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, нейтральный светофильтр, формирователь данных, блок синхронизации, линию связи, источник импульсного питания, источник постоянного напряжения,лавинный фотодиод, резистор нагрузки, усилитель, первый амплитудный дискриминатор,первый счетчик импульсов, причем вход блока синхронизации соединен с выходом формирователя данных, выход которого подключен к источнику оптического излучения между источником оптического излучения и линией связи установлен нейтральный светофильтр, линия связи соединена с лавинным фотодиодом, катод которого соединен с выходами источников постоянного напряжения и импульсного питания, а анод - со входом усилителя и первым выводом резистора нагрузки, второй вывод которого соединен с корпусом устройства, выход усилителя соединен со входом первого амплитудного дискриминатора, выход которого подключен к первому счетчику импульсов, отличающееся тем, Фиг. 1 17012 1 2013.04.30 что содержит второй амплитудный дискриминатор, два логических элемента И, второй счетчик импульсов, три генератора прямоугольных импульсов, три -триггера, две линии задержки, мультиплексор, логический элемент ИЛИ, причем выход усилителя соединен со входом второго амплитудного дискриминатора, выход которого подсоединен к соответствующим входам двух логических элементов И, вторые входы которых подключены к выходу первого и второго генераторов прямоугольных импульсов соответственно,выход первого логического элемента И подключен к -входу первого -триггера и первому входу третьего генератора прямоугольных импульсов, выход второго логического элемента И подключен к -входу второго -триггера и ко второму входу третьего генератора прямоугольных импульсов, входы сброса первого и второго -триггеров соединены с выходом первого амплитудного дискриминатора, выход которого соединен со входом первого генератора прямоугольных импульсов, выходы первого и второго генераторов прямоугольных импульсов соединены соответственно с первым и вторым входами логического элемента ИЛИ, выход которого соединен со входом источника импульсного питания, вход второго генератора прямоугольных импульсов соединен с выходом первого амплитудного дискриминатора, выход первого счетчика импульсов соединен через первую линию задержки со входом сброса первого счетчика, входом сброса второго счетчика и третьего -триггера, выход второго генератора прямоугольных импульсов соединен через вторую линию задержки с первым и вторым информационными входами мультиплексора, нулевой и первый адресные входы которого подсоединены к выходам второго и первого -триггеров соответственно, выход мультиплексора соединен со входом второго счетчика, выход которого соединен с -входом третьего -триггера, выход блока синхронизации соединен с управляющим входом нейтрального светофильтра, выход третьего генератора является первым выходом устройства, выход третьего триггера - вторым выходом устройства. 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 защиты информации, передаваемой 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 них применяется для синхронизации работы источника и приемника данных, другой источник используется для передачи данных отдельными фотонами. Это усложняет практическую реализацию устройства. Также устройство не позволяет контролировать в автоматическом режиме вероятность ошибки регистрации данных. Контроль этого параметра позволяет установить появление дефектов линии связи, определить наличие несанкционированного пользователя, подключенного к линии связи. Наличие такого пользователя приводит к уменьшению мощности оптического сигнала передачи данных, а также к нарушению или изменению временной связи между импульсами синхронизации и передачи данных, что увеличивает вероятность ошибки регистрации данных. 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, 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 2 17012 1 2013.04.30 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 лавинного 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 передать символ 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 в среднем до энергии одного фотона. Одновременно по сигналу устройства синхронизации источник импульсного питания формирует прямоугольный импульс стробирования длительностью , который также поступает на ЛФД, увеличивая напряжение его обратного смещения до значений, превышающих напряжение пробоя. В результате ЛФД начинает работать в режиме счета фотонов и поступающий в канал связи фотон излучения регистрируется фотодиодом. На нагрузочном резисторе н 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. Необходимо отметить, что в этом устройстве наряду с оптической линией связи необходимо использовать