Optický datový spoj s datovou rychlostí 100Mbps. Tomáš Kamenický

České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická

Bakalářská práce

Optický datový spoj s datovou rychlostí 100Mbps Tomáš Kamenický

Vedoucí práce: Ing. Josef Semrád

Studijní program: Elektrotechnika a informatika strukturovaný bakalářský Obor: Kybernetika a měření červen 2009

iv

Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval svým rodičům a přátelům, kteří mě podporovali po celou dobu realizace této práce. Dále bych rád poděkoval Ing. Josefu Semrádovi za vedení bakalářské práce, za jeho cenné rady, podklady, připomínky a především přátelský přístup a také Ing. Jiřímu Burianovi za spolupráci. v

vi

Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou bakalářskou práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady uvedené v přiloženém seznamu. Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu §60 Zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon).

V Praze dne 8.6. 2009

.............................................................

vii

viii

Abstract This bachelor thesis describes the theory of optical data connection, properties and resistance to interference. The advantages and disadvantages of solutions. Practical implementation, recovery and measurements of data transmision. The result of this work is a adequate manual for new electronics design of free space optics with 100Mbps bandwidth.

Abstrakt Tato bakalářská práce popisuje teorii přenosu dat pomocí optického paprsku, vlastnosti zařízení pro přenost dat pomocí optického paprsku a jejich odolnost proti rušení. Výhody a nevýhody řešení. Praktickou realizaci, oživení a měření přenosu dat. Výsledkem práce je plnohodnotný návod pro konstrukci elektroniky optického pojítka s datovou rychlostí 100Mbps.

ix

x

Obsah Seznam obrázku

xiv

Seznam tabulek

xv

1 Úvod 2 Teorie FSO 2.1 Základní blokové schéma FSO 2.1.1 Media konvertor . . . 2.1.2 Vysílač . . . . . . . . . 2.1.3 Přenosové médium . . 2.1.4 Rušení . . . . . . . . . 2.1.5 Přijímač . . . . . . . .

1

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

3 Výhody a 3.0.6 3.0.7 3.0.8

nevýhody řešení. Vnitřní sběrnice mezi média konvertorem a periferií Laser dioda vs. LED dioda . . . . . . . . . . . . . Fotodioda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.0.8.1 PIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.0.8.2 APD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.0.8.3 Fototranzistor . . . . . . . . . . . . . . . 3.0.8.4 Fotorezistor . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.0.8.5 MSN Fotodetektor . . . . . . . . . . . . . 3.0.8.6 Volba fotodiody . . . . . . . . . . . . . . 3.0.8.7 Náhradní linearní obvod fotodiody . . . . 3.0.9 Transimpedanční zesilovač . . . . . . . . . . . . . . 3.0.10 Limiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 Výběr součástek a schéma zapojení 4.0.11 Laser ADL-66201TL . . . . . . . . . 4.0.12 Budič laseru MAX3263 . . . . . . . 4.0.13 Limiter MAX3645 . . . . . . . . . . 4.0.14 Schéma zapojení vysílače . . . . . . 4.0.15 Transimpedanční zesilovač MAX3657 4.0.16 Fotodioda SFH2030 . . . . . . . . . 4.0.17 Schéma zapojení přijímače . . . . . . 4.0.18 Média konvertor RTL8305SC . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

3 3 3 4 5 6 7

. . . . . . . . . . . .

9 9 9 12 13 13 14 14 15 15 15 16 18

. . . . . . . .

19 19 20 21 22 24 25 25 27

5 Měření a oživení 31 5.0.19 Meření na vysílači. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.0.20 Měření na přijímači. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 5.0.21 Meření na ethernetu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 6 Závěr

37

7 Literatura

39

A Seznam použitých zkratek

41 xi

B Ukázka hotového předvýrobního kusu FSO

43

C Obsah přiloženého CD

45

xii

Seznam obrázků 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10

Základní blokové schéma FSO. . . . . . . . . . . . . Rozdíli v kódování vzhledem k přenosové rychlosti. . Ukázka zakódovaní dat pomocí kódu MLT3 . . . . . MLT3 průběh na 100Mbps lince. . . . . . . . . . . . Blokové schéma vysílače. . . . . . . . . . . . . . . . . Útlum záření pronikající atmosférou (vzduch 20◦ C). Problematika umístnění FSO a okolné rušení. . . . . Spektrum vlnových délek a jejich energie procházející Blokové schéma přijímače. . . . . . . . . . . . . . . . VA charakteristika fotodiody. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

3 3 4 4 5 5 7 8 8 8

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18

Pruběhy na zbernici PECL s postupnou filtrací harmonické. . . . . . . Schéma zapojení budiče sběrnice PECL . . . . . . . . . . . . . . . . . Zakončení obvodu sběrnice PECL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma zapojení terminálu PECL, varianta 1 . . . . . . . . . . . . . . Schéma zapojení terminálu PECL, varianta 2 . . . . . . . . . . . . . . Vyzařovací výkon závislosti na proudu protékající diodou LED a Laser. Přenosová rychlost LED a Laser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spektrální posuv světla na teplotě LD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Struktura PIN diody. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Struktura APD diody. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VA charakteristika fototranzistoru. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Struktura MSN diody. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Náhradní lineární obvod fotodiody. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VA charakteristika fotodiody a režim. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Typické zapojení TIA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Upravené zapojení TIA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a) Blokové schéma limiteru b) Schéma zapojeni bloku Ax . . . . . . . Přenosová charakteristika limiteru. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

9 10 10 10 10 11 11 12 13 14 14 15 15 16 17 17 18 18

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13

Korekční koeficient C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vnitřní zapojení budiče laseru MAX3263. . . . . . . Vnitřní zapojení limiteru MAX3645. . . . . . . . . . Schéma zapojení vysílače . . . . . . . . . . . . . . . . Vnitřní zapojení TIA MAX3657. . . . . . . . . . . . Doporučené zapojení obvodu MAX3657. . . . . . . . Schéma zapojení přijímače . . . . . . . . . . . . . . . Fotografie mediakonvertoru TP-LINK TR-962D. . . Zapojení pinů pro mediakonvertor TR-962D. . . . . . Detail rozebraného mediakonvertoru TR-962D. . . . Rozebraný mediakonvertor TR-962D. . . . . . . . . . Blokové schéma mediakonvertoru RTL8305SC. . . . Schéma zapojení mediakonvertoru RTL8305SC podle

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

20 21 22 23 24 25 26 27 27 27 27 29 30

5.1 5.2

Meření, 3.3V stabilizator U504. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Měření na kapacitě C504 (1,8V generovaných mediakonvertorem přes Q501). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Měření, odporový dělič R401 až R404. . . . . . . . . . . . . . . . . . Měření, odporový dělič R409 až R412. . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.3 5.4

xiii

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . atmosférou. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TR-962D.

