Принцип работы ИК пульта управления
Большая часть современной бытовой электронной аппаратуры имеет пульт дистанционного управления, использующий инфракрасное (ИК) излучение в качестве способа передачи информации. ИК канал передачи данных используется в некоторых устройствах системы “умный дом”, которую мы производим.
Принцип ИК передачи информации
Инфракрасное, или тепловое излучение – это электромагнитное излучение, которое испускает любое нагретое до определенной температуры тело. ИК диапазон лежит в ближайшей к видимому свету области спектра, в его длинноволновой части и занимает область приблизительно от 750 нм до 1000 мкм.
Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, около половины излучения Солнца. Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении отличаются от их свойств в видимом свете.
Например, некоторые стекла непрозрачны для инфракрасных лучей, а парафин, в отличие от видимого света, прозрачен для ИК излучения и используется для изготовления ИК линз. Для его регистрации используют тепловые и фотоэлектрические приемники и специальные фотоматериалы.
Источником ИК лучей, кроме нагретых тел, наиболее часто используются твердотельные излучатели – инфракрасные светодиоды, ИК лазеры, для регистрации применяются фотодиоды, форотезисторы или болометры. Некоторые особенности инфракрасного излучения делают его удобным для применения в устройствах передачи данных:
- ИК твердотельные излучатели (ИК светодиоды) компактны, практически безинерционны, экономичны и недороги.
- ИК приемники малогабаритны и также недороги
- ИК лучи не отвлекают внимание человека в силу своей невидимости
- Несмотря на распространенность ИК лучей и высокий уровень “фона”, источников импульсных помех в ИК области мало
- ИК излучение низкой мощности не сказывается на здоровье человека
- ИК лучи хорошо отражаются от большинства материалов (стен, мебели)
- ИК излучение не проникает сквозь стены и не мешает работе других аналогичных устройств
Все это позволяет с успехом использовать ИК способ передачи информации во многих устройствах. ИК передатчики и приемники находят применение в бытовой и промышленной электронике, компьютерной технике, охранных системах, системах передачи данных на большие расстояния по оптоволокну. Рассмотрим более подробно работу систем (пультов) управления бытовой электроники.
Пульт ИК управления при нажатии кнопки излучает кодированную посылку, а приемник, установленный в управляемом устройстве, принимает её и выполняет требуемые действия. Для того, чтобы передать логическую последовательность, пульт формирует импульсный пакет ИК лучей, информация в котором модулируется или кодируется длительностью или фазой составляющих пакет импульсов.
В первых устройствах управления использовались последовательности коротких импульсов, каждый из которых представлял собою часть полезной информации. Однако в дальнейшем, стали использовать метод модулирования постоянной частоты логической последовательностью, в результате чего в пространство излучаются не одиночные импульсы, а пакеты импульсов определенной частоты.
Данные уже передаются закодированными длительностью и положением этих частотных пакетов. ИК приемник принимает такую последовательность и выполняет демодулирование с получением огибающей. Такой метод передачи и приема отличается высокой помехозащищенностью, поскольку приемник, настроенный на частоту передатчика, уже не реагирует на помехи с другой частотой.
Сегодня для приема ИК сигнала обычно применяется специальная микросхема, объединяющая фотоприемник, усилитель с полосовым фильтром, настроенным на определенную несущую частоту, усилитель с АРУ и детектор для получения огибающей сигнала.
Кроме электрического фильтра, такая микросхема имеет в своем составе оптический фильтр, настроенный на частоту принимаемого ИК излучения, что позволяет в максимальной степени использовать преимущество светодиодного излучателя, спектр излучения которого имеет небольшую ширину.
В результате таких технических решений, стало возможным принимать маломощный полезный сигнал на фоне ИК излучения других источников, бытовых приборов, радиаторов отопления и т.д. Работа современных устройств ИК управления достаточно надежна, а дальность составляет от нескольких метров до 40 и более метров, в зависимости от варианта реализации и уровня помех.
Передатчик ИК сигнала
Передатчик ИК сигнала, ИК пульт, чаще всего имеет питание от батарейки или аккумулятора. Следовательно его потребление должно быть максимально низким. С другой стороны, излучаемый сигнал должен быть значительной мощности для обеспечения большой дальности передачи.
Такие противоположные по энергетическим затратам задачи успешно решаются способом передачи коротких импульсных кодированных пакетов. В промежутках между передачами пульт практически не потребляет энергии.
Задача контроллера пульта – опрос кнопок клавиатуры, кодирование информации, модулирование опорной частоты и выдача сигнала на излучатель.
Для изготовления пультов выпускаются различные специализированные микросхемы, однако для этих целей могут быть использованы и современные микроконтроллеры общего применения типа AVR или PIC. Основное требование к таким микроконтроллерам – это наличие режима сна с чрезвычайно низким потреблением и способность чувствовать нажатия кнопок в этом состоянии.
Излучатель ИК сигнала испускает инфракрасные лучи под действием тока возбуждения. Ток на излучатель обычно превышает возможности микроконтроллера, поэтому для формирования необходимого тока устанавливается простейший светодиодный драйвер на одном транзисторе.
Для снижения потерь, при выборе транзистора необходимо обратить внимание на его коэффициент усиления тока – β или h21. Чем выше этот коэффициент, тем выше эффективность устройства.
Современные передатчики используют полевые или CMOS транзистоы, эффективность которых на используемых частотах можно считать предельной.
Приведенная схема не лишена недостатков, в частности при снижении уровня заряда батареи, мощность излучения будет падать, что приведет к снижению дальности. Для снижения зависимости от напряжения питания, можно использовать простейший стабилизатор тока.
Большинство передатчиков работают на частоте 30 – 50 кГц. Такой диапазон частот был выбран исторически при создании первых подобных устройств. Была выбрана область с наименьшим уровнем помех.
Кроме того, принимались в расчет ограничения на элементную базу.
В дальнейшем, по мере стандартизации и распространения аппаратуры с таким способом управления, переход на другие частоты стал нецелесообразным.
