Šviesolaidžio grandinė - siųstuvas ir imtuvas

Elektroniniai signalai dešimtmečius buvo gana sėkmingai siunčiami per standartines „laidines“ jungtis arba naudojant įvairių rūšių radijo ryšius, kurie turėjo daug trūkumų.

Kita vertus, šviesolaidinės jungtys, naudojamos garso ar vaizdo ryšiams dideliais atstumais ar mažiems atstumams įveikti, pasiūlė tam tikrų aiškių pranašumų, palyginti su įprastais laidiniais kabeliais.

Kaip veikia šviesolaidis

Šviesolaidžio grandinės technologijoje optinio pluošto jungtis naudojama skaitmeniniams ar analoginiams duomenims perduoti šviesos dažnio pavidalu per kabelį, kuris turi labai atspindinčią centrinę šerdį.

Viduje optinis pluoštas susideda iš labai atspindinčio centrinio šerdies, veikiančio kaip šviesos kreiptuvas, per kurį šviesa perduodama per ją, naudojant nuolatinius atspindžius per atspindinčias sienas.

Optinė jungtis paprastai apima elektrinį dažnio ir šviesos dažnio keitiklio grandinę, kuri skaitmeninius ar garso signalus paverčia šviesos dažniu. Šis šviesos dažnis „įpurškiamas“ į vieną iš optinio pluošto galų per a galingas šviesos diodas . Tada šviesai leidžiama optiniu kabeliu keliauti į numatytą vietą, kur ją gauna fotoelementas ir stiprintuvo grandinė kuri paverčia šviesos dažnį atgal į originalią skaitmeninę formą arba garso dažnio formą.

Skaidulinės optikos privalumai

Vienas iš pagrindinių šviesolaidinių grandinių jungčių privalumų yra puikus jų atsparumas elektriniams trikdžiams ir nuklydusiems.

Standartinės „kabelinės“ jungtys galėtų būti sukurtos šiai problemai sumažinti, tačiau gali būti labai sudėtinga visiškai išnaikinti šią problemą.

Priešingai, neelektrinės optinio pluošto kabelio charakteristikos padeda padaryti elektrinius trukdžius nereikšmingus, išskyrus tam tikrus trikdžius, kuriuos būtų galima paimti imtuvo gale, tačiau tai taip pat galima pašalinti veiksmingai apsaugant imtuvo grandinę.

Lygiai taip pat plačiajuosčio ryšio signalai, nukreipiami įprastu elektros kabeliu, dažnai išsklaido elektrinius trikdžius ir sukelia netoliese esančių radijo ir televizijos signalų trukdžius.

Bet vėlgi, šviesolaidžio kabelio atveju gali pasirodyti, kad visiškai nėra elektros emisijos, ir nors siųstuvo blokas gali išstumti tam tikrą radijo dažnio spinduliuotę, jį uždaryti naudojant pagrindines atrankos strategijas yra gana paprasta.

Dėl šio pliuso sistemos, kuriose yra daugybė optinių kabelių, veikiančių kartu, neturi jokių komplikacijų ar problemų dėl tarpusavio pokalbių.

Žinoma, šviesa gali nutekėti iš vieno kabelio į kitą, tačiau šviesolaidiniai kabeliai paprastai yra sutalpinti į šviesą atsparią išorinę įvorę, kuri idealiai apsaugo nuo bet kokio šviesos nutekėjimo.

Šis stiprus šviesolaidinių ryšių ekranas užtikrina pakankamai saugų ir patikimą duomenų perdavimą.

Kitas privalumas yra tas, kad šviesolaidyje nėra gaisro pavojaus problemų, nes joje nėra elektros ar didelės srovės.

Mes taip pat turime gerą elektros izoliaciją visoje grandyje, kad užtikrintume, jog žemės kilpų komplikacijos negali išsivystyti. Naudodamas tinkamas perdavimo ir priėmimo grandines, jis tampa tinkamas šviesolaidinėms jungtims valdyti didelius pralaidumo diapazonus.

Plačius pralaidumo ryšius galima sukurti ir naudojant koaksialinius maitinimo kabelius, nors šiuolaikiniai optiniai kabeliai paprastai patiria mažesnius nuostolius, palyginti su bendraašiais tipais plačiajuosčio ryšio programose.

Optiniai kabeliai paprastai yra ploni ir lengvi, taip pat atsparūs klimato sąlygoms ir kelioms cheminėms medžiagoms. Tai dažnai leidžia juos greitai naudoti nesvetingoje aplinkoje arba nepalankiuose scenarijuose, kai tiesiog pasirodo, kad elektros laidai, ypač koaksialiniai, yra labai neveiksmingi.

