Glasfaserkreis - Sender und Empfänger

Elektronische Signale werden seit Jahrzehnten recht erfolgreich über Standard-Festdrahtverbindungen oder über Funkverbindungen verschiedener Art gesendet, die viele Nachteile hatten.

Auf der anderen Seite bieten Glasfaserverbindungen, ob für Audio- oder Videoverbindungen über große Entfernungen oder zur Bewältigung kleiner Entfernungen, einige deutliche Vorteile gegenüber den normalen verdrahteten Kabeln.

Wie Glasfaser funktioniert

In der Glasfaserschaltungstechnologie wird eine Glasfaserverbindung verwendet, um digitale oder analoge Daten in Form einer Lichtfrequenz durch ein Kabel zu übertragen, das einen stark reflektierenden zentralen Kern aufweist.

Intern besteht die optische Faser aus einem stark reflektierenden zentralen Kern, der wie ein Lichtleiter für die Lichtübertragung durch kontinuierliche Hin- und Herreflexionen über die reflektierenden Wände wirkt.

Die optische Verbindung enthält normalerweise eine elektrische Frequenz-Lichtfrequenz-Wandlerschaltung, die digitale oder Audiosignale in Lichtfrequenz umwandelt. Diese Lichtfrequenz wird durch a an eines der Enden der optischen Faser 'injiziert' leistungsstarke LED . Das Licht kann dann durch das optische Kabel zum beabsichtigten Ziel wandern, wo es von einer Fotozelle und einer Fotozelle empfangen wird Verstärkerschaltung Dadurch wird die Lichtfrequenz wieder in die ursprüngliche digitale Form oder Audiofrequenzform umgewandelt.

Vorteile der Glasfaser

Ein Hauptvorteil von Glasfaserverbindungsverbindungen ist ihre perfekte Störfestigkeit gegen elektrische Störungen und Streuaufnehmer.

Standard-Kabelverbindungen könnten entwickelt werden, um dieses Problem zu verringern. Es kann jedoch eine große Herausforderung sein, dieses Problem vollständig zu beseitigen.

Im Gegenteil, die nichtelektrischen Eigenschaften eines Glasfaserkabels tragen dazu bei, elektrische Störungen unwesentlich zu machen, abgesehen von einigen Störungen, die am Empfängerseite erkannt werden könnten, aber dies kann auch durch eine wirksame Abschirmung der Empfängerschaltung beseitigt werden.

In ähnlicher Weise zerstreuen Breitbandsignale, die über ein normales elektrisches Kabel geleitet werden, häufig elektrische Störungen, die zu einer Störung von Radio- und Fernsehsignalen in der Nähe führen.

Im Falle eines Glasfaserkabels kann sich jedoch herausstellen, dass es völlig frei von elektrischen Emissionen ist, und obwohl die Sendeeinheit möglicherweise Hochfrequenzstrahlung ausstößt, ist es ziemlich einfach, sie unter Verwendung grundlegender Abschirmstrategien einzuschließen.

Aufgrund dieses Pluspunkts haben Systeme mit vielen nebeneinander arbeitenden optischen Kabeln keine Komplikationen oder Probleme mit Übersprechen.

Natürlich könnte möglicherweise Licht von einem Kabel zum nächsten austreten, aber Glasfaserkabel sind normalerweise in einer lichtdichten Außenhülle eingekapselt, die idealerweise jede Form von Lichtleckage verhindert.

Diese starke Abschirmung in Glasfaserverbindungen gewährleistet eine einigermaßen sichere und zuverlässige Datenübertragung.

Ein weiterer Vorteil ist, dass Glasfasern frei von Brandgefahrsproblemen sind, da kein Strom oder hoher Stromfluss beteiligt ist.

Wir haben auch eine gute elektrische Isolation in der gesamten Verbindung, um sicherzustellen, dass sich keine Komplikationen mit Erdschleifen entwickeln können. Durch geeignete Sende- und Empfangsschaltungen wird es für Glasfaserverbindungen gut geeignet, erhebliche Bandbreitenbereiche zu handhaben.

