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 формирователь данных, источник оптического сигнала, нейтральный светофильтр, линию связи, источник постоянного напряжения, лавинный фотодиод, резистор нагрузки, усилитель,амплитудный дискриминатор, первый счетчик импульсов, причем выход формирователя данных подключен к источнику оптического сигнала, между источником оптического сигнала и линией связи установлен нейтральный светофильтр, линия связи соединена с лавинным фотодиодом, катод лавинного фотодиода соединен с выходом источника постоянного напряжения, анод лавинного фотодиода соединен со входом усилителя и первым выводом резистора нагрузки, второй вывод резистора нагрузки соединен с корпусом устройства, выход усилителя соединен со входом амплитудного дискриминатора, отличающееся тем, что содержит второй и третий счетчики импульсов, первый, второй и третий логические элементы И, логический элемент ИЛИ-НЕ, первый и второй таймеры, первый,второй и третий -триггеры, первую и вторую линии задержки, первый и второй буферные элементы, генератор прямоугольных импульсов, причем выход амплитудного дискриминатора соединен с первыми входами первого и второго логических элементов И, Фиг. 1 18621 1 2014.10.30 выход первого элемента И соединен со входом первого таймера и счетным входом первого счетчика импульсов, выход второго элемента И соединен со входом второго таймера и счетным входом второго счетчика импульсов, выход первого таймера соединен с-входом первого -триггера, выход второго таймера соединен с -входом второго-триггера, входом первой и второй линий задержки, со вторыми входами разрешения первого и второго буферных элементов и с -входом третьего -триггера, инверсные выходы первого и второго -триггеров соединены со вторыми входами первого и второго логических элементов И соответственно, выход первой линии задержки соединен с-входами сброса первого и второго счетчиков импульсов, с -входами сброса первого и второго -триггеров, выходы первого и второго счетчиков импульсов соединены с первыми информационными входами первого и второго буферных элементов соответственно,выход первого буферного элемента соединен с первым входом генератора прямоугольных импульсов и первым входом логического элемента ИЛИ-НЕ, выход второго буферного элемента соединен со вторым входом генератора прямоугольных импульсов и вторым входом логического элемента ИЛИ-НЕ, выход второй линии задержки соединен с-входом сброса третьего -триггера, выход логического элемента ИЛИ-НЕ и выход третьего -триггера соединены с первым и вторым входами третьего логического элемента И соответственно, выход третьего логического элемента И соединен со счетным входом третьего счетчика импульсов, первый выход генератора прямоугольных импульсов является первым выходом устройства, второй выход третьего счетчика импульсов является вторым 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 по оптическим линиям связи на дальние расстояния без ретрансляции сигнала. 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 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 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 данных последний генерирует на своем выходе электрический импульс только в случае необходимости пере 2 18621 1 2014.10.30 дачи символа 1. При передаче символа 0 выходной импульс не формируется. Импульс с выхода формирователя 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 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. Необходимо отметить, что в этом устройстве наряду с оптической линией связи используется дополнительная линия для передачи импульсов синхронизации от блока синхронизации к источнику импульсного питания. Это может усложнить практическую реализацию устройства при организации связи на большие расстояния. Как и ранее рассматриваемое устройство, прототип не позволяет контролировать в автоматическом режиме появление ошибки регистрации данных. Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства передачи данных по оптическому каналу связи, позволяющего упростить устройство и расширить функциональные возможности путем введения автоматического контроля ошибки регистрации данных. Поставленная задача решается таким образом, что устройство передачи данных по оптическому каналу связи, содержащее формирователь данных, источник оптического сигнала, нейтральный светофильтр, линию связи, источник постоянного напряжения,лавинный фотодиод, резистор нагрузки, усилитель, амплитудный дискриминатор, первый счетчик импульсов, причем выход формирователя данных подключен к источнику оптического сигнала, между источником оптического сигнала и линией связи установлен нейтральный светофильтр, линия связи соединена с лавинным фотодиодом, катод лавинного фотодиода соединен с выходом источника постоянного напряжения, анод лавинного фотодиода соединен со входом усилителя и первым выводом резистора нагрузки, второй вывод резистора нагрузки соединен с корпусом устройства, выход усилителя соединен со входом амплитудного дискриминатора, отличается тем, что содержит второй и третий счетчики импульсов, первый, второй и третий логические элементы И, логический элемент ИЛИ-НЕ, первый и второй таймеры, первый, второй и третий -триггеры, первую и вторую линии задержки, первый и второй буферные элементы, генератор прямоугольных импульсов, причем выход амплитудного дискриминатора соединен с первыми входами первого и второго логических элементов И, выход первого элемента И соединен со входом первого таймера и счетным входом первого счетчика импульсов, выход второго элемента И соединен со входом второго таймера и счетным входом второго счетчика импульсов, выход первого таймера соединен с -входом первого -триггера, выход второго таймера соединен с -входом второго -триггера, входом первой и второй линий задержки, со вторыми входами разрешения первого и второго буферных элементов и с входом третьего -триггера, инверсные выходы первого и второго -триггеров соединены со вторыми входами первого и второго логических элементов И соответственно, выход первой линии задержки соединен с -входами сброса первого и второго счетчиков импульсов, с -входами сброса первого и второго -триггеров, выходы первого и второго счетчиков импульсов соединены с первыми информационными входами первого и вто 3 18621 1 2014.10.30 рого буферных элементов соответственно, выход первого буферного элемента соединен с первым входом генератора прямоугольных импульсов и первым входом логического элемента ИЛИ-НЕ, выход второго буферного элемента соединен со вторым входом генератора прямоугольных импульсов и вторым входом логического элемента ИЛИ-НЕ, выход второй линии задержки соединен с -входом сброса третьего -триггера, выход логического элемента ИЛИ-НЕ и выход третьего -триггера соединены с первым и вторым входами третьего логического элемента И соответственно, выход третьего логического элемента И соединен со счетным входом третьего счетчика импульсов, первый выход генератора прямоугольных импульсов является первым выходом устройства, второй выход третьего счетчика импульсов является вторым выходом устройства. Сущность изобретения заключается в том, что по линии связи на одной длине волны транслируются оптические импульсы, которые содержат до нескольких десятков фотонов. Для передачи символов 0 и 1 используются оптические сигналы длительностью 1 и 2 соответственно (12). Причем между каждой парой символов существует некоторый защитный интервал времени, в течение которого оптические сигналы не передаются. Для приема оптических импульсов используется лавинный фотодиод, который работает в режиме счета фотонов. Поскольку символы 0 и 1 передаются импульсами различной длительности, то на выходе лавинного фотодиода за время передачи символа формируется различное количество электрических импульсов, которое будет прямо пропорционально длительности оптического излучения. Поэтому максимальное число импульсов 0, соответствующее символу 0, будет меньше, чем минимальное число импульсов 1, соответствующее символу 1. Подсчитывая количество импульсов за время передачи одного бита информации, 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 на фиг. 2 - временная диаграмма его работы. Устройство включает в себя источник оптического сигнала ИС, формирователь данных Ф, нейтральный светофильтр Н, оптическую линию связи Л, источник