Волоконно-оптическая цепь - передатчик и приемник

Электронные сигналы на протяжении десятилетий довольно успешно отправлялись через стандартные «проводные» соединения или с использованием радиоканалов различных типов, которые имели много недостатков.

С другой стороны, волоконно-оптические линии связи, независимо от того, используются ли они для аудио- или видеосвязи на большие расстояния или для обработки небольших расстояний, предлагают некоторые явные преимущества по сравнению с обычными проводными кабелями.

Как работает оптоволокно

В технологии волоконно-оптических цепей волоконно-оптическая линия связи используется для передачи цифровых или аналоговых данных в виде световой частоты через кабель, который имеет центральную жилу с высокой отражающей способностью.

Внутри оптическое волокно состоит из центральной сердцевины с высокой отражающей способностью, которая действует как световод для передачи света через него посредством непрерывных отражений туда и обратно через его отражающие стенки.

Оптический канал обычно включает в себя схему преобразователя электрической частоты в частоту света, которая преобразует цифровые или звуковые сигналы в частоту света. Эта частота света 'инжектируется' на один из концов оптического волокна через мощный светодиод . Затем свет проходит через оптический кабель к месту назначения, где он принимается фотоэлементом и схема усилителя который преобразует частоту света обратно в исходную цифровую форму или форму звуковой частоты.

Преимущества волоконной оптики

Одним из основных преимуществ волоконно-оптических линий связи является их абсолютная невосприимчивость к электрическим помехам и случайным наводкам.

Стандартные «кабельные» линии связи могут быть разработаны для уменьшения этой проблемы, однако полностью устранить эту проблему может оказаться довольно сложно.

Напротив, неэлектрические характеристики оптоволоконного кабеля помогают сделать электрические помехи несущественными, за исключением некоторых помех, которые могут быть обнаружены на стороне приемника, но это также можно устранить путем эффективного экранирования цепи приемника.

Точно так же широкополосные сигналы, проходящие по обычному электрическому кабелю, часто рассеивают электрические помехи, вызывая помехи для радио- и телевизионных сигналов поблизости.

Но опять же, в случае оптоволоконного кабеля он действительно может оказаться полностью лишенным электрических излучений, и даже если передатчик может испускать некоторое радиочастотное излучение, его довольно просто заключить, используя основные стратегии экранирования.

Благодаря этому плюсу системы, включающие множество оптических кабелей, работающих вместе друг с другом, не имеют проблем или проблем с перекрестными переговорами.

Конечно, свет может просочиться от одного кабеля к другому, но оптоволоконные кабели обычно заключены в светонепроницаемую внешнюю оболочку, которая идеально предотвращает любую форму утечки света.

Это прочное экранирование волоконно-оптических линий связи обеспечивает достаточно безопасную и надежную передачу данных.

Еще одно преимущество состоит в том, что волоконная оптика не связана с опасностью возгорания, поскольку в ней нет электричества или большого тока.

У нас также есть хорошая электрическая изоляция по всей линии, чтобы не допустить развития осложнений с контурами заземления. Благодаря соответствующим передающим и приемным цепям он становится хорошо подходящим для волоконно-оптических линий связи, позволяющих обрабатывать значительные диапазоны пропускной способности.

Соединения с широкой полосой пропускания также могут быть созданы с помощью коаксиальных силовых кабелей, хотя современные оптические кабели обычно имеют меньшие потери по сравнению с коаксиальными типами в приложениях с широкой полосой пропускания.

Оптические кабели обычно тонкие и легкие, а также устойчивы к климатическим условиям и некоторым химическим веществам. Это часто позволяет быстро применять их в неблагоприятных условиях или в неблагоприятных сценариях, когда электрические кабели, особенно коаксиальные, просто оказываются очень неэффективными.

Недостатки

Хотя волоконно-оптическая схема имеет столько преимуществ, у нее есть и некоторые недостатки.

Очевидным недостатком является то, что электрические сигналы не могут быть переданы непосредственно в оптический кабель, а в некоторых ситуациях стоимость и проблемы, возникающие с жизненно важными схемами кодера и декодера, имеют тенденцию к несовместимости.

При работе с оптическими волокнами важно помнить, что они обычно имеют заданный наименьший диаметр, и когда они скручены с более резкой кривой, это приводит к физическим повреждениям кабеля на этом изгибе, что делает его бесполезным.

«Минимальный радиус изгиба», как его обычно называют в технических данных, обычно составляет приблизительно от 50 до 80 миллиметров.

Последствия таких изгибов в обычном проводном сетевом кабеле могут быть ничем, однако для волоконно-оптических кабелей даже небольшие крутые изгибы могут препятствовать распространению световых сигналов, что приводит к значительным потерям.

