CC BY
19УДК 621.372.8
СОЗДАНИЕ УЧЕБНЫХ МОДЕЛЕЙ, ОПТИЧЕСКИ ПЕРЕДАЮЩИХ АУДИОСИГНАЛЫ, ПРИ ПОДГОТОВКЕ ВЫСОКОКВАЛИФИЦИРОВАННЫХ ИНЖЕНЕРОВ В ВУЗАХ Карпович Эдуард Владимирович, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Орловский государственный аграрный университет им. Н.В. Парахина,
г. Орел, Россия
Статья посвящена учебному моделированию оптических систем связи, передающих аудиосигналы с помощью лазерных лучей, для курсов различных дисциплин. Изложены краткие исторические предпосылки для возникновения подобного вида оптических систем связи и рассмотрен уровень развития атмосферных оптических линий связи на современном этапе. Приведены существенные преимущества использования оптических систем связи при различных природных условиях в разнообразных отраслях хозяйства. В данной статье довольно подробно описана разработанная и изготовленная на основе бытовой аналоговой техники учебная экспериментальная модель для передачи аудиосигналов на расстояние при помощи лазерного луча. Рассмотрены схема, принципы работы данной учебной установки и приведены ее полные технические характеристики. Очерчены границы областей применения созданного технического устройства, его практическая значимость и описаны возможные перспективы его использования. Уделено внимание важности учебного моделирования в образовательном процессе, а также проведению с его помощью первоначальных научных исследований. Рассмотрено применение созданной физической модели в учебном процессе, говорится об эффективности проводимых с ее помощью занятий по различным дисциплинам. При этом особо подчеркивается, что описанная в этой статье модель создана из уже отживших свой технический век аналоговых приборов, которые подготавливались к утилизации. С учетом того, что современные лаборатории требуют для своего оснащения миллионные бюджеты, что не всегда реализуется особенно в периферийных вузах, экономический эффект при подобном моделировании выглядит весьма впечатляющим и крайне необходимым.
Ключевые слова: атмосфера, оптика, моделирование, лазер, конструкция, фотоэлемент, аудиосигнал, система связи, модернизация, производство, научные исследования, высшее образование.
Введение. В середине 1960-х годов началось развитие полупроводниковых светоизлучающих диодов и технически совершенных высокоэффективных быстросрабатывающих кремниевых фотоприемников [1], а к началу 1970-х годов производство оптронов в ведущих странах мира превратилось в важную и быстро развивающуюся отрасль электронной техники, весьма успешно дополняющую традиционную микроэлектронику [2]. В
последнее время оптроны нашли применение в одном из способов организации лазерной связи [3], предпочтительной, когда дело касается организации беспроводных мостов «точка-точка» (рис.1), особенно, на дальность 1200-3000 метров. Этот вид связи называют Атмосферной Оптической Линией Связи (АОЛС).
Рис.1. Примеры организации лазерной связи «точка-точка»
При рассмотрении атмосферных оптических линий связи сразу стоит отметить, что конструкции лазеров не должны быть громоздкими и очень дорогостоящими, поэтому крайне удобно использовать компактные лазеры с матрицами-радиаторами [4-7], которые могут стать весьма востребованными при конструировании АОЛС. Атмосферные оптические линии связи весьма успешно применяются в тех случаях, когда нужно высокоскоростное и экономичное решение для передачи информации между пространственно разнесенными объектами или районами (рис.2), зачастую разделенными естественными и искусственными преградами - реками, мостами, эстакадами, автотрассами и т.д. Целесообразно и совершенно оправдано их использование в случаях внедрения в кабельные сети (рис.3), если по каким-либо причинам кабель в локальных областях проложить невозможно, затруднительно или экономически невыгодно из-за значительной дороговизны подготовительных и строительных мероприятий [8].
Магистральный
Рис.2. Действие АОЛС между районами
В разработке атмосферных оптических линий связи занято несколько десятков предприятий в разных странах мира. В нашей стране наиболее масштабные работы в области открытых систем оптической связи (рис.4) велись во ФГУП «НИИ прецизионного приборостроения» [9].