постоянного напряжения П, лавинный фотодиод ЛФД, резистор нагрузки н, усилитель У, амплитудный дискриминатор Д, три логических элемента И - И 1, И 2 и И 3, логический элемент ИЛИ-НЕ Л 1, два таймера - Т 1 и Т 2, три -триггера - 1, Тр 2 и Тр 3, две линии задержки - ЛЗ 1 и ЛЗ 2, три счетчика импульсов - Сч 1, Сч 2 и Сч 3, два буферных элемента - БЭ 1 и БЭ 2, генератор прямоугольных импульсов Г. Устройство функционирует следующим образом. Перед началом передачи данных счетчики Сч 1, Сч 2, Сч 3 и -триггеры 1, 2 и Тр 3 сбрасывают в нулевое состояние. На формирователь данных Ф поступают данные,представляющие собой последовательность, состоящую из символов 0 и 1. Формирователь Ф кодирует эти данные таким образом, что символам 0 и 1 соответствуют прямоугольные импульсы длительностью 1 и 2 соответственно, причем 12 (фиг. 2). С формирователя Ф импульсы поступают на вход источника оптического сигнала ИС. На выходе источника ИС при передаче символа 0 формируется оптический импульс длительностью 1, а при передаче символа 1 - длительностью 2, причем мощность оптического излучения остается неизменной, независимо от того, какой символ - 0 или 1 передается. Оптическое излучение с выхода источника сигнала ИС поступает через нейтральный светофильтр Н в линию связи Л. При прохождении оптического сигнала через нейтральный светофильтр его мощность ослабляется. Из оптической линии связи оптический сигнал подается на лавинный фотодиод ЛФД. При помощи источника постоянного напряжения П на лавинный фотодиод ЛФД подается постоянное напряжение обратного смещения, превышающее напряжение пробоя -4 18621 1 2014.10.30 перехода ЛФД. В этом случае лавинный фотодиод работает в режиме счета отдельных фотонов. Под действием оптического излучения, поступившего из линии Л от источника ИС, в выходной цепи ЛФД формируются импульсы тока. Количество этих импульсов прямо пропорционально энергии оптического импульса, которая равна произведению мощности оптического сигнала на время передачи одного бита информации. Это количество импульсовтакже прямо пропорционально числу фотонов в импульсе. Сформированные на выходе ЛФД импульсы создают падения напряжений на резисторе нагрузки н, т.е. импульсы напряжения, которые усиливаются усилителем У и 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 амплитуде и длительности. С выхода дискриминатора импульсы поступают параллельно на первые входы первого и второго логических элементов И И 1 и И 2. Наличие на вторых входах логических элементов И И 1 и И 2 уровня напряжения, соответствующего логической единице, подаваемого с инверсных выходов первого и второго -триггеров 1 и Тр 2 соответственно(фиг. 1), позволяет импульсам с выхода амплитудного дискриминатора поступать на входы счетчиков импульсов Сч 1 и Сч 2, которые подсчитывают число последовательности импульсов, поступающих на их вход. С момента прихода первого импульса с выхода амплитудного дискриминатора Д на первый таймер Т 1 через промежуток времени 1 на выходе Т 1 формируется импульс, который поступает на -вход первого -триггера 1, переводя его в нулевое состояние. На инверсном выходе первого -триггера 1 формируется сигнал, соответствующий логическому нулю, который подается на второй вход первого логического элемента И И 1,что останавливает поступление импульсов на вход первого счетчика импульсов Сч 1. С момента прихода первого импульса с выхода амплитудного дискриминатора Д на второй таймер Т 2 через промежуток времени 2 на выходе Т 2 формируется импульс, который поступает на -вход второго -триггера Тр 2, переводя его в нулевое состояние. На инверсном выходе второго -триггера Тр 2 формируется сигнал, соответствующий логическому нулю, который подается на второй вход второго логического элемента И И 2, что останавливает поступление импульсов на вход второго счетчика импульсов Сч 2. Таким образом, первым и вторым счетчиками импульсов Сч 1 и Сч 2 обеспечивается подсчет числа поступивших импульсов за интервал времени 1 и 2 соответственно. При количестве сосчитанных импульсов первым счетчиком Сч 1 в течение длительности времени 1 при передаче символа 0 00, где 0 - минимальное число импульсов, соответствующее