Основы волоконной оптики

Хотя нам может показаться, что оптоволоконный кабель просто состоит из стеклянной нити, покрытой светонепроницаемой внешней оболочкой, на самом деле ситуация намного более продвинутая, чем это.

В настоящее время стеклянная нить в основном представляет собой полимер, а не настоящее стекло, и стандартная установка может быть такой, как показано на следующем рисунке. Здесь мы видим центральную сердцевину с высоким показателем преломления и внешнюю защиту с пониженным показателем преломления.

Рефракция в месте взаимодействия внутренней нити накала и внешней оболочки позволяет свету проходить через кабель, эффективно перепрыгивая через стену на стену на всем протяжении кабеля.

Именно это отражение света через стенки кабеля позволяет кабелю проходить как световод, плавно перенося свет по углам и изгибам.

Распространение света в режиме высокого порядка

Угол, под которым отражается свет, определяется свойствами кабеля и входным углом света. На приведенном выше рисунке видно, как световой луч проходит через 'режим высокого порядка' размножение.

Распространение света в режиме низкого порядка

Тем не менее, вы найдете кабели со светом, подаваемым под меньшим углом, заставляя его отражаться между стенками кабеля со значительно большим углом. Этот меньший угол позволяет свету проходить через кабель на относительно большее расстояние при каждом отражении.

Эта форма передачи света называется 'режим низкого порядка' размножение. Практическое значение обоих этих режимов состоит в том, что свет, проходящий через кабель в моде высокого порядка, должен проходить значительно дальше по сравнению со светом, который распространяется в моде низкого порядка. Это размывает сигналы, передаваемые по кабелю, уменьшая частотный диапазон приложения.

Однако это актуально только для каналов с очень широкой полосой пропускания.

Одномодовый кабель

У нас также есть 'Одиночный режим' Типы кабелей, которые предназначены просто для включения одного режима распространения, но на самом деле не требуется использовать этот вид кабеля со сравнительно узкой полосой пропускания, подробно описанной в этой статье. Вы также можете встретить альтернативный тип кабеля с названием 'градуированный индекс' кабель.

Фактически, это очень похоже на кабель со ступенчатым показателем преломления, который обсуждался ранее, хотя существует постепенное преобразование от высокого показателя преломления около центра кабеля к уменьшенному значению около внешней оболочки.

Это приводит к тому, что свет проходит глубоко по кабелю таким же образом, как объяснялось ранее, но свету приходится проходить по изогнутому маршруту (как на следующем рисунке), а не по прямым линиям.

Размеры оптического волокна

Типичный размер волоконно-оптических кабелей составляет 2,2 миллиметра, а средний размер внутреннего волокна составляет около 1 миллиметра. Вы можете найти несколько разъемов, доступных для подключения через кабель такого размера, в дополнение к ряду систем, которые подключают одинаковые кабели.

Обычная соединительная система включает в себя «вилку», которая устанавливается на конец кабеля и защищает его от клеммы «розетка», которая обычно крепится на монтажной плате, имеющей прорезь для размещения фотоэлемента (который образует излучатель или детектор оптическая система).

Факторы, влияющие на проектирование волоконно-оптических цепей

Одним из важнейших аспектов, о котором следует помнить при работе с волоконной оптикой, являются характеристики пикового выхода излучателя. фотоэлемент для длины волны света. Это должно быть идеально выбрано для соответствия частоте передачи с соответствующей чувствительностью.

Второй фактор, о котором следует помнить, - это то, что кабель будет указан только с ограниченным диапазоном пропускной способности, что означает, что потери должны быть минимальными.

Оптические датчики и передатчики, обычно используемые в оптических волокнах, в основном рассчитаны на работу в инфракрасный диапазон с максимальной эффективностью, в то время как некоторые из них могут лучше всего работать с видимым спектром света.

Волоконно-оптические кабели часто поставляются с незавершенными оконечными концами, что может быть очень непродуктивным, если концы не будут надлежащим образом обрезаны и обработаны.

Как правило, кабель обеспечивает приличный эффект, если его разрезать под прямым углом острым, как бритва, ножом для моделирования, аккуратно разрезая конец кабеля одним движением.

Для полировки срезанных концов можно использовать тонкий напильник, но если вы только что обрезали концы, это может не помочь значительно повысить эффективность освещения. Очень важно, чтобы разрез был резким, четким и перпендикулярным диаметру кабеля.

Если резка имеет некоторый угол, это может серьезно снизить эффективность из-за отклонения угла подачи света.

Проектирование простой оптоволоконной системы

Основной способ начать работу с оптоволоконной связью - создать аудиоканал.

В своей наиболее элементарной форме это может включать простую схему амплитудной модуляции, которая изменяет Светодиодный передатчик яркость в соответствии с амплитудой входного аудиосигнала.

