Litar Optik Serat - Pemancar dan Penerima

Isyarat elektronik telah berjaya dihantar selama beberapa dekad melalui sambungan 'hard -wire' standard, atau dengan menggunakan pautan radio dari pelbagai jenis yang mempunyai banyak kelemahan.

Sebaliknya pautan serat optik, sama ada digunakan untuk pautan audio atau video dalam jarak jauh, atau untuk menangani jarak jauh, telah menawarkan beberapa kelebihan yang berbeza berbanding dengan kabel berwayar biasa.

Bagaimana Fiber Optic Berfungsi

Dalam teknologi litar gentian optik pautan gentian optik digunakan untuk memindahkan data digital atau analog dalam bentuk frekuensi cahaya melalui kabel yang mempunyai teras pusat yang sangat reflektif.

Secara dalaman, serat optik terdiri daripada teras pusat yang sangat reflektif, yang bertindak seperti panduan cahaya untuk memindahkan cahaya melaluinya melalui pantulan berterusan ke sana-sini melintasi dinding pantulannya.

Pautan optik biasanya merangkumi litar penukar frekuensi elektrik ke frekuensi cahaya, yang menukar isyarat digital atau audio menjadi frekuensi cahaya. Frekuensi cahaya ini 'disuntikkan' ke salah satu hujung gentian optik melalui a LED yang kuat . Lampu kemudian dibenarkan bergerak melalui kabel optik ke tujuan yang dimaksudkan, di mana ia diterimanya oleh sebuah photocell dan sebuah litar penguat yang menukar frekuensi cahaya kembali ke bentuk digital asal atau bentuk frekuensi audio.

Kelebihan Fiber Optics

Satu kelebihan utama pautan litar optik ialah kekebalan sempurna terhadap gangguan elektrik dan pengambilan sesat.

Pautan 'kabel' standard boleh dirancang untuk mengurangkan masalah ini, namun sangat sukar untuk membasmi masalah ini.

Sebaliknya, ciri-ciri elektrik yang tidak elektrik dari kabel gentian optik membantu menjadikan gangguan elektrik tidak penting, selain dari beberapa gangguan yang dapat diambil di hujung penerima, tetapi ini juga dapat dihilangkan melalui pelindung yang berkesan dari rangkaian penerima.

Sama juga, isyarat jalur lebar yang disalurkan ke kabel elektrik biasa sering menghilangkan gangguan elektrik yang menyebabkan kemacetan isyarat radio dan televisyen berdekatan.

Tetapi sekali lagi, jika terdapat kabel serat optik, ia benar-benar dapat dibuktikan tanpa sepenuhnya dari pelepasan elektrik, dan walaupun unit pemancar mungkin mengeluarkan beberapa sinaran frekuensi radio, agak mudah untuk memasukkannya menggunakan strategi penyaringan asas.

Oleh kerana titik tambah ini, sistem yang menggabungkan banyak kabel optik yang bekerjasama antara satu sama lain tidak mempunyai komplikasi atau masalah dengan perbincangan silang.

Sudah tentu cahaya mungkin keluar dari satu kabel ke kabel yang lain, tetapi kabel gentian optik biasanya dikemas dalam selongsong luaran yang tahan cahaya yang dengan idealnya mencegah sebarang bentuk kebocoran cahaya.

Perisai kuat dalam pautan gentian optik memastikan pemindahan data yang cukup selamat dan boleh dipercayai.

Kelebihan lain ialah gentian optik bebas dari masalah bahaya kebakaran kerana tidak ada arus elektrik atau arus tinggi yang terlibat.

Kami juga mempunyai pengasingan elektrik yang baik di seluruh pautan untuk memastikan bahawa komplikasi dengan gelung bumi tidak dapat berkembang. Melalui litar pemancar dan penerimaan yang sesuai, ia sangat sesuai untuk pautan gentian optik untuk menangani julat lebar jalur yang besar.

Pautan lebar jalur boleh dibuat melalui kabel daya sepaksi juga, walaupun kabel optik moden biasanya mengalami kerugian yang berkurang berbanding dengan jenis sepaksi dalam aplikasi lebar jalur lebar.

Kabel optik biasanya langsing dan ringan, dan juga kebal terhadap keadaan iklim dan beberapa bahan kimia. Ini sering membolehkannya diaplikasikan dengan cepat di persekitaran yang tidak ramah atau senario yang tidak menyenangkan di mana kabel elektrik, khususnya jenis sepaksi hanya menjadi sangat tidak berkesan.

