Устройство передачи данных по оптическому каналу связи

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПО ОПТИЧЕСКОМУ КАНАЛУ СВЯЗИ(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 по оптическому каналу связи, содержащее источник оптического излучения, лавинный фотодиод, время-амплитудный преобразователь, многоканальный анализатор, счетчик стартовых и счетчик стоповых импульсов, причем первый и второй выходы время-амплитудного преобразователя соединены с первыми входами прямого счета счетчика стартовых и счетчика стоповых импульсов соответственно, третий выход время-амплитудного преобразователя соединен со входом многоканального анализатора, отличающееся тем, что содержит -триггер, линию задержки электрического сигнала, систему передачи данных, таймер, логический элемент И, логический элемент ИЛИ, автогенератор, первое и второе полупрозрачные зеркала, генератор импульсов, линию связи, регулируемую линию задержки оптического сигнала, формирователь данных,оптический источник синхроимпульсов, причем первый и второй выходы формирователя данных соединены со входом регулируемой линии задержки оптического сигнала и входом 18622 1 2014.10.30 оптического источника синхроимпульсов соответственно, между оптическим источником синхроимпульсов и регулируемой линией задержки оптического сигнала установлено второе полупрозрачное зеркало, между вторым полупрозрачным зеркалом и входом линии связи установлена регулируемая линия задержки оптического сигнала, между выходом линии связи и источником оптического излучения установлено первое полупрозрачное зеркало, перед которым под углом к его плоскости установлен лавинный фотодиод с возможностью приема оптического излучения с выхода линии связи, выход лавинного фотодиода соединен со вторым входом логического элемента И и -входом -триггера, выход которого соединен с первым входом логического элемента И, входом автогенератора и входом системы передачи данных, выход которой соединен с первым входом времяамплитудного преобразователя, первым входом таймера и входом источника оптического излучения, выход автогенератора соединен со входами сброса счетчика стартовых и счетчика стоповых импульсов, выход счетчика стартовых импульсов соединен со входом линии задержки электрического сигнала и входом сброса системы передачи данных, выход логического элемента И соединен со вторым входом таймера и третьим входом времяамплитудного преобразователя, выход таймера соединен со вторым входом времяамплитудного преобразователя, выход линии задержки электрического сигнала соединен с -входом -триггера, первый выход многоканального анализатора соединен с первыми входами логического элемента ИЛИ и генератора импульсов, второй выход многоканального анализатора соединен со вторыми входами логического элемента ИЛИ и генератора импульсов, выход логического элемента ИЛИ соединен с реверсивным входом счетчика стоповых импульсов, выход генератора импульсов является первым выходом устройства,выход счетчика стоповых импульсов - вторым выходом устройства, а первое зеркало выполнено прозрачным со стороны источника оптического излучения и с отражающей поверхностью со стороны лавинного фотодиода и линии связи, второе зеркало выполнено прозрачным со стороны оптического источника синхроимпульсов с отражающей поверхностью со стороны регулируемой линии задержки оптического сигнала. Изобретение относится к телекоммуникациям, 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, а другой - для передачи данных отдельными фотонами. Это усложняет практическую реализацию устройства. Также известны устройства 2, 3, использующие для передачи информации слабые оптические импульсы, содержащие от одного до десятка фотонов. В этих устройствах для передачи данных наряду с оптической линией связи используется дополнительная линия для передачи синхроимпульсов, что усложняет их реализацию. Наиболее близким к заявляемому техническим решением является устройство для оценки временного разрешения лавинных фотодиодов (ЛФД), работающих в режиме счета фотонов 4 (прототип). Оно включает в себя источник оптического излучения, лавинный фотодиод, аттенюатор, схему запуска, время-амплитудный преобразователь,многоканальный анализатор, счетчик стартовых и стоповых импульсов. Однако это устройство применяется для измерения временных характеристик ЛФД и не может использоваться для передачи данных. 