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . tranzistor . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 31 . 32 . 32 . 33

5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11

Měření, laser D401 pin 1. . . . . . . . . . . . . . Měření, TIA, odporový delič R202 až R205. . . . Měření, limiter přijímače, odporový delič R211 až Měření, ethernet, transformator U502. . . . . . . Měření, ping, 2286 packetů po 1500 bajtů. . . . . Měření propustnosti, HotSaNiC hodinový traffic. Výpis programu iperf. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . R214. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

33 34 34 35 35 36 36

B.1 FSO elspeedy 200, vystaviste AMPER 2009 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 B.2 FSO elspeedy 200, vystaviste AMPER 2009 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

xiv

Seznam tabulek 2.1

Hodnota útlumu atmosféry na viditelnosti. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1

Nejvyšší přípustná expozice při přímém působení laserového záření na rohovku oka (přímí pohled do svazku). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nejvyšší přípustné ozáření rohovky oka při pozorování plošného laserového zdroje nebo laserového svazku po difúzním odrazu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nejvyšší přípustné ozáření při působení laserového záření na kůži. . . . . . . . . Srovnání parametrů diod SFH2332 a SFH2030 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2 4.3 4.4

xv

6

. 19 . 19 . 19 . 25

xvi

KAPITOLA 1. ÚVOD

1

1 Úvod FSO nebo-li Free Space Optics, je technologický pojem pro přenos optického signálu volným prostorem. Tento pojem známe především z laserových spojů, které fungují na bázi přímé viditelnosti, vyslaného a přijatého světelného paprsku. Při rychlém a mohutném rozvoji každé datové sítě jsou kladeny požadavky na vysokou datovou propustnost a nízkou časovou odezvu jednotlivých spojů. Právě tyto vlastnosti splňují optická zařízení. Díky světelnému, a ne elektromagnetickému šíření signálu, je tento spoj teoreticky nezarušitelný a ani neodposlouchávatelný. Při konstrukci a návrhu FSO je zapotřebí znát teorii, která se problematiky týká. Kromě teorie je také problém i praktická realizace, která vyžaduje předchozí zkušenosti z jiných návrhů. Proto jsou dnešní FSO spoje nákladné a tedy zatím málo používané. Cílem bakalářské práce je rešeršé stávajících řešení 100 Mbps optických dátových pojítek z hlediska přenosových vlastností a odolonosti proti rušení, popis výhod a nevýhod jednotlivých řešení, návrh a praktická realizace, bezpečnost a chybovost přenosu.

2

KAPITOLA 1. ÚVOD

KAPITOLA 2. TEORIE FSO

3

2 Teorie FSO 2.1

Základní blokové schéma FSO

Základní blokové schéma optického datového spoje je znázorněno na obrázku 2.1.

Obrázek 2.1: Základní blokové schéma FSO. Každý blok si samostatně popíšeme v následujících podkapitolách.

2.1.1

Media konvertor

Média konvertor je převodník mezi různými rozhraními datových sítí. Nejčastěji slouží pro vzájemné propojení optických a metalických datových linek. Na vstup převodníku přichází přes konektor RJ45 datový signál s přenosovým protokolem Ethernet, jehož kódováni je závislé na rychlosti přenosu dat. Následující obrázek ukazuje jednotlivé kódováni:

Obrázek 2.2: Rozdíli v kódování vzhledem k přenosové rychlosti.


4

Z obrázku 2.2 je patrné, že pro přenosovou rychlost 100 Mbps se používá pro přenos dat standard (IEEE 802.3u). Na rozdíl od 10 Mbps Ethernetu se už nepoužívá kódování Manchester, které pracuje pouze se dvěma úrovněmi signálu (např. + a - ). Místo toho používají standard (IEEE 802.3u), který nabývá tří možných úrovní (+, 0 -). Jde tedy již o signál tří úrovňový (MLT3), nikoli binární, který se sice složitěji detekuje, ale na druhou stranu má vyšší hustotu informace. Na stejném kmitočtu, jako používá protokol Manchester, lze přenést více informací. Toto je ovšem vhodné pro přenos dat po metalickém vedení, kde úrovně lze snadno detekovat. U optického přenosu, kde máme různou hodnotu vzdálenosti mezi dvěma uzly, ale také médium, jehož parametry se mění v čase, by tří úrovňový signál bylo technicky nákladnější detekovat. Proto je nutné použít převodník více úrovňového signálu na signál binární. Pro ukázku kódovaní informace za pomoci více úrovňového signálu (obrázek 2.3).

Obrázek 2.3: Ukázka zakódovaní dat pomocí kódu MLT3 Idealní průbeh tří úrovňového signálu je znázorněn na obrázku 2.4.

Obrázek 2.4: MLT3 průběh na 100Mbps lince.

2.1.2

Vysílač

V našem případě je vysílač zařízení, které převede binární signál ve formě elektrického napětí na jinou formu energie (světlo). Pro přenosovou rychlost 100Mbps (125 Mbaud) vychází základní harmonická na kmitočet 62,5 MHz. To znamená, že vysílač musí být schopen transformovat signál o maximálním kmitočtu 62,5 MHz na optický signál. Pro představu je zde základní blokové schéma vysílače (obrázek 2.5). Budič zesiluje vstupní úroveň signálu na úroveň potřebnou pro správnou funkci regulátoru. Regulátor řídí tok energie do zdroje světla na základě vstupní veličiny. V tomto případě logická


5

Obrázek 2.5: Blokové schéma vysílače. hodnota 0 (low) odpovídá minimální úrovni vyzářeného výkonu a logická hodnota 1 (high) odpovídá maximální úrovni vyzářeného výkonu. Tedy zdroj světla a jeho intenzita záření, bude odpovídat logické hodnotě a nastavení regulátoru. Zpětná vazba slouží k správnému řízení světelného zdroje, bez ní by vlivem náhodných podmínek (teplota okolí, druh zdroje. . . etc) mohlo dojít jednak k nesprávné funkci, případně ke zničení zdroje světla. Jako zdroj světla může být použit například svítívá dioda nebo laser. Požadavkem na přenosovou soustavu je, aby fázové zkreslení bylo až do přenášeného kmitočtu (základní harmonická) 62,5 Mhz zanedbatelné. 2.1.3

Přenosové médium

Přenosové médium je prostředí, ve kterém informace prochází. Pro optické sítě se jedná o optický kabel, konektor a kolimátor. Obdobné to je i u optického pojítka, s tím rozdílem, že optický kabel je nahrazen světelným paprskem ve volném prostoru a konektor s kolimátorem je nahrazen soustavou optických čoček. Tato soustava soustředí procházející světlo a tím zvyšuje zisk přenosové soustavy. Naopak nečistoty ve vzduchu (smog, déšť, sníh, mlha. . . etc) rozptylují paprsek světla, a tím zvyšují hodnotu útlumu signálu. Následující graf (obrázek 2.6) znázorňuje útlum atmosféry (teplota vzduchu 20◦ C).

Obrázek 2.6: Útlum záření pronikající atmosférou (vzduch 20◦ C). Jak je tedy patrné z grafu, nejnižší útlum je v oblasti viditelného spektra. Tři hlavní parametry jsou používány pro výpočet útlumu atmosféry, a to viditelnost, relativní vlhkost a teplota. Nejdůležitější parametr je viditelnost, též známá jako meteorologická vizuální vzdálenost. Je


6

definováná jako největší vzdálenost, při které lze rozeznat tvar objektu (při vlnové délce 550nm) oproti pozadí. Kontrast se liší pouze o 2% (detekovatélné lidským okem). Důvod proč právě vlnová délka 550nm je ten, že lidské oko má v této oblasti světelného spektra největší citlivost. Viditelnost tedy může být pomocí extinkčního koeficientu β definována jako: V =

3.91 |ln (0.02)| = [km] β550nm β550nm

(2.1)

Atmosférický útlum zapříčiněný mlhou a oparem muže být spočítán přes koeficienty rozptylu a absorpce. τa = e−(βabs +βscat )R ,

(2.2)

kde R je optická hloubka (délka optické trasy). Toto vyjádření je též známo jako Beerův zákon. Koeficient rozptylu pro mlhu muže být spočítán z rovnice 2.1. βscat (λ) =