Это вызовет эквивалентно модулирующий отклик по току на приемнике фотоэлемента, который будет обрабатываться, чтобы генерировать соответствующее изменяющееся напряжение на рассчитанном нагрузочном резисторе, включенном последовательно с фотоэлементом.

Этот сигнал будет усилен для передачи выходного аудиосигнала. На самом деле этот фундаментальный подход может иметь свои недостатки, основным из которых может быть просто недостаточная линейность фотоэлементов.

Отсутствие линейности сказывается в виде пропорционального уровня искажений в оптическом канале, которые впоследствии могут иметь плохое качество.

Метод, который обычно предлагает значительно лучшие результаты, - это система частотной модуляции, которая в основном идентична системе, используемой в стандартных Радиопередачи УКВ .

Однако в таких случаях используется несущая частота около 100 кГц вместо обычных 100 МГц, используемых при радиопередаче в полосе 2.

Этот подход может быть довольно простым, как показано на блок-схеме ниже. Он демонстрирует принцип, установленный для односторонней ссылки этой формы. Передатчик на самом деле представляет собой генератор, управляемый напряжением (ГУН), и, как следует из названия, выходная частота этой конструкции может регулироваться с помощью управляющего напряжения.

Это напряжение может быть входной передачей звука, и, когда напряжение сигнала колеблется вверх и вниз, будет изменяться и выходная частота ГУН. А фильтр нижних частот встроена для уточнения входного аудиосигнала перед его подачей на ГУН.

Это помогает предотвратить возникновение гетеродинных «свистов» из-за нот ударов между генератором, управляемым напряжением, и любыми высокочастотными входными сигналами.

Обычно входной сигнал покрывает только диапазон звуковых частот, но вы можете обнаружить искажение на более высоких частотах, а также радиосигналы, улавливаемые проводкой и взаимодействующие с сигналом VCO или гармониками вокруг выходного сигнала VCO.

Излучающее устройство, которое может быть просто светодиодом, приводится в действие выходом VCO. Для оптимального результата этот светодиод обычно горит. светодиод высокой мощности . Это требует использование стадии буфера драйвера для управления мощностью светодиода.

Следующий этап - это моностабильный мультивибратор который должен быть спроектирован как не подлежащий повторному запуску тип.

Это позволяет каскаду генерировать выходные импульсы через интервалы, определенные сетью синхронизации C / R, которая не зависит от длительности входного импульса.

Форма рабочего сигнала

Это обеспечивает простое, но эффективное преобразование частоты в напряжение, форма волны, показанная на следующем рисунке, ясно объясняет его схему работы.

На рисунке (a) входная частота формирует выходной сигнал моностабильного устройства с отношением метки к интервалу от 1 до 3, а выходная частота находится в высоком состоянии в течение 25% времени.

Среднее выходное напряжение (как показано внутри пунктирной линии) в результате составляет 1/4 выходного ВЫСОКОГО состояния.

На рисунке (b) выше мы видим, что входная частота была увеличена в два раза, что означает, что мы получаем в два раза больше выходных импульсов для заданного временного интервала с соотношением промежутков между метками 1: 1. Это позволяет нам получить среднее выходное напряжение, которое составляет 50% от ВЫСОКОГО выходного состояния и в 2 раза больше, чем в предыдущем примере.

Проще говоря, моностабильный не только помогает преобразовывать частоту в напряжение, но также позволяет преобразованию получить линейную характеристику. Выходной сигнал только моностабильного устройства не может формировать сигнал звуковой частоты, если не включен фильтр нижних частот, который гарантирует, что выход стабилизируется в надлежащий звуковой сигнал.

Основная проблема с этим простым методом преобразования частоты в напряжение заключается в том, что требуется более высокий уровень затухания (по существу, 80 дБ или выше) на минимальной выходной частоте ГУН, чтобы иметь возможность создать стабилизированный выходной сигнал.

Но этот метод действительно прост и надежен в других отношениях, и вместе с современными схемами может быть нетрудно разработать каскад выходного фильтра, имеющий достаточно точный характеристика отсечения .

Крошечный уровень избыточного несущего сигнала на выходе может быть не слишком критичным и его можно игнорировать, потому что несущая обычно находится на частотах, которые не находятся в пределах звукового диапазона, и любая утечка на выходе в результате будет неслышной.

Схема волоконно-оптического передатчика

Полную схему волоконно-оптического передатчика можно увидеть ниже. Вы найдете множество интегральных схем, подходящих для работы как ГУН, а также множество других конфигураций, построенных с использованием дискретных частей.

Но для недорогой техники широко используется NE555 становится предпочтительным вариантом, и хотя он, безусловно, дешев, но имеет довольно хорошую производительность. Его можно модулировать по частоте, интегрируя входной сигнал на вывод 5 ИС, который соединяется с делителем напряжения, настроенным для создания пределов переключения 1/3 В + и 2/3 В + для IC 555.

