전자 신호는 표준 '하드 와이어'연결을 통해 또는 많은 단점이있는 다양한 종류의 무선 링크를 사용하여 수십 년 동안 성공적으로 전송되었습니다.

반면에 광섬유 링크는 장거리 오디오 또는 비디오 링크에 사용 되든 작은 거리를 처리하든 일반 유선 케이블에 비해 몇 가지 뚜렷한 이점을 제공합니다.

광섬유의 작동 원리

광섬유 회로 기술에서 광섬유 링크는 반사율이 높은 중앙 코어가있는 케이블을 통해 광 주파수 형태의 디지털 또는 아날로그 데이터를 전송하는 데 사용됩니다.

내부적으로 광섬유는 반사성이 높은 중앙 코어로 구성되어 있으며, 이는 반사 벽을 가로 질러 연속적인 반사를 통해 빛을 전달하는 광 가이드 역할을합니다.

광 링크는 일반적으로 디지털 또는 오디오 신호를 광 주파수로 변환하는 전기 주파수 대 광 주파수 변환기 회로를 포함합니다. 이 광 주파수는 광섬유를 통해 광섬유의 끝 중 하나에 '주입'됩니다. 강력한 LED . 그런 다음 빛은 광 케이블을 통해 원하는 대상으로 이동하여 광전지 및 증폭기 회로 광 주파수를 원래의 디지털 형식 또는 오디오 주파수 형식으로 다시 변환합니다.

광섬유의 장점

광섬유 회로 링크의 주요 장점 중 하나는 전기 간섭 및 이탈 픽업에 대한 완벽한 내성입니다.

이 문제를 줄이기 위해 표준 '케이블'링크를 설계 할 수 있지만이 문제를 완전히 근절하는 것은 매우 어려울 수 있습니다.

반대로 광섬유 케이블의 비전 기적 특성은 수신기 끝에서 포착 될 수있는 일부 방해를 제외하고 전기 간섭을 중요하지 않게 만드는 데 도움이되지만 수신기 회로의 효과적인 차폐를 통해 제거 할 수도 있습니다.

유사하게, 일반 전기 케이블을 통해 라우팅되는 광대역 신호는 종종 전기적 장애를 분산시켜 가까운 곳에서 라디오 및 TV 신호의 방해를 유발합니다.

그러나 광섬유 케이블의 경우에는 실제로 전기 방출이 전혀 없음을 증명할 수 있으며 송신기 장치가 일부 무선 주파수 방사를 크랭크 할 수 있지만 기본 스크리닝 전략을 사용하여 케이블을 묶는 것이 다소 간단합니다.

이러한 장점으로 인해 여러 광 케이블이 서로 연결되어있는 시스템은 혼선과 관련된 합병증이나 문제가 없습니다.

물론 빛이 한 케이블에서 다음 케이블로 누출 될 수 있지만 광섬유 케이블은 일반적으로 어떤 형태의 빛 누출도 이상적으로 방지하는 내광성 외부 슬리브로 캡슐화됩니다.

광섬유 링크의 이러한 강력한 차폐는 합리적으로 안전하고 신뢰할 수있는 데이터 전송을 보장합니다.

또 다른 장점은 광섬유에 전기 나 높은 전류 흐름이 없기 때문에 화재 위험이 없다는 것입니다.

또한 링크 전체에 걸쳐 양호한 전기적 절연을 갖추고있어 접지 루프와의 합병증이 발생하지 않도록합니다. 적절한 송신 및 수신 회로를 통해 상당한 대역폭 범위를 처리하는 광섬유 링크에 적합합니다.

동축 전원 케이블을 통해 광대역 링크를 생성 할 수도 있지만, 최신 광 케이블은 일반적으로 광대역 애플리케이션에서 동축 유형에 비해 손실이 적습니다.

광 케이블은 일반적으로 얇고 가벼우 며 기후 조건과 여러 화학 물질에 영향을받지 않습니다. 이로 인해 전기 케이블, 특히 동축 유형이 단순히 매우 비효율적 인 것으로 판명되는 불리한 환경이나 불리한 시나리오에서 빠르게 적용 할 수 있습니다.

단점

광섬유 회로에는 많은 장점이 있지만 몇 가지 단점도 있습니다.

