ОПТИЧЕСКИЙ ТЕЛЕФОН
Н. Ш и я н о в

В последние годы в нашу жизнь все интенсивнее входят слова "оптическая" обработка информации и "оптическая" связь. Использование оптического диапазона спектра электромагнитных излучений (0,3...15 мкм) позволяет получить ряд существенных технических и экономических преимуществ, повышающих эффективность передачи информации. Например, в современных ретрансляционных линиях взамен ' дорогостоящих медных - коаксиальных кабелей используют оптические средства передачи и обработки информации, обладающие высокой помехозащищенностью и информационной емкостью [1]. Антеннами в оптическом диапазоне служат специальные оптические системы, обеспечивающие высокую направленность излучения и малые габариты. Особенностью открытых оптических линий связи является существенная зависимость уровня поглощения энергии излучения от длины волны и состояния атмосферы. Это приводит к необходимости использовать спектральные участки, обладающие наименьшим коэффициентом поглощения, так называемые окна прозрачности атмосферы. К ним относятся участки, лежащие в ближней инфракрасной области: 1,05, 1,2, 1,7 мкм, а также в видимой области 0,6...0,7 мкм (красный свет). Поскольку оптические лучи распространяются прямолинейно, преломляясь на границах раздела двух оптических сред, связь по открытым линиям связи возможна только в пределах прямой видимости. Оптические, линии связи могут использоваться для связи в больших помещениях и полевых условиях, когда применение радиосвязи невозможно или нежелательно. Например, для связи через водные массивы, сильно пересеченную местность, в горах и т. д. Особенно полезно описываемое ниже устройство для иллюстрации возможностей и изучения особенностей оптической речевой связи при обучении основам связи в различных учебных заведениях.

Ниже описывается оптическая линия связи (оптический телефон), обеспечивающая дальность телефонной связи порядка сотен метров. Дальность возрастает в ночное время при малом уровне фоновых засветок или использовании более мощного оптического излучателя.

Оптический передатчик (рис. 1) состоит из микрофонного усилителя, выполненного на интегральной микросхеме DA1, в цепь отрицательной обратной связи которого выведен управляемый аттенюатор на основе полевого транзистора VT1. Выходной сигнал усилителя подается на вход каскада сравнения на транзисторе DA2:5. На вход этого же каскада поступает сигнал треугольной формы с выхода формирователя, образованного последовательно соединенными мультивибратором на основе -микросхем DA2.1, DA2.2 и интегратором на DA2.3 и DA2.4. В моменты равенства мгновенных значений напряжения усилителя и формирователя треугольного напряжения происходит формирование фронта и среза выходных импульсов указанного каскада. Таким образом генерируются прямоугольные импульсы, длительность которых пропорциональна мгновенным значениям информативного сигнала. Выходной сигнал каскада сравнения поступает на двухкаскадный ключевой усилитель мощности на транзисторах VT2, VT3, нагрузкой которого является светоизлучающий диод VD3. Микрофонный усилитель представляет собой компрессор, сжимающий динамический диапазон входного сигнала. Он состоит из дифференциального усилителя DA1, на неинвертирующий вход которого поступает напряжение, развиваемое микрофоном, а на инвертирующий вход - сигнал управляемого аттенюатора. Последний образован резисторами RЗ, R4 и сопротивлением канала полевого транзистора VT1. На резисторах R6, R7 выполнена цепь отрицательной обратной связи со стока на затвор полевого транзистора, существенно снижающая нелинейные искажения сигнала, обусловленные нелинейностью аттенюатора. При повышении уровня сигнала выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя на диодах VD2, VD3 снижается, одновременно увеличивается сопротивление канала полевого транзистора, что приводит к уменьшению коэффициента передачи усилителя.

Рис. 2. Амплитудная характеристика компрессора

Амплитудная характеристика микрофонного усилителя представлена на рис. 2. Полоса пропускания усилителя (250...3000 Гц) сформирована фильтрами, образуемыми конденсатором С1, входным сопротивлением DA1, а также корректирующим конденсатором С2. Сжатие динамического диапазона и ограничение спектра передаваемого сигнала значительно повышает разборчивость сообщений, принимаемых на фоне помех [2]. При отсутствии информативного сигнала скважность импульсной последовательности на выходе DA2.5 близка к двум. Амплитуда этих импульсов фиксирована и близка к напряжению питания, а длительность пропорциональна мгновенным значениям напряжения входного сигнала. Ключевой усилитель мощности широтно-модулирован-ного сигнала на транзисторах VT2, VT3 обеспечивает импульсный ток в нагрузку около 180...200 мА. При этом ток, потребляемый передатчиком от источника питания, близок к 100...120 мА. Принципиальная схема оптического приемника представлена на рис. 3.

