【導(dǎo)讀】：光纖鏈路既不發(fā)射電磁波，也不受其影響，光纖之間沒(méi)有干擾，誤碼率大大降低；提供了通信鏈路雙方之間的電氣隔離，消除了長(zhǎng)距離設(shè)備之間由于地電位不同引起的問(wèn)題。同時(shí)設(shè)計(jì)人員再也不用為阻抗匹配而頭疼了;可采用數(shù)字調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路。
為了減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間在整個(gè)系統(tǒng)處理時(shí)間指標(biāo)中所占的比重，要求數(shù)據(jù)傳輸率應(yīng)不小于E1(2.048Mb/s) 速率，同時(shí)要求通信鏈路安全、可靠。我們通過(guò)對(duì)各種數(shù)據(jù)通信技術(shù)的分析，最終選擇了光纖電路，取得了滿意的效果。
1銅介質(zhì)數(shù)據(jù)鏈路分析
由于同時(shí)要求較高的數(shù)據(jù)傳輸率及較長(zhǎng)的通信距離，在銅介質(zhì)鏈路中不進(jìn)行編碼和調(diào)制很難滿足指標(biāo)要求，但是高速調(diào)制解調(diào)器不僅價(jià)格昂貴，而且雙方握手過(guò)程費(fèi)時(shí)，在要求隨機(jī)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的場(chǎng)會(huì)顯然不適用。
最重要的是，傳統(tǒng)的銅介質(zhì)鏈路既產(chǎn)生電磁干擾信號(hào)，又容易受電磁干擾的影響，而且不易滿足EMC(電磁兼容)和EMI(電磁干擾)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
2光纖鏈路的分析
在人們的傳統(tǒng)印象中，光纖應(yīng)用于短距離通信是不經(jīng)濟(jì)的，但是它有著銅介質(zhì)鍵路不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：①光纖鏈路既不發(fā)射電磁波，也不受其影響，光纖之間沒(méi)有干 擾，誤碼率大大降低。設(shè)計(jì)人員不用考慮可能耦合進(jìn)來(lái)的環(huán)境噪聲;②光纖提供了通信鏈路雙方之間的電氣隔離，消除了長(zhǎng)距離設(shè)備之間由于地電位不同引起的問(wèn) 題。同時(shí)設(shè)計(jì)人員再也不用為阻抗匹配而頭疼了;③光纖發(fā)射器可采用數(shù)字調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路。數(shù)字基帶信號(hào)只要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的線路編碼，即可直接驅(qū)動(dòng)光纖發(fā)射器。
現(xiàn)在，光纖器件價(jià)格與以前相比已經(jīng)大幅下降，而今后隨著鋼纜價(jià)格的上升及光纖器件價(jià)格的進(jìn)一步下降，人 們選擇光纖時(shí)將不再首先考慮價(jià)格因素。因此，我們綜合考慮速率與距離指標(biāo)，選擇合適類型的光纖、收發(fā)器及其驅(qū)動(dòng)電路，可以獲得高性能價(jià)格比的光纖通信鍵 路，這正是本文要討論的重點(diǎn)。
3光纖通信器件的選擇
一個(gè)基本的光纖通信系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單：一個(gè)LED發(fā)射器將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，并將之耦會(huì)進(jìn)入傳輸光纖中，光信號(hào)通過(guò)光纖到達(dá)光接收器，它把接收到的光信號(hào)恢復(fù)成原來(lái)的電信號(hào)輸出。
•光纜的選擇：一般，石英玻璃光纖由于其低損耗、高帶寬而用于長(zhǎng)距離通信鏈路，例如，以太網(wǎng)和FDDI標(biāo)準(zhǔn)指定采用多模 62.5/125μm石英玻璃光纖。這些細(xì)纖芯的光纖需要高精度連接器以減少耦合損耗，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，需要低成本的光纜和連接器。因此，1mm的 POF(Plymer Optical Fibers)和200μm的HCS(Hard Clad Silica)光纖是最好選擇，它們均屬于階躍折射率的多模光纖。
1mm POF的典型損耗值在650nm波長(zhǎng)時(shí)為0.2dB/m，而200μm HCS光纖在650mm波長(zhǎng)典型損耗值僅為8dB/km，在820nm波長(zhǎng)時(shí)更少。HCS光纖的核心是石英玻璃，包層是專利的高強(qiáng)度聚合物，不僅增加了光 纖的強(qiáng)度，而且防潮防污染，外護(hù)套則是2.2mm的聚氯乙烯。HCS光纖可工作于一40℃～+85℃的溫度范圍內(nèi)，架設(shè)溫度范圍為一20℃一+85℃，在 性能與價(jià)格上均滿足系統(tǒng)要求。
•工作波長(zhǎng)的選擇：光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮光纖損耗與色散對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的影響，由于損耗和色散都與系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)有關(guān)，因此工作波長(zhǎng)的選擇成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要問(wèn)題。