3.91 V

λ 0.55

−δ

km−1 ,

(2.3)

kde δ je parametr kvality viditelnosti. Dobrá viditelnost (přes 50km) je dána hodnotou δ = 1.6. Střední kvalita viditelnosti (mezi 6-50km) je přiřazena hodnota δ = 1.3 a nízké kvalitě viditelnosti (pod 6km) je dán vztah 2.4. √ 3 δpoor = 0.585 V

(2.4)

Problém je, že ani jedno z vyjádření nebo vztahů mezi útlumem a viditelností nezahrnuje velikost kapky aerosolu. Alternativou pro simulaci a výpočet, je program Simulight, který zahrnuje i velikost kapek aerosolu. Simulace je založena na reálném měření a výše zmíněných vztazích 2.1 až 2.4. Dále si ukážeme tabulku útlumu atmosféry v závislosti na vzdálenosti respektive viditelnosti: Viditelnost [km] 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5

Utlum λ=800nm [db/km]

Utlum λ=1500nm [db/km]

32,5 23 18 14,5 12 10

30,8 21 16 12,5 10 8,33

Tabulka 2.1: Hodnota útlumu atmosféry na viditelnosti. Hodnoty v tabulce 2.1 jsou odvozeny od viditelnosti lidského oka na vlnové délce 550nm. 2.1.4

Rušení

Na přijímač z přenosového média přichází mimo užitečný signál z vysílače i rušení ve formě nežádoucího světla. Typickým rušením může být záření od slunce, z pouličních lamp, modrý šum. . . etc. V přenosové soustavě se toto rušení projevuje aditivně, tedy k hodnotě užitečného


7

signálu z vysílače se přičte hodnota úrovně rušení. Pokud se hodnota úrovně rušení blíží hodnotě užitečného signálu, pak dojde ke špatné detekci užitečného signálu na straně přijímače a následné ztrátě informace. Výpočet poměru signál šum pro přijímací fotodiodu se provadí přes Kotzin a Van den Heuvel-olu definici 2.5. (n.Ps )2 S = N 2.e.n.B. (Ps + Pb + Po ) +

4.k.T.B R

(2.5)

kde n je konverzní efektivita diody [A/W], Ps je záření vysílače dopadající na fotodiodu ve Wattech, B je šířka přenosového pásma [Hz], Pb je záření pozadí dopadající na fotodiodu ve [Wattech], Po je „Temný proud” (dark current) ekvivalentní ve [Wattech] a R je zatěžovací odpor [Ω]. Je tedy důležité navrhnout optickou soustavu tak, abychom maximálně omezili hodnotu rušení. Typickou ochranou například proti slunci je stínítko, které brání průniku nežádoucího světla do vstupu optického pojítka. Při instalaci optického pojítka je třeba vzít v úvahu pohyb slunce po obloze, aby nedocházelo k oslepení optického pojítka slunečními paprsky. Následující obrázek 2.7 znázorňuje problematiku.

Obrázek 2.7: Problematika umístnění FSO a okolné rušení. Další ochranou je vhodná volba vlnové délky světla. Diky zemské atmosféře jsou některé vlnové délky slunečního záření potlačovány více a některé méně. Graf (obrázek 2.8) zobrazuje spektrum vlnových délek a jejich energii dopadající na plochu. Z grafu (obrázek 2.8) je vidět, že oblast v okolí 500 nm je zarušena nejvíce a oblast v okolí 1400 nm nejméně. Volba vlnové délky závisí na dostupné technologie zdroje světla a přijímače. Zdroj světla a přijímač, pracující na vyšších vlnových délkách, jsou cenově dražší. Je třeba brát v úvahu i materiál použitý pro výrobu čoček. Každé rozhraní vzduch - materiál, materiál vzduch způsobuje útlum vlivem odrazů (a nerovností) a tento útlum je navíc závislý na vlnové délce záření.

2.1.5

Přijímač

Přijímač je blok, který převádí energii světelného záření na energii elektrickou. Základní blokové schéma přijímače je na obrázku 2.9. Fotodioda je elektronická součástka, která převádí dopadající záření na elektrickou energii. Jedná se o diodu pracující v III. nebo IV. kvadrantu volt-ampérové charakteristiky (obrázek 2.10).

8


Obrázek 2.8: Spektrum vlnových délek a jejich energie procházející atmosférou.

Obrázek 2.9: Blokové schéma přijímače.

Obrázek 2.10: VA charakteristika fotodiody. To znamená, že dioda muže pracovat jako zdroj proudu, ale také jako zdroj napětí. Podle toho, v jakém režimu diodu provozujeme, volíme zapojení předzesilovače. Předzesilovač má za úkol přijímaný signál zesílit a převést proud generovaný fotodiodou na napětí. Úroveň výstupního signálu se stabilizuje za pomoci limiteru. Limiter je blok, který na základě síly signálu nastavuje hodnotu svého zesílení a tím výstupní úrovně stabilizuje na požadovanou hodnotu. Tento prvek zaručuje dynamiku celé přenosové soustavy. Tzn., že zařízeni bude fungovat pro široký rozsah útlumu atmosféry. Jak u vysílače, tak u přijímače platí, že celá přenosová soustava musí mít zanedbatelné fázové zkreslení v celém pracovním rozsahu až do maximálního kmitočtu (základní harmonická) 62,5 MHz.

KAPITOLA 3. VÝHODY A NEVÝHODY ŘEŠENÍ.

9

3 Výhody a nevýhody řešení. 3.0.6

Vnitřní sběrnice mezi média konvertorem a periferií

Vysílač a přijímač optického paprsku pracuje s kódováním Manchester, které je založeno na principu detekce přechodu mezi dvěma úrovněmi napětí. Nejlépe tomuto požadavku vyhovuje obvodová logika standardu PECL. V klidovém stavu (bez přenosu informace) je zajištěna aktivita linku z definice kódováni Manchester. PECL (positive-referenced emitter-coupled logic) je speciální typ symetrické sběrnice s diferenciálním výstupem. Přenos informace po symetrické sběrnici se děje změnou polarity napětí, která odpovídá logické hodnotě. Díky definici kódovaní Manchester, který zajištuje střídaní logických úrovní, se vytváří pouze dva základní harmonické kmitočty. Použitím sběrnice PECL a kódovaní Manchester stačí k přenosu dat pouze základní harmonické kmitočty. Obrázek 3.1 objasňuje situaci.

Obrázek 3.1: Pruběhy na zbernici PECL s postupnou filtrací harmonické. Na obrázku je znázorněn průběh s postupným se přidávaním vyšších harmonických. Dále je na průběhů patrný konstantní čas protnutí. PECL vedení (obrázky 3.2 až 3.5) je zakončeno diferenciální impedancí 100Ω a 50Ω proti zemi. Toto zakončení zaručí impedanční přizpůsobení a tedy i vedení bez odrazů. Při návrhu plošného spoje je třeba dbát na dodržení impedance vedení, které v tomto případe má být 50Ω. 3.0.7

Laser dioda vs. LED dioda

Abychom mohli správně vybrat součástku, která vyhovuje naším účelům, je nezbytné pochopit princip fungování součástky a závislosti na různé vlivy. V kapitole pro vysílač je popsána základní struktura, která převádí elektrický signál na světelné záření. Zdrojem světelného záření může být:


10

Obrázek 3.2: Schéma zapojení budiče sběrnice PECL

Obrázek 3.3: Zakončení obvodu sběrnice PECL

Obrázek 3.4: Schéma zapojení terminálu PECL, varianta 1

Obrázek 3.5: Schéma zapojení terminálu PECL, varianta 2

(1) light-emitting diode (LED) anebo (2) laser diode (LD). Jeden z nejdůležitějších parametrů optického zdroje je vyzařovaný výkon, kterého úroveň nesmíme překročit, jinak by mohlo dojít k ohrožení zdravý a to zejména nenávratným poškozením zraku. Na tyto součástky hledíme jako na aktivní komponenty v optickém komunikačním systému. Na obrázku 3.6 je znázorněna závislost vyzařovacího výkonu v závislosti na proudu protékající diodou. Oba zdroje se vyznačují dostatečnou svítivostí, malým rozměrem, nízkonapěťovým řízením a jsou schopny vyzařovat potřebnou vlnovou délku nebo potřebný rozsah vlnových délek. Výběr jednoho nebo druhého zdroje světla tedy závisí na konkrétní aplikaci, neboť jejich charakteristiky jsou zcela odlišné (viz graf 3.6). Z grafu je tedy patrné, že v pracovní oblasti (0-125mA) LED diody je lineární odezva až do velkých proudů, kde se projevuje značná nelinearita (dochází k destrukci součástky). Pracovní oblast laseru je definována po překročení proudového prahu, kdy dochází k emisi koherentního světla. Linearní závislost je důležitá pro analogové systémy. Z hlediska příkonu jsou oba zdroje na tom stejně (10mW-20mW), ovšem laser dioda je teplotně více citlivá než LED. Tento jev je patrný i z grafu, kde s rostoucí teplotou pro konstantní proud klesá vyzařovaný výkon. Například když provozujeme laser na výkonu 2mW při 30◦ C potřebujeme 70mA, ale při zvýšení teploty na 80◦ C již je nutno 130mA pro dodržení stejného výkonu. Dalším důležitým aspektem, na který je potřeba brát zřetel je přenosová rychlost aplikace. Laser je o několik řádů rychlejší než LED. Faktem je že náběžná hrana LED diody je dána spontánní


11

Obrázek 3.6: Vyzařovací výkon závislosti na proudu protékající diodou LED a Laser. emisí materiálu, kdežto náběžná hrana laser diody závisí na stimulační doby emise. LED diody mají také velkou kapacitu, což znamená, že jejich modulační rychlost je v oblasti 10-100MHz. Následující graf (obrázek 3.7) porovnává přenosové rychlosti zdrojů.

Obrázek 3.7: Přenosová rychlost LED a Laser. Dalším faktorem který je při návrhu důležitý, je změna teploty v niž zdroj světla pracuje. Při změně teploty dochází k spektrálnímu posuvu vyzařovaného světla. Typicky má laser dioda menší náchylnost na posuv než LED dioda. Tyto změny ovšem mohou být kompenzovány například regulovaným peltierovým článkem s chladičem. Ovšem toto řešení vyžaduje také více elektroniky než by bylo třeba pro LED diodu. Následující graf (obrázek 3.8) znázorňuje spektrální posuv světla na teplotě. Nejvhodnějším zdrojem pro naše účely, po zhodnocení všech faktorů, je laser dioda. Především o tom rozhodla přenosová rychlost.


12

Obrázek 3.8: Spektrální posuv světla na teplotě LD. 3.0.8

Fotodioda

Nyní je na řadě výběr správné fotodiody, neboť těchto součástek je několik druhů. Každá součástka využívá jiného principu převodu světelného záření na elektrický signál. Požadavkem je, aby přijímač byl schopen přijímat signál o nízké úrovni bez velké chybovosti. Následující kritéria definují základní požadavky na fotodiodu: • Vysoká citlivost na dané vlnové délce • Vysoká přesnost, pro reprodukci přijímaného signálu • Velká plocha čipu pro detekci • Velká odezva na malý vstupní signál • Krátká odezva, pro větší šířku pásma • Minimální šum • Časová a teplotní stabilita převodních charakteristik • Velký přijímací úhel • Nízké závěrné napětí, respektive malá kapacita přechodu • Velká spolehlivost, životnost a nízká cena V základě máme pět druhů fotodiod, které můžeme použít pro návrh FSO: • Avalanche photodiode (APD) • Fototranzistor • Fotorezistor


13

• PIN fotodioda • MSN fotodetektor APD a PIN diody jsou používané nejčastěji. Nejdříve si ale popíšeme základní strukturu PIN diody. 3.0.8.1

PIN

Již v názvu se nám naznačuje struktura diody. Tedy nejedná se obyčejný PN přechod. Mezi vrstvy P a N se doplňuje vrstva I, která je relativně tlustá oproti tenkým vrstvám P a N. Tímto se docílí vetší vyprázdněné oblasti, díky které mají pak diody malou kapacitu a převládá u nich driftový pohyb nosičů náboje. Dioda je konstruována tak, aby světlo dopadalo čelně na strukturu diody. Někdy se také využívá odrazu světla od zadní stěny diody. Oblast pro genezi nosičů je oblast I, kde je soustředěno velké napětí, které je schopno vygenerovaný nosič odvést. Výhodou je široká absorpční oblast, malá kapacita přechodu. Proto je tato dioda využitelná do vyšších přenosových rychlostí. Malé kapacitě také odpovídá rychlý pohyb nosičů ve struktuře. Následující obrázek 3.9 znázorňuje strukturu PIN diody.

Obrázek 3.9: Struktura PIN diody.

3.0.8.2

APD

Pro zvýšení dosahu je třeba zvolit citlivější fotodiodu. Proto byla navržena APD dioda, která má vysokou citlivost a rychlou odezvu. Základ APD diody tvoří PIN dioda s velkým závěrným napětím (20-100V). Toto závěrné napětí způsobuje zesílení uvnitř diody a urychluje vzniklé nosiče náboje natolik, že pri srážce s mřížkou krystalu polovodiče dojde k vyražení dalších elektronu. Dojde k lavinové reakci. Výhoda vlastního zesílení je vykoupena náročnější konstrukcí fotodiody a nutností polarizace diody vysokým napětím. K tomu je zapotřebí kvalitní stabilizovaný zdroj napětí o velikosti pro Ge diody řádově desítky voltů a pro Si diody řádově stovky voltů, přičemž konkrétní hodnota napětí je pro každou diodu, i ze stejného materiálu, různá. Následující obrázek 3.10 znázorňuje strukturu APD diody.


14

Obrázek 3.10: Struktura APD diody.

3.0.8.3

Fototranzistor

Fototranzistor je bipolární křemíkový tranzistor, jehož emitorový přechod je přístupný světlu. Zapojuje se společným emitorem, vnější zdroj se připojuje mezi kolektor a emitor tak, aby kolektorový přechod byl polarizován závěrně. Báze zpravidla nebývá vyvedena. Princip spočívá v tom, že emitorový přechod je otvírán osvětlením, počet uvolněných nosičů se zvětšuje úměrně s osvětlením a je zesilován jako proud báze v bipolárním tranzistoru. Vlivem tohoto zesilovacího účinku mají fototranzistory větší citlivost na osvětlení než fotodiody. Neozářeným fototranzistorem prochází kolektorový proud, zvaný proud za temna I0 , který je určen zbytkovým proudem tranzistoru ICE0 . Voltampérové charakteristiky mají tvar výstupních charakteristik bipolárního tranzistoru (obrázek 3.11), parametrem je zde namísto proudu báze osvětlení E.

Obrázek 3.11: VA charakteristika fototranzistoru.

3.0.8.4

Fotorezistor

Fotorezistor je dvojpól, jehož odpor výrazně závisí na ozáření. Materiálem na výrobu fotorezistorů bývá sirník nebo selenid kademnatý. Nemění-li se ozáření fotorezistoru, zůstává i jeho odpor stálý a voltampérové charakteristiky tvoří soustavu s parametrem osvětlení. Závislost odporu fotorezistoru na osvětlení je přibližně logaritmická. Všechny fotorezistory jsou oproti ostatním fotoelektrickým součástkám velmi pomalé. Doba náběhu a doběhu se podle materiálu a technologie pohybuje od 100ms do 100s. Pro naše účely tedy nepoužitelné.