В целях увеличения импульсной мощности передатчика, а соответственно и его дальности, сигнал основной частоты отличается от меандра и имеет скважность 3 – 6. Таким образом повышается импульсная мощность с сохранением или даже уменьшением средней мощности. Импульсный ток светодиода выбирается исходя из его паспортных значений и может достигать одного и более Ампер.
Импульсный ток в большинстве пультов ИК не превышает 100 мА. При этом, поскольку и опорная частота имеет малый коэффициент заполнения и длительность кодированной посылки не превышает 20-30 мс, средний ток при нажатой кнопке не превышает одного миллиампера. Повышение импульсного тока светодиода сопряжено с снижением эффективности и уменьшением срока службы.
Современные инфракрасные светодиоды имеют эффективность 100-200 мВт излучаемой энергии при токе 50 мА. Допустимый средний ток не должен превышать 10-20 мА. Питание светодиода должно иметь RC фильтр, который снижает воздействие импульсной помехи на питание микроконтроллера.
Спектр применяемых светодиодов для ИК пультов большинства бытовой аппаратуры имеет максимум в области 940 нм.
Длительность единичного пакета опорной частоты для уверенного приема составляет не менее 12-15 и не более 200 периодов. При передаче кодированной посылки, передатчик формирует в начале преамбулу, которая представляет собой один или несколько пакетов опорной частоты и позволяет приемнику установить необходимый уровень усиления и фона.
Данные в кодированной посылке передаются в виде нулей и единиц, которые определяются длительностью или фазой (расстоянием между соседними пакетами). Общая длительность кодировнной посылки чаще всего составляет от нескольких бит до нескольких десятков байт. Порядок следования, признак начала и количество данных определяется форматом посылки.
Приемник ИК сигнала
Приемник ИК сигнала как правило имеет в своем составе собственно приемник ИК излучения и микроконтроллер. Микроконтроллер раскодирует принимаемый сигнал и выполняет требуемые действия.
Поскольку приемник в большинстве случаев устанавливается в аппаратуре с сетевым питанием, его потребление не существенно.
Микроконтроллер чаще всего выполняет и другие сервисные функции в устройстве и является его центральным логическим устройством.
Приемник ИК излучения чаще всего выполняется в виде отдельного интегрального модуля, который располагается за передней панелью управляемой аппаратуры. В передней панели имеется прозрачное для ИК лучей окошко.
Как правило, такая микросхема имеет три вывода – питание, общий и выход сигнала. Производители электронных компонентов предлагают приемники ИК сигналов различного типа и исполнения. Однако, принцип их работы схож.
Внутри такая микросхема имеет:
- фотоприемник – фотодиод
- интегрирующий усилитель, выделяющий полезный сигнал на уровне фона
- ограничитель, приводящий сигнал к логическому уровню
- полосовой фильтр, настороенный на частоту передатчика
- демодулятор – детектор, выделяющий огибающую полезного сигнала.
Корпус такого приемника выполняется из материала, выполняющего роль дополнительного фильтра, пропускающего ИК лучи определенной длины волны. Современные интегральные приемники позволяют принимать полезный сигнал на уровне фона, превышающего его в несколько десятков раз и при этом чувствовать посылки частоты, имеющие всего от 4 – 5 периодов.
Питание приемника излучения должно быть выполнено с RC фильтром для увеличения чувствительности. Микроконтроллер производит помеху широкого спектра на линиях питания, что может повлиять на работу приемника.
Форматы ИК передачи данных
Различные производители бытовой аппаратуры применяют в своих изделиях различные пульты ИК управления. Поскольку пульт должен общаться только с конкретным устройством, он формирует последовательность данных, уникальную для своего типа оборудования.
Передаваемые данные содержат кроме собственно команды управления адрес устройства, проверочные данные и другую сервисную информацию. Более того, различные производители используют различные способы формирования последовательности данных и различные способы передачи логических состояний.
Наиболее распространенные способы кодирования битов информации – это изменение длительности паузы между пакетами (метод интервалов) и кодирование сочетанием состояний (бифазный метод). Однако, встречаются способы кодирования бит информации длительностью, сочетанием длительности и паузы и т.д.
Наиболее распространенные форматы передачи:
- RC5 протокол компании Philips
- NEC протокол одноименной компании
Форматы RC-5 и NEC используются многими производителями электроники. Некоторые производители разработали свой стандарт, но в основном используют его сами. Менее распространенные форматы пультов управления:
В отличие от пультов управления бытовой электроникой, которые передают только одну команду, соответствующую нажатой кнопке, пульты управления кондиционерами передают при каждом нажатии всю информацию о параметрах, выбранных пользователем на экране пульта, такие как температура, режим охлаждения, нагрева или вентиляции, мощность вентилятора и другие. В результате, посылка становится достаточно длительной. Например, пульт бытового кондиционера Daikin FTXG передает единовременно 35 байт информации, скомпонованной в трех последовательных посылках. Форматы пакетов ИК передачи кондиционеров:
- Daikin
- Mitsubishi
- Samsung
Инфракрасные передатчики служат для синхронизации активных 3D очков затворного типа с телевизором.
- Формат передачи канала синхронизации 3D телевизора
Двунаправленная передача информации используется в некоторых мобильных устройствах: ноутбуках, телефонах, смартфонах, плеерах и т.д. Передача информации по протоколу IrDA основана на форматах асинхронной передачи данных, реализованных в COM портах компьютера.
- IrDA формат передачи данных
Передача информации на большие расстояния не обходится сегодня без ИК излучения. Опто-волоконные линии связи используют ИК излучение ближней и средней области спектра (некоторые и видимого) для передачи данных.
Часть информации о протоколах приведена в переводе с сайта sbprojects.com, другая часть – собственные исследования и анализ разрозненных данных из всемирной паутины.
Источник: http://led-displays.ru/ir_remote_theory.html
Инфракрасные системы связи фирмы PAV
16.08.2000 Павел Иванов
Между тем развитие последних стимулируется как достижениями в проектировании и производстве твердотельных лазеров, так и возрастающими потребностями пользователей в защищенных высокоскоростных каналах связи. Системы, функционирующие в инфракрасном (ИК) диапазоне, имеют целый ряд преимуществ перед альтернативными разработками.