Trūkumai

Nors šviesolaidžio grandinė turi tiek daug pranašumų, jos taip pat turi keletą apatinių pusių.

Akivaizdus trūkumas yra tas, kad elektrinių signalų negalima tiesiogiai perduoti į optinį kabelį, o keliose situacijose išlaidos ir problemos, susijusios su gyvybiškai svarbiomis kodavimo ir dekodavimo grandinėmis, tampa gana nesuderinamos.

Esminis dalykas, kurį reikia atsiminti dirbant su optiniais pluoštais, yra tai, kad jie paprastai turi nurodytą mažiausią skersmenį, o kai jie yra susukti aštresne kreive, kabelis fiziškai pažeidžiamas šiame posūkyje, todėl jis nenaudingas.

„Minimalus lenkimo“ spindulys, kaip paprastai vadinama duomenų lapuose, paprastai yra maždaug nuo 50 iki 80 milimetrų.

Tokio įprasto laidinio tinklo kabelio posūkių pasekmė gali būti visiškai nieko, tačiau šviesolaidiniams kabeliams net maži ir griežti posūkiai gali trukdyti plisti šviesos signalams, dėl kurių atsiranda drastiškų nuostolių.

Skaidulinės optikos pagrindai

Nors mums gali atrodyti, kad šviesolaidinis kabelis paprasčiausiai yra pagamintas iš stiklo gijų, padengtų šviesai atspariu išoriniu apvalkalu, situacija iš tikrųjų yra daug pažangesnė.

Šiuo metu stiklo gija daugiausia yra polimero, o ne tikro stiklo pavidalo, o standartinis nustatymas gali būti toks, kaip išdėstyta kitame paveiksle. Čia galime pamatyti centrinę šerdį, turinčią aukštą lūžio rodiklį ir išorinį ekraną su sumažintu lūžio rodikliu.

Lūžis, kai sąveikauja vidinė gija ir išorinis apvalkalas, leidžia šviesai pereiti per kabelį efektyviai peršokant sieną į sieną iki pat kabelio.

Būtent toks šviesos šuolis per kabelio sienas leidžia kabeliui veikti kaip šviesos kreipiančiajam, sklandžiai nešdamas apšvietimą kampuose ir kreivėse.

Aukšto užsakymo režimo šviesos sklidimas

Kampą, kuriuo atsispindi šviesa, lemia kabelio savybės ir šviesos įėjimo kampas. Aukščiau pateiktame paveiksle šviesos spindulys gali būti matomas per a „aukštos užsakymo režimas“ sklidimas.

Žemo užsakymo režimo šviesos sklidimas

Tačiau rasite kabelius, kurių šviesa tiekiama mažesniu kampu, todėl jie labai plačiu kampu atsimuša į kabelių sienas. Šis apatinis kampas leidžia šviesai judėti santykinai didesniu atstumu per kabelį per kiekvieną atšokimą.

Ši šviesos perdavimo forma vadinama „mažo užsakymo režimas“ sklidimas. Abiejų šių režimų praktinė reikšmė yra ta, kad šviesa, sklindanti per kabelį aukšto užsakymo režimu, turi keliauti žymiai toliau, palyginti su šviesa, sklindančia žemos tvarkos režimu. Tai sutepia kabeliu perduodamus signalus ir sumažina programos dažnių diapazoną.

Tačiau tai aktualu tik esant itin plačioms pralaidumo nuorodoms.

Vienmodis kabelis

Mes taip pat turime „Vieno režimo“ tipo kabeliai, skirti paprasčiausiai įgalinti vieną sklidimo režimą, tačiau iš tikrųjų nereikia naudoti šios formos kabelio su palyginti siauro pralaidumo metodais, aprašytais šiame straipsnyje. Toliau galite susidurti su alternatyvia kabelio rūšimi, pavadinta „pažymėtas indeksas“ kabelis.

Tai iš tikrųjų yra gana panašus į anksčiau aptartą pakopinį indeksinį kabelį, nors egzistuoja laipsniškas pertvarkymas iš didelio lūžio rodiklio šalia kabelio centro į sumažintą vertę arti išorinio įvorės.

Tai lemia tai, kad šviesa praeina giliai per kabelį gana panašiai, kaip paaiškinta anksčiau, tačiau šviesa turi eiti per kreivą kelią (kaip pavaizduota paveikslėlyje), o ne sklisti tiesiomis linijomis.

Optinio pluošto matmenys

Tipinis optinio pluošto kabelių matmuo yra 2,2 milimetrai, o vidutinis vidinio pluošto matmuo yra maždaug 1 milimetras. Galite rasti keletą jungčių, prieinamų jungtis per tokio dydžio kabelius, be daugybės sistemų, kurios sujungia vienodai derančius kabelius.