18622 1 2014.10.30 Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства передачи данных по оптическому каналу связи, позволяющего расширить функциональные возможности устройства за счет добавления таких функций, как передача данных, обнаружение дефектов оптического кабеля, а также несанкционированного доступа к линии связи. Поставленная задача решается таким образом, что устройство передачи данных по оптическому каналу связи, содержащее источник оптического излучения, лавинный фотодиод, время-амплитудный преобразователь, многоканальный анализатор, счетчик стартовых и счетчик стоповых импульсов, причем первый и второй выходы время-амплитудного преобразователя соединены с первыми входами прямого счета счетчика стартовых и счетчика стоповых импульсов соответственно, третий выход время-амплитудного преобразователя соединен со входом многоканального анализатора, отличается тем, что содержит-триггер, линию задержки электрического сигнала, систему передачи данных, таймер,логический элемент И, логический элемент ИЛИ, автогенератор, первое и второе полупрозрачные зеркала, генератор импульсов, линию связи, регулируемую линию задержки оптического сигнала, формирователь данных, оптический источник синхроимпульсов,причем первый и второй выходы формирователя данных соединены со входом регулируемой линии задержки оптического сигнала и входом оптического источника синхроимпульсов соответственно, между оптическим источником синхроимпульсов и регулируемой линией задержки оптического сигнала установлено второе полупрозрачное зеркало,между вторым полупрозрачным зеркалом и входом линии связи установлена регулируемая линия задержки оптического сигнала, между выходом линии связи и источником оптического излучения установлено первое полупрозрачное зеркало, перед которым под углом к его плоскости установлен лавинный фотодиод с возможностью приема оптического излучения с выхода линии связи, выход лавинного фотодиода соединен со вторым входом логического элемента И и -входом -триггера, выход которого соединен с первым входом логического элемента И, входом автогенератора и входом системы передачи данных, выход которой соединен с первым входом время-амплитудного преобразователя,первым входом таймера и входом источника оптического излучения, выход автогенератора соединен со входами сброса счетчика стартовых и счетчика стоповых импульсов, выход счетчика стартовых импульсов соединен со входом линии задержки электрического сигнала и входом сброса системы передачи данных, выход логического элемента И соединен со вторым входом таймера и третьим входом время амплитудного преобразователя,выход таймера соединен со вторым входом время-амплитудного преобразователя, выход линии задержки электрического сигнала соединен с -входом -триггера, первый выход многоканального анализатора соединен с первыми входами логического элемента ИЛИ и генератора импульсов, второй выход многоканального анализатора соединен со вторыми входами логического элемента ИЛИ и генератора импульсов, выход логического элемента ИЛИ соединен с реверсивным входом счетчика стоповых импульсов, выход генератора импульсов является первым выходом устройства, выход счетчика стоповых импульсов вторым выходом устройства, а первое зеркало выполнено прозрачным со стороны источника оптического излучения и с отражающей поверхностью со стороны лавинного фотодиода и линии связи, второе зеркало выполнено прозрачным со стороны оптического источника синхроимпульсов с отражающей поверхностью со стороны регулируемой линии задержки оптического сигнала. Сущность изобретения заключается в том, что на передающей стороне оптической линии связи располагаются регулируемая линия задержки оптического сигнала, формирователь данных, оптический источник синхроимпульсов и полупрозрачное зеркало. На принимающей стороне размещаются источник оптического излучения, необходимый для передачи данных, и вся система регистрации оптического излучения предлагаемого устройства. Передача информации осуществляется двумя символами - 0 и 1. 18622 1 2014.10.30 Для передачи символов 0 и 1 используется различная временная задержка между моментами времени появления оптического импульса на выходе источника оптического излучения и его регистрацией ЛФД, работающим в режиме счета фотонов. При этом для передачи символа 0 используется временная задержка 0, а для передачи символа 1 1, где 01. Передача слова, состоящего из -числа бит информации, начинается после передачи синхроимпульса. Импульсы синхронизации используются для согласованной работы принимающей и передающих сторон устройства. 