Breite Bandbreitenverbindungen könnten auch durch koaxiale Stromkabel hergestellt werden, obwohl moderne optische Kabel in Anwendungen mit großer Bandbreite im Vergleich zu koaxialen Typen typischerweise geringere Verluste aufweisen.

Optische Kabel sind in der Regel schlank und leicht und außerdem unempfindlich gegen klimatische Bedingungen und verschiedene chemische Substanzen. Dies ermöglicht häufig eine schnelle Anwendung in unwirtlichen Umgebungen oder in ungünstigen Szenarien, in denen sich elektrische Kabel, insbesondere Koaxialtypen, einfach als sehr unwirksam herausstellen.

Nachteile

Obwohl Glasfaserschaltungen so viele Vorteile haben, haben diese auch einige Nachteile.

Der offensichtliche Nachteil besteht darin, dass elektrische Signale nicht direkt in ein optisches Kabel übertragen werden können und in verschiedenen Situationen die Kosten und Probleme, die bei den wichtigen Codierer- und Decodiererschaltungen auftreten, dazu neigen, ziemlich inkompatibel zu werden.

Bei der Arbeit mit optischen Fasern ist zu beachten, dass sie normalerweise einen bestimmten kleinsten Durchmesser haben. Wenn diese mit einer schärferen Kurve verdrillt werden, führt dies zu physischen Schäden am Kabel in dieser Biegung, wodurch es unbrauchbar wird.

Der 'minimale Biegeradius', wie er normalerweise in den Datenblättern genannt wird, liegt typischerweise zwischen ungefähr 50 und 80 Millimetern.

Die Konsequenz solcher Biegungen in einem normalen verdrahteten Netzkabel könnte einfach nichts sein, jedoch können bei Glasfaserkabeln selbst kleine enge Biegungen die Ausbreitung der Lichtsignale behindern, was zu drastischen Verlusten führt.

Grundlagen der Glasfaser

Obwohl es uns so vorkommt, als ob ein Glasfaserkabel einfach aus Glasfilamenten besteht, die mit einer lichtdichten Außenhülle bedeckt sind, ist die Situation in der Tat viel weiter fortgeschritten.

Heutzutage liegt das Glasfilament meist in Form eines Polymers und nicht in Form eines tatsächlichen Glases vor, und der Standardaufbau kann wie in der folgenden Abbildung dargestellt sein. Hier sehen wir einen zentralen Kern mit einem hohen Brechungsindex und eine äußere Abschirmung mit reduziertem Brechungsindex.

Die Brechung, bei der das innere Filament und die äußere Ummantelung zusammenwirken, ermöglicht das Durchlaufen des Kabels durch effizientes Springen von Wand zu Wand durch das Kabel.

Es ist dieses Aufprallen des Lichts über die Kabelwände, das es dem Kabel ermöglicht, wie ein Lichtleiter zu verlaufen und die Beleuchtung gleichmäßig über Ecken und Kurven zu tragen.

Lichtausbreitung im Modus hoher Ordnung

Der Winkel, unter dem das Licht reflektiert wird, wird durch die Eigenschaften des Kabels und den Eingangswinkel des Lichts bestimmt. In der obigen Abbildung ist der Lichtstrahl durch a zu sehen 'Modus hoher Ordnung' Vermehrung.

Lichtausbreitung im Modus niedriger Ordnung

Sie werden jedoch Kabel mit Licht finden, das mit einem flacheren Winkel gespeist wird, wodurch es zwischen Kabelwänden mit einem beträchtlichen Weitwinkel abprallt. Dieser geringere Winkel ermöglicht es dem Licht, sich bei jedem Sprung in relativ größerer Entfernung durch das Kabel zu bewegen.

