Оптичко влакно - предајник и пријемник

Испробајте Наш Инструмент За Елиминисање Проблема





Електронски сигнали се деценијама прилично успешно шаљу стандардним 'жичаним' везама или коришћењем радио веза различитих врста које су имале бројне недостатке.

С друге стране, оптичке везе, било да се користе за аудио или видео везе на великим дометима или за руковање на малим удаљеностима, нуде неке посебне предности у поређењу са уобичајеним жичаним кабловима.



Како ради оптичка влакна

У технологији оптичких кола оптичка влакна се користе за пренос дигиталних или аналогних података у облику светлосне фреквенције кроз кабл који има високо рефлектујуће централно језгро.

Оптичко влакно се изнутра састоји од високо рефлектујућег централног језгра, које делује попут светлосног водича за пренос светлости кроз њега помоћу непрекидних рефлексија на својим рефлективним зидовима.



Оптичка веза обично укључује коло претварача електричне фреквенције у светлосну фреквенцију, које претвара дигиталне или аудио сигнале у светлосну фреквенцију. Ова светлосна фреквенција се „убризгава“ на један од крајева оптичког влакна кроз моћна ЛЕД . Затим се светлости омогућава путовање кроз оптички кабл до предвиђеног одредишта, где је примају фотоћелија и ан коло појачала који претвара светлосну фреквенцију назад у изворни дигитални облик или облик звучне фреквенције.

Предности оптичких влакана

Једна од главних предности веза оптичких влакана је њихов савршени имунитет на електричне сметње и залутале пријемнике.

Стандардне „кабловске“ везе би могле бити дизајниране да смање овај проблем, али можда је изазов потпуно искоренити овај проблем.

Супротно томе, неелектричне карактеристике оптичког кабла помажу да електричне сметње буду нематеријалне, осим неких сметњи које би могле да се појаве на крају пријемника, али то се такође може елиминисати ефикасним оклопом круга пријемника.

Слично томе, широкопојасни сигнали преусмерени преко редовног електричног кабла често расипају електричне сметње узрокујући ометање радио и телевизијских сигнала у близини.

Али опет, у случају оптичког кабла он се заиста може показати потпуно лишеним електричних емисија, па иако би предајничка јединица могла да избаци неко радио-фреквенцијско зрачење, прилично је једноставно приложити га користећи основне стратегије скрининга.

Захваљујући овој позитивној тачки, системи који садрже много оптичких каблова који раде један поред другог немају компликација или проблема са унакрсним разговорима.

Наравно да би светлост могла да исцури из једног кабла у други, али оптички каблови су обично инкапсулирани у светлоотпорну спољну чауру која идеално спречава било какав облик цурења светлости.

Ова снажна заштита у оптичким везама осигурава релативно сигуран и поуздан пренос података.

Још једна предност је што оптичка влакна немају проблема са опасношћу од пожара, јер у њима нема струје или јаке струје.

Такође имамо добру електричну изолацију кроз везу како бисмо осигурали да се компликације са земаљским петљама не могу развити. Кроз одговарајуће предајне и пријемне кругове постаје добро погодно за оптичке везе да обрађују значајне опсеге опсега.

Широке опсежне везе могу се створити и преко коаксијалних каблова за напајање, иако модерни оптички каблови обично имају смањене губитке у поређењу са коаксијалним типовима у апликацијама широког опсега.

Оптички каблови су обично танки и лагани, а такође су имуни на климатске услове и неколико хемијских супстанци. То им често омогућава брзу примену у негостољубивом окружењу или у неповољним сценаријима где се електрични каблови, посебно коаксијални типови, једноставно покажу врло неефикасним.

Мане

Иако оптичко коло има толико предности, оне имају и неколико доњих страна.

Очигледни недостатак је тај што се електрични сигнали не могу преносити директно у оптички кабл, а у неколико ситуација трошкови и проблеми са виталним круговима енкодера и декодера постају прилично некомпатибилни.

Кључна ствар коју треба имати на уму током рада са оптичким влакнима је да она обично имају одређени најмањи пречник, а када су увијена оштријом кривином, настају физичка оштећења кабла на том завоју, чинећи га бескорисним.

Минимални радијус савијања, како се то обично назива у таблицама података, обично је између приближно 50 и 80 милиметара.

Последица таквих завоја у нормалном жичаном мрежном каблу не може бити ништа, међутим за оптичке каблове чак и мали уски завоји могу ометати ширење светлосних сигнала што доводи до драстичних губитака.

Основи оптичких влакана

Иако нам се може чинити да је оптички кабл једноставно направљен од стаклене нити прекривене светлосним отпорним спољним омотом, ситуација је у ствари много напреднија од ове.