По существу, верхний предел увеличивается и уменьшается, так что время, затрачиваемое конденсатором C2 синхронизации на переключение между двумя диапазонами, может быть соответственно увеличено или уменьшено.

Tr1 подключен как эмиттер-повторитель буферный каскад, который обеспечивает высокий ток возбуждения, необходимый для оптимального освещения светодиода (D1). Хотя сам NE555 обеспечивает хороший ток 200 мА для светодиода, отдельный драйвер с регулируемым током для светодиода позволяет точно и более надежным способом установить желаемый ток светодиода.

R1 расположен так, чтобы фиксировать ток светодиода на уровне примерно 40 миллиампер, но поскольку светодиод включается / выключается со скоростью 50% рабочего цикла, светодиод может работать только с 50% фактического номинала, который составляет около 20 миллиампер.

Выходной ток можно увеличивать или уменьшать, регулируя значение R1, когда это может потребоваться.

Компоненты для волоконно-оптических резисторов передатчика (все 1/4 Вт, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47 тыс.
R4 = 10 тыс.
R5 = 10 тыс.
R6 = 10 тыс.
R7 = 100 тыс.
R8 = 100 тыс.
Конденсаторы
C1 = 220µ 10V избранный
C2 = 390 пФ керамическая пластина
C3 = 1u 63V избранный
C4 = 330p керамическая пластина
C5 = слой полиэстера 4n7
C6 = 3n3 полиэфирный слой
C7 = 470n полиэфирный слой
Полупроводники
IC1 = NE555
IC2 = 1458 ° C
Tr1 = BC141
D1 = см. Текст
Разное
Разъем SK1 3,5 мм
Печатная плата, корпус, аккумулятор и т. Д.

Волоконно-оптический приемник

Схема первичного оптоволоконного приемника показана в верхней части приведенной ниже схемы, а схема выходного фильтра изображена сразу под схемой приемника. Выход приемника можно увидеть, соединенный с входом фильтра через серую линию.

D1 образует детектор диод , и он работает в режиме обратного смещения, в котором его сопротивление утечки помогает создать своего рода светозависимый резистор или эффект LDR.

R1 работает как нагрузочный резистор, а C2 создает связь между каскадом детектора и входом входного усилителя. Это образует двухступенчатую емкостную сеть, в которой две ступени работают вместе в общий эмиттер режим.

Это обеспечивает превосходное общее усиление по напряжению более 80 дБ. учитывая, что подается довольно мощный входной сигнал, это обеспечивает достаточно высокие колебания выходного напряжения на выводе коллектора Tr2, чтобы подтолкнуть моностабильный мультивибратор .

Последний представляет собой стандартный тип КМОП, построенный с использованием пары вентилей ИЛИ-НЕ с 2 входами (IC1a и IC1b) с C4 и R7, функционирующими как элементы синхронизации. Другая пара ворот IC1 не используется, хотя их входы можно увидеть подключенными к земле, чтобы предотвратить ложное переключение этих ворот из-за случайного захвата.

Что касается каскада фильтра, построенного на основе IC2a ​​/ b, это, по сути, системы фильтров 2/3 порядка (18 дБ на октаву) со спецификациями, обычно используемыми в схемы передатчика . Они соединены последовательно, чтобы получить в общей сложности 6 полюсов и общий коэффициент затухания 36 дБ на октаву.

Это обеспечивает приблизительно 100 дБ ослабления несущего сигнала в его минимальном частотном диапазоне и выходной сигнал с относительно низкими уровнями несущего сигнала. Волоконно-оптическая схема может работать с входным напряжением до 1 В (среднеквадратичное значение) без критических искажений и помогает работать с коэффициентом усиления напряжения чуть меньше единицы.

Компоненты для волоконно-оптического приемника и фильтра

Резисторы (все 1/4 Вт 5%)
R1 = 22 тыс.
R2 = 2M2
R3 = 10 тыс.
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22к
R8 = 47 тыс.
R9 = 47 тыс.
От R10 до R15 10k (6 шт.)
Конденсаторы
C1 = 100 мк10 В электролитический
C2 = 2n2 полиэстер
C3 = 2n2 полиэстер
C4 = 390p керамический
C5 = 1µ 63V электролитический
C6 = 3n3 полиэстер
C7 = 4n7 полиэстер
C8 = 330 пФ керамический
C9 = 3n3 полиэстер
C10 = 4n7 полиэстер

Полупроводники
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Трл, Тр2 BC549 (2 шт.)
D1 = См. Текст
Разное
SK1 = 25-контактный разъем D
Корпус, печатная плата, провод и т. Д.