Kekurangan

Walaupun rangkaian gentian optik mempunyai banyak kelebihan, ini juga mempunyai beberapa sisi bawah.

Kelemahan yang nyata adalah bahawa isyarat elektrik tidak dapat dipindahkan secara langsung ke kabel optik, dan dalam beberapa situasi, kos dan masalah yang dihadapi dengan rangkaian pengekod dan penyahkod yang penting cenderung tidak serasi.

Perkara penting yang harus diingat semasa bekerja dengan gentian optik adalah bahawa mereka biasanya mempunyai diameter paling sedikit yang ditentukan, dan apabila dipintal dengan lekukan yang lebih tajam menimbulkan kerosakan fizikal pada kabel di selekoh itu, menjadikannya tidak berguna.

Radius 'selekoh minimum' seperti biasanya disebut dalam lembar data, biasanya antara 50 dan 80 milimeter.

Akibat dari selekoh seperti itu pada kabel utama kabel biasa tidak boleh menjadi apa-apa, namun untuk kabel gentian optik walaupun selekoh kecil yang kecil dapat menghambat penyebaran isyarat cahaya yang menyebabkan kerugian yang drastik.

Asas Fiber Optik

Walaupun sepertinya kabel serat optik hanya terbuat dari filamen kaca yang dilapisi selongsong luaran yang tahan cahaya, keadaan sebenarnya jauh lebih maju daripada ini.

Pada masa ini, filamen kaca kebanyakannya berbentuk polimer dan bukan kaca yang sebenarnya, dan susunan standard mungkin seperti yang ditunjukkan dalam Gambar berikut. Di sini kita dapat melihat teras pusat yang mempunyai indeks biasan tinggi dan pelindung luar dengan indeks biasan berkurang.

Refraksi di mana filamen dalaman dan pelapisan luar berinteraksi memungkinkan cahaya melintasi kabel dengan melompat secara pantas melintasi dinding ke dinding sepanjang kabel.

Pemantulan cahaya di dinding kabel inilah yang memungkinkan kabel berjalan seperti panduan cahaya, membawa pencahayaan dengan lancar mengenai sudut dan lengkung.

Penyebaran Cahaya Mod Pesanan Tinggi

Sudut cahaya dipantulkan ditentukan oleh sifat kabel dan sudut input cahaya. Dalam Rajah di atas, sinar cahaya dapat dilihat melalui a 'mod pesanan tinggi' penyebaran.

Penyebaran Cahaya Mod Pesanan Rendah

Walau bagaimanapun, anda akan menemui kabel dengan cahaya yang diberi dengan sudut yang lebih dangkal sehingga melambung di antara dinding kabel dengan sudut yang cukup lebar. Sudut bawah ini membolehkan cahaya bergerak pada jarak yang lebih besar melalui kabel pada setiap pantulan.

Bentuk pemindahan cahaya ini disebut 'mod pesanan rendah' penyebaran. Kepentingan praktikal dari kedua-dua mod ini adalah bahawa pengembaraan cahaya melalui kabel dalam mod pesanan tinggi perlu bergerak jauh lebih jauh dibandingkan dengan cahaya yang disebarkan dalam mod pesanan rendah. Ini isyarat noda yang dihantar ke kabel mengurangkan julat frekuensi aplikasi.

Walau bagaimanapun, ini hanya berkaitan dengan pautan lebar jalur yang sangat luas.

Kabel Mod Tunggal

Kami juga mempunyai 'Mod tunggal' kabel jenis yang dimaksudkan hanya untuk mengaktifkan satu mod penyebaran, tetapi sebenarnya tidak diperlukan untuk menggunakan bentuk kabel ini dengan teknik lebar jalur yang agak sempit yang diperincikan dalam artikel ini. Anda mungkin akan menemui jenis kabel lain yang dinamakan 'indeks berperingkat' kabel.

Ini sebenarnya hampir sama dengan kabel indeks bertahap yang dibincangkan sebelumnya, walaupun terdapat transformasi progresif dari indeks biasan tinggi berhampiran pusat kabel ke nilai yang berkurang dekat dengan lengan luar.

Ini menyebabkan cahaya melewati jauh di kabel dengan cara yang hampir sama seperti yang dijelaskan sebelumnya, tetapi dengan cahaya harus melalui jalur melengkung (seperti dalam Gambar berikut), bukannya disebarkan melalui garis lurus.