Рис.3. Случаи внедрения АОЛС в кабельные сети
Наиболее перспективными проектами видятся космические линии лазерной связи (рис.5) с дальностью действия до 46 тыс. км и скоростью передачи информации до 600 Мбит/с [10].
Рис.4. Российская Рис.5. Космические линии
разработка АОЛС лазерной связи
Атмосферная оптическая линия связи автоматически поддерживает заданные характеристики лазерного канала передачи информации благодаря автоматическому повышению чувствительности приемника и наращиванию мощности передатчика при ухудшении естественных погодных условий, например, при плотном тумане, дожде или снеге [11] и антропогенном ухудшении состояния атмосферы из-за локального воздействия производственных факторов. Этот момент является особенно важным при эксплуатации атмосферных оптических линий связи в условиях открытого природного ландшафта, в аграрном секторе, в условиях локальных промышленных территорий (рис.6).
Итак, совершенно очевидно, что атмосферные оптические линии связи уже заняли определенную нишу среди различных видов связи. Поэтому параллельно с изучением устройства и принципов функционирования лазеров и полупроводников при организации образовательного процесса полезно осуществлять моделирование различных схем с их применением, в частности, моделирование атмосферных оптических линий связи.
Рис.6. Эксплуатация АОЛС в различных условиях
Физическое моделирование АОЛС. Простота конструкции модели атмосферной оптической линии связи отражена на рис.7. В этой статье очень подробно описана созданная на основе бытовой аналоговой техники модель (рис.8) для передачи аудиосигналов при помощи полупроводникового лазера [12].
Передающее устройство
Принимающее устройство
Микрофон СВ 68
+
Лазер
П—
Солнечная батарея
э
Динамик
7
Устройсво демодуляции ТХ2101 8ПЗИ
Рис.7. Принципиальная схема модели АОЛС
Элементную базу промышленных атмосферных оптических линий связи составляют фотоприемники, излучатели, а также оптическая среда между
ними. Ко всем техническим элементам предъявляются такие общие требования, как малые габариты и масса, высокая долговечность и надежность, устойчивость к механическим и климатическим воздействиям, технологичность, низкая стоимость [13].
Рис.8. Общий вид модели АОЛС: 1 - микрофон, 2 - лазер, 3 - солнечная батарея, 4 - аудиоплеер.
Элементная база разработанной модели АОЛС. Рассмотрим подробно элементную базу созданной автором модели атмосферной оптической линии связи [14,15].
Излучатель. В выполненной модели АОЛС в качестве излучателя используется компактный маломощный бытовой полупроводниковый лазер с длиной волны X = 0,63 мкм. При токе 40 мА требуемое напряжение для его успешного функционирования должно быть равно 6 В.
Среда распространения. Назначение оптической среды - передача энергии оптического сигнала от излучателя к фотоприемнику. В АОЛС средой распространения оптического сигнала служит атмосферный воздух.
Фотоприемник. В фотоприемнике происходит «восстановление» информационного сигнала из оптического в электрический. В данной модели фотоприемником служит солнечная батарея, основные характеристики которой следующие: напряжение и = 3 В и ток I = 0,07 мА. Коэффициент полезного действия кремниевой солнечной батареи - 15%. Преимущества солнечного фотоприемника: его простота, безотказность, долгий срок службы, незначительные вес и размеры, экологичное преобразование энергии без ущерба для окружающей среды.
Демодулятор. В качестве узла демодуляции сигнала в модели АОЛС используется стандартный элемент обычного серийного бытового аудио-плеера - магнитная головка марки ТХ2101 8Б13И. Контактные выводы фо-
1
топриемника (солнечной батареи) припаиваются к контактам магнитной головки аудиоплеера.
