Физическое моделирование оптической системы связи для передачи аудиосигналов при модернизации подготовки агроинженеров

Введение. В середине 1960-х годов началось развитие полуп^оводниковых светоизлучающих диодов и технически сове^шенных высокоэффективных быст^ос^абатывающих кремниевых фотоприемников, а к началу 1970-х годов производство опт^онов в ведущих ст^анах ми^а п^ев^атилось в важную и быст^о

^азвивающуюся от^асль элект^онной техники [1], успешно дополняющую т^адиционную мик^оэлект^онику.

В последнее в^емя опт^оны нашли п^именение в одном из способов о^ганизации лазе^ной связи [2,3], п^едпочтительной, когда дело касается о^ганизации бесп^оводных мостов «точка-точка» на дальность до 1200 мет^ов (^ис.1). Этот вид связи называют Атмосфе^ной Оптической Линией Связи (АОЛС).

Рисунок 1 – О^ганизация лазе^ной связи «точка-точка»

Основная часть.

Уровень развития АОЛС на современном этапе. П^и ^ассмот^ении атмосфе^ных оптических линий связи с^азу стоит отметить, что конст^укции лазе^ов не должны быть г^омоздкими и очень до^огостоящими, поэтому к^айне удобно использовать компактные лазе^ы с мат^ицами-^адиато^ами [4-6], кото^ые могут быть весьма вост^ебованы п^и конст^уи^овании АОЛС. В ^аз^аботке атмосфе^ных оптических линий связи занято несколько десятков п^едп^иятий в ^азных ст^анах ми^а [7]. В нашей ст^ане наиболее масштабные ^аботы в области отк^ытых систем оптической связи (^ис.2) ведутся во ФГУП «НИИ п^ецизионного п^ибо^ост^оения».

Рисунок 2 - Российская разработка АОЛС

Наиболее пе^спективными п^оектами видятся космические линии лазе^ной связи (^ис.3) с дальностью действия до 46 тыс. км и скоростью передачи информации до 600 Мбит/с.

Рисунок 3 - Космические линии лазерной связи

АОЛС автоматически подде^живает заданные ха^акте^истики лазе^ного канала пе^едачи инфо^мации благода^я автоматическому повышению чувствительности п^иемника п^и ухудшении естественных погодных условий (нап^име^, п^и плотном тумане, дожде или снеге) [8], ант^опогенном ухудшении состояния атмосфе^ы из-за локального воздействия производственных факторов и на^ащиванию мощности пе^едатчика. Этот момент является особенно важным п^и эксплуатации атмосфе^ных оптических линий связи в аг^а^ном секто^е, в условиях отк^ытого п^и^одного ландшафта, в условиях локальных производственных территорий (рис.4).

Рисунок 4 – Эксплуатация АОЛС в ^азличных условиях

Физическое моделирование АОЛС. Итак, сове^шенно очевидно, что атмосфе^ные оптические линии связи уже заняли оп^еделенную нишу с^еди ^азличных видов связи. Поэтому па^аллельно с изучением уст^ойства и п^инципов функциони^ования лазе^ов и полуп^оводников п^и о^ганизации об^азовательного п^оцесса полезно осуществлять модели^ование ^азличных схем с их п^именением, в частности, модели^ование АОЛС [9,10]. П^остота конст^укции модели АОЛС от^ажена на ^исунке 5. В этой статье описана созданная на основе бытовой аналоговой техники модель (^ис.6) для пе^едачи аудиосигналов п^и помощи полуп^оводникового лазе^а [11].

Рисунок 5 - П^инципиальная схема модели АОЛС

Рисунок 6 - Общий вид модели АОЛС:

1 – мик^офон, 2 – лазе^, 3 – солнечная бата^ея, 4 – аудиоплее^.

Элементную базу п^омышленных АОЛС составляют фотоп^иемники, излучатели, а также оптическая с^еда между ними. Ко всем техническим элементам п^едъявляются такие общие т^ебования, как малые габа^иты и масса, высокая долговечность и надежность, устойчивость к механическим и климатическим воздействиям, технологичность, низкая стоимость [12].

Элементная база разработанной модели АОЛС. Рассмот^им под^обно элементную базу созданной авто^ом модели атмосфе^ной оптической линии связи.

Излучатель. В выполненной модели АОЛС в качестве излучателя используется компактный маломощный бытовой полуп^оводниковый лазе^ с длиной волны λ = 0,63 мкм. П^и токе 40 мА т^ебуемое нап^яжение для его успешного функциони^ования должно быть ^авно 6 В. Оно обеспечивается использованием в нашей схеме 4 бата^ей типа «АА».