KAPITOLA 3. VÝHODY A NEVÝHODY ŘEŠENÍ. 3.0.8.5

15

MSN Fotodetektor

Jedná se o nový typ detektorů, které se dnes používají velmi zřídka, ale vzhledem ke své jednoduchosti je předpoklad, že se tento typ fotodetektorů prosadí. Tento typ fotodetektoru využívá planární technologii výroby, která je technologicky velmi dobře zvládnutá z výroby integrovaných obvodů. Díky planární technologií mají tyto detektory velmi malou kapacitu a tím velmi rychlou odezvu. Dnešní detektory se pohybují kolem 300GHz. Jejich velkou nevýhodou je zas nízká citlivost na vstupní výkon.

Obrázek 3.12: Struktura MSN diody.

3.0.8.6

Volba fotodiody

Po zhodnocení všech faktorů se APD dioda jeví jako nejvhodnější. Nicméně je také znám i fakt, že tato dioda vyžaduje velké závěrné napětí, které musí být regulováno vzhledem k provozní teplotě této diody. Měnící se teplota APD diody posouvá závěrné napětí a bez zpětné vazby by mohlo dojít k průrazu nebo k ztrátě citlivosti což by mělo za následek rozpojení přenosové soustavy. Konkurentem i pro tyto kmitočty je obyčejná PIN dioda, která je o něco pomalejší a méně náročná pro provoz. Pro dostatečné snížení kapacity PIN diody postačuje řádově jednotky voltů, navíc toto napětí je dostatečně daleko od závěrného napětí a tedy PIN dioda při vhodném zapojení bude minimálně měnit svoje parametry vztaženo na teplotu. Protože na trhu existuje PIN dioda, jejichž kapacita je méně než 20pF, tak pro naše účely bude dostačující. 3.0.8.7

Náhradní linearní obvod fotodiody

K samotnému příjmu nestačí jenom vhodná volba fotodiody, ale i správné zapojení a vhodný zesilovač. K správnému zapojení je potřeba i ekvivalentní náhradní lineární obvod fotodiody (obrázek 3.13).

Obrázek 3.13: Náhradní lineární obvod fotodiody. , kde IL je proud generovaný světlem, ID je diodový proud, CJ je kapacita přívodů (PN přechodu), Rsh je svodový odpor, RS je odpor přívodů, I je svodový proud, VD je napětí na diodě, IO je výstupní proud a VO je výstupné napětí.


16

Podle náhradního schématu můžeme výstupní proud spočítat jako:

e.VD − 1 − I ...... IO = IL − ID − I = IL − IS . exp kT

(3.1)

, kde IS je reversní saturační proud fotodiody, e je náboj elektronu, k je Boltzmanova konstanta a T je absolutní teplota fotodiody. Otevřené napětí spočítáme tehdy, když proud IO = 0. Pak VO dostaneme jako:

VOC =

IL − I kT . ln + 1 ....... e IS

(3.2)

Ze vztahu 3.2 je tedy patrná závislost na teplotě. Zatím co IS roste exponenciálně vzhledem k teplotě (zanedbáme-li I ) tak VOC je závislé proporcionálně na teplotě a logaritmu proudu. Tyto vztahy ovšem neplatí tak přesně pro malé hodnoty intenzit světelného záření, neboť nepočítá s odporem Rsh a RS . Ovšem RS je typicky v řádě jednotek ohmů a Rsh je 107 − 1011 ohmů, tak tyto parametry jsou zanedbatelné pro široký rozsah intenzit. Z náhradního schématu je dále patrné, jak zátěž RL ovlivňuje chování diody (napěťový nebo proudový režim). Následující charakteristika (obrázek 3.14) znázorňuje ovlivnění citlivosti a režimu fotodiody vzhledem na impedanci RL a závěrného napětí VR .

Obrázek 3.14: VA charakteristika fotodiody a režim.

3.0.9

Transimpedanční zesilovač

Abychom fotodiodu dostali do požadovaného režimu a zároveň přijímaný signál patřičně zesílili, potřebujeme transimpedanční zesilovač. Proud generovaný diodou teče do transimpedančního zesilovače (TIA) s přenosovou impedancí řádově desítek kiloohmů. Jedná se vlastně o převodník proud/napětí. Typické zapojení je na obrázku 3.15. V tomto případe je „zisk” neboli „transimpedance” rovna Rf . Výstupné napětí je podle schématu dáno jako: Vout = −Iin .Rf

(3.3)


17

Obrázek 3.15: Typické zapojení TIA. Ovšem fotodioda podle náhradního schématu má i značnou kapacitu Cj , která ovlivňuje parametry takto navrženého zesilovače. Problémem je, že když zvolíme Rf příliš vysoké, potom zisk bude velký, ale časová odezva τ = Rf .Cj bude pomalá. Jestliže zvolíme Rf příliš malé, dostaneme malou časovou odezvu τ , ale poměr SNR bude zase horší až nepřijatelný. Další problém je, že takto zapojení zesilovač osciluje, důvodem je vstupní kapacita OZ. Částečné řešení pro tyto problémy je malá úprava zapojení (obrázek 3.16).

Obrázek 3.16: Upravené zapojení TIA. Dlouhé roky se pro toto schéma definoval zjednodušený optimalizační vztah 3.4. Cf .Rf = CIN .RIN

(3.4)

Takže když Rf = RIN = 1M Ω a vstupní kapacita OZ CIN = 10pF , tak se jednoduše přidávala k Rf kapacita Cf = 10pF . V praxi však zjistíme, že optimálních výsledků dosáhneme i s mnohem menší kapacitou. Pravidla pro dobrou optimalizaci jsou následující:

Rf + 1 ≥ 2. GBW.Rf .Cd RIN

(3.5)

Pak Cf =

2

Cd Rf RIN +

1

(3.6)

Ale když

Potom by kapacita mněla být:

Rf + 1 < 2. GBW.Rf .Cd RIN

(3.7)


18

Cf =

Cd GBW.Rf

(3.8)

, kde GBW je jakostní číslo zesilovače (součin zisku a šířky pásma). 3.0.10

Limiter

Abychom nemněli na výstupu přijímače proměnlivou amplitudu, musíme signál z transimpedančního zesilovače normalizovat do stabilní úrovně. Nesmí docházet ke kolísaní amplitudy vzhledem k útlumu optické trasy. Je tedy nutné přidat Automatic Gain Control – AGC člen, který je v limiteru zahrnut. Prakticky se jedná o OZ s proměnlivým ziskem, který je řízen vstupní nebo výstupní hladinou amplitudy zesilovaného napětí. Častokrát se s ním setkáme v rádio a audio technice. Typické zapojení limiteru je na obrázku 3.17.

Obrázek 3.17: a) Blokové schéma limiteru b) Schéma zapojeni bloku Ax Takto zapojený limiter nám dá typický přenos podle obrázku 3.18.

Obrázek 3.18: Přenosová charakteristika limiteru. Jak je znázorněno na převodové charakteristice, tak se zvyšujícím se signálem na vstupu se mění úhel převodové charakteristiky a tím i zisk zesilovače. Této architektuře se také někdy říká Cherry-Hooperova architektura vyvinutá již v roce 1960. Tyto zesilovače dosahují také velkých zesílení (60-80dB) díky kaskádovitému zapojení.

