Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Кафедра Световодной Фотоники Выпускная квалификационная работа Разработка системы передачи данных на основе светодиодов ультрафиолетового диапазона Студент: Фомичев А. Д. , гр. 5961 Научный руководитель: Нач. НТО, Папченко Б. П. Санкт-Петербург, 2015 г.
Цели и задачи ВКР Основной целью выпускной квалификационной работы является разработка и создание системы передачи информации на основе светодиодов ультрафиолетового диапазона. Достижение данной цели можно разделить на несколько этапов: 1. Аналитический обзор существующих зарубежных систем передачи информации 2. Обзор характеристик и подбор компонентов разрабатываемой системы 3. Проведение тестовых испытаний системы на имеющейся элементной базе, анализ результатов 4. Закупка недостающих компонентов, сборка и запуск системы, проведение испытаний 2
Актуальность проблемы Оптические инфракрасные каналы связи широко применяются для беспроводной передачи данных. Для канала связи с атмосферным рассеянием более эффективно использование ультрафиолетового (УФ) спектра. Повсеместное использование этой области спектра до сих пор сдерживалось отсутствием эффективных и портативных излучателей. 3
Геометрия канала связи Оптический сигнал излучается источником света под углом ε Рассеянное объемом V под углом γ излучение от передатчика попадает в фотоприемник Оптический сигнал демодулируется и преобразуется в коммуникационный протокол 4
Компоненты системы Источник Генератор сигнала Блок питания АЦП Модулятор УФ светодиод 5
Выбор длины волны Значительное увеличение стоимости светодиодов. Значительное уменьшение соотношения сигнал/шум. UVTOP 240 TO 18 BL ~$550 Как следствие – требуется большая мощность излучения и/или большая чувствительность приемника UVTOP 260 TO 18 BL ~$460 UVTOP 280 TO 18 BL ~$330 (по данным на 01. 03. 2015) 200 250 300 350 Наиболее эффективной является область с длиной волны 270 -280 нм 6
Создание тестовой системы передачи информации (λ=400 нм) В качестве источника излучения были использованы светодиоды модели «UVTOP 400 TO 18 FW» . В качестве приемника был использован HCPV ресивер. В ходе испытаний был передан сигнал с генератора «Tektronix AFG 3021 B» на осциллограф «Tektronix TDS 2014 C» с помощью атмосферного канала связи с рассеянием. Ниже приведены данные эксперимента, а также полученные результаты и их анализ. 7
Создание тестовой системы передачи информации (λ=400 нм) 8
Создание тестовой системы передачи информации (λ=400 нм) На данном рисунке изображены кривые тока (желтая), напряжения (синяя) и тока, поступающего с фотоприемника (фиолетовая) при отсутствии сигнала с генератора. Далее на светодиод подавался импульсный сигнал прямоугольной формы с различной длительностью импульса. Импульсный сигнал, длительностью 100 мкс. Шаг сетки – 100 мкс. 9
Создание тестовой системы передачи информации (λ=400 нм) Импульсный сигнал, длительностью 50 мкс. Импульсный сигнал, длительностью 10 мкс. Шаг сетки – 25 мкс. Шаг сетки – 2, 5 мкс. 10
Создание тестовой системы передачи информации (λ=400 нм) Импульсный сигнал, длительностью 5 мкс. Импульсный сигнал, длительностью 1 мкс. Шаг сетки – 500 нс. 11
Создание тестовой системы передачи информации (λ=400 нм) Импульсный сигнал, длительностью 500 нс. Импульсный сигнал, длительностью 100 нс. Шаг сетки – 250 нс. 12
Создание тестовой системы передачи информации (λ=400 нм) На фотографии видно, что после окончания импульса сигнал на фотоприемнике не исчезает мгновенно, а спадает экспоненциально. Данный постепенный спад и определяет максимально возможную скорость 13 передачи.
Анализ полученных результатов • При расположении источника и приемника под углом 90° в 1 метре от области перекрытия, минимальная длина импульса составляет 2*10 -5 секунды. • Максимально возможное количество импульсов, передаваемых за секунду составляет ~500000 • Максимальная скорость передачи – 488, 28 к. Б/с. 14
Анализ полученных результатов • Нужно учитывать, что полученные результаты приведены для светодиодов, работающих на длине волны 400 нм. • Скорость передачи зависит от свойств атмосферы, дальности связи, величины помех и других параметров. 15
Перспективы развития • Основной помехой в увеличении скорости передачи составляет время релаксации фотоприемника. • В приведенном описании фотоэлектронного умножителя «Hamamatsu R 7154» указано время релаксации, которое составляет 22 нс. • Можно сделать вывод, что при использовании других компонентов, скорость передачи может быть увеличена приблизительно в 45 раз по сравнению с системой, использованной в эксперименте. 16
Направления применения На данный момент возможна передача речевых сообщений в реальном времени Расстояние между источником и приемником может сильно варьироваться в зависимости от направлений применения Важной особенностью является отсутствие необходимости нахождения приемника в поле зрения источника 17
Оценка стоимости проекта Длина волны • Стоимость УФ светодиодов увеличивается с уменьшением длины волны • Стоимость производства УФ светодиодов постепенно снижается Дальность канала связи Скорость передачи информации • От направления применения зависит требуемая мощность источника УФ излучения • Необходимо учитывать оборудование, отвечающее за прием и передачу цифрового сигнала 18
Оценка стоимости проекта Тип Модель Цена (руб. ) Генератор сигнала RIGOL DG 4062 36300 Источник питания L 10366 ~50000 Светодиоды UVTOP 275 BL 6766 Источник тока Б 5 -71/1/2/4 -ПРО 15500 Фотоумножитель R 7154 28908 Источник тока Б 5 -71/1/2/4 -ПРО 15500 Осциллограф С 1 -157 М 49500 светодиодов Данные таблицы указаны по состоянию на 01. 03. 2015. Использование конкретных моделей, указанных в таблице не является обязательным, возможно использование аналогов. Создание данной системы можно оценить в 250 000 – 300 000 рублей 19
Проблемы реализации проекта На данный момент в наличии имеются все компоненты системы, кроме источника ультрафиолетового излучения и фотоэлектрического умножителя. Анализ рынка показал, что закупка данных компонентов возможна только из-за рубежа (Япония, США). Однако, для закупки данного оборудования требуется заполнение форм экспортного контроля с указанием применения данной системы. В настоящее время эта информация является конфиденциальной, что не позволяет передавать ее третьим лицам, находящимся за рубежом. Данный факт является основной причиной задержки в реализации разрабатываемой системы.
Выводы • Система передачи информации на основе светодиодов ультрафиолетового диапазона имеет потенциал как при использовании на небольших расстояниях внутри помещений, так и на открытых пространствах. • Стоимость данной системы будет снижаться за счёт уменьшения стоимости производства светодиодов. • Проведенные испытания доказали возможность передачи речевого сигнала на длине волны 400 нм при использовании атмосферного канала связи, а аналитический обзор показал преимущества использования длины волны в диапазоне 270 -280 нм. • Создание системы передачи информации будет возможно после улаживания трудностей с импортом оборудования 21
Спасибо за внимание! 22
Скачать презентацию Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Кафедра
Фомичев.pptx