Во-первых, за счет перехода в оптическую область длин волн такие системы не претендуют на какую-либо часть радиодиапазона, не создают помех в РЧ-спектре и сами не чувствительны к подобным помехам.
Для их эксплуатации не нужно получать разрешений на использование дефицитного радиочастотного ресурса. Во-вторых, инфракрасные каналы связи обеспечивают высокую защищенность пересылаемой информации.
Передаваемые по ним потоки не могут быть просканированы анализаторами спектра или контрольным оборудованием радиосетей. К тому же они, как правило, кодируются с помощью патентованных алгоритмов.
В-третьих, сами по себе беспроводные оптические системы не накладывают никаких принципиальных ограничений на скорость транспортировки данных. Наконец, немаловажным фактором является малое время их развертывания.
В последние годы инфракрасные системы передачи информации вызывают все больший интерес у операторов, Internet-провайдеров и корпоративных заказчиков.
К возможным вариантам их применения относятся формирование физических соединений в корпоративных сетях передачи данных (Ethernet/Fast Ethernet, ATM, FDDI) и магистральных сетях операторов наземной связи (SDH, PDH), создание резервных каналов, построение каналов доступа для решения проблемы «последней мили», обеспечение соединений с базовыми станциями и их контроллерами в сетях мобильной связи, развертывание временных сетей на период модернизации основной кабельной инфраструктуры или в районах стихийных бедствий, передача данных от систем видеонаблюдения и телеметрии при невозможности прокладки кабеля.
Одним из производителей, предлагающих инфракрасные системы связи (в том числе в России), является британская компания PAV Data Systems. В последние годы фирма заметно расширила ассортимент своей продукции, которая сегодня обеспечивает множество приложений.
Члены большого семейства
Прежде всего отметим, что основной принцип внедрения ИК-систем связи состоит в замене определенного участка физической линии (которую зачастую попросту невозможно проложить) беспроводным каналом. Этот принцип имеет два важных следствия:
- ИК-системы позволяют устанавливать только соединения типа «точка—точка», причем приемник и передатчик должны находиться в зоне прямой видимости;
- ИК-системы формируют транспортную среду физического уровня и никак не влияют на протоколы, относящиеся к канальному, сетевому и более высоким уровням модели OSI.
Последнее обстоятельство означает, что беспроводные оптические каналы могут служить для связи самых разных сетевых инфраструктур. Продукты PAV Data как раз и различаются типами поддерживаемых ими сетевых технологий и областями применения.
Устройства семейства SkyNet предназначены для формирования физических соединений в корпоративных СПД и магистральных сетях операторов связи.
Фактически, это семейство объединяет несколько линий продуктов, которые позволяют организовать передачу трафика Ethernet (максимальная дальность связи 6 км), Fast Ethernet (4 км), Token Ring (2 км, скорость 1—16 Мбит/с), FDDI (4 км) и STM-1/ATM OC/3 (4 км, быстродействие 155 Мбит/с, а в перспективе — 622 Мбит/с).
Серия SkyXpress была выпущена в этом году. Входящие в нее продукты позиционируются как недорогие решения для корпоративных клиентов и Internet-провайдеров, желающих передавать по беспроводному каналу трафик ЛС Ethernet (10 Мбит/с, максимальное расстояние 2 км).
Системы SkyCell разрабатывались специально для операторов сетей сотовой связи. Они обеспечивают подключение трансиверов и контроллеров базовых станций (по интерфейсам G.703/E1, E2 и E3), а также возможность организации микро- и пикосот. Поддерживаемые скорости передачи составляют 2, 8 и 34 Мбит/с; максимальная дальность связи — 6 км (модель E1-T6000).
Серия SkyCom также ориентирована на телекоммуникационный рынок, но основная сфера ее применения — телефонные сети общего пользования (вынос абонентской емкости, подключение офисных АТС). По своим техническим характеристикам она в основном идентична SlyCell, только поддерживаемые скорости передачи ограничены значением 2 Мбит/с.
Наконец, в портфеле PAV Data Systems есть два решения для работы с видеопотоками. Продукты SkyVision дают возможность подключить внешнее или выносное широковещательное и телевизионное оборудование, удаленное на расстояние до 500 м.
Для передачи видеопотоков со скоростью 270 Мбит/с используется интерфейс SDI (Serial Digital Interface).
Система SkyView позволяет формировать полудуплексные и дуплексные каналы для транспортировки видеопотоков и данных телеметрии на расстояния до 4 км.
Общими свойствами всех перечисленных систем являются высокая энерговооруженность лазерного луча (средняя мощность 300 мВт, уровень ИК-излучения 7 Вт/м2) и значительное время наработки на отказ (для лазеров оно составляет 130 тыс.
часов, т.е. без малого 15 лет). Мощность, потребляемая каждым из устройств, равна примерно 20 Вт, поэтому даже при сбое в сети электропитания приемопередатчик может работать от бесперебойного источника в течение нескольких часов.
Особенностью ИК-оборудования является быстрота его развертывания: среднее время, затрачиваемое на инсталляцию, не превышает 4 ч.
Отсутствие привязки к кабельной инфраструктуре обеспечивает возможность многократного использования одной и той же системы путем ее демонтажа и установки на новом месте. Еще важнее высокая ремонтопригодность данного оборудования.
Оно спроектировано так, что замена передатчика, сопровождающаяся переходом на новую длину волны из диапазона 860—920 нм, не требует модернизации приемника (ибо последний работает с длинами волн от 750 до 950 нм).
Дистанционное управление любым из указанных выше продуктов осуществляется при помощи модулей Link Monitor, которые устанавливаются в инфракрасные передатчики на обоих концах соединения и подключаются к стандартным ПК или к сети через интерфейс RS 232.
Разработанное компанией ПО позволяет контролировать все характеристики функционирования канала.
Этим летом фирма планирует обеспечить взаимодействие между Link Monitor и стандартными платформами сетевого администрирования по протоколу SNMP, а также поддержку коммутируемого доступа для управления несколькими приемопередающими системами с центральной консоли.