Оптическое излучение поступает на фотодетектор, в качестве которого использован кремниевый фотодиод VD1, работающий в фотовольтаиче-ском режиме. Сигнал фотодетектора поступает на резонансный усилитель, выполненный на основе микросхемы DA1.1. Для формирования требуемой амплитудно-частотной характеристики в цепь отрицательной обратной связи усилителя включен резонансный контур L1C4, настроенный на частоту широтно-амплитудной модуляции 30...35 кГц. -Коэффициент передачи усилителя в полосе пропускания, близкой к 6 кГц, равен 140...180. Выходное напряжение каскада поступает на усилитель DA1.2, охваченный системой автоматической регулировки усиления, в цепь отрицательной обратной связи которого включен управляемый аттенюатор, образованный сопротивлением параллельного контура L2C10 и сопротивлением канала полевого транзистора VT1. Автоматическая стабилизация уровня сигнала достигается за счет изменения глубины отрицательной обратной связи при вариациях напряжения входного сигнала. Детектирование сигнала осуществляется двухполу-периодным выпрямителем на основе диодов VD2 и VD3, нагруженным на двухзвенный фильтр нижних частот. Переменный резистор R8 служит для плавной регулировки уровня выходной мощности. Чувствительность усилителя мощности определяется значением сопротивления резистора R9, устойчивость обеспечивается элементами высокочастотной коррекции R10, C20. Постоянные времени переходных цепей оптического приемника выбраны исходя из получения нижней границы полосы пропускания, близкой к 200...250 Гц. Фильтры нижних частот, введенные в тракт усиления звуковых частот, обеспечивают частоту среза около 2,5.:.3,0 кГц. Налаживание оптического передатчика целесообразно начинать с проверки 'работоспособности микрофонного усилителя. Для этого на его вход подают синусоидальный сигнал, имеющий частоту в пределах 500...2000 Гц и напряжение, изменяющееся в пределах 0...5 мВ. Для такого сигнала амплитудная характеристика усилителя должна быть близка к зависимости, изображенной на рис. 2. Увеличения крутизны амплитудной характеристики можно достичь выбором более высокого сопротивления резистора RЗ. Максимальное выходное напряжение микрофонного усилителя в большой степени зависит от напряжения отсечки использованного полевого транзистора VT1. Для его увеличения потребуется применение транзисторов с более высоким напряжением отсечки (КПЗОЗВ, Г, Д). Затем с помощью осциллографа необходимо проконтролировать форму сигнала мультивибратора на транзисторах DA2.1, DA2.2 и интегратора на основе DA2.3, DA2.4. При правильно воспроизведенной принципиальной схеме указанные узлы в настройке не нуждаются. Основное внимание необходимо уделить установке наилучшего уровня сигналов, поступающих с движков подстроечных резисторов R4, R16 на каскад сравнения (широтно-импульсный модулятор), и подстройке начального тока этого каскада резистором R17. Для этого в режиме "молчания" резистором R17 устанавливается скважность импульсной последовательности, близкая к двум. После этого на микрофонный усилитель по- дается синусоидальное напряжение, имеющее амплитуду 1...5 мВ. Совместной регулировкой сопротивлений резисторов R5, R16 необходимо добиться максимального изменения длительности широтно-модулированных импульсов. Ключевой усилитель мощности на основе VT2, VT3 в настройке не нуждается. Необходимо отметить, что с целью увеличения мощности передатчика в качестве источников оптического сигнала могут быть использованы и более мощные, чем указанные на схеме, инфракрасные излучающие диоды, например АЛ107, АЛ118, АЛ119, АЛ130. В этом случае может потребоваться замена транзистора VT3 на более мощный, с меньшим напряжением насыщения. Настройку оптического приемника начинают с проверки работоспособности резонансных усилителей на основе микросхем DA1. Для этого на вход усилителя DA1.1 подают синусоидальное напряжение порядка сотен микровольт, имеющее частоту 30...35 кГц. Путем изменения частоты генератора оценивается амплитудно-частотная характеристика каскада. Коэффициент передачи усилителя должен быть в пределах 140... 180 и может подбираться, с помощью изменения сопротивления резистора R1. Плавное смещение максимума амплитудно-частотной характеристики резонансного каскада достигается перемещением сердечника катушки индуктивности L1. Второй каскад на основе микросхемы DA1.2 аналогичен рассмотренному, однако содержит также цепь АРУ, инерционность которой определяется, в основном, постоянной времени RС-цепи R5C11 и может регулироваться с помощью изменения параметров указанных элементов. Выходное напряжение детектора должно составлять 30...200 мВ. Усилитель мощности на специализированной микросхеме DA2 в настройке не нуждается. В заключение оптический передатчик и приемник разносят на некоторое расстояние и тщательно направляют друг на друга по максимуму громкости звучания. В качестве источника сигнала целесообразно использовать генератор синусоидального сигнала либо ослабленный делителем выходной сигнал радиоприемника. Поскольку направленность оптических антенн весьма высока - диаграммы направленности приемника и передатчика имеют ширину около (1...2градуса), к ориентированию следует отнестись очень внимательно. При малом расстоянии между приемником и передатчиком, несмотря на функционирование системы АРУ, возможна перегрузка высокочастотных усилителей приемника. Для ее исключения достаточно поместить перед приемником любой полупрозрачный материал: кальку; полимерную пленку, частично или полностью закрывающий апертуру оптической системы приемника. Затем при выходной мощности, составляющей 0,1. ..0,3 от максимальной, и неподвижных оптических системах необходимо откорректировать положения светоизлучающего диода и фотодиода относительно соответствующих линз по максимальному уровню принимаемого сигнала. На этом настройку оптической линии связи можно считать законченной. Детали и конструкция. В оптическом передатчике и приемнике могут быть использованы постоянные резисторы МЛT-0,125, МЛT-0,25 с допускаемым отклонением от номиналa до ±10%. В качестве подстроечных резисторов целесообразно использовать резисторы типов СПЗ-44, СПЗ-27, СПЗ-16. В устройствах могут быть использованы постоянные конденсаторы КМ4, К.М5, КМ6, оксидные электролитические конденсаторы К50-6. В качестве хронирующих конденсаторов С8, С9 мультивибратора и емкостей С4, С10 резонансных усилителей следует использовать конденсаторы с повышенной температурной стабильностью, например К73, К76. Катушки индуктивности LI, L2 выполнены на трехсекционных цилиндрических каркасах от фильтров промежуточной частоты радиоприемника "Сокол" и содержат по 420 витков провода ПЭЛ 0,05. Катушки заключены в ферри-товые чашки диаметром 8,6 мм марки 600НН, имеют подстроечные сердечники из того же материала длиной 12 мм и помещены в латунные экраны. Полупроводниковые диоды VD1, VD2 передатчика и VD2, VD3 приемника могут быть заменены на Д18, КД507А. Транзистор VT2 (К1312Б) можно заменить на К1306, К1315Б. Вместо транзисторов КПЗОЗБ, КП305Ж можно использовать КПЗОЗВ и КП305Е. И соответственно. Для выходного усилителя мощности подойдут транзисторы КТ635Б, КТ904Б и другие мощные переключающие транзисторы. В оптическом приемнике можно использовать любой динамический микрофон, например МД200, МД52. В качестве головки прямого излучения допустимо применять 0,1ГД6, 0,25ГД1 и другие. В случае кратковременной работы оптического телефона в качестве светоизлучающего диода можно применить АЛ310, указанный на принципиальной схеме.