KAPITOLA 4. VÝBĚR SOUČÁSTEK A SCHÉMA ZAPOJENÍ

19

4 Výběr součástek a schéma zapojení Stejně tak, jak je důležitý výběr správné technologie a zapojení, tak je i důležitý správný výběr součástek pro realizaci optického pojítka. Je zapotřebí pečlivě vybírat součástky podle parametrů, dostupnosti a ceny. Je třeba o součástce vědět zda je vhodná do nových návrhů nebo její výroba bude v určitém čase ukončena. Proto výrobci součástek dávají možnost objednat vzorky nových obvodů k testovacím a vývojovým účelům zadarmo. Tuto praxi provozují již známé firmy jako Maxim, Texas Instruments, National semiconductor a jiný. 4.0.11

Laser ADL-66201TL

K výběru správných optických součástek je třeba rozhodnou o použité vlnové délce. Vzhledem k tomu že nejlevnější a nejdostupnější součástky (laser, fotodioda) jsou v oblasti viditelného spektra, tak se tedy rozhodlo o oblasti vlnové délky 650nm (červené světlo). Cena laseru odpovídá jeho výkonu a životnosti. Výkon laseru musí být dostatečný pro samotnou realizaci přenosu. Nicméně příliš výkonné lasery vyžadují také vetší plochu optiky. Důvodem je intenzita záření, která je podle hygienických směrnic (Sbírka zákonů č.480/2000 o ochraně zdraví před neionizujícím zářením) rozdělena do několika tříd. Následující tabulky (4.1 až 4.3) jsou výňatkem ze sbírky zákonů pro naši spektrální oblast: Doba působení t[s] \ Vlnová délka λ[nm] 550-700

<

1ps

5 M W /m2

1ps - 18us

18us-10s

10s-500min

5 mJ/m2

18.t0,75 J/m2

10.C3 mW/m2

Tabulka 4.1: Nejvyšší přípustná expozice při přímém působení laserového záření na rohovku oka (přímí pohled do svazku). Doba působení t[s] \ Vlnová délka λ[nm] 550-700

<

1ps

100 M W r/m2 .s

1ps - 10s

10s-166min

166min-500min

t0,33 kJr/m2 .s

210 kJr/m2 .s

21.C3 W r/m2 .s

Tabulka 4.2: Nejvyšší přípustné ozáření rohovky oka při pozorování plošného laserového zdroje nebo laserového svazku po difúzním odrazu. Doba působení t[s] \ Vlnová délka λ[nm] 400-1400

<

1ps

200 M W/m2

1ps - 100ps

100ps-10s

10s-500min

200 J/m2

11.t0,25 kJ/m2

2000 W/m2

Tabulka 4.3: Nejvyšší přípustné ozáření při působení laserového záření na kůži. V našem případe (obrázek 4.1) je tedy korekční koeficient C3 = 30. Z toho tedy plyne, že z optického pojítka vystupuje koherentní svazek takového průměru, aby při přímém pohledu do svazku neprošlo rohovkou víc než 300mW/m2 . To znamená mimo jiné i to, že volba výkonu laserů závisí také i na průměru vyzařovaného svazku. Vhodnou volbou, pro naší konstrukci je tedy 20mW laser ADL-66201TL, který lze provozovat i na nižším výkonu.


20

Obrázek 4.1: Korekční koeficient C3 . 4.0.12

Budič laseru MAX3263

Budič laseru, jak již bylo popsáno dříve, reguluje proud přes PN přechod za pomoci vestavěné PIN diody v laseru. Abychom zabezpečili plné využití výkonu laseru musí tento budič krom zvládnutí kmitočtu zvládnout i výkon. Při výběru budiče musíme zejména dbát na parametry jako jsou: • Maximální modulační proud • Maximální proudový offset • Rozsah pracovních teplot • Maximální kmitočet Po srovnání všech dostupných obvodů jsem nakonec zvolil obvod MAX3263 (obrázek 4.2). Tento obvod využívá na vstupu diferenciální sběrnici. Signál na vstupu řídí otvíraní tranzistorů, které pak připojují zdroj proudu buď na výstup OUT+ nebo OUT- podle vstupní polarity mezi Vin+ a Vin-. Diky tomuto přepínaní je zdroj proudu IMODSET pořád zatížen a tedy řízení proudu tak velmi přesné. Pomocí odporu ROSADJ nastavíme tzv. overshoot tedy překmit (kvůli kapacitě laser diody která pak způsobuje pomalou náběžnou hranu). Odporem RMODSET pak nastavujeme modulační proud. Odporem RBIASSET nastavujeme proudový offset laser diody (je to určitá hranice proudu kdy světlo z laseru přechází z diodového difúzního světla na koherentní laserové světlo). Zpětnou vazbu zabezpečuje vestavěná PIN dioda v laseru. Tato PIN dioda pracuje v proudovém režimu, kde zdroj proudu IPINSET vytváří konstantní proud tak, aby úbytek napětí na PIN diode odpovídal nastaveným referencím uvnitř obvodu. Tedy při osvícení PIN diody vychází proud z anody a dále pokračuje přes zdroj IPINSET. Při poklesu


21

Obrázek 4.2: Vnitřní zapojení budiče laseru MAX3263. osvícení PIN diody, dojde k poklesu napětí na zdroji proudu vlivem konstantního proudu nastaveného odporem RPINSET. Pokud toto napětí poklesne pod úroveň 2,6V tak se komparátor přepne a na FAILOUT dostaneme logickou hodnotu low. Mimo jiné je to indikátor špatně nastaveného rozsahu (pomoci RPINSET), ale především hlášení o vadné laser diode. Toto napětí dále po zesílení a převodu na proud za pomoci TRANSCONDUCTANCE AMPLIFIER řídí proudový ofset, který jak již víme se s teplotou pro laser diodu mění. Aby se obvod nerozkmital vlivem řízeni přes PECL, je k PIN diodě paralelně připojen kondenzátor tak, aby hodnota tohoto napětí odpovídala průměrnému osvitu. Obvod je napájen 5V. Má také i funkci Slow Start pro pomalé buzení laseru a také vypínací vstupy pro Standby mode. Maximální modulační proud je 30mA a ofsetový proud až 60mA. Odpory lze snadno určit z grafu, které nalezneme v podrobné dokumentaci obvodu a jako digitální přílohu této práce.

4.0.13

Limiter MAX3645

Aby tento budič laseru pracoval správně, potřebuje na vstupu definované diferenciální napětí. Vzhledem k tomu, že na vedení mezi média konvertorem a budičem laseru může dojít k značnému úbytku napětí, vlivem návrh konstrukce, jsem použil mezi budič laseru a média konvertor limiter. Stejný limiter byl použit jako budič pro přijímač. Pro správný výběr limiteru požadujeme tyto vlastnosti:


22

• Šířka přenosového pásma, zejména horní a dolní kmitočet • Celkové zesílení a dynamika • Vstupní napěťová citlivost (čím menší, tím lepší) Po srovnání všech dostupných limiterů, různých výrobců, jsem vybral obvod MAX3645 (obrázek 4.3).

Obrázek 4.3: Vnitřní zapojení limiteru MAX3645. Tento obvod má zesílení až +74dB při vstupním napětí na zem 0,1mV (peak to peak) DIN+ a DIN- při RTH (pin TH) = 100ohmů. Pomocí TH nastavujeme zesílení první úrovně a tím i hladinu signálu při které se indikuje tzv. LOS (Loss-Of-Signal) tedy ztráta vstupního signálu. Komparátor s hysterezí 2dB zabezpečuje stabilitu LOS před přepínáním při dosažené hladině. Kapacitou na pin CSD určujeme minimální dobu, po kterou musí být signál pod úrovní aby došlo k signalizaci LOS. Hlášení LOS muže být propojeno s pinem DIS, tím zajistíme automatické zablokovaní výstupu při ztrátě signálu, tedy pin DIS blokuje výstup poslední úrovně zesilovače do stavu DOUT+=low a DOUT-=high. Připojením kapacity mezi piny CAZ1 a CAZ2 nastavujeme frekvenci horní propusti. Mimo jiné tím nastavujeme offsetovou korekci vstupního signálu. Obvod muže být napájen 5V nebo 3,3V.