дополнительную линию связи для передачи импульсов синхронизации от блока синхронизации к источнику импульсного питания. Использование такой линии при передаче данных на большие расстояния может усложнить устройство. Как и ранее рассматриваемое устройство, прототип не позволяет контролировать в автоматическом режиме вероятность ошибки регистрации данных, а также требует дополнительной электрической линии связи для передачи синхроимпульсов. Задачей предлагаемого изобретения является упрощение устройства за счет устранения дополнительной линии связи для передачи импульсов синхронизации и расширение функциональных возможностей путем введения автоматического контроля вероятности ошибки регистрации. Поставленная задача решается таким образом, что устройство передачи данных по оптическому каналу связи, содержащее источник оптического излучения, нейтральный светофильтр, формирователь данных, блок синхронизации, линию связи, источник импульсного питания, источник постоянного напряжения, лавинный фотодиод, резистор нагрузки, усилитель, первый амплитудный дискриминатор, первый счетчик импульсов,причем вход блока синхронизации соединен с выходом формирователя данных, выход которого подключен к источнику оптического излучения между источником оптического излучения и линией связи установлен нейтральный светофильтр, линия связи соединена с лавинным фотодиодом, катод которого соединен с выходами источников постоянного напряжения и импульсного питания, а анод - со входом усилителя и первым выводом резистора нагрузки, второй вывод которого соединен с корпусом устройства, выход усилителя соединен со входом первого амплитудного дискриминатора, выход которого подключен к первому счетчику импульсов, отличающееся тем, что содержит второй амплитудный дискриминатор, два логических элемента И, второй счетчик импульсов, три генератора прямоугольных импульсов, три -триггера, две линии задержки, мультиплексор, логический элемент ИЛИ, причем выход усилителя соединен со входом второго амплитудного дискриминатора, выход которого подсоединен к соответствующим входам 3 17012 1 2013.04.30 двух логических элементов И, вторые входы которых подключены к выходу первого и второго генераторов прямоугольных импульсов соответственно, выход первого логического элемента И подключен к -входу первого -триггера и первому входу третьего генератора прямоугольных импульсов, выход второго логического элемента И подключен к-входу второго -триггера и ко второму входу третьего генератора прямоугольных импульсов, входы сброса первого и второго -триггеров соединены с выходом первого амплитудного дискриминатора, выход которого соединен со входом первого генератора прямоугольных импульсов, выходы первого и второго генераторов прямоугольных импульсов соединены соответственно с первым и вторым входами логического элемента ИЛИ, выход которого соединен со входом источника импульсного питания, вход второго генератора прямоугольных импульсов соединен с выходом первого амплитудного дискриминатора, выход первого счетчика импульсов соединен через первую линию задержки со входом сброса первого счетчика, входом сброса второго счетчика и третьего триггера, выход второго генератора прямоугольных импульсов соединен через вторую линию задержки с первым и вторым информационными входами мультиплексора, нулевой и первый адресные входы которого подсоединены к выходам второго и первого триггеров соответственно, выход мультиплексора соединен со входом второго счетчика,выход которого соединен с -входом третьего -триггера, выход блока синхронизации соединен с управляющим входом нейтрального светофильтра, выход третьего генератора является первым выходом устройства, выход третьего -триггера - вторым выходом устройства. Сущность изобретения заключается в том, что по оптической линии связи на одной длине волны транслируются синхроимпульсы и импульсы, при помощи которых передаются данные. Синхроимпульсы представляют собой многофотонные импульсы. Данные передаются однофотонными импульсами. При передаче символа 0 однофотонный импульс следует после синхроимпульса через промежуток времени 0, а при передаче символа 1 - через промежуток времени 1(01). Для приема оптических импульсов используется лавинный фотодиод, который попеременно работает в токовом и счетном режимах. В счетном режиме работы при регистрации оптического импульса фотодиодом на его выходе появляется количество электрических импульсов прямо пропорциональное мощности оптического импульса. Эти импульсы образуются в течение времени следования оптического импульса. Можно также утверждать и то 3, что количество электрических импульсов в этом случае будет прямо пропорционально числу фотонов, поступивших на фотодиод за время