Dimensi Serat Optik

Dimensi khas untuk kabel gentian optik ialah 2.2 milimeter dengan dimensi rata-rata gentian dalaman sekitar 1 milimeter. Anda boleh menemui beberapa penyambung yang dapat diakses untuk sambungan di kabel ukuran ini, selain sebilangan sistem yang menghubungkan kabel yang sama.

Sistem penyambung biasa merangkumi 'plug' yang dipasang di hujung kabel dan melindunginya ke terminal 'soket' yang biasanya pendakap di atas papan litar yang mempunyai slot untuk menampung photocell (yang membentuk pemancar atau pengesan sistem optik).

Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Reka Bentuk Litar Optik Fiber

Salah satu aspek penting yang perlu diingat dalam serat optik adalah spesifikasi output puncak pemancar photocell untuk panjang gelombang cahaya. Ini mesti dipilih dengan ideal untuk memadankan frekuensi penghantaran dengan kepekaan yang sesuai.

Faktor kedua yang perlu diingat adalah bahawa kabel akan ditentukan hanya dengan julat lebar jalur yang terhad, yang bermaksud kerugian harus minimum mungkin.

Sensor optik dan pemancar yang biasanya digunakan dalam gentian optik kebanyakannya dinilai untuk berfungsi di jarak inframerah dengan kecekapan maksimum, sementara beberapa mungkin bertujuan untuk berfungsi paling baik dengan spektrum cahaya yang dapat dilihat.

Kabel gentian optik sering dihantar dengan hujung penamat yang belum selesai, yang mungkin sangat tidak produktif, kecuali hujungnya dipangkas dan dikerjakan dengan tepat.

Biasanya, kabel akan memberikan kesan yang baik ketika diiris pada sudut yang betul dengan pisau pemodelan yang tajam, memotong hujung kabel dengan bersih dalam satu tindakan.

Fail halus boleh digunakan untuk menggilap hujung yang dihiris, tetapi jika anda baru saja memotong hujungnya, ini mungkin tidak dapat membantu meningkatkan kecekapan cahaya dengan ketara. Penting agar potongan tajam, tajam dan tegak lurus dengan diameter kabel.

Sekiranya pemotongan mempunyai sudut mungkin merosot kecekapan kerana penyimpangan sudut suapan cahaya.

Merancang Sistem Serat Optik Mudah

Cara asas untuk memulakan bagi sesiapa yang ingin mencuba sesuatu dengan komunikasi serat optik adalah dengan membuat pautan audio.

Dalam bentuk yang paling asas ini mungkin merangkumi litar modulasi amplitud sederhana yang berbeza-beza Pemancar LED kecerahan sesuai dengan amplitud isyarat input audio.

Ini akan menyebabkan tindak balas arus modulasi yang setara melintasi penerima photocell, yang akan diproses untuk menghasilkan voltan yang berbeza-beza melintasi perintang beban yang dikira secara bersiri dengan photocell.

Isyarat ini akan diperkuat untuk memberikan isyarat output audio. Pada hakikatnya pendekatan asas ini mungkin datang dengan kelemahannya sendiri, yang utama mungkin hanyalah garis linier yang tidak mencukupi dari photocells.

Ketiadaan linieriti mempengaruhi dalam bentuk tahap distorsi yang sebanding melintasi pautan optik yang kemudiannya tidak berkualiti.

Kaedah yang biasanya memberikan hasil yang jauh lebih baik adalah sistem modulasi frekuensi, yang pada dasarnya sama dengan sistem yang digunakan dalam standard Siaran radio VHF .

Walau bagaimanapun, dalam kes seperti itu frekuensi pembawa sekitar 100 kHz bukan daripada 100 MHz konvensional seperti yang digunakan dalam transmisi radio band 2.

Pendekatan ini cukup mudah, seperti yang ditunjukkan dalam rajah blok di bawah. Ini menunjukkan prinsip yang disusun untuk pautan sehala borang ini. Pemancar sebenarnya adalah pengayun voltan terkawal (VCO), dan seperti judulnya, frekuensi output dari reka bentuk ini dapat disesuaikan melalui voltan kawalan.

Voltan ini mungkin transmisi input suara, dan ketika voltan isyarat bergegas naik dan turun, begitu juga frekuensi output VCO. A penapis lowpass digabungkan untuk menyempurnakan isyarat input audio sebelum diterapkan pada VCO.