Įprasta jungčių sistema apima „kištuką“, kuris yra sumontuotas ant kabelio galo ir apsaugo jį nuo „lizdo“ gnybto, kuris paprastai tvirtinamas prie grandinės plokštės, turint angą fotoelementui (kuris sudaro spinduolį arba detektorių). optinė sistema).

Veiksniai, turintys įtakos šviesolaidžių grandinių projektavimui

Vienas esminis aspektas, kurį reikia atsiminti šviesolaidyje, yra didžiausia spinduolio išvesties specifikacija fotoelementas šviesos bangos ilgiui. Tai turi būti idealiai parinkta, kad perdavimo dažnis atitiktų tinkamą jautrumą.

Antras veiksnys, kurį reikia atsiminti, yra tai, kad kabelis bus nurodytas tik su ribotu pralaidumo diapazonu, o tai reiškia, kad nuostoliai turi būti kuo mažesni.

Optiniai jutikliai ir siųstuvai, paprastai naudojami optinėse skaidulose, dažniausiai yra tinkami dirbti infraraudonųjų spindulių diapazonas maksimaliai efektyviai, o kai kurie gali būti skirti geriausiai veikti su matomos šviesos spektru.

Šviesolaidžio kabeliai dažnai tiekiami su nebaigtais galais, kurie gali būti labai neproduktyvūs, nebent galai būtų tinkamai apdailinti ir apdirbti.

Paprastai kabelis suteiks padorų efektą, kai jis bus pjaustomas stačiu kampu su aštria skustuvo modeliavimo peiliu, švariai supjaustant kabelio galą vienu veiksmu.

Supjaustyti galai gali būti naudojami puikia dilde, tačiau jei jūs tik nupjausite galus, tai gali nepadėti žymiai padidinti šviesos efektyvumą. Labai svarbu, kad pjūvis būtų aštrus, trapus ir statmenas kabelio skersmeniui.

Jei pjovimas turi tam tikrą kampą, gali labai pablogėti efektyvumas dėl šviesos tiekimo kampo nukrypimo.

Paprastos skaidulinės optikos sistemos projektavimas

Pagrindinis būdas pradėti tiems, kurie nori išbandyti šviesolaidinius ryšius, yra garso ryšio sukūrimas.

Paprasčiausiu pavidalu tai gali apimti paprastą amplitudės moduliacijos schemą, kuri kinta LED siųstuvas ryškumas pagal garso įvesties signalo amplitudę.

Tai sukeltų vienodai moduliuojančią srovės reakciją per fotoelementų imtuvą, kuris būtų apdorotas genetiškai generuojant atitinkamai kintančią įtampą apskaičiuotame apkrovos rezistoriuje nuosekliai su fotoelementu.

Šis signalas būtų sustiprintas, kad būtų pateiktas garso išvesties signalas. Iš tikrųjų šis pagrindinis požiūris gali turėti savo neigiamų pusių, pagrindinis gali būti tiesiog nepakankamas fotoelementų tiesiškumas.

Linijiškumo nebuvimas daro įtaką proporcingam optinio ryšio iškraipymo lygiui, kuris vėliau gali būti prastos kokybės.

Metodas, kuris paprastai suteikia žymiai geresnius rezultatus, yra dažnio moduliavimo sistema, kuri iš esmės yra identiška standartui naudojamai sistemai VHF radijo laidos .

Tačiau tokiais atvejais yra naudojamas maždaug 100 kHz nešlio dažnis, o ne įprastas 100 MHz, kaip naudojamas 2 juostos radijo perdavimui.

Šis požiūris gali būti gana paprastas, kaip parodyta toliau pateiktoje blokinėje diagramoje. Tai parodo principą, nustatytą vienos formos šios formos ryšiui. Siųstuvas iš tikrųjų yra įtampa valdomas osciliatorius (VCO), ir, kaip rodo pavadinimas, šios konstrukcijos išėjimo dažnį galima reguliuoti naudojant valdymo įtampą.

Ši įtampa gali būti garso įvesties perdavimas, o kai signalo įtampa svyruoja aukštyn ir žemyn, taip pat ir VCO išėjimo dažnis. A žemų dažnių filtras yra integruotas siekiant patikslinti garso įvesties signalą prieš jį pritaikant VCO.

Tai padeda išvengti heterodino „švilpukų“ atsiradimo dėl ritmo natų tarp įtampos valdomo osciliatoriaus ir bet kokių aukšto dažnio įvesties signalų.