По заявлению сотрудников MicroMax, дистрибутора PAV Data Systems, оборудование этой фирмы обходится несколько дешевле, чем радиорелейные устройства. Согласно информации, размещенной на сервере www.price.
ru (данные на 12 июля), стоимость систем SkyNet составляет от 7632 долл. (10 Мбит/с Ethernet, 200 м) до 50 504 долл. (155 Мбит/с ATM/STM-1, 4 км), цена систем SkyCell (E1, 1—6 км) колеблется от 7968 до 21 506 долл.
, а на закупку систем SkyCom (E3, 1—4 км) потребуется 21 568—32 097 долл.
К краткой характеристике продуктов PAV остается добавить следующее. В марте текущего года фирма завершила сертификацию по системе «Электросвязь» атмосферных оптических устройств передачи, которые относятся к семействам SkyNet Ethernet Series, SkyNet 800 Series и SkyCell Series, на предмет их соответствия техническим и «качественным» требованиям, утвержденным в свое время Госкомсвязи России.
А за окном то дождь, то снег
Зависимость качества передачи от погодных условий — вот та цена, которую должны заплатить пользователи инфракрасных беспроводных систем за уход из радиодиапазона.
Влияние атмосферных явлений лимитирует максимальную протяженность канала связи (при фиксированном уровне его доступности), а требование прямой видимости накладывает дополнительные ограничения на высоту установки приемопередающих устройств и их направленность.
Что касается подъема оборудования над земной поверхностью, оптимальным оказывается диапазон высот от уровня крыш самых высоких зданий и сооружений до нижней границы зоны облачности.
Важность минимизации апертуры и обеспечения точной направленности излучения передатчика определяется тем, что по мере распространения лазерного луча его границы размываются, а приемники и передатчики монтируются на опорах конечной жесткости.
Для оборудования PAV Data максимально допустимое расхождение луча составляет 11 мрад; по заявлению технического директора фирмы MicroMax Александра Клокова, это примерно в три раза больше, чем в системах других производителей.
Снижения требований к юстировке оборудования и апертуре расхождения луча удалось достичь благодаря увеличению мощности излучения с обычно используемых 40 мВт до 300 мВт и более.
Из-за того что погодные условия влияют на надежность передачи, перед началом эксплуатации системы в каждой конкретной местности необходимо проводить ее тестирование. Общее правило заключается в том, что важен не столько тип осадков, сколько время их непрерывного воздействия на канал, поэтому, скажем, туман в большей степени влияет на состояние ИК-канала, чем дождь или снег (см. врезку).
Зависимость от состояния атмосферы приводит к тому, что доступность канала обратно пропорциональна дальности передачи. Так, при дальности 40 км доступность в среднем за год составит всего 40—50%, хотя летом значение этого показателя будет несколько выше. И наоборот, сближение приемника и передатчика на расстояние 500 м обеспечит доступность до 99,9%.
Впрочем, на практике беспроводные каналы обычно организуются для соединения узлов, разнесенных на несколько километров. По словам Дмитрия Водостоева, сотрудника московского офиса MicroMax, при дальности связи 3 км доступность одиночного ИК-канала E1 составляет 99,1%, а для 1 мили (1,6 км) она равна 99,7%.
Приведенные цифры следует воспринимать как верхние граничные значения; реальные параметры могут оказаться несколько ниже — в зависимости от особенностей конкретной территории.
Скажем, с учетом суммарной продолжительности туманов в Москве (около 24 ч в год) среднегодовая доступность канала составит 98,6%, а в районе Шереметьево, где туманы наблюдаются в два раза чаще, значение этого показателя будет еще ниже.
В феврале нынешнего года компания MicroMax совместно со своим заказчиком ОАО «Вымпелком» провела испытания оборудования SkyCell в районе Тимирязевского лесопарка (на северо-западе Москвы). В ходе тестирования даже при сильных снеговых зарядах передача ни разу не прерывалась.
Основную проблему в зимнее время представляет налипание снега на линзы; для борьбы с этим явлением используют удлиненные козырьки или подогрев передних линз.
Кроме того, увеличение размера козырьков помогает минимизировать негативное влияние прямого и бокового солнечного света; для той же цели применяют специальные надставки, сужающие (до 5?) апертуру солнечных лучей, падающих на переднюю линзу приемника.
Испытания над лесным массивом выявили еще один эффект, который часто упускается из виду, — снижение теоретического уровня доступности связи со 100 до 99,998% из-за перекрывания луча пролетающими птицами. Такие события наблюдались с частотой один раз в сутки на 1 км длины канала. Понятно, что в районе городской застройки влияние данного фактора не столь существенно.
Приведенные данные о снижении уровня доступности канала при уменьшении коэффициента прозрачности атмосферы позволяют предположить, что приемники и передатчики не обязательно выносить на улицу: они могут быть установлены и внутри помещений. Наличие стеклянной преграды удается учесть на стадии расчета технических характеристик монтируемой системы, и серьезные проблемы возникают только при наличии светофильтров или специального противосолнечного затемнения.
SkyCell в «Вымпелкоме»
«Вымпелком» стал первой российской компанией, запустившей оборудование PAV Data Systems в коммерческую эксплуатацию.
Фирма установила в здании столичного аэропорта «Шереметьево-2» свою базовую станцию, а на его крыше — лазерный приемопередатчик SkyCell производства PAV, обеспечивший связь с контроллером по инфракрасному каналу.
В результате прибывающие в аэропорт абоненты немосковских сетей GSM практически со стопроцентной гарантией попадают в объятия «Вымпелкома», тогда как раньше за право предоставлять им услуги роуминга последний на равных конкурировал с МТС.
Система SkyCell, размещенная в «Шереметьево-2», имеет четыре канала E1. Пока лишь по одному из них передается абонентский трафик, остальные же используются для резервирования и продолжающихся тестовых испытаний.
Судя по всему, выбор «Вымпелкома» пал на инфракрасную систему передачи (а не на более традиционную) в связи с отсутствием проблем с лицензированием.
Кроме того, как показало тестирование, климатические условия ближнего Подмосковья позволяют гарантировать высокую доступность канала (вплоть до 99,7%), если длина соединения не превышает 1 км, что и было учтено при инсталляции системы.