Ini membantu menjauhkan 'peluit' heterodyne daripada dihasilkan kerana nota rentak antara pengayun voltan terkawal dan sebarang isyarat input frekuensi tinggi.

Biasanya, isyarat input hanya akan merangkumi julat frekuensi audio, tetapi anda mungkin mendapati kandungan distorsi pada frekuensi yang lebih tinggi, dan isyarat radio diambil dari pendawaian dan berinteraksi dengan isyarat VCO atau harmonik di sekitar isyarat output VCO.

Peranti pemancar yang mungkin hanya LED didorong oleh output VCO. Untuk hasil yang optimum LED ini biasanya a jenis LED tinggi watt . Ini memerlukan penggunaan tahap penyangga pemandu untuk mengendalikan kuasa LED.

Peringkat seterusnya ini adalah multivibrator monostable yang mesti dirancang sebagai jenis yang tidak boleh ditarik balik.

Ini memungkinkan tahap untuk menghasilkan denyut output melalui selang waktu yang ditentukan oleh rangkaian masa C / R yang tidak bergantung pada jangka masa nadi input.

Bentuk Gelombang Operasi

Ini memberikan frekuensi yang mudah tetapi berkesan untuk penukaran voltan, yang mempunyai bentuk gelombang seperti yang digambarkan dalam gambar berikut menjelaskan dengan jelas corak operasinya.

Dalam Rajah (a) frekuensi input menghasilkan output dari monostable dengan nisbah 1-3 mark-space, dan output berada dalam keadaan tinggi selama 25% dari waktu.

Voltan keluaran purata (seperti yang digambarkan di dalam garis putus-putus) adalah hasilnya 1/4 dari keadaan output TINGGI.

Pada Gambar (b) di atas kita dapat melihat bahawa frekuensi input telah meningkat dua kali ganda, yang bermaksud kita mendapat dua kali lebih banyak denyutan output untuk selang waktu yang ditentukan dengan nisbah ruang tanda 1: 1. Ini membolehkan kita mendapatkan voltan keluaran purata iaitu 50% dari keadaan output TINGGI, dan 2 kali lebih besar daripada contoh sebelumnya.

Secara sederhana, monostable bukan hanya membantu menukar frekuensi menjadi voltan, tetapi juga membolehkan penukaran mendapatkan ciri linear. Output dari monostable sahaja tidak dapat membina isyarat frekuensi audio, kecuali penapis lowpass disertakan yang memastikan bahawa output stabil menjadi isyarat audio yang betul.

Masalah utama dengan kaedah penukaran frekuensi ke voltan yang sederhana ini ialah pelemahan tahap yang lebih tinggi (pada dasarnya 80 dB atau lebih tinggi) diperlukan pada frekuensi output minimum VCO untuk dapat menghasilkan output yang stabil.

Tetapi, kaedah ini sangat mudah dan boleh dipercayai dalam pertimbangan lain, dan bersama dengan litar moden mungkin tidak sukar untuk merancang tahap penapis output yang mempunyai tepat yang tepat memotong ciri .

Sebilangan kecil isyarat pembawa lebihan pada output mungkin tidak terlalu kritikal dan dapat diabaikan, kerana pembawa pada umumnya berada pada frekuensi yang tidak berada dalam julat audio, dan kebocoran pada output akan menjadi tidak terdengar.

Litar Pemancar Fiber Optik

Keseluruhan gambarajah litar pemancar gentian optik dapat dilihat di bawah. Anda akan menemui banyak litar bersepadu yang sesuai untuk berfungsi seperti VCO, bersama dengan banyak konfigurasi lain yang dibina menggunakan bahagian diskrit.

Tetapi untuk teknik kos rendah digunakan secara meluas NE555 menjadi pilihan utama, dan walaupun ia pasti murah, namun hadir dengan kecekapan prestasi yang cukup baik. Ini mungkin dimodulasi frekuensi dengan menyatukan isyarat input ke pin 5 IC, yang menghubungkan dengan pembahagi voltan yang dikonfigurasi untuk membuat had suis 1/3 V + dan 2/3 V + untuk IC 555.

Pada dasarnya, had atas dinaikkan dan diturunkan sehingga waktu yang digunakan untuk kapasitor timing C2 untuk beralih di antara dua rentang dapat meningkat atau menurun.