Diese Form der Lichtübertragung wird als Lichtübertragung bezeichnet 'Modus niedriger Ordnung' Vermehrung. Die praktische Bedeutung dieser beiden Modi besteht darin, dass Licht, das im Modus hoher Ordnung über das Kabel übertragen wird, im Vergleich zu Licht, das sich im Modus niedriger Ordnung ausbreitet, erheblich weiter wandern muss. Dadurch werden die über das Kabel gelieferten Signale verwischt, wodurch der Frequenzbereich der Anwendung verringert wird.

Dies ist jedoch nur bei Verbindungen mit extrem großer Bandbreite relevant.

Single Mode Kabel

Wir haben auch die 'Einspielermodus' Kabel vom Typ, die lediglich dazu gedacht sind, einen einzelnen Ausbreitungsmodus zu ermöglichen, aber es ist nicht wirklich erforderlich, diese Art von Kabel mit den in diesem Artikel beschriebenen Techniken mit vergleichsweise geringer Bandbreite zu verwenden. Möglicherweise stoßen Sie auch auf eine andere Art von Kabel mit dem Namen 'benoteter Index' Kabel.

Dies ist in der Tat dem zuvor diskutierten Stufenindexkabel ziemlich ähnlich, obwohl es eine fortschreitende Umwandlung von einem hohen Brechungsindex nahe der Mitte des Kabels zu einem reduzierten Wert nahe der äußeren Hülse gibt.

Dies führt dazu, dass das Licht auf ähnliche Weise wie zuvor erläutert tief über das Kabel fällt, wobei das Licht jedoch eine gekrümmte Route (wie in der folgenden Abbildung) durchlaufen muss, anstatt sich über gerade Linien auszubreiten.

Glasfaserabmessungen

Die typische Abmessung für Glasfaserkabel beträgt 2,2 Millimeter, wobei die durchschnittliche Abmessung der Innenfaser etwa 1 Millimeter beträgt. Neben einer Reihe von Systemen, die an gleichermaßen passende Kabel angeschlossen werden können, finden Sie mehrere Anschlüsse für Verbindungen über diese Kabelgröße.

Ein normales Steckverbindersystem enthält einen 'Stecker', der an der Spitze des Kabels installiert ist und ihn an der 'Buchsen' -Anschlußklemme befestigt, die normalerweise über der Leiterplatte mit einem Schlitz zur Aufnahme der Fotozelle (die den Emitter oder den Detektor von bildet) befestigt ist das optische System).

Faktoren, die das Design von Glasfaserschaltungen beeinflussen

Ein entscheidender Aspekt, der bei Glasfasern berücksichtigt werden muss, sind die Spitzenausgangsspezifikationen des Emitters Fotozelle für die Lichtwellenlänge. Dies muss idealerweise so gewählt werden, dass die Übertragungsfrequenz mit der entsprechenden Empfindlichkeit übereinstimmt.

Der zweite zu beachtende Faktor ist, dass das Kabel nur mit einem begrenzten Bandbreitenbereich spezifiziert wird, was bedeutet, dass die Verluste so gering wie möglich sein müssen.

Die optischen Sensoren und Sender, die normalerweise in optischen Fasern verwendet werden, sind meistens für die Arbeit am ausgelegt Infrarotbereich mit äußerster Effizienz, während einige möglicherweise am besten mit dem sichtbaren Lichtspektrum arbeiten sollen.

Glasfaserkabel werden häufig mit unfertigen Abschlussenden geliefert, was sehr unproduktiv sein kann, wenn die Enden nicht angemessen zugeschnitten und bearbeitet werden.

Normalerweise bietet das Kabel anständige Effekte, wenn es mit einem messerscharfen Modelliermesser im rechten Winkel geschnitten wird und das Kabelende in einer Aktion sauber geschnitten wird.

Zum Polieren der geschnittenen Enden kann eine feine Feile verwendet werden. Wenn Sie jedoch gerade erst die Enden geschnitten haben, kann dies möglicherweise nicht dazu beitragen, die Lichteffizienz erheblich zu verbessern. Es ist wichtig, dass der Schnitt scharf, scharf und senkrecht zum Kabeldurchmesser ist.