Paprastai įvesties signalas aprėpia tik garso dažnių diapazoną, tačiau aukštesniais dažniais galite rasti iškraipymų turinį, o radijo signalai, paimami iš laidų, sąveikauja su VCO signalu arba harmonikomis aplink VCO išėjimo signalą.

Spinduliuojantis įtaisas, kuris gali būti tiesiog šviesos diodas, valdomas VCO išvestimi. Norint pasiekti optimalų rezultatą, šis šviesos diodas paprastai yra a didelio galingumo LED tipo . Tam reikia vairuotojo buferio etapo naudojimas LED maitinimo valdymui.

Šis kitas etapas yra a monostabilus multivibratorius kuris turi būti suprojektuotas kaip neįjungiamas tipas.

Tai leidžia scenai generuoti išėjimo impulsus per intervalus, nustatomus C / R laiko tinkle, kuris nepriklauso nuo įvesties impulso trukmės.

Veiklos bangos forma

Tai suteikia lengvą, bet efektyvų dažnio įtampai keitimą, kurio bangos forma, kaip parodyta kitame paveikslėlyje, aiškiai paaiškina jos veikimo modelį.

(A) paveiksle įvesties dažnis sukuria išėjimo iš monostabiliojo išėjimą su 1–3 ženklų ir erdvių santykiu, o išvestis yra aukštoje būsenoje 25% laiko.

Vidutinė išėjimo įtampa (pavaizduota punktyrinės linijos viduje) yra 1/4 išėjimo HIGH būsenos.

Aukščiau pateiktame (b) paveiksle galime pamatyti, kad įvesties dažnis padidėjo dvigubai, o tai reiškia, kad nurodytu laiko intervalu gauname du kartus daugiau išėjimo impulsų, esant ženklo erdvės santykiui 1: 1. Tai leidžia mums gauti vidutinę išėjimo įtampą, kuri yra 50% HIGH išėjimo būsenos, ir 2 kartus didesnį ankstesnio pavyzdžio dydį.

Paprasčiau tariant, monostabilus ne tik padeda konvertuoti dažnį į įtampą, bet ir papildomai įgalina konversiją gauti linijinę charakteristiką. Vien iš monostabilios išvesties negalima sukurti garso dažnio signalo, nebent įmontuotas žemų dažnių filtras, užtikrinantis, kad išvestis būtų stabilizuota į tinkamą garso signalą.

Pagrindinė šio paprasto dažnio ir įtampos perskaičiavimo metodo problema yra ta, kad norint sukurti stabilizuotą išėjimą reikalingas aukštesnio lygio slopinimas (iš esmės 80 dB ar didesnis) esant mažiausiam VCO išėjimo dažniui.

Tačiau šis metodas yra tikrai paprastas ir patikimas kitais aspektais, todėl kartu su šiuolaikinėmis grandinėmis gali būti nesunku suprojektuoti išvesties filtro pakopą, turinčią pakankamai tikslų nutraukta charakteristika .

Nedidelis nešiklio perteklinio signalo lygis išėjime gali būti ne per kritiškas ir jo galima nepaisyti, nes laikiklis paprastai yra dažniuose, kurie nėra garso diapazone, ir dėl to nutekėjimas išvestyje nebus girdimas.

Šviesolaidžio siųstuvo grandinė

Visa šviesolaidžio siųstuvo grandinės schema matoma žemiau. Rasite daugybę integruotų grandinių, tinkančių dirbti kaip VCO, kartu su daugeliu kitų konfigūracijų, sukurtų naudojant atskiras dalis.

Tačiau dėl pigių technikų plačiai naudojama NE555 tampa pageidaujamu variantu ir, nors jis tikrai yra pigus, tačiau jo našumas yra gana geras. Jis gali būti moduliuojamas integruojant įvesties signalą į IC 5 kontaktą, kuris jungiasi su įtampos dalikliu, sukonfigūruotu sukurti 1/3 V + ir 2/3 V + IC 555 perjungimo ribas.

Iš esmės viršutinė riba yra padidinta ir sumažinta, kad laikas, praleistas laiko kondensatoriui C2, norint persijungti tarp dviejų diapazonų, galėtų būti atitinkamai padidintas arba sumažintas.

Tr1 yra prijungtas kaip skleidėjo pasekėjas buferio pakopa, kuri tiekia didelę pavaros srovę, reikalingą optimaliai apšviesti LED (D1). Nors pats „NE555“ turi gerą 200 mA srovę šviesos diodui, atskiras LED valdomas srovės valdiklis leidžia tiksliai ir patikimiau nustatyti norimą LED srovę.