Данас је стаклена нит углавном у облику полимера, а не стварног стакла, а постављени стандард може бити као што је изложено на следећој слици. Овде можемо видети централно језгро које има висок индекс лома и спољни штит са смањеним индексом лома.

Преламање где унутрашња нит и спољна облога међусобно делују омогућава светлост да пролази кроз кабл ефикасним прескакањем преко зида до зида све до краја кроз кабл.

Управо ово одбијање светлости преко зидова кабла омогућава каблу да пролази попут светлосне водилице, несметано носећи осветљење око углова и кривина.

Проширење светлости у режиму високог реда

Угао под којим се светлост рефлектује одређен је својствима кабла и улазним углом светлости. На горњој слици се види светлосни зрак провучен кроз 'режим високог реда' размножавање.

Проширење светлости у режиму ниског реда

Међутим, наћи ћете каблове са светлошћу која се напаја са мањим углом због чега се одбија између зидова каблова са знатно широким углом. Овај доњи угао омогућава светлости да путује на релативно већој удаљености кроз кабл при сваком одбијању.

Овај облик преноса светлости назива се 'режим ниског реда' размножавање. Практични значај оба ова начина је да светлост која излази кроз кабл у режиму високог реда треба да путује знатно даље у поређењу са светлошћу која се шири у режиму ниског реда. Ово размазује сигнале испоручене низ кабл смањујући фреквенцијски опсег апликације.

Међутим, ово је релевантно само за изузетно широкопојасне везе.

Кабл за један режим

Такође имамо 'Сингле моде' каблови који су намењени једноставно за омогућавање једног начина ширења, али заправо није потребно користити овај облик кабла са сразмерно уским техникама пропусности детаљно описаним у овом чланку. Можете даље наићи на алтернативну врсту кабла са именом 'оцењени индекс' кабл.

Ово је у ствари прилично слично степеничастом индексном каблу о коме смо раније говорили, иако постоји прогресивна трансформација од високог индекса лома близу центра кабла до смањене вредности близу спољне чауре.

То доводи до тога да светлост пролази дубоко преко кабла на прилично сличан начин као што је раније објашњено, али са светлошћу која мора да пролази кроз закривљени пут (као на следећој слици), уместо да се шири кроз равне линије.

Димензије оптичких влакана

Типична димензија каблова оптичких влакана је 2,2 милиметра, а просечна димензија унутрашњег влакна је око 1 милиметар. Можете пронаћи неколико конектора доступних за везе преко ове величине кабла, поред бројних система који се спајају на подударне каблове.

Уобичајени систем конектора укључује „утикач“ који је инсталиран на врху кабла и штити га до терминала „утичница“ који се обично држи преко плочице која има прорез за смештај фотоћелије (која формира емитер или детектор оптички систем).

Фактори који утичу на дизајн оптичких влакана

Један пресудни аспект који треба имати на уму у оптичкој влакни су врхунске излазне спецификације емитера фотоћелија за таласну дужину светлости. Ово мора бити идеално одабрано да одговара фреквенцији преноса са одговарајућом осетљивошћу.

Други фактор који треба запамтити је да ће кабл бити наведен само са ограниченим опсегом опсега, што значи да губици морају бити што мањи.

Оптички сензори и предајници који се обично користе у оптичким влакнима углавном су оцењени да раде на инфрацрвени опсег са највећом ефикасношћу, док је некима можда намењено да најбоље раде са спектром видљиве светлости.

Каблови са оптичким влакнима се често испоручују са недовршеним завршним крајевима, што може бити врло непродуктивно, осим ако крајеви нису одговарајуће обрезани и обрађени.

Типично, кабл ће пружити пристојне ефекте када се пресече под правим углом ножем за моделирање оштрим као бритва, чиме се крај кабла сече у једној акцији.

Фина турпија се може користити за полирање резаних крајева, али ако сте тек пресекли крајеве, ово можда неће помоћи да се значајно побољша светлосна ефикасност. Кључно је да рез буде оштар, оштар и окомит на пречник кабла.

Ако резање има неки угао, може озбиљно погоршати ефикасност услед одступања угла довода светлости.

Дизајнирање једноставног оптичког система

Основни начин да започну сви који желе да испробају ствари са оптичким комуникацијама био би стварање аудио везе.

У свом најелементарнијем облику ово може укључивати једноставно коло амплитудске модулације које варира ЛЕД предајник осветљеност у складу са амплитудом аудио улазног сигнала.

То би проузроковало еквивалентно модулирајући тренутни одзив преко пријемника фотоћелија, који би се обрадио да би се генерисао одговарајући променљиви напон на прорачунатом отпорнику оптерећења у серији са фотоћелијом.

Овај сигнал би био појачан да би испоручио излазни аудио сигнал. У стварности овај фундаментални приступ може имати своје недостатке, а главни је можда једноставно недовољна линеарност фотоћелија.