Tr1 berwayar seperti pengikut pemancar tahap penyangga yang membekalkan arus pemacu tinggi yang diperlukan untuk menerangi LED (D1) secara optimum. Walaupun NE555 sendiri mempunyai arus 200 mA yang baik untuk LED, pemacu arus terkawal yang berasingan untuk LED memungkinkan untuk menetapkan arus LED yang diinginkan dengan cara yang tepat dan melalui kaedah yang lebih dipercayai.

R1 diposisikan untuk memperbaiki arus LED pada kira-kira 40 miliamp, tetapi kerana LED dihidupkan / mati pada kadar 50% kitaran tugas membolehkan LED berfungsi dengan hanya 50% dari nilai sebenarnya iaitu sekitar 20 miliamp.

Arus keluaran dapat ditingkatkan atau diturunkan dengan menyesuaikan nilai R1 setiap kali ini diperlukan.

Komponen untuk Perintang Pemancar Fiber Optik (semua 1/4 watt, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
Kapasitor
C1 = 220µ 10V pilihan
C2 = Plat seramik 390pF
C3 = 1u 63V pilihan
C4 = plat seramik 330p
C5 = lapisan poliester 4n7
C6 = lapisan poliester 3n3
Lapisan poliester C7 = 470n
Semikonduktor
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = lihat teks
Pelbagai
Soket bicu SK1 3.5mm
Papan litar, kes, bateri, dll

Litar Penerima Fiber Optik

Gambarajah litar penerima gentian optik utama dapat dilihat di bahagian atas rajah di bawah, litar penapis output dilukis tepat di bawah litar penerima. Output penerima dapat dilihat bergabung dengan input penapis melalui garis kelabu.

D1 membentuk diod pengesan , dan ia berfungsi dalam tetapan bias terbalik di mana rintangan kebocorannya membantu mewujudkan sejenis perintang bergantung cahaya atau kesan LDR.

R1 berfungsi seperti perintang beban, dan C2 membuat hubungan antara tahap pengesan dan input penguat input. Ini membentuk rangkaian dua tahap yang dihubungkan secara kapasitif di mana dua tahap berfungsi bersama di pemancar biasa mod.

Ini membolehkan penambahan voltan keseluruhan yang unggul melebihi 80 dB. memandangkan isyarat input yang cukup kuat dibekalkan, ini menawarkan ayunan voltan output yang cukup tinggi pada pin pengumpul Tr2 untuk mendorong multivibrator monostable .

Yang terakhir adalah jenis CMOS standard yang dibina menggunakan beberapa gerbang NOR 2-input (IC1a dan IC1b) dengan C4 dan R7 berfungsi seperti elemen masa. Beberapa gerbang IC1 yang lain tidak digunakan, walaupun inputnya dapat dilihat terhubung ke bumi dalam usaha menghentikan pertukaran pintu gerbang ini secara salah kerana pengambilan sesat.

Merujuk pada tahap penapis yang dibina di sekitar IC2a ​​/ b, pada dasarnya sistem penapis orde 2/3 (18 dB per oktaf) dengan spesifikasi yang biasa digunakan di litar pemancar . Ini digabungkan dalam siri untuk menetapkan sejumlah 6 kutub dan kadar pelemahan umum 36 dB per oktaf.

Ini menawarkan sekitar 100 dB pelemahan isyarat pembawa dalam julat frekuensi minimumnya, dan isyarat output dengan tahap isyarat pembawa yang agak rendah. Fiber Optic Circuit dapat menangani voltan input setinggi 1 volt RMS kira-kira tanpa penyimpangan kritikal, dan membantu untuk bekerja dengan sedikit kurang daripada kenaikan voltan kesatuan untuk sistem.

Komponen untuk Penerima dan Penapis Fiber Optik

Perintang (semua 1/4 watt 5%)
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
R10 hingga R15 10k (6 diskaun)
Kapasitor
C1 = 100µ10V elektrolitik
C2 = poliester 2n2
C3 = poliester 2n2
C4 = 390 p seramik
C5 = 1µ 63V elektrolitik
C6 = poliester 3n3
C7 = 4n7 poliester
C8 = 330pF seramik
C9 = poliester 3n3
C10 = 4n7 poliester

Semikonduktor
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 diskaun)
D1 = Lihat teks
Pelbagai
SK1 = penyambung D 25 hala
Kes, papan litar, wayar, dll.