Wenn der Schnitt einen Winkel aufweist, kann dies die Effizienz aufgrund einer Winkelabweichung des Lichtvorschubs erheblich beeinträchtigen.

Entwerfen eines einfachen Glasfasersystems

Ein grundlegender Einstieg für alle, die Glasfaserkommunikation ausprobieren möchten, ist die Erstellung einer Audioverbindung.

In seiner elementarsten Form kann dies eine einfache Amplitudenmodulationsschaltung umfassen, die die variiert LED-Sender Helligkeit entsprechend der Amplitude des Audioeingangssignals.

Dies würde eine äquivalent modulierende Stromantwort über den Fotozellenempfänger verursachen, die verarbeitet würde, um eine entsprechend variierende Spannung über einem berechneten Lastwiderstand in Reihe mit der Fotozelle zu erzeugen.

Dieses Signal würde verstärkt, um das Audioausgangssignal zu liefern. In der Realität kann dieser grundlegende Ansatz seine eigenen Nachteile haben. Der Hauptansatz kann einfach eine unzureichende Linearität der Fotozellen sein.

Das Fehlen von Linearität wirkt sich in Form einer proportionalen Verzerrung über die optische Verbindung aus, die anschließend von schlechter Qualität sein kann.

Eine Methode, die normalerweise deutlich bessere Ergebnisse bietet, ist ein Frequenzmodulationssystem, das im Wesentlichen mit dem im Standard verwendeten System identisch ist UKW-Radiosendungen .

In solchen Fällen handelt es sich jedoch um eine Trägerfrequenz von etwa 100 kHz anstelle der herkömmlichen 100 MHz, wie sie bei der Band 2-Funkübertragung verwendet werden.

Dieser Ansatz kann ziemlich einfach sein, wie im folgenden Blockdiagramm gezeigt. Es zeigt das Prinzip, das für eine Einwegverbindung dieser Form aufgestellt wurde. Der Sender ist tatsächlich ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO), und wie der Titel andeutet, könnte die Ausgangsfrequenz dieses Entwurfs über eine Steuerspannung eingestellt werden.

Diese Spannung kann die Schallübertragung sein, und wenn die Signalspannung auf und ab schwingt, wird auch die Ausgangsfrequenz des VCO schwingen. EIN Tiefpassfilter wird eingebaut, um das Audioeingangssignal zu verfeinern, bevor es an den VCO angelegt wird.

Dies hilft zu verhindern, dass die Überlagerungspfeifen aufgrund von Schwebungsnoten zwischen dem spannungsgesteuerten Oszillator und hochfrequenten Eingangssignalen erzeugt werden.

Normalerweise deckt das Eingangssignal nur den Audiofrequenzbereich ab. Bei höheren Frequenzen kann es jedoch zu Verzerrungen kommen, und Funksignale werden von der Verkabelung aufgenommen und interagieren mit dem VCO-Signal oder den Harmonischen um das Ausgangssignal des VCO.

Die emittierende Vorrichtung, die einfach eine LED sein kann, wird vom VCO-Ausgang angesteuert. Für ein optimales Ergebnis ist diese LED normalerweise a LED mit hoher Leistung . Dies erfordert die Verwendung einer Treiberpufferstufe zum Betreiben der LED-Leistung.

Diese nächste Stufe ist eine monostabiler Multivibrator die als nicht retriggerbarer Typ ausgelegt sein muss.

Dies ermöglicht es der Stufe, Ausgangsimpulse durch Intervalle zu erzeugen, die durch das C / R-Zeitnetzwerk bestimmt werden, das unabhängig von der Eingangsimpulsdauer ist.

Betriebswellenform

Dies liefert eine einfache und dennoch effektive Frequenz-Spannungs-Umwandlung, wobei die Wellenform, wie in der folgenden Abbildung dargestellt, das Betriebsmuster klar erklärt.

In Abbildung (a) erzeugt die Eingangsfrequenz einen Ausgang vom Monostabil mit einem Markierungsraumverhältnis von 1 zu 3, und der Ausgang befindet sich 25% der Zeit im hohen Zustand.

