Circuito in fibra ottica - Trasmettitore e ricevitore

I segnali elettronici sono stati inviati con successo per decenni tramite connessioni 'cablate' standard o utilizzando collegamenti radio di diverso tipo che presentavano molti svantaggi.

D'altro canto, i collegamenti in fibra ottica, utilizzati per collegamenti audio o video su lunghe distanze o per gestire piccole distanze, hanno offerto alcuni vantaggi distinti rispetto ai normali cavi cablati.

Come funziona la fibra ottica

Nella tecnologia dei circuiti in fibra ottica viene utilizzato un collegamento in fibra ottica per trasferire dati digitali o analogici sotto forma di frequenza della luce attraverso un cavo che ha un nucleo centrale altamente riflettente.

Internamente, la fibra ottica è costituita da un nucleo centrale altamente riflettente, che funge da guida di luce per il trasferimento della luce attraverso di essa mediante riflessi continui avanti e indietro attraverso le sue pareti riflettenti.

Il collegamento ottico normalmente include un circuito convertitore da frequenza elettrica a frequenza luminosa, che converte i segnali digitali o audio in frequenza della luce. Questa frequenza della luce viene 'iniettata' a una delle estremità della fibra ottica attraverso a LED potente . La luce viene quindi lasciata viaggiare attraverso il cavo ottico fino alla destinazione prevista, dove viene ricevuta da una fotocellula e da un circuito amplificatore che converte la frequenza della luce nella forma digitale originale o nella forma della frequenza audio.

Vantaggi delle fibre ottiche

Uno dei principali vantaggi dei collegamenti dei circuiti in fibra ottica è la loro perfetta immunità alle interferenze elettriche e ai pickup vaganti.

I collegamenti standard 'via cavo' potrebbero essere progettati per ridurre questo problema, tuttavia potrebbe essere molto difficile eliminare completamente questo problema.

Al contrario, le caratteristiche non elettriche di un cavo in fibra ottica contribuiscono a rendere immateriali le interferenze elettriche, a parte qualche disturbo che potrebbe essere captato all'estremità del ricevitore, ma questo può essere eliminato anche attraverso un'efficace schermatura del circuito ricevitore.

Allo stesso modo, i segnali a banda larga instradati attraverso un normale cavo elettrico spesso dissipano i disturbi elettrici causando l'inceppamento dei segnali radio e televisivi nelle vicinanze.

Ma ancora una volta, nel caso di un cavo in fibra ottica, può davvero rivelarsi completamente privo di emissioni elettriche, e anche se l'unità trasmittente può emettere alcune radiazioni a radiofrequenza, è piuttosto semplice racchiuderlo utilizzando strategie di schermatura di base.

A causa di questo punto in più, i sistemi che incorporano molti cavi ottici che lavorano insieme uno accanto all'altro non hanno complicazioni o problemi con i dialoghi incrociati.

Ovviamente la luce potrebbe fuoriuscire da un cavo all'altro, ma i cavi in ​​fibra ottica sono solitamente incapsulati in una guaina esterna a prova di luce che idealmente impedisce qualsiasi forma di perdita di luce.

Questa forte schermatura nei collegamenti in fibra ottica garantisce un trasferimento dati ragionevolmente sicuro e affidabile.

Un altro vantaggio è che le fibre ottiche sono esenti da problemi di rischio di incendio poiché non sono coinvolti elettricità o flussi di corrente elevati.

Abbiamo anche un buon isolamento elettrico in tutto il collegamento per garantire che non si possano sviluppare complicazioni con i circuiti di terra. Attraverso opportuni circuiti di trasmissione e ricezione diventa adatto per collegamenti in fibra ottica per gestire intervalli di larghezza di banda sostanziali.

È possibile creare collegamenti a banda larga anche tramite cavi di alimentazione coassiali, sebbene i cavi ottici moderni in genere subiscano perdite ridotte rispetto ai tipi coassiali nelle applicazioni a larghezza di banda larga.

I cavi ottici sono tipicamente sottili e leggeri e anche immuni alle condizioni climatiche e a diverse sostanze chimiche. Ciò consente spesso loro di essere applicati rapidamente in ambienti inospitali o scenari sfavorevoli in cui i cavi elettrici, in particolare i tipi coassiali, si rivelano semplicemente molto inefficaci.

