Разработка способа повышения чувствительности в беспроводных оптических каналах передачи данных в видимом диапазоне световых волн

Введение. В целях организации безопасной передачи данных предлагается построение беспроводного оптического канала на основе трехкомпонентных (RGB) светодиодов для освещения помещения и передачи информации.

Известно [1], что человеческий глаз не способен детектировать пульсации светового потока с частотой выше 100 Гц. Таким образом, использование импульсной модуляции на частотах от 100 кГц – 10 МГц позволит обеспечить передачу данных и освещение помещения без вреда здоровью. Дополнительно передача информации по беспроводному оптическому каналу позволяет весьма точно определить периметр защищаемой зоны для обеспечения конфиденциальности передаваемых данных [2].

Способ кодирования на основе фазовых манипуляций. Для осуществления безопасной передачи данных по беспроводному оптическому каналу связи разработан способ кодирования информации на основе квадратурных фазовых манипуляций. Процесс кодирования представлен на рис. 1. Последовательный поток входных бит данных I ( t ) преобразуется в последовательность N битных блоков ( b , b , , b , b ), каждый из которых кодируется пакетом RGB импульсов. Пакет импульсов представлен в виде совокупности импульсов по каждому из цветовых каналов за период опорного сигнала. Кодирование происходит на основе квадратурных фазовых манипуляций с четырьмя возможными состояниями фазы относительно опорного сигнала (45 ° , 135 ° , 225 ° , 315 ° ) [3]. Таким образом, число цветовых каналов CC = 3, количество возможных фазовых состояний FC = 4, общее количество уникальных комбинаций в соответствии с правилами комбинаторики [4] M = CC^FC = 3⁴ = 81 состояние.

Ь3Ь2 = «00» Фя = 45°	для bj = «0» fi = Фо(фк) = 90—срк	для bo = «0» f3=fi-90
		для bo= «1» Wt+90
	для bi = «1» f2= Фс(фн) = 180—фк	для bo = «0» f3=f2-180
		для bo = «1» f3= f2-90
b3b2 = «01» Фк= 135°	fl	для bo = «0» f3= ft+90
		для bo= «1» f3= ft—90
	fz	для bo = «0» f3=f2+180
		ДЛЯ by — «1» f3= f2-90
ЬзЬ2=«1О» № = 225°	fl	Fi
bsbj = «11» №=315°	fl	F;
	fl

Рис. 1. Таблица фазовых состояний кодирования информации на основе фазовых манипуляций в канале со спектральным разделением

Fig. 1. The table of phase states of information encoding based on phase manipulations in a channel with spectral division

В качестве дополнительного ограничения определим, что за один период опорного сигнала каждый цветовой канал формирует не более одного импульса, а также то, что в одном периоде не может быть двух и более импульсов с одинаковой фазой. Таким образом, число уникальных фазовых состояний определим, как

М = C I 1 ( FC - j ) = 4 • 3 • 2 = 24.                              (1)

j = 0

При кодировании двоичных сигналов число бит, передаваемых за период опорного сигнала, определяется выражением

CC - 1

M ₂ = div

log 2 П ( FC - j ) j = 0

= 4.

В соответствии с (2) в случае бинарного входного потока данных I ( t ) число бит в каждом передаваемом блоке равно 4.

Оставшиеся 8 состояний можно использовать для передачи служебных сообщений, таких как начало и конец передачи, наличие ошибок и управление потоком данных.

На рис. 2 представлена диаграмма кодирования одного из возможных состояний для каждого из каналов. На диаграмме пунктирной линией показана возможность широтноимпульсной модуляции (ШИМ) интенсивности светового потока, что позволяет обеспечить регулировку яркости приборов освещения для создания комфортных условий работы или выполнить адаптивную подстройку уровня светового потока от источника света с учетом изменения освещенности в помещении. Аналогичная технология предлагается в [5].

Рис. 2. Диаграмма кодирования информации на основе фазовых манипуляций в канале со спектральным разделением

Fig. 2. The diagram of information encoding based on phase manipulations in a channel with spectral division

Регулировка мощности излучения при использовании в качестве передатчиков светодиодных источников освещения имеет свои ограничения, связанные с созданием требуемой освещенности или компенсации внешней засветки [6; 7]. Автоматическая регулировка чувствительности фотоприемников имеет приоритет перед регулировкой мощности источников света, поскольку позволяет независимо подстроиться под величину общей освещенности и скомпенсировать постоянную составляющую от дополнительных источников света.

Контроль наличия ошибок в канале передачи данных. Способ кодирования предполагает, что за один период опорного сигнала каждый цветовой канал сформирует один импульс равной длительности и все три цветовых компонента будут иметь разные фазы. Одновременное присутствие двух или трех импульсов разных цветов на входе будет сигнализировать о наличии помехи или возникновении «засветки» – изменении интенсивности дополнительного естественного или искусственного освещения [8]. Здесь необходимо различать кратковременные импульсы τ ~ 10^–8 ÷ 10^–6 с ( τ ~ 10^–8 ÷ 10^–6 с) в трех цветовых каналах, которые распознаются как ошибка в активной фазе передачи данных или используются для синхронизации тактовых генераторов приемника и передатчика между пакетами данных, и медленно изменяемый сигнал ( τ ~ 10^–3 ÷ 10¹ с) на входе приемника, характерный для засветки естественным или искусственным светом [9; 10]. При формировании синхроимпульсов предлагается наличие одновременных импульсов на всех цветовых каналах для фазового состояния ф = 45 ° . На рис. 3 представлена блок-схема алгоритма анализа сигналов в приемном тракте.

Рис. 3. Алгоритм анализа сигналов в приемном тракте

Fig. 3. The algorithm of signal analysis in the receiving tract

Такой способ обеспечивает контроль и возможность динамической компенсации внешней «засветки» путем изменения коэффициента усиления фотоприемников и регулировки яркости излучающих светодиодов.

