Принцип построения схемы

Главным критерием было сделать прибор с максимальной чувствительностью на скорости 115200 бот, с минимумом подстройки. Предполагалось что устройство будет закреплено в трудно доступном месте (на крыше) и подстройка уровня усиления сигнала, или чего-нибудь другого, в месте установки не допустима.

Самая главная сложность в реализации подобного устройства, это то что сигнал COM-порта благодаря простейшему способу кодирования имеет постоянную составляющую (этого недостатка лишены все более менее развитые интерфейсы, например при помощи манчестерского кодирования), это практически не имеет значения при использовании проводов, но для передачи через внешний эфир и при использовании усилителей значительно препятствует, и требует преобразования сигнала. Это преобразование должно быть максимально простым и не увеличивать полосу сигнала, любое расширение полосы ведет к ухудшению связи по двум причинам, во-первых увеличивается уровень шумов, во-вторых требует применение более высокочастотных фото-приборов (теоретически чем меньше требования к быстродействию прибора, тем, наверное, более чувствительным его можно сделать, как дело обстоит на практике не могу сказать).

Основным моментом в построении схемы является определение принципа формирования и приема сигнала (физическое кодирование и декодирование информации). Возможно много способов, я рассматривал несколько, по- моему мнению наиболее рациональных:

Потенциально кодирование (или NRZ по буржуйски).
Заключается в том, что лазерный луч непосредственно модулируется сигналом с COM-порта, а на приемной стороне в зависимости от того какой потенциал имеется на фотоприемнике формируется ноль или единица. Это наиболее простой способ, но имеет существенные недостатки. Во-первых приемо-передающий тракт должен иметь значительную полосу пропускания, для того что бы не смазывались фронты сигнала, и переключение из нуля в единицу и обратно, при сравнении с определенным потенциалом, было бы с незначительной задержкой по сравнению с длительностью импульса, или хотя бы с одинаковой, это делает схему сильно зависящую от выбора значения уровня сравнения. Во-вторых такой принятый сигнал будет иметь постоянную составляющую которая делает практически не возможным использование разделительных конденсаторов. Но вообще этот принцип можно реализовать, но на низких скоростях и с достаточно сильным сигналом, что бы он требовал минимального усиления и максимально выделялся на фоне внешнего освещения, которое вносит свой вклад в постоянную составляющую, кроме того для нормальной работы потребуется автоматическое регулирование усиления. Схемы реализованные по такому принципу я пробовал в самом начале работы, и время от времени пытался к нему возвратится. Это самый простой способ и в интернете много схем реализующих данный принцип, но все они работоспособны только в настольном исполнении :-).

Высокочастотное заполнение.
Такой способ используется в инфракрасных пультах дистанционного управления. В этом случае ноль передается последовательностью коротких импульсов. На приемной стороне наличие высокочастотной составляющей говорит о нуле отсутствие о единице. Этот способ используеться в основном для кодирования низкоскоростных сигналов и имеет хорошую помехозащищенность, т.к. на входе можно поставить узкополосный фильтр. По сути дела это обычная 100% амплитудная модуляция несущей частоты. Недостатки: необходимо наличие генератора что усложняет передающую схему и в целом схемотехника становится сложнее. И самое главное полоса сигнала сдвигается в область более высоких частот, на величину частоты несущего колебания, которое должно быть значительно выше максимальной частоты информационного сигнала. Это в случае использования низкочастотных фотоэлементов ведет к значительному ослаблению.

Кодирование фронтов (FIRDA - в книжках такого названия не встречал, но в интернете видел).
Заключается в том, что и передний и задний фронт кодируются одинаковыми импульсами. На приеме с приходом каждого импульса потенциал перекидывается в противоположное состояние. Недостатки этого метода: при пропуске импульса на выходе получается инверсия сигнала, что ведет к ошибкам, во-вторых этот метод также требует более широкой полосы пропускания, т.к. узкие импульсы сильно затухают в низкочастотном канале уменьшая чувствительность схемы. А расширение полосы приемного тракта увеличивает уровень шумов. И в конце концов связь по такому принципу на лазерных указках уже реализована и эту схему можно встретить на многих серверах (Н-р: http://www.iceinet.ru/network/la000020.html). Кроме выше перечисленных недостатков в этой схеме мне не понравилось, то что для достижения максимальной скорости надо менять номинал какого то резистора или переключать кондер, и то что автор явно не достиг максимальной чувствительности поскольку экран в его устройстве не использовался.

Импульсное кодирование. IrDA SIR - интерфейс используемый для организации инфракрасной связи.
Нулевое значение бита кодируется коротким импульсом (в стандарте 3/16 битового интервала). Для модуляции этим способом требуется определять границы битов, нужен генератор. Наиболее просто это можно сделать на специализированых микросхемах, преобразующих интерфейс COM порта, или на компьютерах уже оборудованых инфракрасным портом. Благодаря тому что светодиод будет работать в короткоимпульсном режиме, его можно будет зажигать более ярко, бОльшим током (говорят, что с лазерной указкой так нельзя). Такой способ так же делает спектр сигнала более высокочастотным. В случае использования преобразователя интерфейса, его придется инициализировать (настраивать скорость) после каждого включения. Устройство по такому принципу на лазерах можно найти здесь
http://www.alphalink.com.au/~derekw/upntcvr.htm

Привязка к дифференциалу.
Этот способ я ни где не встречал и считаю своим изобретением, хотя может быть это очередной велосипед. Лазерный луч модулируется прямым сигналом с порта, а на приемной стороне сигнала с фотоэлемента дифференцируется и поступает на триггер Шмидта. Этот способ сочетает в себе достоинство потенциального кодирования - элементарная схема передатчика, но с другой стороны требования к полосе пропускания минимальны. Главная изюминка заключается в способе детектирования. Этот принцип можно реализовать практически на любом фото-элементе (резистор, диод или транзистор) любого быстродействия. Естественно канал должен пропускать определенный минимум (60 Кгц при скорости 115 Кбод). Схема не чувствительна к амплитуде сигнала, привязка идет не к потенциалу, а к дифференциалу, что обеспечивает нормальную работу схемы без автоматической или ручной регулировки усиления, это является существенным плюсом. Кроме того такой недостаток потенциального кодирования как постоянная составляющая, здесь ни какой роли не играет и от нее можно смело избавится. Именно этот способ реализован в конечном устройстве.

Передача дифференциальных импульсов.
Этот способ ни каких плюсов не несет и описан только потому что был попробован. Заключается в том, что лазерный луч находится в активном состоянии (средней яркости) и сигнал с порта кодируется импульсами различной "полярности" переключение из 1 в 0 "положительным", из 0 в 1 "отрицательным". На приеме сигнал усиливается и поступает на триггер Шмидта. Недостатки: т.к. лазер является пороговым элементом, для того, что бы загнать его в активный режим требуется точная настройка, а следовательно схема имеет низкую стабильность. Для хорошей работы в сигнале с фотоэлемента постоянная составляющая должна быть минимальна, и из-за неточности установки среднего уровня приходится делать импульсы уже, что опять таки ведет к сдвигу в область более высоких частот.