Одсуство линеарности утиче у облику пропорционалног нивоа изобличења преко оптичке везе који касније може бити лошег квалитета.

Метода која обично нуди знатно боље исходе је систем фреквенцијске модулације, који је у основи идентичан систему који се користи у стандарду ВХФ радио емисије .

Међутим, у таквим случајевима укључена је носећа фреквенција од око 100 кХз уместо уобичајених 100 МХз као што се користи у опсегу 2 радио преноса.

Овај приступ може бити прилично једноставан, као што је приказано на блок дијаграму испод. Показује принцип постављен за једносмерну везу овог облика. Предајник је заправо осцилатор под напоном (ВЦО) и као што наслов сугерише, излазна фреквенција из овог дизајна може се подесити кроз управљачки напон.

Блок дијаграм оптичких влакана

Овај напон може бити пренос улазног звука, а како напон сигнала осцилира горе-доле, тако ће се мењати и излазна фреквенција ВЦО-а. А. нископропусни филтер је уграђен за прочишћавање улазног аудио сигнала пре него што се примени на ВЦО.

Ово помаже у спречавању стварања хетеродинских „звиждука“ због удараца између осцилатора под надзором напона и било којих улазних сигнала високе фреквенције.

Типично, улазни сигнал покрива само опсег аудио фреквенција, али на вишим фреквенцијама можете наћи садржај изобличења и радио сигнале који се преузимају из ожичења и комуницирају са ВЦО сигналом или хармоникама око излазног сигнала ВЦО.

Уређај за емитовање, који може бити једноставно ЛЕД, покреће ВЦО излаз. За оптимални резултат ова ЛЕД је обично а тип велике снаге ЛЕД . Ово захтева употреба фазе међуспремника управљачког програма за управљање ЛЕД снагом.

Следећа фаза је моностабилни мултивибратор који мора бити дизајниран као неповратни тип.

Ово омогућава фази да генерише излазне импулсе кроз интервале утврђене Ц / Р временском мрежом која је независна од трајања улазног импулса.

Оперативни таласни облик

Ово омогућава лако, али ефикасно претварање фреквенције у напон, јер таласни облик приказан на следећој слици јасно објашњава његов радни образац.

На слици (а) улазна фреквенција генерише излаз из моностабилитета са односом размака од 1 до 3, а излаз је у високом стању 25% времена.

Просечни излазни напон (како је приказано унутар испрекидане линије) је резултат 1/4 излазног ХИГХ стања.

На слици (б) горе можемо видети да је улазна фреквенција повећана за два пута, што значи да добијамо два пута више излазних импулса за одређени временски интервал са односом простора ознака 1: 1. То нам омогућава да добијемо просечни излазни напон који је 50% од ВИСОКОГ излазног стања и 2 пута већу величину од претходног примера.

Једноставно речено, моностабилни не само да претвара фреквенцију у напон, већ додатно омогућава претварању да добије линеарну карактеристику. Излаз само из моностабилног не може створити сигнал звучне фреквенције, осим ако је уграђен нископропусни филтер који осигурава да се излаз стабилизује у одговарајући аудио сигнал.

Примарни проблем ове једноставне методе претварања фреквенције у напон је тај што је потребно пригушење вишег нивоа (у основи 80 дБ или више) на минималној излазној фреквенцији ВЦО-а да би се могао створити стабилизовани излаз.

Али, овај метод је заиста једноставан и поуздан у другим разматрањима, а заједно са модерним круговима можда неће бити тешко дизајнирати ступањ излазног филтера који има одговарајуће прецизне одсечена карактеристика .

Мали ниво вишка носача сигнала на излазу можда није превише критичан и могао би се занемарити, јер се носач углавном налази на фреквенцијама које нису унутар звучног опсега, а свако цурење на излазу ће као резултат бити нечујно.

Оптички склоп предајника

Читав дијаграм склопа оптичких влакана може се видети доле. Наћи ћете мноштво интегрисаних кола погодних за рад попут ВЦО-а, заједно са многим другим конфигурацијама изграђеним помоћу дискретних делова.

Али за јефтину технику која се широко користи НЕ555 постаје пожељна опција, мада је сигурно јефтина, али долази са прилично добром ефикасношћу перформанси. Може се модулирати фреквенцијом интегрисањем улазног сигнала на пин 5 ИЦ, који се повезује са делилником напона конфигурисаним да створи преклопне границе од 1/3 В + и 2/3 В + за ИЦ 555.

У суштини, горња граница се повећава и смањује како би се време потребно за пребацивање кондензатора Ц2 између два опсега могло на одговарајући начин повећати или смањити.