По сообщению MicroMax, в настоящее время фирма прорабатывает еще около десятка проектов на базе оборудования своего британского партнера. Примерно половина потенциальных покупателей — операторы сетей сотовой связи.
Влияние погодных условий на инфракрасный канал
Источник: https://www.osp.ru/nets/2000/08/141321
Аналоговые устройства приема и передачи сигналов по ВОЛС
01 Январь 2009
Способы передачи сигналов различного типа, данных и команд управления по оптоволоконным линиям связи начали активно внедряться в последнее десятилетие прошедшего века. Однако достаточно долго они не могли составить серьезной конкуренции (по крайней мере, в сегменте ТСБ) коаксиальному кабелю и витой паре.
Несмотря на такие недостатки, как высокие сопротивление и емкость, что существенно ограничивает дальность передачи сигнала, коаксиальный кабель и витая пара превалировали в системах безопасности. Сегодня ситуация начинает меняться, причем рискну утверждать, что перемены эти кардинальные.
Нет, в небольших системах, где видео и сигналы управления требуется передавать на небольшие расстояния, коаксиальный кабель и витая пара по-прежнему незаменимы. В крупных и особенно распределенных системах у оптоволокна альтернативы практически нет.
Дело в том, что оптоволоконное оборудование сегодня стало гораздо доступнее по цене и тенденция к его дальнейшему удешевлению достаточно устойчива. Так что волоконная оптика в настоящее время дает возможность предложить заказчику систем безопасности не только надежное, но и экономически выгодное решение.
Использование светового луча для передачи сигнала, широкая полоса пропускания позволяют передавать сигнал высокого качества на значительные расстояния без использования усилителей и повторителей.
Основными преимуществами использования волоконной оптики, как известно, являются: – более широкая полоса пропускания (до нескольких гигагерц), чем у медного кабеля (до 20 МГц); – невосприимчивость к электрическим помехам, отсутствие «земляных петель»; – низкие потери при передаче сигнала, ослабление сигнала составляет около 0,2–2,5 дБ/км (для коаксиального кабеля RG59 – 30 дБ/км для сигнала 10 МГц); – не вызывает помех в соседних «медных» или других оптоволоконных кабелях; – большая дальность передачи; – повышенная безопасность передачи данных; – хорошее качество передаваемого сигнала; – оптоволоконный кабель миниатюрен и легок.
Принцип работы оптоволоконной линии
Волоконная оптика -–технология, в которой в качестве носителя информации используется свет, и не важно, о каком типе информации идет речь: аналоговом или цифровом. Обычно используется инфракрасный свет, а средой передачи служит стекловолокно.
Оптоволоконное оборудование может использоваться для передачи аналогового или цифрового сигнала различных типов.
В простейшем варианте исполнения оптоволоконная линия связи состоит из трех компонентов: – волоконно-оптического передатчика для преобразования входного электрического сигнала от источника (например, видеокамеры) в модулированный световой сигнал; – оптоволоконной линии, по которой световой сигнал передается на приемник; – волоконно-оптического приемника, преобразующего сигнал в электрический, практически идентичный сигналу источника. Источником распространяемого по оптическим кабелям света является светодиод (LED) (или полупроводниковый лазер – LD). На другом конце кабеля принимающий детектор преобразует световые сигналы в электрические. Волоконная оптика опирается на особый эффект – преломление при максимальном угле падения, когда имеет место полное отражение. Это явление происходит в том случае, когда луч света выходит из плотной среды и попадает в менее плотную среду под определенным углом. Внутренняя жила (нить) оптоволоконного кабеля имеет более высокий показатель преломления, чем оболочка. Поэтому луч света, проходя по внутренней жиле, не может выйти за ее пределы из-за эффекта полного отражения (рис. 1).Таким образом, транспортируемый сигнал идет внутри замкнутой среды, проделывая путь от источника сигнала до его приемника.
Остальные элементы кабеля лишь предохраняют хрупкое волокно от повреждений внешней средой различной агрессивности.
Рис. 1 Волоконная оптика основывается на эффекте полного отражения
Физические параметры оптических волокон
Все распространенные типы волокон характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Различают модовую и материальную дисперсии – искажения сигнала, вызванные особенностями распространения световых волн в среде.
Материальная дисперсия вызвана тем, что волны различной длины распространяются с различной скоростью, что связано с особенностями физического строения волокна. Данный эффект особенно заметен при использовании одномодового волокна. Уменьшение ширины полосы излучения источника и выбор оптимальной длины волны приводит к уменьшению материальной дисперсии.
Модовая дисперсия проявляется в многомодовом волокне из-за разницы длин путей, проходимых лучами различных мод. К ее уменьшению приводит уменьшение диаметра сердечника волокна, сокращение числа мод и применение волокна с градиентным профилем. Затухание сигнала в оптоволоконном кабеле зависит от свойств материала и от внешних воздействий.
Затухание характеризует потерю мощности передаваемого сигнала на заданном расстоянии, и измеряется в дБ/км, где децибел – логарифмическое выражение отношения мощности, выходящей из источника Р1, к мощности, входящей в приемник Р2, дБ = 10*log(P1/P2). Потери в 3 дБ означают, что половина мощности потеряна.
Потеря 10 дБ означает, что только 1/10 мощности источника доходит до приемника, потери 90%. Волоконно-оптические линии, как правило, способны нормально функционировать при потерях в 30 дБ (прием всего 1/1000 мощности). Есть два принципиально различных физических механизма, вызывающих данный эффект. Потери на поглощение.
Связаны с преобразованием одного вида энергии в другой. Электромагнитная волна определенной длины вызывает в некоторых химических элементах изменение орбит электронов, что, в свою очередь, ведет к нагреву волокна. Естественно, что процесс поглощение волны тем меньше, чем меньше ее длина и чем чище материал волокна.
Потери на рассеяние.
Причина снижения мощности сигнала в этом случаезначает выход части светового потока из волновода. Обусловлено это неоднородностями показателя преломления материалов. И с уменьшением длины волны потери рассеивания возрастают.