Функциональная схема устройства стационарного и мобильного приемопередатчика. На рис. 4 представлена функциональная схема устройства для реализации предлагаемого способа кодирования в беспроводном канале на основе оптического излучения. Входной поток данных бинарной последовательности I ( t ) подается на вход устройства цифровой обработки данных (УЦОД) [11]. Функциями блока УЦОД являются формирование последовательности прямоугольных импульсов для синхронизации с источником данных, буферизация входных данных и управление потоком, а также преобразование последовательности бит в последовательность четырехбитных блоков. Сигнал синхронизации поступает на вход тактового генератора для обеспечения фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) [12; 13], выходной поток данных поступает на вход устройства последовательного кодирования (УПК). Алгоритм функционирования УПК реализует таблицу фазовых состояний, представленную на рис. 1.

Рис. 4. Функциональная схема устройства для реализации предлагаемого способа кодирования

Fig. 4. The functional scheme of the device required to implement the suggested encoding method

Выходные сигналы из блока УПК поступают на блоки регулировки интенсивности свечения на основе ШИМ, далее на токовые ключи управления светодиодами. Приемная сторона состоит из фотоприемников (фотодиодов) с соответствующими оптическими цветовыми фильтрами, сигнал от которых подается на вход операционных усилителей (ОУ) с регулируемым коэффициентом усиления. Далее сигнал поступает на вход устройства обработки данных (УОД). Основными функциями УОД являются формирование прямоугольной последовательности импульсов для синхронизации приемника и передатчика, а также анализ состояния сигналов каждого из цветовых компонент (определение наличия ошибки или «засветки»). Параллельно сигналы с выходов ОУ каждого цветового канала подаются на вход устройства последовательного декодирования (УПД), реализующего алгоритм, обратный к исходному. На выходе УПД формируется выходной поток данных бинарной последовательности.

Расчет оптических пропускающих фильтров. Учитывая, что большинство фотодиодов являются достаточно широкополосными в видимом диапазоне световых волн, для повышения чувствительности каждого цветового канала и селективности приемного тракта, необходимо использовать оптические фильтры для каждого цветового канала. Наиболее эффективными являются интерференционные фильтры из оптически прозрачных материалов с различными физическими характеристиками [14].

Хорошие функции пропускания могут быть получены с использованием всего лишь двух различных диэлектрических материалов, с показателями преломления n и n . Предположим, что нужно создать фильтр, который пропускает центральную длину волны λ . Общая схема построения таких фильтров состоит в использовании чередующихся слоев диэлектриков с высоким и низким показателями преломления, имеющих толщину 1/4 или 1/2 длины волны λ . Четвертьволновая пластинка диэлектрика с показателем преломления n должна иметь толщину λ /4n . Так как на оптических длинах волн эти толщины очень малы, вместо термина пластина чаще используется тонкая пленка. Диэлектрические тонкие пленки толщиной в половину длины волны λ называются полостями фильтра. Используемая тонкопленочная структура фильтров состоит из нескольких полостей, разделенных несколькими четвертьволновыми пленками. Если H и L обозначают четвертьволновые пленки (для длины волны λ ) диэлектриков с высоким и низким показателями преломления соответственно, то мы можем представить конструкцию любого фильтра с помощью HL-последовательности. Два символа H или L подряд обозначают полуволновую пленку. Например, если слегка заштрихованный диэлектрик обладает низким показателем преломления, а сильно заштрихованный – высоким, то фильтр, состоящий из множества диэлектрических пленок может быть представлен последовательностью HLHLLHLH . Если окружающие диэлектрики обозначить символом G (glass – стекло), то полную структуру можно представить последовательностью GHLHLLHLHG .

Более узкую область пропускания и более сильное подавление боковых длин волн можно достигнуть за счет использования более чем трех четвертьволновых пленок [15]. Например, фильтр, описываемый последовательностью G ( HL )⁹ HLL ( HL )⁹ HG . Обозначение ( HL ) ^k соответствует последовательности HLHL ... HL ( k раз) .

Использование множества полостей приводит к более плоской полосе пропускания и резкому спаду по краям. Оба эффекта показаны на рис. 5, на котором функция пропускания около центральной длины волны λ , изображена для одно-, двух- и трехполостного диэлектрического тонкопленочного фильтра.

Рис. 5. Сравнение одно-, двух- и трехполостного фильтров

Fig. 5. Comparison of one-, two- and threeband filters

Однополостной фильтр такой же, как и описанный выше. Двухполостной фильтр описывается последовательностью

G ( HL )¹² HLL ( HL )²⁴ HLL ( HL )¹² HG .

Трехполостной фильтр описывается последовательностью

G ( HL )¹⁰ HLL ( HL )²¹ HLL ( HL )²¹ HLL ( HL )¹⁰ HG .

Заключение. Преимуществами предлагаемого подхода являются увеличение скорости передачи информации в беспроводных каналах на основе технологии VLC, улучшение помехозащищенности за счет используемой технологии кодирования и алгоритма компенсации изменения светового потока внешнего источника освещения («засветки»), большая защищенность канала от несанкционированного доступа к информации, реализуемая посредством распределенного спектрального кодирования и возможности более эффективной фильтрации светового потока от VLC передатчика в красном и синем цветовом диапазонах

Таким образом, разработан способ кодирования данных в беспроводных оптических каналах связи, обладающий повышенной помехозащищенностью.

Для повышения чувствительности каждого цветового канала и селективности приемного тракта предложено использовать оптические фильтры для каждого цветового канала. Наиболее эффективными являются интерференционные фильтры из оптически прозрачных материалов с различными физическими характеристиками.