명백한 단점은 전기 신호를 광 케이블로 직접 전송할 수 없으며 여러 상황에서 중요한 인코더 및 디코더 회로에서 발생하는 비용과 문제가 상당히 호환되지 않는 경향이 있다는 것입니다.

광섬유로 작업하는 동안 기억해야 할 중요한 사항은 일반적으로 최소 직경이 지정되어 있으며 더 날카로운 곡선으로 꼬이면 해당 굽힘 부분에서 케이블에 물리적 손상이 발생하여 쓸모 없게된다는 것입니다.

일반적으로 데이터 시트에서 말하는 '최소 굴곡'반경은 일반적으로 약 50 ~ 80mm입니다.

정상적인 유선 전원 케이블에서 이러한 구부러짐의 결과는 아무것도 아닐 수 있지만 광섬유 케이블의 경우 작은 꽉 구부러져도 빛 신호의 전파를 방해하여 막대한 손실을 초래할 수 있습니다.

광섬유의 기초

광섬유 케이블이 단순히 빛을 차단하는 외부 슬 리빙으로 덮인 유리 필라멘트로 구성되어있는 것처럼 보일 수 있지만 실제로 상황은 이보다 훨씬 더 발전했습니다.

오늘날 유리 필라멘트는 대부분 실제 유리가 아닌 폴리머 형태이며 표준 설정은 다음 그림과 같을 수 있습니다. 여기서 우리는 굴절률이 높은 중앙 코어와 굴절률이 감소 된 외부 차폐를 볼 수 있습니다.

내부 필라멘트와 외부 클래딩이 상호 작용하는 굴절은 케이블을 통해 벽을 가로 질러 효율적으로 점프하여 케이블을 통과하는 빛을 가능하게합니다.

케이블 벽을 가로 지르는 빛의 반사로 인해 케이블이 라이트 가이드처럼 작동하여 모서리와 곡선에 대한 조명이 부드럽게 전달됩니다.

고차 모드 광 전파

빛이 반사되는 각도는 케이블의 속성과 빛의 입력 각도에 의해 결정됩니다. 위의 그림에서 광선은 '고차 모드' 번식.

로우 오더 모드 광 전파

그러나 빛이 더 얕은 각도로 공급되어 케이블 벽 사이에서 상당히 넓은 각도로 반사되는 케이블을 찾을 수 있습니다. 이 낮은 각도는 빛이 각 바운스에서 케이블을 통해 상대적으로 더 먼 거리로 이동할 수 있도록합니다.

이러한 형태의 광 전달을 '낮은 순서 모드' 번식. 이 두 모드의 실질적인 중요성은 고차 모드에서 케이블을 통해 방출되는 빛이 저차 모드에서 전파되는 빛에 비해 훨씬 더 멀리 이동해야한다는 것입니다. 이로 인해 케이블 아래로 전달되는 신호가 번져 애플리케이션의 주파수 범위가 감소합니다.

그러나 이것은 매우 넓은 대역폭 링크에만 해당됩니다.

단일 모드 케이블

우리는 또한 '단일 모드' 단순히 단일 전파 모드를 활성화하기위한 것이지만이 기사에 자세히 설명 된 비교적 좁은 대역폭 기술로 이러한 형태의 케이블을 사용할 필요는 없습니다. 이름이 다른 종류의 케이블을 발견 할 수도 있습니다. '등급별 색인' 케이블.

이것은 케이블 중앙 근처의 고 굴절률에서 바깥 쪽 슬 리빙 근처의 감소 된 값으로 점진적으로 변환이 존재하지만, 실제로는 앞에서 설명한 계단 형 인덱스 케이블과 매우 유사합니다.

이로 인해 이전에 설명한 것과 매우 유사한 방식으로 빛이 케이블을 깊숙이 통과하지만, 빛은 직선을 통해 전파되는 대신 곡선 경로 (다음 그림 참조)를 통과해야합니다.

광섬유 치수

광섬유 케이블의 일반적인 치수는 2.2mm이며 내부 광섬유의 평균 치수는 약 1mm입니다. 동일하게 일치하는 케이블에 연결되는 여러 시스템 외에도이 크기의 케이블을 통해 연결할 수있는 여러 커넥터를 찾을 수 있습니다.