Рис. 2 Окна прозрачности оптических волокон В теории лучших показателей общего затухания можно достичь на пересечении кривых поглощения и рассеивания. Реальность несколько сложнее и связана с химическим составом среды.
В кварцевых волокнах (SiO2) кремний и кислород проявляют активность на определенной длине волны и существенно ухудшают прозрачность материала в двух окрестностях. В итоге образуются три окна прозрачности (рис. 2), в рамках которых затухание имеет наименьшее значение.
Самые распространенные значения длины волны: 0,85 мкм; 1,3 мкм; 1,55 мкм. При аналоговой передаче чаще используются длины волн – 850 и 1310 мкм. Именно под такие диапазоны разработаны специальные гетеролазеры, на которых основываются современные ВОЛС (волоконно-оптические системы связи).
В настоящее время оптоволокно с такой характеристикой уже считается устаревшим. Достаточно давно освоен выпуск оптоволокна типа AllWave ZWP (zero water peak, с нулевым пиком воды), в котором устранены гидроксильные ионы в составе кварцевого стекла. Такое стекло имеет уже не окно, а проем в диапазоне от 1300 до 1600 нм.
Все окна прозрачности лежат в инфракрасном диапазоне, т. е. свет, передающийся по ВОЛС, не виден глазу. Стоит заметить, что в стандартное оптоволокно можно ввести и видимое глазом излучение. Для этого применяют либо небольшие блоки, присутствующие в некоторых рефлектометрах, либо даже слегка переделанную китайскую лазерную указку.
С помощью таких приспособлений можно находить переломы в шнурах. Там, где оптоволокно сломано, будет видно яркое свечение. Такой свет быстро затухает в волокне, так что использовать его можно только на коротких расстояниях (не более 1 км).
Аналоговая передача
В простейших передатчиках видеосигнала используется амплитудная модуляция (AM): интенсивность излучаемого света меняется пропорционально изменению амплитуды видеосигнала. Для получения более устойчивого результата, увеличения расстояния передачи сигналов, достижения лучшего соотношения сигнал/шум применяется частотная модуляция (FM).
Амплитудная модуляция (AM) – вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда. Интенсивность излучаемого света меняется пропорционально изменению амплитуды видеосигнала.
Так как контролировать интенсивность излучения на высоком уровне достаточно трудно, даже небольшие ее изменения вносят значительные искажения в передаваемый сигнал. Частотная модуляция (ЧМ) – вид аналоговой модуляции, при котором информационный сигнал управляет частотой световых импульсов.
По сравнению с амплитудной модуляцией амплитуда остается постоянной. Аналоговый способ применяется для передачи видео и аудиосигналов, сигналов управления, 10/100М Ethernet, контроля состояния контактов. При этом надо заметить, что для передачи видео или аудиоинформации аналоговые устройства не самый удачный выбор.
Передавать и принимать ее по ВОЛС с помощью аналогового оборудования бывает достаточно сложно. К тому же ценовые различия между аналоговым и аналогичным цифровым оборудованием незначительны.
Оборудование данного типа присутствует в ассортименте многих игроков рынка, с некоторыми моделями читатели смогут ознакомиться в обзорной части статьи.
S732DV (GE Security, Fiber Option)
Комплект аналоговых приемопередатчиков предназначен для передачи видео и данных по 1-му одномодовому или многомодовому оптоволокну на расстояние до 60 км.
Отличительными особенностями устройства являются широкий диапазон рабочих температур ( от -40 С до +75 С), технологии Plug-and-Play, CWDM, SMARTSä диагностика, позволяющая производить тестирование системы в режиме реального времени.
На оборудование предоставляется гарантия 5 лет.
DE7400 (GE Security, серия EtherNAVä линейки IFS)
Серия 2-портовых приемопередатчиков рассчитана на передачу и прием данных со скоростями 10/100/1000 Мбит/с по многомодовому, одномодовому оптоволокну или по электрическому кабелю Cat 5. DE7400 отличается повышенной климатической защитой для работы при крайних значениях температуры (от -40 С до +85 С).
Стандартной функцией является срабатывание контактов для инициирования удаленной тревоги при потере оптической связи. На коннекторе RJ-45 имеются светодиодные индикаторы статуса питания и скорости передачи данных. А также поддерживает протоколы RSTP, QoS/CoS, IGMP, VLAN, SNMP. Поддерживает стандарты IEEE 802.
3, что делает возможным подключение любых устройств организации локальных сетей. На оборудование предоставляется пожизненная гарантия.
В линейке оборудования IFS имеется оборудование с различной комплектацией портов.
Приемник/передатчик OVT/OVR-1 («БИК-Информ»)
Аппаратура серии OVT/OVR-1(приемник/передатчик) предназначена для передачи аналоговых видеосигналов в реальном времени в системах видеонаблюдения на промышленных и протяженных объектах.
Устройство позволяет передавать высококачественный цветной и ч/б видеосигналы по многомодовому оптическому волокну на расстояние до 5 км в полосе частот 25 Гц – 10 мГц при соотношении сигнал/шум не менее 5 дБ. Оборудование отличается высокой помехозащищенностью.
Имеется встроенный генератор тестовых сигналов, системы АРУ (автоматическая регулировка уровня по уровню синхросигнала), низкое потребление тока – не более 85мА для передатчика и 75мА для приемника.
Компактные размеры, позволяют размещать устройства как в монтажных шкафах на DIN-рейку, так и в небольших коммутационных коробках. Аппаратура не требует дополнительных настроек и может эксплуатироваться в диапазоне температур от -40 °C до +50 °C.
SFS10-100/W-80 (SF&T)
Комплект, состоящий из двух аналоговых приемопередатчиков, предназначен для организации 1-го канала данных Ethernet 10/100M по 1-му одномодовому оптоволокну. Данное устройство, последнее в серии SFS10-100/W-хх, позволяет увеличить расстояние передачи сигналов до 80 км.
Режимы работы: дуплекс и полудуплекс. Благодаря поддержке стандартов IEEE 802.3 10 Base-T/100Base-Tx/ 100Base-Fx возможно подключение большинства IP-устройств, используемых для организации локальных сетей, а также для построения систем видеонаблюдения.