Svantaggi

Sebbene il circuito in fibra ottica abbia così tanti vantaggi, anche questi hanno alcuni lati negativi.

L'apparente svantaggio è che i segnali elettrici non possono essere trasferiti direttamente in un cavo ottico, e in molte situazioni il costo e i problemi incontrati con i circuiti codificatore e decodificatore vitali tendono a diventare del tutto incompatibili.

Una cosa cruciale da ricordare quando si lavora con le fibre ottiche è che normalmente hanno un diametro minimo specificato, e quando queste sono attorcigliate con una curva più acuta danno luogo a danni fisici al cavo in quella curva, rendendolo inutile.

Il raggio di 'curvatura minimo', come viene normalmente chiamato nelle schede tecniche, è in genere compreso tra circa 50 e 80 millimetri.

La conseguenza di tali piegature in un normale cavo di rete cablato potrebbe essere proprio nulla, tuttavia per un cavo in fibra ottica anche piccole curve strette possono ostacolare la propagazione dei segnali luminosi portando a perdite drastiche.

Base di fibra ottica

Sebbene possa sembrare a noi che un cavo in fibra ottica sia semplicemente costituito da un filamento di vetro ricoperto da una guaina esterna a prova di luce, la situazione è in realtà molto più avanzata di questa.

Al giorno d'oggi, il filamento di vetro è per lo più sotto forma di un polimero e non di vetro vero e proprio, e la configurazione standard può essere quella illustrata nella figura seguente. Qui possiamo vedere un nucleo centrale con un indice di rifrazione elevato e una schermatura esterna con indice di rifrazione ridotto.

La rifrazione, dove interagiscono il filamento interno e il rivestimento esterno, consente alla luce di attraversare il cavo saltando in modo efficiente da una parete all'altra per tutto il cavo.

È questo rimbalzo della luce sulle pareti del cavo che consente al cavo di scorrere come una guida di luce, trasportando l'illuminazione senza problemi negli angoli e nelle curve.

Propagazione della luce in modalità High Order

L'angolo di riflessione della luce è determinato dalle proprietà del cavo e dall'angolo di ingresso della luce. Nella figura sopra si può vedere il raggio di luce passato attraverso a 'modalità ordine elevato' propagazione.

Propagazione della luce in modalità di basso ordine

Tuttavia, troverete cavi con luce alimentata con un angolo più piccolo facendola rimbalzare tra le pareti del cavo con un angolo notevolmente ampio. Questo angolo inferiore consente alla luce di viaggiare a una distanza relativamente maggiore attraverso il cavo a ogni rimbalzo.

Questa forma di trasferimento della luce è definita 'modalità di ordine basso' propagazione. Il significato pratico di entrambe queste modalità è che la luce che si avventura attraverso il cavo nella modalità di ordine alto deve viaggiare notevolmente più lontano rispetto alla luce che si propaga nella modalità di ordine basso. Questo sporca i segnali trasmessi lungo il cavo riducendo la gamma di frequenza dell'applicazione.

Tuttavia, questo è rilevante solo nei collegamenti a larghezza di banda estremamente ampia.

Cavo monomodale

Abbiamo anche il file 'Modalità singola' cavi di tipo che sono intesi semplicemente per abilitare una singola modalità di propagazione, ma non è realmente necessario utilizzare un cavo di questo tipo con le tecniche di larghezza di banda relativamente ristrette descritte in questo articolo. Potresti inoltre imbatterti in un tipo alternativo di cavo denominato 'indice graduato' cavo.

Questo è in effetti abbastanza simile al cavo con indice a gradini discusso in precedenza, sebbene esista una trasformazione progressiva da un indice di rifrazione elevato vicino al centro del cavo a un valore ridotto vicino alla guaina esterna.

Ciò fa sì che la luce passi in profondità attraverso il cavo in modo abbastanza simile a quanto spiegato in precedenza, ma con la luce che deve passare attraverso un percorso curvo (come nella figura seguente) invece di essere propagata attraverso linee rette.

