигнала синхронизации на вход формирователя цифровых данных последний генерирует на своем выходе электрический импульс только в случае необходимости передачи символа 1. При передаче символа 0 выходной импульс не формируется. Импульс с выхода формирователя цифровых данных подается на вход источника излучения, на выходе которого возникает оптический импульс. Энергия последнего ослабляется нейтральным светофильтром до энергии одного фотона, в результате чего с выхода светофильтра через оптическую линию связи на ЛФД подается в среднем один фотон. Одновременно по сигналу устройства синхронизации источник импульсного питания формирует прямоугольный импульс стробирования длительностью , который также поступает на ЛФД, увеличивая напряжение его питания до значений, превышающих напряжение пробоя, тем самым переводя ЛФД в область лавинного пробоя. В результате ЛФД начинает работать в режиме счета фотонов и поступающий в оптическую линию связи фотон излучения регистрируется фотодиодом. На нагрузочном резисторе формируется так называемый однофотонный импульс напряжения, поступающий на вход усилителя. После усиления импульс подается на вход амплитудного дискриминатора, выделяющего однофотонный импульс на фоне собственных шумов усилителя. С выхода дискриминатора импульс поступает на вход счетчика импульсов, где он регистрируется. 2 17250 1 2013.06.30 Необходимо отметить, что в этом устройстве наряду с оптической линией связи необходимо использовать дополнительную линию для передачи импульсов синхронизации от блока синхронизации к источнику импульсного питания. Использование такой линии при передаче данных на большие расстояния без ретрансляции сигнала может усложнить практическую реализацию устройства. Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства передачи данных,обеспечивающего передачу информации на большие расстояния без ретрансляции сигнала за счет упрощения устройства передачи данных. Поставленная задача решается таким образом, что устройство передачи данных, содержащее формирователь цифровых данных, выходом соединенный со входом источника оптического излучения, связанного через нейтральный светофильтр и оптическую линию связи со входом лавинного фотодиода, катод которого соединен с выходом источника постоянного напряжения, а анод - со входом усилителя и первым выводом резистора нагрузки, второй вывод которого соединен с корпусом устройства, выход усилителя соединен со входом амплитудного дискриминатора счетчик импульсов, дополнительно содержит таймер, -триггер, логический элемент И, линию задержки и генератор прямоугольных импульсов, причем выход амплитудного дискриминатора соединен с первым входом логического элемента И и с -входом -триггера, выход таймера соединен с -входом сброса -триггера, входом линии задержки и управляющим входом генератора прямоугольных импульсов, выход -триггера соединен со входом таймера и со вторым входом логического элемента И, выход которого соединен со счетным -входом счетчика, -вход сброса которого соединен с выходом линии задержки, а первый и второй выходы - с первым и вторым входами генератора прямоугольных импульсов соответственно, выход которого является выходом устройства. Сущность изобретения заключается в том, что по линии связи на одной длине волны транслируются оптические импульсы слабой мощности длительностью , которые содержат от одного до нескольких десятков фотонов. Для передачи символов 0 и 1 используются оптические сигналы мощностью 1 и 2 соответственно (12). Для приема оптических импульсов используется лавинный фотодиод, который работает в режиме счета фотонов. Поскольку символы 0 и 1 передаются импульсами различной мощности, то на выходе лавинного фотодиода за время передачи символаформируется различное количество электрических импульсов, которое будет прямо пропорционально мощности оптического излучения. Поэтому число импульсов, соответствующее символу 0, будет меньше, чем число импульсов, соответствующее символу 1. Подсчитывая количество импульсов за время , определяют, какой из символов - 0 или 1 - был передан. Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 показана схема устройства,позволяющего передавать данные с учетом приведенных рассуждений, а временная диаграмма его работы - на фиг. 2. Устройство включает в себя источник оптического сигнала ИС, формирователь цифровых данных Ф, нейтральный светофильтр Н, оптическую линию связи Л, источник постоянного напряжения П, лавинный фотодиод ЛФД, резистор нагрузки н, усилитель У,амплитудный дискриминатор Д, счетчик импульсов Сч, логический элемент И, линию задержки ЛЗ, генератор прямоугольных импульсов Г, -триггер Т, таймер . Устройство функционирует следующим образом. Перед началом передачи данных счетчик и триггер сбрасывают в нулевое состояние. На формирователь Ф поступают импульсы, представляющие собой последовательность,состоящую из символов 0 и 1. Формирователь Ф кодирует эти данные таким образом,что символам 0 и 1 соответствуют прямоугольные