Широкий диапазон рабочих температур (от -10 до +70 °С), поддержка Plug-and-play, отсутствие необходимости дополнительных настроек и использования аттенюаторов, а также компактные размеры (165 х 144 х 33 мм) делают инсталляцию устройств максимально быстрой и удобной.
Модульная конструкция позволяет использовать SFS10-100/W-80 в качестве отдельных модулей и устанавливать в стойке.
На все оборудование SF&T предоставляется гарантия сроком на 3 года.
SVP-11T/12R
SVP-13T/14R («Спецвидеопроект») Устройства предназначены для передачи сигнала в системах телевизионного наблюдения на расстояния до 6–12 км.
Комплекты из передатчика и приемника обеспечивают передачу одного композитного видеосигнала по многомодовому оптическому кабелю на длине волны 850 и 1310 нм. Разрешение видеосигнала – 570 ТВЛ, отношение сигнал/шум на предельной дальности – не хуже 50 дБ, полоса частот: 50 Гц – 8 МГц.
Система автоматической регулировки усиления постоянно поддерживает на выходе размах видеосигнала 1 В. Световая сигнализация показывает наличие или отсутствие видеосигнала. Устройства имеют малые габариты, низкое энергопотребление, снабжены элементами настенного крепления.
Устройства защищены от переполюсовки питания – при неправильном включении не выходят из строя. Работают в режиме plug and play – настройка и регулировка при их установке не требуется.
Приемники сигналов исполняются также в корпусе, предназначенном для установки в стандартные 19” стойки.
SVP-21T
SVP-22T («Спецвидеопроект»)
Передатчики видеосигнала по оптоволокну SVP-21T и SVP-22T предназначены для работы с камерами телевизионного наблюдения вне помещений. Герметичный кожух оснащен гермовводами и имеет степень защиты от атмосферных воздействий IP66. Рабочая температура от -35 до +50 °С.
Сигнал передается на большие расстояния: до 6–12 км. Передатчики SVP-21T и SVP-22T в комплекте с приемниками SVP-12R, SVP-14R, SVP-12-2Rack, SVP-14-2Rack обеспечивают передачу одного композитного видеосигнала по многомодовому оптическому кабелю на длине волны 850 и 1310 нм.
Устройства выпускаются с питанием от сети переменного тока с напряжением 220 В или 24 В. Работают в режиме plug and play – настройка и регулировка при их установке не требуется.
Система автоматической регулировки усиления в приемниках постоянно поддерживает на выходе размах видеосигнала 1 В.
В гермокорпусе имеется свободное пространство для кроссировки кабеля другого оборудования. Габаритные размеры: 200 х 150 х 55 мм.
Источник: Журнал ТЗ № 1 2010
Источник: https://www.AktivSB.ru/statii/analogovye_ustroystva_priema_i_peredachi_signalov_po_vols.html
Ик приемник и ик передатчик
схема из журнала “Юный Техник”.
Интересное направление радиоэлектроники, которая дополнила эту электронику новыми преимуществами “невидимого” света (инфракрасный свет). Вот я и предлагаю схему простого (для примера) приемника и передатчика основанного на инфракрасных лучах.
Основа: операционный усилитель к140уд7 (у меня тут уд708), излучающий и принамющие ИК-фотодиоды, УНЧ (к548ун1а(б,в – индексами)- на два канала)(правда куда второй канал усилителя “включите” решать вам – схема предатчика рассчитана на один канал, т.е. моно).
Питание устройства: вообще рекомендую с приличной стабилизацией токов (а так “дендюшный” адаптер раздражает фоном “сети”). Способ: амплитудно-модулированный сигнал передатчика усиливается приемником в 1000 раз.
Видео
Как работает устройство. Предлагаю Вам просмотреть небольшой видеоролик тестирование ИК-пульта “на слух”. Можно быстро проверить работоспособность и мощность сигнала по звуку.
Схема ИК-приемника и ИК-передатчика
При сборке конденсаторы С1 и С2 должны быть как можно ближе к усилителю! К выходу можно подключить высокоомные наушники (для низкоомных нужен отдельный УНЧ). Фотодиод ФД7 (у меня ФД263: “таблетка” с фокусирующей линзой); 0.
125Вт резисторы: R1 с R4 задают коэффициент услиния сигнала в 1000 раз. Приемник налаживается просто: фотодиод направляется на источник ИК-излучения, например, лампу 220в-50Гц: нить накала будет фонит с частотой 50Гц или пульт ДУ от телевизора (видео и т.д.).
Чувствителность приемника большая: нормально принимает сигналы отражённые от стен.
На передатчике ИК светодиоды АЛ107а: подойдёт любой. R2 2 кОм, С1 1000мкФх25в, С2 200мкФх25В, трансформатор тоже любой. Хотя вполне можно обойтись без трансфорсматора – подать усиленный аудиосигнал на конденсатор С2.
Схема устройств
Схема ИК приемника с УНЧ
Недавно по необходимости собрал ИК приемник для проверки ИК пультов (телевизоров и DVD). После доработки схемы – установил моно УНЧ TDA7056.
Данный усилитель имеет хорошие харакетеристики усиления около 42 дБ; работает в диапазоне напряжении от 3В до 18В, что позволило ИК приемнику работать даже при напряжении 3В; диапазон усиления TDA от 20 Гц до 20кГц (УД708 проспукает до 800 кГц) вполне достаточно для использования приемника в качетсве аудио сопровождения; имеет защиту от короткого замыкания на всех “ножках”; защиту от “перегрева”; слабый коэффициент собственных помех. В целом мне понравился этот компактный и надежный УНЧ (у нас он стоит 90р.).
Есть к нему даташит 45кб с подробным описанием. На рис.1 отображен пример использования усилителя.
Фото TDA7056
Рис.1. Схема усилителя с TDA7056
В итоге получился ИК приемник рис.2, который работает в диапазоне напряжении от 3В до 12В. Рекомендую применять для питания приемника батареи, либо аккумуляторы.