4.0.14

Schéma zapojení vysílače

Zapojení jednotlivých obvodu je dle doporučení výrobců. Hodnoty odporů a kapacit pro nastavení parametrů obvodů jsou vyčteny z grafu v technické dokumentaci.


Obrázek 4.4: Schéma zapojení vysílače

23


24 4.0.15

Transimpedanční zesilovač MAX3657

K stavbě modulu přijímače nám už jen schází výběr transimpedančního zesilovače. Pro správný výběr zesilovače musíme dbát na následující parametry: • Zesílení (poměr výstupného napětí a vstupního proudu) • Maximální kmitočet • RMS hustota šumu (čím méně tím lépe) Vhodnou volbou pro naše účely je obvod MAX3657 (obrázek 4.5).

Obrázek 4.5: Vnitřní zapojení TIA MAX3657. Do vstupu IN teče proud z diody generovaný zdrojem světla. Tento proud je převeden přes rezistor RF na napětí. Antiparalelně zapojené shotkyho diody slouží pro snížení zisku při velkých vstupních proudech. Dále je toto napětí diferenciálně zesíleno napěťovým zesilovačem. Výstupním buzením je pak impedančně přizpůsobeno na vedení PECL (piny OUT+ a OUT-). Na odporu RMON dostáváme úbytek napětí který odpovídá stejnosměrné složce dopadajícího světla na fotodiodu. Tato hodnota (signál) se generuje z výstupu přes diferenciální dolní propust s převodem na proud který se následně sečte se vstupním proudem přes pin IN. To znamená že tento blok eliminuje působení stejnosměrné složky. Obvod je napájen 3,3V a má až 54kΩ zesílení (při vstupu 5uA má na výstupu 150mV peak-to-peak).


25

Obrázek 4.6: Doporučené zapojení obvodu MAX3657. 4.0.16

Fotodioda SFH2030

Jako vhodnou PIN diodu sem volil SFH2030. Jejím lepším konkurentem je SFH2332 nebo SFH2302. Ovšem tato dioda je na českém trhu nedostupná, jinými slovy je zapotřebí zakoupit minimální objednávkové množství 1000ks. Vzorky této diody také nejsou k dispozici. V tabulce 4.4 můžeme srovnat nejdůležitější parametry zmíněných fotodiod.

Závěrné napětí Vr [V] Citlivost [A/W] při √ 650nm Šumový výkon [W/ Hz] Kapacita při Vr=0V [pF] Kapacita při Vr=5V [pF] Doba náběžné hrany při Vr=5V, RL=50Ω [ns]

SFH2332 15 0,49 8,2.10−15 4,5 2,2 1,6

SFH2030 50 0,44 2,9.10−14 11 3,3 5

Tabulka 4.4: Srovnání parametrů diod SFH2332 a SFH2030 Následující strana zobrazuje schéma zapojení přijímacího modulu s použitou diodou SFH2030. 4.0.17

Schéma zapojení přijímače

26


Obrázek 4.7: Schéma zapojení přijímače

KAPITOLA 4. VÝBĚR SOUČÁSTEK A SCHÉMA ZAPOJENÍ 4.0.18

27

Média konvertor RTL8305SC

Nyní již máme přijímač i vysílač, které je třeba připojit k média konvertoru. Jelikož obvodů pro převod signálů je velká řada, rozhodl jsem se použít ze snadno dostupných převodníku na trhu. Výrobci těchto převodníků jsou například: TP-LINK, LINKSYS, EDIMAX, 3COM, CISCO. . . etc. Nejdostupnější je TP-LINK TR-962D (obrázek 4.8).

Obrázek 4.8: Fotografie mediakonvertoru TP-LINK TR962D.

Obrázek 4.9: Zapojení pinů pro mediakonvertor TR-962D.

Po otevření krytu nalezneme obvod RTL8305SC (obrázek 4.10).

Obrázek 4.10: Detail rozebraného mediakonvertoru TR-962D.

Obrázek 4.11: Rozebraný mediakonvertor TR-962D.

Schéma zapojení média konvertoru podle TP-LINK TR-962D je na obrázku 4.13. Obvod RTL8305SC je ve své podstatě 5 portový switch. Při návrhu nastavujeme obvod pomocí pull up nebo pull down odporama. Pracuje na kmitočtu 25MHz za pomoci externího krystalu. Vyžaduje 3,3V napájení. Má vestavený spínaný zdroj pro 1,8V pracující na kmitočtu 20-30kHz. Pro ethernet vyžaduje oddělovací bezpečnostní transformátor. Zapojení pro optickou část je na obrázku 4.9. Každý port převodníku pracuje samostatně nezávisle na ostatních. Tyto porty se združují do dvou skupin, kde jedna skupina se definuje jako porty pro ethernet a druhá jako porty pro optické linky. Obvod podporuje částečně i funkci QoS. Za pomocí LED diod signalizuje aktivitu linku, přenosovou rychlost, duplex a hlavně aktivní spojení s druhou stranou. Diky MAC interfacu (obrázek 4.12) je možné připojit programovatelný mikroprocesor který by mohl mít na správu hlášení síly signálu protokolem SNMP. Obvod po připojení napájení interně nabootuje a načte nastavitelné piny.

28


Obrázek 4.12: Blokové schéma mediakonvertoru RTL8305SC.


Obrázek 4.13: Schéma zapojení mediakonvertoru RTL8305SC podle TR-962D.

29

30


KAPITOLA 5. MĚŘENÍ A OŽIVENÍ

31

5 Měření a oživení Během osazování plošného spoje je zapotřebí jednotlivé obvody, moduly nebo bloky postupně oživovat. Nejdůležitější je kontrola napájení. Průběh napájecího napětí média konvertoru dodané stabilizátorem 3,3V je na obrázku 5.1. Měření na obrázcích 5.1,5.2,5.6 až 5.8 bylo provedeno osciloskopem Tektronix TDS7104 (1GHz,10GS/s).

Obrázek 5.1: Meření, 3.3V stabilizator U504.

5.0.19

Meření na vysílači.

Po kontrole napájení (obrázky 5.1 až 5.2) jsem dále proměřil přenosovou cestu. K tomu bych normálně využil generátor průběhů. Ten jsem ale neměl k dispozici, takže z časových důvodů jsem použil jako zdroj signálu samotný média konvertor. Ten průběžně generuje synchronizační průběh, který odpovídá specifikaci kódu Manchester. Při rozpojeném optickém linku se generuje 32 x logická nula a poté jedna logická jednička. Přes kódováni Manchester dostaneme tedy 32 x krátkých průběhů s opakovací periodou 16 ns, poté jeden dlouhý průběh s periodou 32 ns. Tato sekvence se opakuje tak dlouho, pokud nedojde k obnovení optického linku. Při navázaní linku, pokud neprochází data, se generují pouze krátké průběhy s opakovací periodou 16 ns, to mimo jiné znamená, že se trvale přenáší hodnota logické nuly. Měření na obrázku 5.3 až 5.5 bylo prováděno osciloskopem Tektronix TDS3032 (300MHz,2.5GS/s). Mezi média konvertorem a modulem pro vysílač (na odporovém děliči R401 až R404) jsem naměřil průběhy (obrázek 5.3). Mezi limiterem (vysílače) a budičem laseru (odporový dělič R409 až R412) jsem naměřil průběhy (obrázek 5.4). Na budiči laseru (laser D401 pin 1) jsem také naměřil průběh (obrázek 5.5).