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 излучения ИС 1, оптический источник синхроимпульсов ИС 2, лавинный фотодиод ЛФД, линию связи ЛС, линию задержки электрического сигнала ЛЗ 1, регулируемую линию задержки оптического сигнала ЛЗ 2,два полупрозрачных зеркала З 1 и З 2, формирователь данных ФД, логический элемент И Л 1, логический элемент ИЛИ Л 2, -триггер , стартовый счетчик импульсов Сч 1, стоповый счетчик импульсов Сч 2, автогенератор АГ, систему передачи данных СП, таймер Т,время-амплитудный преобразователь ВАП, многоканальный анализатор МКА, генератор импульсов Г. Устройство функционирует следующим образом. На формирователь данных ФД поступает входная последовательность данных. Формирователь ФД разбивает входную последовательность данных на слова, состоящие из -го числа бит. Перед передачей слова на выходе ФД формируется управляющий синхроимпульс, который поступает на вход оптического источника синхроимпульсов ИС 2. Одновременно с поступлением синхроимпульса на вход ИС 2 на его выходе появляется оптический импульс. Этот оптический импульс, через полупрозрачное зеркало З 2 и регулируемую линию задержки оптического сигнала ЛЗ 2 подается в линию связи ЛС. Зеркало З 2 является прозрачным со стороны оптического источника синхроимпульсов ИС 2 и имеет отражающую поверхность со стороны линии задержки оптического сигнала ЛЗ 2. Такой тип зеркала использовался в работе 5. Из линии связи оптический импульс поступает на зеркало З 1, от которого отражается и поступает на лавинный фотодиод ЛФД. Зеркало З 1, как и зеркало З 2, является полупрозрачным и имеет прозрачную поверхность со стороны источника оптического излучения ИС 1 и отражающую поверхность со стороны ЛФД и линии связи ЛС. На выходе ЛФД формируется импульс, который поступает на -вход -триггера Тр. По окончанию этого импульса на выходе триггера Тр появляется логическая единица. Логическая единица поступает на вход системы передачи данных СП, на вход автогенератора АГ и на первый вход элемента И Л 1. По приходу логической единицы на вход СП на ее выходе начинает формироваться периодическая последовательность импульсов (фиг. 2). Эта последовательность подается на таймер Т, первый вход время-амплитудного преобразователя ВАП и на вход источника оптического излучения ИС 1. На выходе источника ИС 1 формируется последовательность оптических импульсов, соответствующая последовательности электрических импульсов,поступающих на его вход. Эта последовательность оптических импульсов через зеркало З 1 поступает в линию связи. Затем импульсы поступают в регулируемую линию задержки оптического сигнала ЛЗ 2. В этой линии происходит задержка каждого из импульсов на время 0 или 1 в зависимости от того, какой символ необходимо передать - 0 или 1. Время задержки формируется управляющими импульсами ФД, которые с его выхода подаются на вход линии задержки ЛЗ 2. Время задержки выбирается таким, чтобы оптические импульсы не перекрывались друг с другом. В качестве линии задержки может быть использована оптоволоконная пьезоэлектрическая управляемая линия задержки, описанная в 6. 4 18622 1 2014.10.30 Задержанные на линии ЛЗ 2 оптические импульсы, отразившись от зеркала З 2, возвращаются назад в линию связи ЛС и, пройдя через линию связи, поступают на зеркало З 1. Отразившись от этого зеркала, они попадают на ЛФД. На выходе ЛФД формируются электрические импульсы, соответствующие оптическим импульсам на его входе. Последовательность электрических импульсов с выхода ЛФД поступает на второй вход логического элемента И Л 1. Затем с выхода Л 1 - на третий вход ВАП. На выходе ВАП, в зависимости от времени задержки между поступлением на его первый вход импульса от СП и импульса с выхода ЛФД, формируется импульс амплитудой 0 или 1. Причем амплитуда 0 соответствует времени задержки 0, а 1 соответствует 1 (01). Отметим, что ВАП формирует импульсы по задержке между соответствующими импульсами последовательностей с выходов СП и ЛФД. Под соответствующими импульсами понимаются такие импульсы, которые совпадают по номеру следования в этих последовательностях. Например, определяется задержка между первыми импульсами последовательностей, между вторыми и т.