일반 커넥터 시스템에는 케이블 끝에 설치되는 '플러그'가 포함되어 있으며 일반적으로 광전지를 수용하기위한 슬롯이있는 회로 기판 위에 브래킷으로 고정되는 '소켓'단자에 케이블을 보호합니다. 광학 시스템).

광섬유 회로 설계에 영향을 미치는 요인

광섬유에서 기억해야 할 중요한 측면 중 하나는 이미 터의 피크 출력 사양입니다. 광전지 빛의 파장을 위해. 적절한 감도로 전송 주파수를 일치 시키려면 이상적으로 선택해야합니다.

두 번째로 기억해야 할 요소는 케이블이 제한된 대역폭 범위로만 지정된다는 것입니다. 즉, 손실이 가능한 최소화되어야합니다.

광섬유에 일반적으로 사용되는 광학 센서 및 송신기는 대부분 적외선 범위 일부는 가시 광선 스펙트럼에서 가장 잘 작동하도록 고안 될 수 있습니다.

광섬유 케이블 링은 끝이 미완성 된 상태로 제공되는 경우가 많으며, 끝을 적절하게 다듬고 작업하지 않는 한 매우 비생산적 일 수 있습니다.

일반적으로 케이블은 면도날처럼 날카로운 모델링 나이프를 사용하여 직각으로 절단하여 케이블 끝을 한 번에 깔끔하게 절단 할 때 적절한 효과를 제공합니다.

잘린 줄을 사용하여 얇게 썬 끝을 다듬을 수 있지만 끝 부분 만 자른 경우에는 빛의 효율성을 크게 향상시키는 데 도움이되지 않을 수 있습니다. 절단은 날카 롭고 선명하며 케이블 직경에 수직 인 것이 중요합니다.

절단에 어느 정도의 각도가 있으면 광 이송 각도의 편차로 인해 효율성이 크게 저하 될 수 있습니다.

간단한 광섬유 시스템 설계

광섬유 통신을 시도하려는 모든 사람을위한 기본적인 시작 방법은 오디오 링크를 만드는 것입니다.

가장 기본적인 형태로 이것은 간단한 진폭 변조 회로를 포함 할 수 있습니다. LED 송신기 오디오 입력 신호의 진폭에 따라 밝기.

이것은 광전지 수신기에 걸쳐 동등하게 변조되는 전류 응답을 야기 할 것이며, 이는 광전지와 직렬로 계산 된 부하 저항에 상응하는 가변 전압을 생성하도록 처리 될 것이다.

이 신호는 오디오 출력 신호를 전달하기 위해 증폭됩니다. 실제로 이러한 근본적인 접근 방식에는 자체 단점이있을 수 있으며, 주요 단점은 단순히 광전지의 선형성이 불충분하다는 것입니다.

선형성의 부재는 광학 링크 전반에 걸친 비례적인 왜곡 수준의 형태로 영향을 미칩니다.

일반적으로 훨씬 더 나은 결과를 제공하는 방법은 기본적으로 표준에서 사용되는 시스템과 동일한 주파수 변조 시스템입니다. VHF 라디오 방송 .

그러나 이러한 경우 대역 2 무선 전송에 사용되는 기존의 100MHz 대신 약 100kHz의 반송파 주파수가 포함됩니다.

이 접근 방식은 아래 블록 다이어그램에서 볼 수 있듯이 매우 간단 할 수 있습니다. 이 양식의 단방향 링크에 대해 설정된 원칙을 보여줍니다. 송신기는 실제로 전압 제어 발진기 (VCO)이며 제목에서 알 수 있듯이이 설계의 출력 주파수는 제어 전압을 통해 조정할 수 있습니다.

이 전압은 사운드 입력 전송 일 수 있으며 신호 전압이 위아래로 진동하면 VCO의 출력 주파수도 마찬가지입니다. ㅏ 저역 통과 필터 VCO에 적용되기 전에 오디오 입력 신호를 개선하기 위해 통합됩니다.

이는 전압 제어 오실레이터와 고주파 입력 신호 사이의 비트 노트 때문에 헤테로 다인 '휘파람'이 생성되는 것을 방지하는 데 도움이됩니다.