следования оптического импульса. Если на фотодиод подать оптический импульс, содержащий один фотон, то с некоторой вероятностьюна его выходе сформируется один импульс. Такая вероятностьназывается квантовой эффективностью регистрации. В токовом режиме работы при регистрации многофотонного оптического импульса фотодиодом на его выходе формируется импульс, длительность которого соответствует длительности оптического импульса, а амплитуда прямо пропорциональна мощности оптического импульса. Токовый режим работы используется для регистрации синхроимпульсов. В этом режиме работы на ЛФД подается напряжение обратного смещения, составляющее 99 от напряжения пробоя этого фотодиода. Под действием оптического излучения синхроимпульса в ЛФД формируется импульс тока. После прохождения токового импульса, сформированного синхроимпульсом, через промежуток времени 0 напряжение обратного смещения лавинного фотодиода повышается на времявыше напряжения лавинного пробоя до некоторого значения . В течение временинапряжение обратного смещения остается постоянным. Затем через 4 17012 1 2013.04.30 интервал временипосле завершения первого превышения напряжение обратного смещения повторно повышается на такое же времядо значения . В течение этих времен ЛФД работает в счетном режиме, т.е. способен регистрировать отдельные фотоны. Напряжениевыбирается таким, чтобы оно превышало напряжение лавинного пробоя ЛФД, но не приводило к термическому пробою перехода ЛФД. Если передается символ 0, то на выходе лавинного фотодиода сформируется однофотонный импульс при первом повышении напряжения обратного смещения, а в случае передачи символа 1 - при втором повышении напряжения обратного смещения. Вероятность регистрации фотона в счетном режиме работы ЛФД зависит от его квантовой эффективности регистрации . Поскольку 1, то существует вероятность 01 не зарегистрировать фотон, а значит, передачу символа 0 или 1. В лавинных фотодиодах, работающих в счетном режиме, могут возникать темновые импульсы. Темновые импульсы формируются в фотоприемнике в отсутствии оптического излучения и обусловлены, в основном, термогенерацией носителей зарядов в ЛФД. Появление темновых импульсов может привести к ложной регистрации символа 0 или 1, поэтому существует вероятность 1 зарегистрировать импульс на выходе лавинного фотодиода в течение первого и второго превышений напряжением обратного смещения ЛФД его напряжения пробоя. Общая вероятность ошибки регистрации данных при приеме ЛФД символов составит некоторое значение 01. Если при передаче данных возникнет потеря мощности оптического излучения из-за появления дефектов в оптической линии связи или подключения к этой линии несанкционированного пользователя, то произойдет увеличение значения . Также к увеличению вероятности ошибки регистрации данных может привести нарушение или изменение временной связи между импульсами синхронизации и передачи данных. Это может произойти из-за подключения к линии связи несанкционированного пользователя. Поэтому контроль вероятности ошибки регистрации данных дает возможность определения наличия несанкционированного пользователя, подключенного к линии связи, или возникновения в ней дефекта, приводящего к потере мощности оптического излучения. Интервал временивыбирается из условия 2, где- длительность однофотонного импульса. Время 0 целесообразно выбирать большим времени 2, где- последовательное сопротивление лавинного фотодиода, включая и сопротивление нагрузки, - эквивалентная емкость ЛФД, а время 10. Интервал временитакже должен быть большим либо равным 2. Мощность оптического излучения синхроимпульсов подбирается такой, чтобы вероятность их регистрации фотоприемником в токовом режиме работы была максимально близкой к единице, а амплитуда синхроимпульсов должна превышать среднюю амплитуду однофотонных импульсов в 10 раз. В связи со сложным видом амплитудного распределения входных импульсов ЛФД только при выборе такого соотношения амплитуд можно считать, что вероятность регистрации однофотонных импульсов будет приблизительно равна единице 4. Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 показана схема устройства,позволяющего передавать данные по оптической линии связи с учетом приведенных рассуждений, а временная диаграмма его работы - на фиг. 2. Устройство включает в себя источник оптического излучения И, формирователь данных Ф, блок синхронизации С, нейтральный светофильтр Н, линию связи Л, источник импульсного питания ИП, источник постоянного напряжения П, лавинный фотодиод ЛФД,резистор нагрузки н, усилитель У, амплитудные дискриминаторы Д 1 и Д 2, счетчики импульсов Сч 1 и Сч 2, логические элементы И Л 1 и Л 2, логический элемент ИЛИ ЛЕ, линии задержки ЛЗ 1 и ЛЗ 2, генераторы прямоугольных импульсов Г 1, Г 2, Г 3, мультиплексор М,-триггеры Тр 1, Тр 2, Тр 3. Устройство функционирует следующим образом. 