綜合考慮系統(tǒng)的指標(biāo)要求與選定的光纖，選擇820nm波長(zhǎng)可使HCS光纖損耗低至6dB/km，同時(shí)色散也達(dá)到最小。
•光源的選擇：在820m波長(zhǎng)下，LED是可以選用的最佳光源，與半導(dǎo)體激光器相比，LED的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，且成本低。
綜上所述，光纜選用200μm HCS光纖，光收發(fā)器件選用 HP公司820nm波長(zhǎng)的HFBR-0400系列。該系列中的HFBR-14X2/HFBR- 24X2可在1500m距離內(nèi)達(dá)到5MBd的速率，工作溫度范圍為一40℃～+85℃，有ST、SMA、SC和 FC多種端口型號(hào)可供選擇。HFBR-14XZ采用820nm波長(zhǎng)的AlGaAs型LED，HFBR-24XZ內(nèi)部集成了包括PIN光電檢測(cè)器、直流放大 器及集電極開(kāi)路輸出Schottky型晶體管的一個(gè)IC芯片，其輸出可直接與流行的TTL及CMOS集成電路相連。
4一種實(shí)用的光纖LED驅(qū)動(dòng)電路
光纖雙工通信系統(tǒng)其中驅(qū)動(dòng)電路的作用是將電功率轉(zhuǎn)換成光功率，并將要傳輸?shù)碾娦盘?hào)調(diào)制到光源的輸出上，它對(duì)光源同時(shí)提供偏置電流和隨數(shù)字信號(hào)而變化的調(diào)制電流。
設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電路必須首先考慮驅(qū)動(dòng)LED的電流峰值，如果超過(guò)了峰值驅(qū)動(dòng)電流光信號(hào)將會(huì)產(chǎn)的過(guò)沖現(xiàn)象。而由此在接收器引起的電信號(hào)的下沖，加上來(lái)自放大 器噪聲的影響，結(jié)果可能會(huì)越過(guò)比較器的檢測(cè)門限，造成誤碼。同時(shí)LED有一個(gè)熄滅比點(diǎn)亮困難的特點(diǎn)，它會(huì)產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象，當(dāng)采用串行驅(qū)動(dòng)電路時(shí)這種現(xiàn)象尤其 明顯。而并聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式可以為L(zhǎng)ED中的載流子提供一條低阻通道，從而減少脈寬失真和慢拖尾現(xiàn)象。
驅(qū)動(dòng)電路中的電阻RSI用于調(diào)節(jié)光纖輸出功率，注意不能超過(guò)LED的峰值驅(qū)動(dòng)電流，否則光信號(hào)會(huì)產(chǎn)生過(guò)沖現(xiàn)象。另外電路中的SN75451具有低阻抗、高電流速率的特點(diǎn)，避免產(chǎn)生長(zhǎng)的拖尾現(xiàn)象。
脈沖寬度失真(PWD)是限制光纖鏈路速率的一個(gè)主要因素，它是由于輸入與輸出間傳輸延遲不相等引起的。注意到PWD總是正值，因此我們可以利用RC電路來(lái)延遲LED的點(diǎn)亮。
光纖接收電路是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，它的性能好壞是整個(gè)光纖通信系統(tǒng)性能的綜合反映。它的作用是將光纖傳輸過(guò)來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)過(guò)放大、均衡、判決電路，恢復(fù)出發(fā)射端的原始信號(hào)。
在光纖傳輸線路上，常用光信號(hào)的有無(wú)來(lái)表示“1”碼和“0”碼，為避免碼流中的長(zhǎng)連“ 0”或長(zhǎng)連“1”，有利于時(shí)鐘的提取，需要有編碼電路。同時(shí)陣列信號(hào)處理器送來(lái)的是并行數(shù)據(jù)，需要有率并轉(zhuǎn)換電路。
5 PCB板設(shè)計(jì)技術(shù)
光纖收發(fā)器的性能部分地決定于PCB板的布局和布線技術(shù)，因此應(yīng)該遵守下列的一些基本規(guī)則：
①設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，推薦使用地層以減少電源公共地線的電感。如有可能同時(shí)使用一個(gè)地層和一個(gè)電源層，這將同時(shí)減少地和電源引腳上的電感。
②在地層和電源層上的分割和開(kāi)口應(yīng)最少，這將減少附加的電感并提高發(fā)射和接收電路的穩(wěn)定性。
③在驅(qū)動(dòng)電路和LED之間的連線長(zhǎng)度應(yīng)盡量縮短，以減少導(dǎo)線電感。
④10μF的鉭電解電容和0.1μF的獨(dú)石陶瓷電容應(yīng)放置于靠近驅(qū)動(dòng)LED信號(hào)的地方，這將減少發(fā)射器輻射的噪聲并提高LED的光響應(yīng)時(shí)間。
⑤0.1μF(或0.01μF)的旁路電容應(yīng)付于接收器的管腳2與7之間，它與接收器的距離不能超過(guò)20mm。
⑥接收器是光纖連接線路中最關(guān)鍵的部分，電路中過(guò)量的附加電感和電容會(huì)降低光纖接收器的帶寬和穩(wěn)定性，減少接收器的靈敏度。因此建議使用表面貼裝器件，并不要使用插座。
經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，證實(shí)此電路完全達(dá)到了實(shí)用要求，通過(guò)縮短通信時(shí)間提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。