일반적으로 입력 신호는 오디오 주파수 범위 만 포함하지만 더 높은 주파수에서 왜곡 콘텐츠를 발견 할 수 있으며 무선 신호가 배선에서 픽업되어 VCO 신호 또는 VCO 출력 신호 주변의 고조파와 상호 작용할 수 있습니다.

단순히 LED 일 수있는 방출 장치는 VCO 출력에 의해 구동됩니다. 최적의 결과를 위해이 LED는 일반적으로 고 와트 형 LED . 이것은 드라이버 버퍼 단계 사용 LED 전원을 작동합니다.

이 다음 단계는 단 안정 멀티 바이브레이터 리 트리거 불가능한 유형으로 설계되어야합니다.

이를 통해 스테이지는 입력 펄스 지속 시간과 독립적 인 C / R 타이밍 네트워크에 의해 결정된 간격을 통해 출력 펄스를 생성 할 수 있습니다.

작동 파형

이는 다음 그림과 같이 파형을 통해 작동 패턴을 명확하게 설명하는 쉽고 효과적인 주파수 대 전압 변환을 제공합니다.

그림 (a)에서 입력 주파수는 1 대 3의 마크 공간 비율로 단 안정에서 출력을 생성하고 출력은 시간의 25 % 동안 높은 상태에 있습니다.

평균 출력 전압 (점선 안에 표시됨)은 결과적으로 출력 HIGH 상태의 1/4입니다.

위의 그림 (b)에서 입력 주파수가 두 배 증가했음을 알 수 있습니다. 즉, 마크 공간 비율이 1 : 1 인 지정된 시간 간격 동안 두 배 더 많은 출력 펄스를 얻습니다. 이를 통해 HIGH 출력 상태의 50 % 인 평균 출력 전압을 얻을 수 있고 이전 예보다 2 배 더 큰 크기를 얻을 수 있습니다.

간단히 말해, 단 안정은 주파수를 전압으로 변환하는 데 도움이 될뿐만 아니라 변환이 선형 특성을 얻을 수 있도록합니다. 출력이 적절한 오디오 신호로 안정화되도록하는 저역 통과 필터가 통합되어 있지 않으면 단 안정 출력만으로는 오디오 주파수 신호를 생성 할 수 없습니다.

이 간단한 주파수-전압 변환 방법의 주요 문제는 안정화 된 출력을 생성 할 수 있으려면 VCO의 최소 출력 주파수에서 더 높은 수준의 감쇠 (본질적으로 80dB 이상)가 필요하다는 것입니다.

그러나이 방법은 다른 고려 사항에서 정말 간단하고 신뢰할 수 있으며, 최신 회로와 함께 적절하게 정밀한 출력 필터 단계를 설계하는 것이 어렵지 않을 수 있습니다. 차단 특성 .

출력의 작은 레벨의 잉여 캐리어 신호는 너무 중요하지 않을 수 있으며 무시할 수 있습니다. 왜냐하면 캐리어는 일반적으로 오디오 범위 내에 있지 않은 주파수에 있고 출력의 누출은 결과적으로 들리지 않기 때문입니다.

광섬유 송신기 회로

전체 광섬유 송신기 회로도는 아래에서 볼 수 있습니다. 개별 부품을 사용하여 구축 된 다른 많은 구성과 함께 VCO처럼 작동하기에 적합한 많은 집적 회로를 찾을 수 있습니다.

그러나 저비용 기술의 경우 널리 사용되는 NE555 선호되는 옵션이되며 확실히 저렴하지만 성능 효율성이 상당히 우수합니다. 입력 신호를 IC의 핀 5에 통합하여 주파수 변조 될 수 있으며, 이는 IC 555에 대한 1 / 3V + 및 2 / 3V + 스위칭 제한을 생성하도록 구성된 전압 분배기와 연결됩니다.

본질적으로, 상한이 증가 및 감소되어 타이밍 커패시터 (C2)가 두 범위 사이를 전환하는 데 소요되는 시간이 상응하게 증가 또는 감소 할 수 있습니다.