5 17012 1 2013.04.30 Перед началом передачи данных все счетчики и триггеры сбрасывают. На формирователь данных Ф поступают данные, представляющие собой последовательность из символов 0 и 1. Формирователь Ф кодирует эти данные таким образом, что символу 1 соответствует сигнал, состоящий из двух прямоугольных импульсов, следующих друг за другом через промежуток времени 1 (фиг. 2). Символу 0 соответствует сигнал, состоящий из двух прямоугольных импульсов, следующих друг за другом через промежуток времени 0 (фиг. 2). При этом длительность первого импульсакак минимум в два раза больше длительности второго импульса . Это необходимо для того, чтобы блок синхронизации С мог выделить из этого сигнала импульс синхронизации. Импульсы, имеющие большую длительность, используются для синхронизации работы источника и приемника данных. Поэтому они далее будут называться синхроимпульсами. Второй импульс меньшей длительности далее будем называться символьным импульсом. После формирователя Ф сигналы поступают параллельно на входы блока синхронизации С и источника оптического излучения И. Источник И формирует на своем выходе оптический сигнал, состоящий из двух импульсов. Длительность этих импульсов соответствует длительности электрических импульсов, поступающих на вход источника И. Оптическое излучение в импульсах имеет одинаковую мощность. Блок синхронизации управляет коэффициентомослабления мощности оптического излучения нейтрального светофильтра Н. Выход блока С соединен с управляющим входом светофильтра Н. При поступлении на вход блока С импульсов синхронизации на его выходе вырабатывается такой уровень напряжения, который соответствует коэффициенту ослабления нейтрального светофильтра 1. Когда на вход блока С приходит символьный импульс сигнала, то на его выходе устанавливается уровень напряжения, соответствующий значению коэффициента , при котором энергия оптического излучения в этом импульсе ослабляется в среднем до энергии одного фотона. Оптическое излучение с выхода источника излучения И поступает через светофильтр Н в линию связи Л. Из линии связи излучение подается на лавинный фотодиод ЛФД. В течение времени воздействия на фотодиод оптического излучения синхроимпульса на ЛФД подается напряжение обратного смещения от источника питания П, составляющее 99 от напряжения лавинного пробоя фотодиода. В этом случае ЛФД работает в токовом режиме. Под действием синхроимпульса в ЛФД возникает импульс тока, который,протекая через резистор нагрузки н, приводит к изменению падения напряжения на этом резисторе, в результате чего формируется импульс напряжения. Эти импульсы напряжения поступают на вход усилителя У, где усиливаются до уровня, необходимого для их амплитудной селекции дискриминаторами Д 1 и Д 2, после чего поступают на входы этих дискриминаторов. На выходе дискриминатора Д 1 появляется импульс напряжения только в том случае,когда амплитуда импульса напряжения, поступающего на его вход, превысит порог амплитудной селекции этого дискриминатора. На выходе дискриминатора Д 2 появляется импульс напряжения только в том случае,когда амплитуда импульса напряжения, поступающего на его вход, будет находиться между верхним и нижним порогами амплитудной селекции этого дискриминатора. Нижний порог дискриминатора Д 2 выбирается над уровнем собственных шумов усилителя У,а верхний - равным порогу амплитудной селекции дискриминатора Д 1 и в 10 раз большим нижнего порога. Импульсы напряжения, сформированные под действием оптического излучения синхроимпульса, превышают пороги амплитудной селекции дискриминаторов Д 1 и Д 2. В этом случае импульсы появляются только на выходе дискриминатора Д 1. Импульсы с выхода дискриминатора Д 1 поступают на управляющие входы генераторов Г 1 и Г 2, сосчитываются счетчиком Сч 1 и сбрасывают триггеры Тр 1 и Тр 2. На выходе генератора Г 1 после окончания импульса через промежуток времени 0 генерируется прямоугольный 6 17012 1 2013.04.30 импульс длительностью , который через логический элемент ИЛИ ЛЕ поступает на управляющий вход импульсного источника питания ИП и на первый вход логического элемента И Л 1. На выходе генератора Г 2 после окончания этого импульса через промежуток времени 1 генерируется прямоугольный импульс длительностью , который также через логический элемент ИЛИ ЛЕ поступает на управляющий вход импульсного источника питания ИП и на второй вход логического элемента И Л 2. С приходом этих импульсов на вход источника питания ИП на его выходе формируются импульсы, которые увеличивают напряжение обратного смещения выше напряжения пробоя дважды в интервалах времени