Die durchschnittliche Ausgangsspannung (wie in der gepunkteten Linie dargestellt) ergibt 1/4 des Ausgangszustands HIGH.

In Abbildung (b) oben sehen wir, dass die Eingangsfrequenz um das Zweifache erhöht wurde, was bedeutet, dass wir für ein bestimmtes Zeitintervall mit einem Markierungsraumverhältnis von 1: 1 zweimal mehr Ausgangsimpulse erhalten. Dies ermöglicht es uns, eine durchschnittliche Ausgangsspannung zu erhalten, die 50% des HIGH-Ausgangszustands und das Zweifache der Größe des vorherigen Beispiels beträgt.

In einfachen Worten, der Monostab hilft nicht nur, Frequenz in Spannung umzuwandeln, sondern ermöglicht zusätzlich, dass die Umwandlung eine lineare Charakteristik erhält. Der Ausgang des Monostabils allein kann kein Audiofrequenzsignal erzeugen, es sei denn, ein Tiefpassfilter ist eingebaut, der sicherstellt, dass der Ausgang zu einem geeigneten Audiosignal stabilisiert wird.

Das Hauptproblem bei dieser einfachen Methode der Frequenz-Spannungs-Umwandlung besteht darin, dass bei der minimalen Ausgangsfrequenz des VCO eine höhere Pegeldämpfung (im Wesentlichen 80 dB oder höher) erforderlich ist, um einen stabilisierten Ausgang erzeugen zu können.

Dieses Verfahren ist jedoch in anderen Überlegungen wirklich einfach und zuverlässig, und zusammen mit modernen Schaltungen kann es nicht schwierig sein, eine Ausgangsfilterstufe mit einer angemessen genauen zu entwerfen Abschneidecharakteristik .

Ein winziger Pegel des überschüssigen Trägersignals am Ausgang ist möglicherweise nicht zu kritisch und kann ignoriert werden, da sich der Träger im Allgemeinen auf Frequenzen befindet, die nicht innerhalb des Audiobereichs liegen, und ein Leck am Ausgang daher unhörbar ist.

Glasfasersenderschaltung

Das gesamte Schaltbild des Glasfasersenders ist unten zu sehen. Sie finden viele integrierte Schaltkreise, die für die Arbeit mit VCO geeignet sind, sowie viele andere Konfigurationen, die aus diskreten Teilen bestehen.

Aber für eine kostengünstige Technik ist die weit verbreitet NE555 wird die bevorzugte Option, und obwohl es sicherlich billig ist, kommt mit einer ziemlich guten Leistungseffizienz. Sie kann frequenzmoduliert werden, indem das Eingangssignal an Pin 5 des IC integriert wird, der mit dem Spannungsteiler verbunden ist, der konfiguriert ist, um die Schaltgrenzen 1/3 V + und 2/3 V + für den IC 555 zu erzeugen.

Im wesentlichen wird die Obergrenze erhöht und verringert, so dass die Zeit, die der Zeitsteuerungskondensator C2 benötigt, um zwischen den beiden Bereichen umzuschalten, entsprechend erhöht oder verringert werden kann.

Tr1 ist wie ein Kabel verdrahtet Emitterfolger Pufferstufe, die den hohen Antriebsstrom liefert, der für eine optimale Beleuchtung der LED (D1) erforderlich ist. Obwohl der NE555 selbst einen guten Strom von 200 mA für die LED aufweist, ermöglicht ein separater stromgesteuerter Treiber für die LED, den gewünschten LED-Strom präzise und zuverlässiger zu ermitteln.

R1 ist so positioniert, dass der LED-Strom auf ungefähr 40 Milliampere festgelegt wird. Da die LED jedoch mit einer Einschaltdauer von 50% ein- und ausgeschaltet wird, kann die LED nur mit 50% der tatsächlichen Nennleistung arbeiten, was etwa 20 Milliampere entspricht.