При использованиии блока питания необходим стабилизированный источник, иначе будет слышен фон сети 50Гц, который усиливает УД708. Если устройство находится вблизи источника сетевого напряжения или радиоизлучения, то могут возникнуть наводки.
Для уменьшения помех в схему необходимо включить конденсатор С5. TDA7056 рассчитан на выходной динамик в 16 Ом, к сожалению у меня такого нет. Пришлось использовать 4-омный динамик на 3 Вт, который был подключен через одноваттный резистор 50 Ом.
Слишком низкое сопротивление катушки динамика вызывает избыток мощности и перегревает усилитель. В целом из-за дополнительного резистора УНЧ не греется, но обеспечивает вполне приемлемое усиление.
Рис.2. Схема ИК приемника с УНЧ
Фото ИК приемника
Art!P. 2009
Источник: http://nice.artip.ru/ik-priemnik-i-ik-peredatchik
IrDA / ИК. Инфракрасные протоколы связи и как с ними работать
Один из самых дешёвых и распространённых способов управления домашней техникой является инфракрасная передача данных. Т.к. человеческий глаз не видит ИК излучения нам оно никак не мешает.
Но у камер шире спектр видимого излучения, благодаря этому их можно использовать для проверки работоспособности ИК излучателя.
Для того чтобы обеспечить ИК связь необходим ИК передатчик и ИК приёмник. В качестве передатчика подойдёт простейший ИК светодиод. Я заказывал в Китае пару штук и мне пришли на вид обычные красные светодиоды.
Диапазон частот красного и инфракрасного цвета находятся близко, так что приёмник реагировал и на мерцания красного светодиода. Возможно красное излучение было погрешностью и основная излучаемая длина волны и в ИК диапазоне, но у меня не было оборудования чтобы это проверить.
Есть довольно много источников ИК света, Солнце самый сильный из них, но также есть лампы накаливания, свечи, обогреватели и любая другая нагретая вещь. Все они излучают свет в ИК диапазоне.
Именно то насколько нагреты тела и показывают нам ИК камеры.
Передатчик
Для того чтобы избежать помех от остальных источников при передаче данных, сигнал подвергается модуляции. Вместо того чтобы просто зажечь светодиод, мы заставляем его мерцать с определённой частотой в тот момент когда хотим передать 1 (или 0) и оставляем его выключенным когда 0 (или 1).
Таким образом мы можем настроить приёмник чтобы он реагировал только на колебания ИК света определённой частоты и игнорировал различные помехи от других источников.
Как видно чаще всего используется данная система: 1 = отсутствие сигнала на приёмнике и 0 = мерцание светодиода – передатчика. Частота мерцания ИК диода в зависимости от протокола меняется от 30 до 60 КГц.
Приемник
Схема хорошего приёмника намного сложнее.
Не стоит пугаться этой схемы, т.к. все эти части уже интегрированы в 1 корпус.
У передатчиков 3 вывода, + – и сигнал, стандартную схему подключения можно найти в документации, но для проверки можно и подключить напрямую (без фильтров, подтяжек).
Но всё же, следует использовать фильтры т.к. микроконтроллер реагирует и на внешние наводки, МК показывал что есть сигналы на ИК приёмнике, хотя я их не посылал, я отодвинул плату и всё стало нормально.
В документации на TL1838 есть рекомендуемая схема подключения:
Как видно на блок схеме вначале сигнал усиливается, после этого убирается его постоянная составляющая (конденсатор). Затем идёт ограничитель, после него импульс будет иметь постоянную амплитуду, вне зависимости от расстояния до передатчика.
Band Pass Filter – Полосовой фильтр, пропускает сигнал только определённой частоты (нашего передатчика). Далее идёт демодулятор, он преобразует наши колебания в ровный импульс (отделяет полезный сигнал от несущей составляющей).
Интегратор и компаратор определяют наличие сигнала необходимой частоты и если он есть выставляют на выходе 0, иначе 1. Именно поэтому на выходе мы получаем инвертированный сигнал.
Протоколы передачи данных
Есть несколько основных протоколов передачи данных, но часто у каждого производителя техники свой собственный протокол. Они все похожи между собой и разделяются лишь способом модуляции сигнала и длиной импульсов.
Всего есть 3 основных типа модуляции:
Двухфазное кодирование (ДФК). (Manchester modulation) Время передачи 1 бита постоянное.
Если в середине этого интервала фронт импульса это лог. 1. Если спад 0.
————————————————————————————————————————–
Модуляция длительностью пауз (МДП). (Pulse distance modulation). Как видно длительность импульса постоянная, отличия лишь в длине паузы.
Больше пауза = 1. Меньше = 0.
————————————————————————————————————————–
Модуляция длительностью импульса (МДИ). (Pulse length modulation). Обратно предыдущему варианту. Длительность пауз постоянна, отличия в продолжительности импульса.
Больше импульс = 1. Меньше = 0.
Итак разберём из чего состоит сигнал передающийся по средством ИК связи. Для примера возьмём NEC протокол.
Вначале идёт импульс АРУ (AGC) – Автоматическая регулировка усиления, он использовался в старых ИК приёмниках для настройки усиления. После него идёт пауза, по длительности начального импульса и паузы можно определить тип используемого протокола.
После этого посылается адрес начиная с младшего бита. Здесь используется МДП, больше пауза = 1. Затем для надёжности передается инвертированный адрес. В какой-то момент оказалось что 256 адресов недостаточно и решили отказаться от повторной передачи адреса, но взамен увеличить длину адреса до 2 байт.
Адрес не зависит от нажатой кнопки, он всегда одинаков, он отличается от устройства к устройству (телевизор не реагирует на пульт от муз. центра даже если они одной фирмы).
В конце концов передаётся команда и её инверсия, которые определяются нажатой на пульте кнопкой. Эта информация передаётся всего 1 раз.
Если продолжать держать кнопку нажатой, то идёт передача кода повтора:
Код повтора состоит из начального АРУ импульса с последующим коротким импульсом. Некоторые протоколы:
Источники:
Источник: http://4a4ik.blogspot.com/2014/11/irda.html
Загрузка...