Аудиосистема принимающего устройства. Аудиосигнал может быть воспроизведен как встроенным в принимающее устройство (аудиоплеер) динамиком, так и подключенной к нему внешней аудиосистемой.
Практическая значимость созданной модели АОЛС. Основным назначением любой модели подавляющего большинства технических устройств является удешевление проводимых экспериментов для выявления возможностей улучшения реальной дорогостоящей конструкции [16]. При помощи модели АОЛС можно разрабатывать способы модернизации, как самой конструкции в целом, так и всех отдельных ее элементов без изготовления более дорогих натурных прототипов. Можно опробовать дешевые модельные улучшения лазеров, фотоэлектрических элементов, выявляя при этом качественный рост функциональности всей конструкции и целесообразность внедрения этих улучшений в промышленные образцы. Можно моделировать и исследовать различные ситуации случайных изменений оптической среды, причем, разных по величине масштабов по отношению к расстоянию между передатчиком и приемником, что особенно важно для локальных промышленных территорий и сельской местности [17]. С помощью модели можно проводить без особых материальных затрат любые научные исследования в предметной области, изучать и исключать пути возможного несанкционированного доступа к информации. Кроме того, саму модель уже можно использовать как готовую линию лазерной связи между близко расположенными друг к другу высотными зданиями и на небольших промышленных предприятиях, например, в цехах.
Заключение. В вузах в курсах теплофизики, общей физики, физических основ электроники, квантовой и оптической электроники важно уделять время изучению возможностей лазеров для передачи аудиосигналов. Совершенствование материально-технической базы образовательного процесса становится важнейшей задачей при глобальной реорганизации всей системы российского образования [18]. Для демонстраций на лекционных занятиях и на семинарах можно с успехом применять модель лазерной передачи аудиосигналов. С описаниями аналогов подобных экспериментальных установок для учебного процесса автор не сталкивался ни в научно-методических журналах, ни в сети Internet.
При безусловной эффектности эксперимента, демонстрируемого с помощью разработанной модели АОЛС, которую автор неоднократно наблюдал в своей профессиональной деятельности [19], очень важно отметить крайне низкую себестоимость данного технического проекта. В настоящее время техника повсеместно цифровая. Отжившие свой век и теперь довольно часто абсолютно не востребованные аналоговые приборы вместо утилизации практически бесплатно обретают вторую жизнь. Учитывая, что для оснащения вузовских лабораторий новым экспериментальным оборудованием нужны миллионы рублей [20], нетрудно подсчитать
экономический эффект от научной работы с вдыханием второй жизни в отжившие свой век приборы и применения их в образовательном процессе в вузах любого профиля.
Список литературы
1. Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере.- М.: Советское радио, 1970.- 496 с.: ил.
2. Гауэр Дж. Оптические системы связи.- М.: Радио и связь, 1989.- 504 с.: ил.
3. Зуев В.Е. Распространение лазерного излучения в атмосфере.- М.: Радио и связь, 1981.- 288 с.: ил.
4. Деулин Б.И., Карпович Э.В. Активный лазерный элемент // Патент на полезную модель: RUS 129307 от 05.02.2013.- 2 с.: ил.
5. Карпович Э.В. Конструкция эпоксиполимерной матрицы-радиатора как активный элемент твердотельного лазера // Главный механик.- 2014.- №7.- С.44-46.
6. Деулин Б.И., Карпович Э.В. Твердотельный лазер на органических красителях с эпоксиполимерной матрицей-радиатором // Известия Волгоградского государственного технического университета.- 2013.- Т.10.- №20(123).- С.103-105.
7. Карпович Э. В. Применение эпоксиполимерной матрицы-радиатора в твердотельном лазере на органических красителях // Фундаментальные и прикладные исследования - сельскохозяйственному производству: сборник материалов VIII Международной научно-практической Интернет-конференции.- 2016.- С.194-197.
8. http://www.moctkom.ru/fsotech.htm.
9. Карпович Э. В. Моделирование лазерной передачи аудиосигналов // Главный механик.- 2016.- №1.- С.41-46.