Dimensioni della fibra ottica

La dimensione tipica dei cavi in ​​fibra ottica è di 2,2 millimetri con una dimensione media della fibra interna di circa 1 millimetro. È possibile trovare diversi connettori accessibili per connessioni attraverso questa dimensione di cavo, oltre a una serie di sistemi che si collegano a cavi ugualmente corrispondenti.

Un normale sistema di connettori comprende una 'spina' che viene installata sulla punta del cavo e la salvaguarda al terminale 'presa' che solitamente si aggancia alla scheda del circuito avendo uno slot per l'alloggiamento della fotocellula (che forma l'emettitore o il rilevatore di il sistema ottico).

Fattori che influenzano la progettazione di circuiti in fibra ottica

Un aspetto cruciale che deve essere ricordato nelle fibre ottiche sono le specifiche di uscita di picco dell'emettitore fotocellula per la lunghezza d'onda della luce. Questo deve essere idealmente selezionato per abbinare la frequenza di trasmissione con la sensibilità appropriata.

Il secondo fattore da ricordare è che il cavo verrà specificato solo con un intervallo di larghezza di banda limitato, il che significa che le perdite devono essere le più minime possibile.

I sensori ottici e i trasmettitori normalmente utilizzati nelle fibre ottiche sono per lo più classificati per funzionare in gamma a infrarossi con la massima efficienza, mentre alcuni potrebbero funzionare al meglio con lo spettro della luce visibile.

I cavi in ​​fibra ottica vengono spesso forniti con estremità terminali non finite, il che potrebbe essere molto improduttivo, a meno che le estremità non siano adeguatamente tagliate e lavorate.

In genere, il cavo fornirà effetti decenti quando viene tagliato ad angolo retto con un coltello da modellismo affilato come un rasoio, tagliando l'estremità del cavo in modo pulito in un'unica azione.

Una lima sottile può essere utilizzata per lucidare le estremità tagliate, ma se hai appena tagliato le estremità, questo potrebbe non aiutare a migliorare in modo significativo l'efficienza della luce. È fondamentale che il taglio sia netto, netto e perpendicolare al diametro del cavo.

Se il taglio ha un certo angolo, l'efficienza potrebbe deteriorarsi a causa della deviazione dell'angolo di avanzamento della luce.

Progettazione di un semplice sistema in fibra ottica

Un modo semplice per iniziare per chiunque desideri provare cose con le comunicazioni in fibra ottica sarebbe creare un collegamento audio.

Nella sua forma più elementare questo può includere un semplice circuito di modulazione di ampiezza che varia il Trasmettitore LED luminosità in base all'ampiezza del segnale di ingresso audio.

Ciò provocherebbe una risposta di corrente di modulazione equivalente attraverso il ricevitore della fotocellula, che verrebbe elaborata per generare una tensione corrispondentemente variabile attraverso un resistore di carico calcolato in serie con la fotocellula.

Questo segnale sarebbe amplificato per fornire il segnale di uscita audio. In realtà questo approccio fondamentale può avere i suoi lati negativi, il principale potrebbe essere semplicemente una linearità insufficiente delle fotocellule.

L'assenza di linearità influisce sotto forma di un livello proporzionale di distorsione attraverso il collegamento ottico che può essere successivamente di cattiva qualità.

Un metodo che normalmente offre risultati significativamente migliori è un sistema di modulazione di frequenza, che è fondamentalmente identico al sistema utilizzato nello standard Trasmissioni radio VHF .

Tuttavia, in tali casi è coinvolta una frequenza portante di circa 100 kHz invece dei convenzionali 100 MHz utilizzati nella trasmissione radio in banda 2.

Questo approccio può essere piuttosto semplice, come mostrato nel diagramma a blocchi di seguito. Dimostra il principio impostato per un collegamento unidirezionale di questo modulo. Il trasmettitore è in realtà un oscillatore controllato in tensione (VCO) e, come suggerisce il titolo, la frequenza di uscita di questo progetto potrebbe essere regolata tramite una tensione di controllo.

Questa tensione può essere la trasmissione del suono in ingresso e, poiché la tensione del segnale oscilla su e giù, così sarà la frequenza di uscita del VCO. UN filtro passa basso è incorporato per perfezionare il segnale di ingresso audio prima che venga applicato al VCO.