импульсы длительностьюи 3 17250 1 2013.06.30 напряжением 1 и 2 соответственно, причем 12, а между каждой парой символов находится так называемый защитный временной интервал, в течение которого сигнал на выходе формирователя отсутствует, как показано на фиг. 2. С формирователя Ф импульсы поступают на вход источника оптического сигнала ИС. На выходе источника ИС формируется оптический сигнал длительностьюи мощностью 1 под воздействием на его вход напряжения 1. При появлении на входе источника ИС импульса с напряжением 2 на его выходе генерируется оптический сигнал длительностьюи мощностью 2 (12). Оптическое излучение с выхода источника сигнала ИС поступает через светофильтрв линию связи Л. Из оптической линии связи излучение подается на лавинный фотодиод ЛФД. При помощи источника постоянного напряжения П на лавинный фотодиод подается постоянное напряжение обратного смещения, превышающее напряжение пробоя перехода ЛФД. В этом случае лавинный фотодиод работает в режиме счета фотонов. Под действием оптического излучения источника ИС в ЛФД формируются однофотонные импульсы тока. Количество этих импульсов прямо пропорционально энергии оптического импульса,которая равна произведению мощности оптического сигнала на время . Количество однофотонных импульсовтакже прямо пропорционально числу фотонов в импульсе. Максимальное число однофотонных импульсов 0 ЛФД, сформированных за времяпри передаче символа 0, будет меньше, чем минимальное число импульсов 1, сформированных при передаче символа 1. Эти импульсы создают падения напряжений на резисторе нагрузки н, т.е. импульсы напряжения. После чего однофотонные импульсы усиливаются усилителем У, а затем поступают на вход амплитудного дискриминатора Д. При помощи дискриминатора выполняется амплитудная селекция усиленных импульсов напряжения на фоне шумов усилителя У, а также их стандартизация по длительности и амплитуде. С выхода дискриминатора импульсы поступают параллельно на -вход -триггера Т и первый вход логического элемента И. Первый импульс из последовательности импульсов переводит триггер Т в единичное состояние. Выход триггера Т соединен со вторым входом логического элемента И и управляющим входом таймера . Появление напряжения на втором входе логического элемента И, соответствующего логической единице,позволяет импульсам с выхода дискриминатора поступать на вход счетчика импульсов Сч, который подсчитывает число импульсов последовательности, поступающих на его вход. В момент времени переключения триггера Т из нулевого в единичное состояние запускается таймер . Через промежуток временина выходе таймераформируется импульс, который поступает на -вход триггера Т, переводя его в нулевое состояние. На выходе триггера Т формируется сигнал, соответствующий логическому нулю, который подается на второй вход логического элемента И, что останавливает поступление импульсов на вход счетчика Сч, а, следовательно останавливает и подсчет импульсов счетчиком Сч. Импульс с выхода таймерапоступает также на входы генератора Г и линии задержки ЛЗ. При количестве импульсов 00, сосчитанных счетчиком Сч при передаче символа 0, на его первом выходе появляется уровень, соответствующий логической единице, а на втором выходе - уровень, соответствующий логическому нулю. В случае подсчета количества импульсов счетчиком Сч 0 при передаче символа 1 на его первом и втором выходах появляются уровни, соответствующие логической единице. Выходы 1 и 2 счетчика Сч соединены с первым и вторым информационными входами генератора Г соответственно. При наличии на первом информационном входе генератора Г уровня напряжения, соответствующего логической единице, а на втором входе - логического нуля и при наличии импульса от таймера на управляющем входе генератора на его выходе формируется импульс отрицательной полярности. При наличии на информационных входах генератора Г 4 17250 1 2013.06.30 уровней напряжений, соответствующих логической единице, и при наличии импульса от таймера на его управляющем входе на выходе генератора формируется импульс положительной полярности. Через некоторый промежуток времени после прихода импульса от таймера на управляющий вход генератора Г, задаваемый линией задержки ЛЗ, происходит сброс счетчика Сч. Таким образом, заявляемое устройство позволяет упростить устройство передачи данных за счет устранения дополнительной линии связи для передачи импульсов синхронизации. Источники информации 1. Молотков С.Н. Мультиплексная квантовая криптография с временным кодированием без интерферометра // Письма в ЖЭТФ. - 2004 - Т. 79. - Вып. 9. - С. 554-559. 2. Зеневич А.О., Комаров С.К., Тимофеев А.М. Пропускная способность оптического канала связи при передаче сообщения отдельными фотонами // Электросвязь. - 2010.10. - С. 14-16. 3. Гулаков И.Р., Зеневич А.О. Одноквантовая регистрация с использованием стробируемого кремниевого лавинного фотодиода // Приборы и техника эксперимента. - 2001.4. - С. 137-139. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5