Tr1은 이미 터 추종자 LED (D1)를 최적으로 비추는 데 필요한 높은 구동 전류를 공급하는 버퍼 단계. NE555 자체는 LED에 대해 좋은 200mA 전류를 제공하지만 LED를위한 별도의 전류 제어 드라이버를 사용하면보다 안정적인 방법을 통해 정확한 방식으로 원하는 LED 전류를 설정할 수 있습니다.

R1은 LED 전류를 약 40 밀리 암페어로 고정하도록 배치되어 있지만, LED가 50 % 듀티 사이클 속도로 ON / OFF되기 때문에 LED가 실제 정격의 50 % (약 20 밀리 암페어)로만 작동 할 수 있습니다.

필요할 때마다 R1 값을 조정하여 출력 전류를 늘리거나 줄일 수 있습니다.

광섬유 송신기 저항 기용 부품 (모두 1/4 와트, 5 %)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
커패시터
C1 = 220µ 10V 선택
C2 = 390pF 세라믹 플레이트
C3 = 1u 63V 선택
C4 = 330p 세라믹 플레이트
C5 = 4n7 폴리 에스테르 층
C6 = 3n3 폴리 에스테르 층
C7 = 470n 폴리 에스테르 층
반도체
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = 텍스트 참조
여러 가지 잡다한
SK1 3.5mm 잭 소켓
회로 기판, 케이스, 배터리 등

광섬유 수신기 회로

기본 광섬유 수신기 회로 다이어그램은 아래 다이어그램의 상단 섹션에서 볼 수 있으며 출력 필터 회로는 수신기 회로 바로 아래에 그려져 있습니다. 수신기의 출력은 회색 선을 통해 필터의 입력과 결합 된 것을 볼 수 있습니다.

D1은 검출기 다이오드 , 누설 저항이 일종의 광 의존 저항 또는 LDR 효과를 생성하는 데 도움이되는 역 바이어스 설정에서 작동합니다.

R1은 부하 저항기처럼 작동하고 C2는 검출기 단계와 입력 증폭기 입력 사이에 링크를 생성합니다. 이것은 두 단계가 함께 작동하는 두 단계 용량 성 연결된 네트워크를 형성합니다. 공통 이미 터 방법.

이를 통해 80dB 이상의 우수한 전체 전압 이득을 얻을 수 있습니다. 상당히 강력한 입력 신호가 공급되면 Tr2 컬렉터 핀에서 적절하게 높은 출력 전압 발진을 제공하여 단 안정 멀티 바이브레이터 .

후자는 타이밍 요소처럼 작동하는 C4 및 R7과 함께 2 개의 2 입력 NOR 게이트 (IC1a 및 IC1b)를 사용하여 구축 된 표준 CMOS 유형입니다. 다른 IC1 게이트 몇 개는 사용되지 않지만, 입력이 이탈 픽업으로 인해 이러한 게이트의 잘못된 스위칭을 막기 위해 접지에 연결되는 것으로 볼 수 있습니다.

IC2a / b를 중심으로 구축 된 필터 단계를 참조하면 기본적으로 2/3 차 (옥타브 당 18dB) 필터 시스템이며 송신기 회로 . 이들은 직렬로 결합되어 총 6 극과 옥타브 당 36dB의 일반 감쇠율을 설정합니다.

“반도체는 도체와 절연체의 중간 성질을 가진 물질이다. ”

이는 최소 주파수 범위에서 약 100dB의 캐리어 신호 감쇠와 상대적으로 낮은 캐리어 신호 레벨의 출력 신호를 제공합니다. 광섬유 회로는 거의 1V RMS의 높은 입력 전압을 심각한 왜곡없이 처리 할 수 있으며 시스템의 단일 전압 이득보다 약간 낮은 수준으로 작업하는 데 도움이됩니다.

광섬유 수신기 및 필터 용 부품

저항기 (모두 1/4 와트 5 %)
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
R10 ~ R15 10k (6 개 꺼짐)
커패시터
C1 = 100µ10V 전해
C2 = 2n2 폴리 에스테르
C3 = 2n2 폴리 에스테르
C4 = 390p 세라믹
C5 = 1µ 63V 전해
C6 = 3n3 폴리 에스테르
C7 = 4n7 폴리 에스테르
C8 = 330pF 세라믹
C9 = 3n3 폴리 에스테르
C10 = 4n7 폴리 에스테르