д. Импульсы с третьего выхода ВАП поступают на вход многоканального анализатора МКА. На первом выходе МКА импульсы с амплитудой 0 преобразуются в импульсы напряжения стандартной длительностии амплитудой, соответствующей амплитуде логической единице. На втором выходе МКА импульсы с амплитудой 1 преобразуются также в импульсы напряжения стандартной длительностии амплитудой, соответствующей амплитуде логической единицы. С первого выхода МКА импульсы поступают на первые входы логического элемента ИЛИ Л 2 и генератора Г, а с второго выхода МКА импульсы поступают на вторые входы логического элемента ИЛИ Л 2 и генератора Г. На выходе Л 2 формируется последовательность импульсов, в которой число импульсов должно совпадать с числом импульсов последовательности, поступающих на вход 3 ВАП. На выходе генератора формируется последовательность импульсов, состоящая из импульсов положительной и отрицательной полярности. Причем на выходе генератора формируется импульс положительной полярности при поступлении импульса на его первый вход, а отрицательной - при поступлении импульса на его второй вход. Первый выход ВАП соединен со счетным входом стартового счетчика Сч 1. Последний подсчитывает число импульсов, поступающих с выхода СП на первый вход ВАП. Второй выход ВАП соединен с входом прямого счета стопового счетчика Сч 2, который подсчитывает число импульсов, поступающих с Л 1 на третий вход ВАП. На реверсивный вход стопового счетчика Сч 2 поступают импульсы с выхода Л 2. Выход стартового счетчика Сч 1 соединен с входом сброса СП и через электрическую линию задержки ЛЗ 1 с -входом триггера Тр. При подсчете Сч 1 некоторого заранее заданного числа импульсов (в данном случае это число равно ) на его выходе появляется логическая единица. При появлении логической единицы на выходе Сч 1 останавливается формирование последовательности импульсов на выходе СП. С выхода Сч 1 через линию задержки ЛЗ 1 логическая единица с некоторой задержкой поступает на -вход сброса Тр. После этого на выходе Тр появляется логический нуль. Появления логического нуля на выходе Тр не позволяет импульсам с выхода ЛФД поступать на выход логического элемента Л 1. Отметим, что длительность времени задержки, формируемая ЛЗ 1, должна выбираться такой, при которой на принимающей стороне последний двоичный импульс-битовой последовательности мог быть зарегистрирован. Выход автогенератора АГ соединен с входами сброса стартового счетчика Сч 1 и стопового счетчика Сч 2. Через некоторое время 1 после перехода напряжения на входе АГ от уровня логической единицы к уровню логического нуля происходит формирование импульса, который сбрасывает счетчики Сч 1 и Сч 2. Импульсы с выхода СП поступают на первый вход таймера Т и запускают его. Импульсы, которые поступают на второй вход таймера Т от ЛФД через логический элемент Л 1, останавливают его и не позволяют на его выходе сформировать импульс. Если через 5 18622 1 2014.10.30 некоторый промежуток времени 0 на второй вход таймера Т не поступит импульс от ЛФД через логический элемент И Л 1, то на выходе таймера появляется импульс, который подается на второй вход ВАП и останавливает его работу. Если появится на линии связи несанкционированный пользователь или какой-либо дефект, то это может увеличить время задержки между импульсами от источника ИС 1 и ЛФД или приведет к потере оптического импульса от источника ИС 1. Это, в свою очередь, приведет к тому, что после передачи слова реверсивный счетчик Сч 2 подсчитает некоторое число импульсов, что сигнализирует о потере передаваемой мощности в линии связи. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет расширить функциональные возможности устройства за счет обеспечения передачи данных, а также позволяет обнаруживать дефекты оптического кабеля и несанкционированный доступ к линии связи. 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., Тимофеев А.М. Исследование скорости передачи информации по оптическому каналу связи с приемником на основе счетчиков фотонов // Автометрия. - 2011. - Т. 47. -4. - С. 31-40. 4..,.,.// . . . - 1981.- . 52. - . 3. - . 408-412. 5. Патент РФ 2247452, МПК Н 01 3/10, 2005. 6. Патент РФ 2100787, МПК 01 9/02,02 1/01, 1997. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6