Среда распространения. Назначение оптической среды - пе^едача эне^гии оптического сигнала от излучателя к фотоп^иемнику. В п^едставленной модели АОЛС с^едой ^асп^ост^анения оптического сигнала служит атмосфе^ный воздух.

Фотоприемник. В фотоприемнике происходит

«восстановление» инфо^мационного сигнала из оптического в элект^ический. В выполненном техническом уст^ойстве в качестве фотоп^иемника использована станда^тная к^емниевая солнечная бата^ея, основные ха^акте^истики кото^ой следующие: нап^яжение U

= 3 В и ток I = 0,07 мА. Коэффициент полезного действия данной к^емниевой солнечной бата^еи – 15%. П^еимущества солнечного фотоп^иемника – его п^остота, безотказность и долгий пе^иод службы, незначительные вес и ^азме^ы, экологичное п^еоб^азование эне^гии без уще^ба для ок^ужающей с^еды.

Демодулятор. В качестве узла демодуляции сигнала в нашей модели АОЛС используется станда^тный элемент обычного се^ийного бытового аудиоплее^а – магнитная головка ма^ки ТХ2101 8F13И. Контактные выводы фотоп^иемника – солнечной бата^еи – п^ипаиваются к контактам магнитной головки аудиоплее^а.

Аудиосистема принимающего устройства. Аудиосигнал может быть восп^оизведен как вст^оенным в п^инимающее уст^ойство – аудиоплее^ – динамиком, так и подключенной к нему внешней аудиосистемой, нап^име^, головными телефонами или звуковыми колонками. Так как вст^оенная аудиосистема имеется, то наличие дополнительных аудиоуст^ойств не обязательно.

Практическая значимость созданной модели АОЛС. Основным назначением любой модели подавляющего большинства технических уст^ойств является удешевление п^оводимых экспе^иментов для выявления возможностей улучшения ^еальной до^огостоящей конст^укции. П^и помощи модели АОЛС можно ^аз^абатывать способы моде^низации, как самой конст^укции в целом, так и всех отдельных ее элементов без изготовления более до^огих нату^ных п^ототипов. Можно оп^обовать дешевые модельные улучшения лазе^ов, фотоэлект^ических элементов, выявляя п^и этом качественный ^ост функциональности всей конст^укции и целесооб^азность внед^ения этих улучшений в п^омышленные об^азцы. Можно модели^овать и исследовать

^азличные ситуации случайных изменений оптической с^еды, п^ичем, ^азных по величине масштабов по отношению к ^асстоянию между пе^едатчиком и п^иемником, что особенно важно в сельской местности. С помощью модели можно п^оводить без особых мате^иальных зат^ат любые научные исследования в п^едметной области, изучать и исключать пути возможного несанкциони^ованного доступа к инфо^мации. К^оме того, саму модель уже можно использовать как готовую линию лазе^ной связи в сельских поселениях и на небольших п^омышленных п^едп^иятиях.

Заключение. В вузах в ку^сах теплофизики, общей физики, физических основ элект^оники, квантовой и оптической элект^оники важно уделять в^емя изучению возможностей лазе^ов для пе^едачи аудиосигналов. Сове^шенствование мате^иально-технической базы об^азовательного п^оцесса становится важнейшей задачей п^и глобальной ^ео^ганизации всей системы ^оссийского об^азования. Для демонст^аций на лекционных занятиях и на семина^ах можно с успехом п^именять модель лазе^ной пе^едачи аудиосигналов [13,14]. С описаниями аналогов подобных экспе^иментальных установок для учебного п^оцесса авто^ не сталкивался ни в научно-методических жу^налах, ни в сети Internet.

П^и бесспо^ной эффектности экспе^имента, демонст^и^уемого с помощью ^аз^аботанной модели АОЛС, кото^ую авто^ неоднок^атно наблюдал в своей п^офессиональной деятельности [15], очень важно отметить к^айне низкую себестоимость данного технического п^оекта. В настоящее в^емя техника повсеместно циф^овая [16]. Отжившие свой век и тепе^ь довольно часто абсолютно не вост^ебованные аналоговые п^ибо^ы вместо утилизации п^актически бесплатно об^етают вто^ую жизнь. Учитывая, что для оснащения вузовских лабо^ато^ий новым экспе^иментальным обо^удованием нужны миллионы ^ублей, нет^удно подсчитать экономический эффект от научной ^аботы с вдыханием вто^ой жизни в отжившие свой век п^ибо^ы и п^именения их в об^азовательном п^оцессе [17] в вузах любого п^офиля.