R1 padedama fiksuoti šviesos diodų srovę maždaug 40 miliamperių, tačiau kadangi šviesos diodas įjungiamas / išjungiamas 50% darbo ciklo greičiu, šviesos diodas gali dirbti tik su 50% faktiškai nustatyto lygio, kuris yra apie 20 miliamperių.

Išėjimo srovė gali būti padidinta arba sumažinta koreguojant R1 vertę, kai tai gali reikėti.

Skaidulinių optinių siųstuvų rezistorių komponentai (visi 1/4 vatų, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47 tūkst
R4 = 10 tūkst
R5 = 10 tūkst
R6 = 10 tūkst
R7 = 100 tūkst
R8 = 100 tūkst
Kondensatoriai
C1 = 220µ 10V išrinktas
C2 = 390pF keramikos plokštė
C3 = 1u 63V išrinktas
C4 = 330p keramikos plokštė
C5 = 4n7 poliesterio sluoksnis
C6 = 3n3 poliesterio sluoksnis
C7 = 470n poliesterio sluoksnis
Puslaidininkiai
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = žr. Tekstą
Įvairūs
SK1 3,5 mm lizdo lizdas
Elektros plokštė, dėklas, baterija ir kt

Šviesolaidinio imtuvo grandinė

Pirminio šviesolaidinio imtuvo grandinės schemą galima pamatyti viršutinėje žemiau pateiktos diagramos dalyje, išėjimo filtro grandinė nubrėžta tiesiai po imtuvo grandine. Imtuvo išvestis gali būti matoma sujungta su filtro įvestimi per pilką liniją.

D1 sudaro detektoriaus diodas ir jis veikia atvirkštinio poslinkio sąlygomis, kai jo atsparumas nuotėkiui padeda sukurti tam tikrą nuo šviesos priklausantį rezistorių ar LDR efektą.

R1 veikia kaip apkrovos rezistorius, o C2 sukuria ryšį tarp detektoriaus pakopos ir įvesties stiprintuvo įėjimo. Tai sudaro dviejų pakopų talpiai sujungtą tinklą, kuriame du etapai veikia kartu dažnas spinduolis režimas.

Tai leidžia didesnį bendrą įtampos padidėjimą, didesnį kaip 80 dB. atsižvelgiant į tai, kad tiekiamas gana galingas įvesties signalas, tai suteikia pakankamai aukštą išėjimo įtampos svyravimą ties Tr2 kolektoriaus kaiščiu, kad monostabilus multivibratorius .

Pastarasis yra standartinis CMOS tipas, pastatytas naudojant porą 2 įvesties NOR vartų (IC1a ir IC1b), kurių C4 ir R7 veikia kaip laiko elementai. Kiti pora IC1 vartų nenaudojami, nors jų įėjimai gali būti matomi pritvirtinti prie žemės, stengiantis sustabdyti klaidingą šių vartų perjungimą dėl paklydusio pakilimo.

Kalbant apie filtro pakopą, pastatytą aplink IC2a ​​/ b, tai iš esmės yra 2/3 laipsnių (18 dB per oktavą) filtrų sistemos, kurių specifikacijos paprastai naudojamos siųstuvo grandinės . Jie sujungiami nuosekliai, kad iš viso būtų nustatyti 6 poliai ir bendras slopinimo greitis - 36 dB / oktava.

Tai suteikia apytiksliai 100 dB nešlio signalo slopinimą savo minimaliu dažnių diapazonu ir išėjimo signalą su santykinai žemu nešlio signalo lygiu. Šviesolaidžio grandinė gali susidoroti su maždaug 1 voltų RMS įėjimo įtampa, be jokių kritinių iškraipymų, ir gali padėti dirbti su sistemos mažesniu nei vienetinės įtampos padidėjimu.

Skaidulinio optinio imtuvo ir filtro komponentai

Rezistoriai (visi 1/4 vatų 5%)
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10 tūkst
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22 tūkst
R8 = 47 tūkst
R9 = 47 tūkst
R10 - R15 10k (6 nuolaida)
Kondensatoriai
C1 = 100µ10V elektrolitinis
C2 = 2n2 poliesteris
C3 = 2n2 poliesteris
C4 = 390p keramika
C5 = 1µ 63V elektrolitinis
C6 = 3n3 poliesteris
C7 = 4n7 poliesteris
C8 = 330pF keramika
C9 = 3n3 poliesteris
C10 = 4n7 poliesteris

Puslaidininkiai
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 nuolaida)
D1 = Žiūrėti tekstą
Įvairūs
SK1 = 25 krypčių D jungtis
Korpusas, plokštė, viela ir kt.