10. Карпович Э.В. Способы моделирования лазерной передачи аудиосигналов // Главный механик.- 2017.- №11.- С.36-42.
11. Зеленюк Ю.И., Огнев И.В. Влияние погодных условий на надежность атмосферной оптической связи // Вестник связи.- 2002.- №4.- С.21-37.
12. Карпович Э.В. Модель атмосферной оптической линии связи / Э.В. Карпович, Д.В. Волков, Е.В. Рязанцев // Удостоверение на рационализаторское предложение № 1542 от 07.06.2007.- Орёл: Академия ФСО России, 2007.- 9 стр.: ил.
13. Поляков С.Ю., Широбакин С.Е. Оборудование АОЛС серии МОСТ - "вездеход последней мили" // Технологии и средства связи.-2003.- №5.- С.18-34.
14. Карпович Э. В. Моделирование лазерной передачи аудиосигналов при обучении теплофизике в аграрных вузах // Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ.- 2016.- №S2.- С.6.
15. Карпович Э. В. Моделирование лазерной передачи аудиосигналов в курсе теплофизики при подготовке агроинженеров // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: межвузовский сборник научных трудов.- Саранск, 2017.- С.725-729.
16. Чепусов Е.Н., Шаронин С.Г. Лазерная связь - новый экономичный способ беспроводной связи // Сети и системы связи.- 1997.- №2.- С.36-43.
17. Карпович Э. В. Моделирование лазерной передачи аудиосигналов при изучении теплофизики в аграрных вузах // Фундаментальные и прикладные исследования - сельскохозяйственному производству: сборник материалов VIII Международной научно-практической Интернет-конференции.- 2016.- С.235-238.
18. Карпович Э.В. Использование интерактивных методов обучения при подготовке бакалавров в аграрных вузах // Вестник Курганской ГСХА.- 2013.- №4(8).- С.36-39.
19. Карпович Э. В. Демонстрация лазерной передачи аудиосигналов в курсе физики // Тезисы докладов научно-методической школы-семинара по проблеме «Физика в системе инженерного образования стран ЕврАзЭС» - Москва: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 2008.- С.176-178.
20. Карпович Э.В. Методика применения автоматизированного комплекса программированных учебных пособий в курсе физики // Педагогическая информатика.- 2006.-№5.- С.65-73.
Karpovich Eduard Vladimirovich, Cand.Tech.Sci., associate professor (e-mail: [email protected])
Orel state agrarian University named after N.V. Parakhina, Orel, Russia CREATION OF TRAINING MODELS, THE OPTICAL TRANSMITTING AUDIO SIGNALS, IN THE PREPARATION OF HIGHLY QUALIFIED ENGINEERS IN UNIVERSITIES
Annotation. The article is devoted to the educational modeling of optical communication systems that transmit audio signals using laser beams for courses of various disciplines. The brief historical background for the emergence of this type of optical communication systems and considered the level of development of atmospheric optical communication lines at the present stage. The significant advantages of using optical communication systems under different environmental conditions in various sectors of the economy. This article describes in detail the developed and manufactured on the basis of household analog equipment training experimental model for transmitting audio signals over a distance using a laser beam. The scheme, principles of work of this educational installation are considered and its full technical characteristics are given. The boundaries of the fields of application of the created technical device, its practical significance and possible prospects of its use are outlined. Attention is paid to the importance of educational modeling in the educational process, as well as to the initial research with its help. We considered the use ofphysical models in the learning process, refers to the effectiveness with the help of classes in various disciplines. It is particularly emphasized that the model described in this article is created from analog devices that have already outlived their technical age, which were prepared for disposal. Given the fact that modern laboratories require millions of budgets for their equipment, which is not always implemented especially in peripheral universities, the economic effect of such modeling looks very impressive and extremely necessary.
Keywords: atmosphere, optics, modeling, laser, construction, photocell, audio signal, communication system, modernization, production, research, higher education.