Тр1 је ожичен као емитер фолловер међуспремник који осигурава велику погонску струју потребну за оптимално осветљење ЛЕД (Д1). Иако сам НЕ555 има добру струју од 200 мА за ЛЕД, засебни управљачки модул за ЛЕД који контролише струју омогућава успостављање жељене ЛЕД струје на прецизан начин и поузданијом методом.

Р1 је позициониран да фиксира ЛЕД струју на приближно 40 милиампера, али пошто је ЛЕД УКЉУЧЕН / ИСКЉУЧЕН при стопи од 50% радног циклуса, омогућава ЛЕД-у да ради са само 50% од стварне снаге која је око 20 милиампера.

Излазна струја би се могла повећати или смањити подешавањем вредности Р1 кад год се то учини потребним.

Компоненте отпорника оптичких влакана (сви 1/4 вати, 5%)
Р1 = 47Р
Р2 = 4к7
Р3 = 47к
Р4 = 10к
Р5 = 10к
Р6 = 10к
Р7 = 100к
Р8 = 100к
Кондензатори
Ц1 = 220µ 10В избор
Ц2 = 390пФ керамичка плоча
Ц3 = 1у 63В избор
Ц4 = 330п керамичка плоча
Ц5 = 4н7 слој полиестера
Ц6 = 3н3 полиестерски слој
Ц7 = 470н полиестерски слој
Полупроводници
ИЦ1 = НЕ555
ИЦ2 = 1458Ц
Тр1 = БЦ141
Д1 = видети текст
Остало
СК1 утичница 3,5 мм
Електронска плоча, кућиште, батерија итд

Оптички склоп пријемника

Шема примарног оптичког пријемника може се видети у горњем делу доњег дијаграма, а излазни круг филтера је нацртан одмах испод круга пријемника. Излаз пријемника се види повезан с улазом филтера кроз сиву линију.

Д1 формира детекторска диода , а ради у обрнутом положају пристраности у којем његов отпор цурењу помаже у стварању врсте отпорника који зависи од светлости или ЛДР ефекта.

Р1 ради као отпорник оптерећења, а Ц2 ствара везу између степена детектора и улаза улазног појачала. Ово чини двостепену капацитивно повезану мрежу где две фазе функционишу заједно у заједнички емитер моду.

Ово омогућава супериорно укупно појачање напона веће од 80 дБ. с обзиром на то да се испоручује прилично моћан улазни сигнал, ово нуди осцилације на излазном напону Тр2 на адекватно високом напону да би се потиснуо моностабилни мултивибратор .

Потоњи је стандардни ЦМОС тип направљен помоћу неколико НОР улаза са 2 улаза (ИЦ1а и ИЦ1б) са Ц4 и Р7 који функционишу попут временских елемената. Осталих неколико капија ИЦ1 се не користе, иако се њихови улази могу видети закачени за земљу у покушају да се заустави лажно пребацивање ових капија због залуталог прихватања.

Односећи се на фазу филтра изграђену око ИЦ2а / б, у основи се ради о системима филтера од 2/3 (18 дБ по октави) са спецификацијама које се обично користе у склопови предајника . Они су спојени у низове да би се успоставило укупно 6 полова и општа стопа слабљења од 36 дБ по октави.

Ово нуди приближно 100 дБ слабљења носећег сигнала у његовом минималном фреквенцијском опсегу и излазни сигнал са релативно ниским нивоима носећег сигнала. Оптички склоп може се носити са улазним напонима високим од 1 волта РМС приближно без критичних изобличења и помоћи у раду са незнатно мањим од јединственог појачања напона за систем.

Компоненте за оптички пријемник и филтер

Отпорници (сви 1/4 вати 5%)
Р1 = 22к
Р2 = 2М2
Р3 = 10к
Р4 = 470Р
Р5 = 1М2
Р6 = 4к7
Р7 = 22к
Р8 = 47к
Р9 = 47к
Р10 до Р15 10к (6 попуста)
Кондензатори
Ц1 = 100µ10В електролитски
Ц2 = 2н2 полиестер
Ц3 = 2н2 полиестер
Ц4 = 390п керамика
Ц5 = 1µ 63В електролитски
Ц6 = 3н3 полиестер
Ц7 = 4н7 полиестер
Ц8 = 330пФ керамика
Ц9 = 3н3 полиестер
Ц10 = 4н7 полиестер

Полупроводници
ИЦ1 = 4001БЕ
1Ц2 = 1458Ц
ИЦ3 = ЦА3140Е
Трл, Тр2 БЦ549 (2 попуста)
Д1 = Погледајте текст
Остало
СК1 = 25-полни Д конектор
Кућиште, плочица, жица итд.




Претходно: Зенер диодни кругови, карактеристике, прорачуни Даље: Објашњена основна електроника