Questo aiuta a mantenere i 'fischi' eterodina lontani dalla produzione a causa delle note di battuta tra l'oscillatore controllato in tensione e qualsiasi segnale di ingresso ad alta frequenza.

In genere, il segnale di ingresso coprirà solo la gamma di frequenze audio, ma potresti trovare contenuto di distorsione a frequenze più alte e segnali radio che vengono raccolti dal cablaggio e interagiscono con il segnale VCO o armoniche attorno al segnale di uscita del VCO.

Il dispositivo di emissione che può essere semplicemente un LED è pilotato dall'uscita VCO. Per un risultato ottimale questo LED è normalmente un tipo di LED ad alta potenza . Ciò richiede il utilizzo di una fase di buffer del driver per il funzionamento del LED power.

Questa fase successiva è a multivibratore monostabile che deve essere progettato come un tipo non riattivabile.

Ciò consente allo stadio di generare impulsi di uscita attraverso intervalli determinati dalla rete di temporizzazione C / R che è indipendente dalla durata dell'impulso di ingresso.

Forma d'onda operativa

Ciò fornisce una conversione semplice ma efficace da frequenza a tensione, la cui forma d'onda come illustrato nella figura seguente spiega chiaramente il suo schema operativo.

Nella Figura (a) la frequenza di ingresso genera un'uscita dal monostabile con un rapporto tra mark-space da 1 a 3 e l'uscita è nello stato alto per il 25% del tempo.

La tensione di uscita media (come illustrato all'interno della linea tratteggiata) è il risultato di 1/4 dello stato ALTO dell'uscita.

Nella Figura (b) sopra possiamo vedere che la frequenza di ingresso è stata aumentata di due volte, il che significa che otteniamo due volte più impulsi di uscita per un intervallo di tempo specificato con un rapporto spazio contrassegno di 1: 1. Questo ci consente di ottenere una tensione di uscita media che è il 50% dello stato di uscita HIGH e 2 volte più grande dell'esempio precedente.

In termini semplici, il monostabile non solo aiuta a convertire la frequenza in tensione, ma consente inoltre alla conversione di ottenere una caratteristica lineare. L'uscita dal monostabile da sola non può creare un segnale di frequenza audio, a meno che non sia incorporato un filtro passa-basso che assicura che l'uscita sia stabilizzata in un segnale audio appropriato.

Il problema principale con questo semplice metodo di conversione da frequenza a tensione è che è necessaria un'attenuazione di livello superiore (essenzialmente 80 dB o superiore) alla frequenza di uscita minima del VCO per poter creare un'uscita stabilizzata.

Tuttavia, questo metodo è davvero semplice e affidabile in altre considerazioni e, insieme ai circuiti moderni, potrebbe non essere difficile progettare uno stadio del filtro di uscita con un caratteristica tagliata .

Un livello minuscolo di segnale portante in eccesso sull'uscita potrebbe non essere troppo critico e potrebbe essere ignorato, poiché la portante si trova generalmente a frequenze che non rientrano nella gamma audio e qualsiasi perdita in uscita sarà di conseguenza impercettibile.

Circuito trasmettitore in fibra ottica

Di seguito è possibile vedere l'intero schema del circuito del trasmettitore in fibra ottica. Troverai molti circuiti integrati adatti a funzionare come VCO, insieme a molte altre configurazioni costruite utilizzando parti discrete.

Ma per una tecnica a basso costo è ampiamente utilizzata NE555 diventa l'opzione preferita e, sebbene sia certamente economica, offre tuttavia un'efficienza prestazionale abbastanza buona. Può essere modulato in frequenza integrando il segnale di ingresso al pin 5 dell'IC, che si collega con il partitore di tensione configurato per creare i limiti di commutazione 1/3 V + e 2/3 V + per l'IC 555.

Essenzialmente, il limite superiore viene aumentato e diminuito in modo che il tempo impiegato dal condensatore di temporizzazione C2 per commutare tra i due intervalli potrebbe essere corrispondentemente aumentato o diminuito.