от 0 до 0 и от 1 до 1. Такое увеличение напряжения переводит ЛФД из токового в счетный режим работы. В этом режиме работы ЛФД регистрирует символьные импульсы от источника оптического излучения И. Под воздействием оптического излучения символьного импульса на выходе лавинного фотодиода формируется однофотонный импульс. Однофотонный импульс регистрируется в интервал времени от 0 до 0 или в интервал времени от 1 до 1 после окончания синхроимпульса при передаче символа 0 или символа 1 соответственно. Однофотонный импульс создает падение напряжения на резисторе н. Импульс напряжения, сформированный на резисторе нагрузки ЛФД н, усиливается усилителем У и подается на входы дискриминаторов Д 1 и Д 2. В этом случае амплитуда импульсов напряжения на выходе усилителя будет находиться между верхним и нижним порогами амплитудной селекции дискриминатора Д 2 и ниже порога дискриминатора Д 1. Поэтому импульсы появляются только на выходе дискриминатора Д 2. С выхода дискриминатора Д 2 импульсы поступают на второй и первый входы логических элементов Л 1 и Л 2 соответственно. При передаче символа 0 одновременно с приходом импульса с выхода дискриминатора Д 2 на вход 2 логического элемента Л 1 на вход 1 этого элемента поступает импульс с генератора Г 1. В результате чего на выходе элемента Л 1 появляется импульс, который поступает на вход 1 генератора Г 3 и входтриггера Тр 1. Этот импульс устанавливает триггер Тр 1 в единичное состояние, в результате чего на его выходе появляется уровень напряжения, соответствующий логической единице. По приходу импульса на вход 1 генератора Г 3 на его выходе формируется импульс отрицательной полярности. При передаче символа 1 одновременно с приходом импульса с выхода дискриминатора Д 2 на вход 1 логического элемента Л 2 на вход 2 этого элемента поступает импульс с генератора Г 2. В результате чего на выходе элемента Л 2 появляется импульс, который поступает на вход 2 генератора Г 3 и входтриггера Тр 2. Этот импульс устанавливает триггер Тр 2 в единичное состояние, в результате чего на его выходе появляется уровень напряжения, соответствующий логической единице. По приходу импульса на вход 2 генератора Г 3 на его выходе формируется импульс положительной полярности. Адресные входы 1 и 0 мультиплексора М соединены с выходами триггеров Тр 1 и Тр 2 соответственно. Импульс от генератора Г 2 через линию задержки ЛЗ 2 поступает на входы 1 и 2. Задержка выходного сигнала Г 2 осуществляется на время, необходимое для срабатывания триггера Тр 2. Если на входах 1 и 0 будут присутствовать логический нуль и логическая единица соответственно или наоборот, то импульс, поступивший на выходы 1 и 2 мультиплексора М, не передается на его вход. Когда на входах 1 и 0 будут присутствовать логические нули или логические единицы, то импульс, поступивший на выходы 1 и 2 мультиплексора М, передается на его вход. После чего он сосчитывается счетчиком Сч 2. Появления логических нулей или единиц на входах 1 и 0 мультиплексора М возможно только в случае ошибки, возникающей при нерегистрации символов 1 или 0. Счетчик Сч 1 подсчитывает- некоторое заданное число синхроимпульсов. После поступления на вход некоторого заранее заданного числаимпульсов на выходе счетчика появляется уровень напряжения, соответствующий логической единице, который сбрасы 7 17012 1 2013.04.30 вает счетчик Сч 2 и триггер Тр 3 в исходное состояние. Выход счетчика Сч 1 через линию задержки ЛЗ 1 соединен с его входом сброса, поэтому после появления логической единицы на выходе счетчикаСч 1 через некоторое время 3 происходит сброс этого счетчика в исходное состояние. Счетчик Сч 2 подсчитывает количество ошибок за время накопления числа . Если число ошибочных регистраций превысит за это время некоторое значение, на выходе счетчика появится уровень напряжения, соответствующий логической единице. Выход счетчика Сч 2 соединен свходом -триггера Тр 3. Благодаря чему, на выходе триггера Тр 3 (выход 2 устройства) устанавливается уровень напряжения, соответствующий логической единице. Появление логической единицы на выходе 2 свидетельствует о возникновении дефекта в линии связи, приводящего к потере мощности оптического излучения, или к наличию в линии Л несанкционированного пользователя. Таким образом, заявляемое устройство позволяет расширить функциональные возможности устройства путем введения автоматического контроля вероятности ошибки регистрации и упростить его 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. 4. Барановский О.К., Гулаков И.Р., Зеневич А.О. Амплитудные характеристики одноквантовых фотоприемников с большой фоточувствительной поверхностью // Доклады БГУИР. - 2007. -3(19). - С. 57-61. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8