Der Ausgangsstrom kann durch Einstellen des R1-Werts erhöht oder verringert werden, wenn dies als notwendig erachtet wird.

Komponenten für Glasfaser-Senderwiderstände (alle 1/4 Watt, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
Kondensatoren
C1 = 220 u 10 V elektr
C2 = 390 pF Keramikplatte
C3 = 1u 63V elektr
C4 = 330p Keramikplatte
C5 = 4n7 Polyesterschicht
C6 = 3n3 Polyesterschicht
C7 = 470n Polyesterschicht
Halbleiter
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = siehe Text
Verschiedenes
SK1 3,5 mm Klinkenbuchse
Leiterplatte, Gehäuse, Batterie usw.

Glasfaserempfängerschaltung

Das primäre faseroptische Empfängerschaltbild ist im oberen Abschnitt des folgenden Diagramms zu sehen, die Ausgangsfilterschaltung ist direkt unter der Empfängerschaltung gezeichnet. Der Ausgang des Empfängers ist durch eine graue Linie mit dem Eingang des Filters verbunden.

D1 bildet die Detektordiode und es arbeitet in der Sperrvorspannungseinstellung, in der sein Leckwiderstand dazu beiträgt, eine Art lichtabhängigen Widerstand oder LDR-Effekt zu erzeugen.

R1 arbeitet wie ein Lastwiderstand und C2 stellt eine Verbindung zwischen der Detektorstufe und dem Eingangsverstärkereingang her. Dies bildet ein zweistufiges kapazitiv verbundenes Netzwerk, in dem die beiden Stufen in der gemeinsamer Emitter Modus.

Dies ermöglicht eine überlegene Gesamtspannungsverstärkung von mehr als 80 dB. Da ein ziemlich starkes Eingangssignal geliefert wird, bietet dies eine ausreichend hohe Ausgangsspannungsschwingung am Tr2-Kollektorstift, um das zu drücken monostabiler Multivibrator .

Letzteres ist ein Standard-CMOS-Typ, der unter Verwendung einiger NOR-Gatter mit zwei Eingängen (IC1a und IC1b) aufgebaut ist, wobei C4 und R7 wie Zeitsteuerungselemente funktionieren. Die anderen paar Gates von IC1 werden nicht verwendet, obwohl ihre Eingänge mit der Erde verbunden sind, um ein falsches Schalten dieser Gates aufgrund von Streuaufnahme zu verhindern.

In Bezug auf die Filterstufe, die um IC2a ​​/ b herum aufgebaut ist, handelt es sich im Grunde genommen um ein Filtersystem 2./3. Ordnung (18 dB pro Oktave) mit Spezifikationen, die üblicherweise in der Senderschaltungen . Diese werden in Reihe geschaltet, um insgesamt 6 Pole und eine allgemeine Dämpfungsrate von 36 dB pro Oktave zu erreichen.

Dies bietet eine Dämpfung des Trägersignals von ungefähr 100 dB in seinem minimalen Frequenzbereich und ein Ausgangssignal mit relativ niedrigen Trägersignalpegeln. Die Glasfaserschaltung kann Eingangsspannungen von bis zu 1 Volt RMS ungefähr ohne kritische Verzerrung verarbeiten und dabei helfen, mit einer geringfügig geringeren Spannungsverstärkung als 1 für das System zu arbeiten.

Komponenten für Glasfaserempfänger und Filter

Widerstände (alle 1/4 Watt 5%)
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
R10 bis R15 10k (6 aus)
Kondensatoren
C1 = 100 u10 V Elektrolyt
C2 = 2n2 Polyester
C3 = 2n2 Polyester
C4 = 390p Keramik
C5 = 1 u 63 V Elektrolyt
C6 = 3n3 Polyester
C7 = 4n7 Polyester
C8 = 330 pF Keramik
C9 = 3n3 Polyester
C10 = 4n7 Polyester

Halbleiter
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 aus)
D1 = Siehe Text
Verschiedenes
SK1 = 25-poliger D-Stecker
Gehäuse, Leiterplatte, Draht usw.