Tr1 è cablato come un file emettitore follower stadio tampone che fornisce l'elevata corrente di pilotaggio necessaria per illuminare in modo ottimale il LED (D1). Sebbene lo stesso NE555 disponga di una buona corrente di 200 mA per il LED, un driver controllato in corrente separato per il LED consente di stabilire la corrente LED desiderata in modo preciso e attraverso un metodo più affidabile.

R1 è posizionato per fissare la corrente del LED a circa 40 milliampere, ma poiché il LED è acceso / spento a un tasso del 50% del ciclo di lavoro consente al LED di funzionare solo con il 50% della potenza effettiva che è di circa 20 milliampere.

La corrente di uscita può essere aumentata o diminuita regolando il valore R1 ogniqualvolta ciò sia ritenuto necessario.

Componenti per resistori trasmettitori in fibra ottica (tutti da 1/4 watt, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
Condensatori
C1 = 220µ 10V elett
Piastra in ceramica C2 = 390pF
C3 = 1u 63V eletto
C4 = 330p piatto in ceramica
C5 = strato di poliestere 4n7
C6 = strato di poliestere 3n3
C7 = strato di poliestere 470n
Semiconduttori
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = vedi testo
Miscellanea
Presa jack da 3,5 mm SK1
Circuito stampato, custodia, batteria, ecc

Circuito ricevitore in fibra ottica

Lo schema del circuito del ricevitore a fibra ottica primaria può essere visto nella sezione superiore del diagramma sottostante, il circuito del filtro di uscita è disegnato appena sotto il circuito del ricevitore. L'uscita del ricevitore può essere vista unita all'ingresso del filtro tramite una linea grigia.

D1 forma il diodo rivelatore , e funziona nell'impostazione di polarizzazione inversa in cui la sua resistenza alle perdite aiuta a creare una sorta di resistenza dipendente dalla luce o effetto LDR.

R1 funziona come un resistore di carico e C2 crea un collegamento tra lo stadio del rivelatore e l'ingresso dell'amplificatore di ingresso. Questo forma una rete collegata capacitivamente a due stadi in cui i due stadi funzionano insieme in emettitore comune modalità.

Ciò consente un guadagno di tensione complessivo superiore maggiore di 80 dB. dato che viene fornito un segnale di ingresso abbastanza potente, questo offre un'oscillazione della tensione di uscita adeguatamente elevata al pin del collettore Tr2 per spingere il multivibratore monostabile .

Quest'ultimo è un tipo CMOS standard costruito utilizzando una coppia di porte NOR a 2 ingressi (IC1a e IC1b) con C4 e R7 che funzionano come elementi di temporizzazione. Le altre un paio di porte di IC1 non vengono utilizzate, sebbene i loro ingressi possano essere visti agganciati a terra nel tentativo di impedire la falsa commutazione di queste porte a causa di pick up vaganti.

Facendo riferimento allo stadio del filtro costruito attorno a IC2a ​​/ b, è fondamentalmente un sistema di filtri di 2/3 ° ordine (18 dB per ottava) con specifiche comunemente impiegate nel circuiti del trasmettitore . Questi sono uniti in serie per stabilire un totale di 6 poli e un tasso di attenuazione generale di 36 dB per ottava.

Ciò offre circa 100 dB di attenuazione del segnale portante nella sua gamma di frequenza minima e un segnale di uscita con livelli di segnale portante relativamente bassi. Il circuito in fibra ottica può gestire tensioni di ingresso fino a 1 volt RMS approssimativamente senza distorsioni critiche e aiuta a lavorare con un guadagno di tensione leggermente inferiore all'unità per il sistema.

Componenti per ricevitore e filtro in fibra ottica

Resistori (tutti 1/4 watt 5%)
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
Da R10 a R15 10k (6 pezzi)
Condensatori
C1 = 100µ10V elettrolitico
C2 = 2n2 poliestere
C3 = 2n2 poliestere
C4 = 390p ceramica
C5 = elettrolitico 1µ 63V
C6 = 3n3 poliestere
C7 = 4n7 poliestere
C8 = 330pF ceramica
C9 = 3n3 poliestere
C10 = 4n7 poliestere

Semiconduttori
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 pezzi)
D1 = Vedi testo
Miscellanea
SK1 = connettore D a 25 vie
Custodia, circuito stampato, filo, ecc.