32

Obrázek 5.2: Měření na kapacitě C504 (1,8V generovaných mediakonvertorem přes tranzistor Q501).

Obrázek 5.3: Měření, odporový dělič R401 až R404. 5.0.20

Měření na přijímači.

Poté jsem světlo generované laserem vysílače (FSO1) nasměroval na fotodiodu přijímače (FSO2) a vysílač (FSO2) vypnul. Tím sem docílil toho, že FSO1 bude vysílat i dlouhé průběhy. Jinak bych totiž nenaměřil přechodový jev mezi krátkým a dlouhým průběhem.


33

Obrázek 5.4: Měření, odporový dělič R409 až R412.

Obrázek 5.5: Měření, laser D401 pin 1.

Na vedení (odporový dělič R202 až R205) mezi transimpedančním zesilovačem a limiterem (přijímače FSO2) jsem naměřil průběh (obrázek 5.6). Na výstupu limiteru přijímače (FSO2, odporový dělič R211 až R214) jsem naměřil průběh (obrázek 5.7).


34

Obrázek 5.6: Měření, TIA, odporový delič R202 až R205.

Obrázek 5.7: Měření, limiter přijímače, odporový delič R211 až R214. 5.0.21

Meření na ethernetu

Nyní zbývá přeměřit datovou komunikaci protokolem Ethernet a ujistit se, že na portu RJ45 probíhá třístavová komunikace. Na oddělovacím transformátoru (U502) jsem naměřil průběh (obrázek 5.8). Po zapnutí vysílače FSO2 jsem dále vyzkoušel optický link při plném signálu za pomocí echo


35

Obrázek 5.8: Měření, ethernet, transformator U502. request tedy ping (obrázek 5.9).

Obrázek 5.9: Měření, ping, 2286 packetů po 1500 bajtů. Po úspěšném přenosu pingu jsem zatížil link přenosem dat. Ke generaci datové zátěže jsem použil program iperf, který generuje traffic mezi dvěma počítači. Grafický záznam přenosové rychlosti jsem pak generoval programem HotSaNiC. Tento program automaticky generuje grafy pomocí knihovny rrdtool (obrázek 5.10).

36


Obrázek 5.10: Měření propustnosti, HotSaNiC hodinový traffic.

Obrázek 5.11: Výpis programu iperf. Obousměrný přenos se mi za pomoci programu iperf nepovedlo vygenerovat. Problém způsobila síťová karta, která tento přenos zpomalovala na přenosovou rychlost pro download 82 Mbps a upload 32 Mbps. Po propojení počítačů síťovým UTP kabelem jsem naměřil shodné výsledky. Tím byl dán důkaz, že zpomalení není způsobeno optickým pojítkem.

KAPITOLA 6. ZÁVĚR

37

6 Závěr Úspěšně se nám povedlo potvrdit teoretické předpoklady a zkonstruovat funkční optické pojítko. Toto pojítko je zhotovené z obvodů primárně určených pro optické vlákna a média konvertory. Dosahuje přenosovou rychlost až 100Mbps a plně duplexní přenos dat. Na lokální síti je transparentní a disponuje vlastnostmi směrovače. Dle experimentu byl určen odhad dynamiky přenosové soustavy na 30dB. Mim přínosem do projektu byl především návrh použití média konvertorů a obvodů pro optická vlákna. Dále byl zhotovený funkční prototyp modulů přijímače a vysílače. Mým příspěvkem byl výběr klíčových součástek pro finální sériovou výrobu. Nakonec jsem se podílel na závěrečném měření. Na projektu dále pracoval i pan Ing. Jiří Burian. Vytvořil konstrukční část na 300m a návrh plošného spoje pro výrobu. Tento návrh je však chráněn autorským právem a proto zde nemohl být publikován. Hlavní výhodou FSO oproti technologii WiFi je především odolnost proti rušení a bezpečnost dat proti odposlechu. Počet linek na jednom místě není nikterak omezen, pouze trajektorie svazků nesmí mířit do vedlejšího spoje. Křížení svazků nijak neovlivňuje přenosovou soustavu. Obdobnou metodou lze navrhnout datový optický spoj s vetší propustností, ale i lineární přenos na bázi analogových převodníků (vhodné pro kabelové televize).

38

KAPITOLA 6. ZÁVĚR

KAPITOLA 7. LITERATURA

39

7 Literatura [1] Ramirez.Iniguez, Roberto: Optical wireless communications. ISBN 978.0.8493.7209.4, 2008 [2] Khoman, Phang: CMOS Optical Preamplifier Design Using Graphical Circuit Analysis. University of Toronto, 2001 [3] Procházka, M.: Transimpedanční zesilovač pro otevřené optické spoje. Univerzita Tomáše Bati ve Zlíne, 2005 [4] Ing.Leoš Maršálek: Optická vlákna verze 2.1.3 Technická univerzita Ostrava, 2006 [5] : Sbírka zákonů č.480/2000. Česká republika, 2000 [6] Dokumentace výrobce MAXIM http://www.maxim-ic.com/

40

KAPITOLA 7. LITERATURA

PŘÍLOHA A. SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK

A Seznam použitých zkratek AGC Automatic gain control APD Avalanche photodiode FSO Free space optics IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers LD Laser diode LED Light emitting diode MAC Media Access Control MLT Multi-Level Transmit MSN Photodiode MSN OZ Operační zesilovač PECL Positive referenced emitter coupled logic PIN Photodiode P-I-N QoS Quality of Service RMS Root mean square SNMP Simple Network Management Protocol SNR Signal to noise ratio TIA Transimpedance amplifier .. .

41

42

PŘÍLOHA A. SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK

PŘÍLOHA B. UKÁZKA HOTOVÉHO PŘEDVÝROBNÍHO KUSU FSO

B Ukázka hotového předvýrobního kusu FSO

Obrázek B.1: FSO elspeedy 200, vystaviste AMPER 2009

43

44

PŘÍLOHA B. UKÁZKA HOTOVÉHO PŘEDVÝROBNÍHO KUSU FSO

Obrázek B.2: FSO elspeedy 200, vystaviste AMPER 2009

PŘÍLOHA C. OBSAH PŘILOŽENÉHO CD

45

C Obsah přiloženého CD Na výpisu níže je zobrazena stromová struktura adresářů na CD. cd |-- Diagramy |-- LaTex_src |-- graphics |-- LaTex_pdf |-- Mereni |-- 20090517 |-- htdocs |-- OSCDAT |-- foto |-- Obvody |-- other |-- schemata Adresář Diagramy obsahuje diagramy vytvořené programem Diagram Designer Obsahem adresáře LaTex_src jsou kompletní zdrojové kódy tohoto dokumentu vytvořené typografickým systémem LATEX. V LaTex_pdf se nachází tento dokument ve formátu PDF. V adresáři Mereni nalezneme veškeré naměřené data. Vygenerované grafy HotSaNiC-u jsou k nalezení v adresáři htdocs Datasheety obvodů použitých u projektu najdeme v adresáři Obvody. Schémata ve PDF formáte jsou k dispozici v adresáři schemata Adresář other obsahuje pramen informacií ze kterého byla tato prace sestavěna.

46

PŘÍLOHA C. OBSAH PŘILOŽENÉHO CD

Optický datový spoj s datovou rychlostí 100Mbps. Tomáš Kamenický

Recommend Documents