Рис. 4. Печатная плата оптического передатчика

При долговременном pежиме работы устройства более целесообразны мощные излучающие инфракрасные диоды типа АЛ107, АЛ119, АЛ130. В последних двух случаях импульсный ток через излучающий диод может быть увеличен до 1 А, что даст дополнительный прирост дальности связи. В качестве фотодетекторов можно использовать также кремниевые фотодиоды типа ФД-256, ФД-8К и другие малогабаритные фотодиоды. Элементы передающей и приемной частей оптической линии связи смонтированы на печатных платах размерами 70Х45 мм из одностороннего фольгированного стеклотекстолита (рис. 4 и 5). Для уменьшения габаритов конструкции основное количество резисторов установлено на платах вертикально. Мощный транзистор VT3 и микросхема DA2 усилителя мощности имеют пластинчатые радиаторы из латуни площадью около 4 кв.см. Перемычки обозначены на рисунках пунктиром и установлены со стороны радиоэлементов.. Питание передатчика и приемника осуществляется от батарей 3336, вместе с, тем могут быть использованы и сетевые стабилизированные источники питания, обеспечивающие напряжение 9 В и ток в нагрузку не менее 250 мА. Для подключения микрофона и головки прямого излучения целесообразно использовать низкочастотные унифицированные гнезда типа ОНЦ-ВГ-3/16 или им подобные. Оптические системы передатчика и приемника идентичны, конструктивно просты и представляют собой плоско-выпуклые линзы от конденсаторов фотоувеличителей диаметром 70 мм с фокусным расстоянием около 80 мм. В фокальных плоскостях линз передатчика установлен излучающий диод, приемника - фоточувствительная поверхность фотодиода. Можно воспользоваться также и некоторыми фотообъективами для бытовых фотоаппаратов, например от "Юпитера-9", однако дальность связи при этом снижается.

Литература
1. Оокоси Г. Оптоэлектроника и оптическая связь.-М.: Мир, 1968.
2. П е т л е н к о Б. И. Речевая связь в искусственных атмосферах.- М.: Связь, 1978.