LYME передал цветное композитное видео по лучу красного лазера
Цветной PAL/NTSC-сигнал прошёл по свободному оптическому каналу через амплитудную модуляцию красного лазера и был восстановлен фотодиодом BPW34. Полностью аналоговый тракт рассчитан примерно на 5 МГц, однако опубликованная демонстрация оставляет открытыми реальную АЧХ и роль выходного согласования 75 Ом.
Проект LYME передал живое цветное композитное видео по лучу красного лазера с помощью полностью аналогового передатчика и приёмника. Даниел Йорданов опубликовал схемы KiCad, платы, LTspice-модели, корпуса и демонстрационные материалы. Источниками сигнала служили ESP32 с тестовыми шаблонами NTSC и Raspberry Pi с камерой и аппаратным выходом CVBS.
В передатчике композитный сигнал подаётся через AC-связь на узел смещения, задаваемого потенциометром 10 кОм. Параллельные конденсаторы 47 мкФ и 100 нФ пропускают видеосоставляющую в широком диапазоне частот, после чего эмиттерный повторитель на 2N2222 управляет красным лазерным модулем. Яркость излучателя меняется пропорционально мгновенному уровню CVBS, включая строчные и кадровые синхроимпульсы, яркостную составляющую и цветовую поднесущую.
Для NTSC и PAL требуется сохранить форму сигнала в области нескольких мегагерц: цветовая поднесущая находится около 3.58 и 4.43 МГц соответственно. Автор оценивает необходимую полосу тракта примерно в 5 МГц. Запас здесь нужен также по фазовой характеристике, поскольку её искажения отражаются на синхронизации и декодировании цвета.
Приёмник построен на кремниевом PIN-фотодиоде BPW34 с обратным смещением и трансимпедансном усилителе LM318N. В цепи обратной связи установлены 2.2 кОм параллельно 8.2 пФ. Одна эта RC-цепь имеет характерную частоту около 8.8 МГц, однако итоговую полосу задают также ёмкость фотодиода, вход LM318, паразитные параметры платы и запас устойчивости. В модели автор использовал переходную ёмкость 25 пФ и получил ровную характеристику с запасом по фазе свыше 45°.
По документации Vishay, BPW34 имеет ёмкость 70 пФ при нулевом смещении и время нарастания и спада около 100 нс при обратном напряжении 10 В, нагрузке 1 кОм и длине волны 820 нм. Обратное смещение уменьшает переходную ёмкость, но точное значение для собранного узла не измерено. LM318 обладает типовой полосой малого сигнала 15 МГц и скоростью нарастания 70 В/мкс; питание ±9 В укладывается в допустимый диапазон микросхемы. Паспортные 15 МГц относятся к самому операционному усилителю и не описывают полосу готового фотоприёмника.
Выход приёмника развязан конденсатором 100 мкФ и снабжён последовательным резистором 75 Ом. По наблюдению автора, этот резистор устранил горизонтальное размазывание картинки при работе с USB-захватчиком EasyCap, а настройка оптического смещения улучшила захват синхронизации. Причина эффекта остаётся неоднозначной: последовательные 75 Ом могли ослабить отражения в кабеле, снизить уровень на входе захватчика или развязать LM318 от ёмкостной нагрузки. При согласованном входе 75 Ом такое включение также уменьшает амплитуду примерно вдвое.
Демонстрация подтверждает восстановление цветного изображения на телевизоре и через EasyCap. Указанные для PAL/NTSC 50 и 59.94 относятся к полям в секунду; частота полных чересстрочных кадров составляет 25 и 29.97 соответственно. Осциллограммы полной АЧХ, SNR, THD, уровня CVBS на нагрузке 75 Ом, предельной дальности и устойчивости к фоновому освещению пока отсутствуют. Модель и настольный опыт показывают работоспособность архитектуры, но количественные пределы свободно-пространственного канала ещё не определены.
Модель и класс лазера в документации не указаны. Прямая юстировка по видимому лучу создаёт риск для зрения, а оптическая мощность и отражения требуют оценки до увеличения дистанции или применения более мощного излучателя.