символу 0, на выходе Сч 1 появляется уровень, соответствующий логической единице. При количестве 1 сосчитанных импульсов в течение длительности времени 2 вторым счетчиком Сч 2 при передаче символа 1 на его выходе появляется уровень, соответствующий логической единице. В момент поступления импульса от второго таймера Т 2 на разрешающие входы 2 первого и второго буферных элементов БЭ 1 и БЭ 2 последние обеспечивают передачу данных со своих входов на выходы. Импульсы с выхода буферных элементов БЭ 1 и БЭ 2 подаются на первый и второй входы генератора Г соответственно. Если на первом информационном входе генератора Г уровень напряжения соответствует логической единице, а на втором входе - логическому нулю, то на выходе генератора Г формируется импульс отрицательной полярности. Если на первом и втором информационных входах генератора Г уровень напряжения соответствует логической единице, на его выходе формируется импульс положительной полярности. Импульсы с выхода первого и второго буферных элементов БЭ 1 и БЭ 2 подаются также на первый и второй входы логического элемента ИЛИ-НЕ Л 1 соответственно, на выходе которого логическая единица будет только в том случае, если на обоих входах Л 1 5 18621 1 2014.10.30 присутствует логический нуль. Наличие на первом и втором входах логического элемента ИЛИ-НЕ Л 1 логических нулей будем называть запрещенной кодовой комбинацией. Появление запрещенной кодовой комбинации возможно тогда, когда количество импульсов,подсчитанных первым и вторым счетчиком импульсов Сч 1 и Сч 2, будет меньше 0 и 1 соответственно. Сигнал с выхода второго таймера одновременно поступает на-вход третьего -триггера Тр 3, переводя последний в единичное состояние. Это обеспечивает появление логической единицы на втором входе третьего логического элемента И И 3, что, в свою очередь, при появлении запрещенной кодовой комбинации позволяет логической единице поступать с выхода Л 1 через логический элемент И 3 на счетный вход третьего счетчика импульсов Сч 3. При этом третий счетчик импульсов Сч 3 увеличит свое содержимое на единицу. Одновременно сигнал с выхода второго таймера поступает на вход второй линии задержки ЛЗ 2, время задержки которой выбирается таким, чтобы при наличии запрещенной кодовой комбинации третий счетчик импульсов увеличил свое содержимое на единицу. После чего сигнал с выхода ЛЗ 2 подается на -вход третьего-триггера Тр 3, переводя последний в нулевое состояние. Это останавливает поступление импульсов на счетный вход третьего счетчика импульсов Сч 3. Счетчик импульсов Сч 3 подсчитывает количество запрещенных кодовых комбинаций за время накопления. Если за время накопления число таких комбинаций превысит некоторое заранее заданное пороговое значение, на выходе Сч 3 появится уровень напряжения,соответствующий логической единице, в противном случае счетчик импульсов Сч 3 будет сброшен по истечении времени накопления. Появление логической единицы на выходе 2 устройства свидетельствует либо о возникновении дефекта в линии связи, приводящего к потере мощности оптического излучения, либо о наличии в оптической линии связи несанкционированного пользователя. Сброс счетчиков импульсов Сч 1 и Сч 2 и -триггеров 1 и Тр 2 осуществляется при поступлении логической единицы с выхода второго таймера Т 2, задержанной первой линией задержки Л 31. Первая линия задержки ЛЗ 1 обеспечивает сброс Сч 1, Сч 2, 1 и Тр 2 только после того, как сформируется выходной импульс генератора прямоугольных импульсов Г. Поступление на -входы -триггеров 1 и Тр 2 с выхода первой линии задержки ЛЗ 1 уровня напряжения, соответствующего логической единице, обеспечивает формирование на инверсных выходах 1 и Тр 2 уровня напряжения, соответствующего логической единице, который подается на вторые входы логических элементов И И 1 и И 2 соответственно, что позволяет принимать следующий символ. Таким образом, заявляемое устройство позволяет упростить устройство передачи данных и расширить функциональные возможности устройства путем введения автоматического контроля ошибки регистрации данных. 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. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7