Шапка

12.8 Оптоэлектроника: системы волоконно-оптической связи

Волоконно-оптическая передача цифровых сигналов даёт удобный гальванически изолированный канал связи, способный передавать данные со скоростью до 10 Gb/s на расстояние до 10 km 49 без каких-либо наводок, даже в очень сложной электромагнитной обстановке ( заводские помещения, транспорт, высокогорные обсерватории ). Продвинутые специалисты могут заинтересоваться разработкой 10 Gb волоконно-оптических систем, но у книги более скромная задача: помочь соединить между собой несколько приборов, находящихся на расстоянии 10 m ( в крайнем случае, 1 km ), со скоростью 1...100 Mb/s. Рассмотрим, как можно решить эту задачу на существующих компонентах.

Рис. 12.95   Некоторые популярные волоконно-оптические интерфейсы. TOSLINK широко используется в потребительской электронике и здесь показан в заглушенном варианте под печатный монтаж ( справа ) и в виде открытой панельной версии. Остальные соединители могут легко собираться вручную ( для ST и Versatile Link показаны соединители в разобранном виде ), но доступны и уже заделанные варианты

12.8.1 TOSLINK

Очень простую и недорогую волоконно-оптическую связь на небольшом расстоянии можно организовать с помощью семейства приёмников и передатчиков TOSLINK™. Она известна под торговыми названиями «EIAJ optical», «JIS F05», «ADAT optical» и «Digital Audio Optical Cable», см. рис. 12.95 . Стандарт TOSLINK был предложен фирмой Toshiba 50 и широко используется для подключения цифровых аудио устройств, например, для соединения аудио и видео компонентов. Это один из двух оптических разъёмов, которые можно видеть на звуковых компонентах. Его часто маркируют надписью «цифровой оптический». Вторым «цифровым» является коаксиальный электрический соединитель физически идентичный обычному RCA джеку. Его располагают рядом с TOSLINK, потому что он передаёт тот же самый битовый поток, что и оптический порт. В TOSLINK используется видимый красный свет 650 nm , поэтому легко понять, что он работает, а так же различить приёмник и передатчик ( с инфракрасными системами ситуация усложняется ).

Основное достоинство TOSLINK в простоте использования и дешевизне. TOTX147 и TORX147 - типовая пара передатчик-приёмник, компоненты с каждой из сторон линии стОят порядка $1 ( в небольших количествах ). Работает от источника 2.7—3.6 V и имеет на входах и выходах логические уровни. Т.к. интерфейсная часть уже встроена, всё, что нужно, просто их соединить ( рис. 12.96 ). Компоненты обеспечивают связь на короткие дистанции 5 m и менее, со скоростью 15 Mb/s . Используется недорогое пластиковое волокно ∅1 mm ( APF , или POF ). Он продаётся в виде армированного кабеля ∅2.2 mm ( или менее ) с разъёмами TOSLINK на обоих концах. Такого рода «патч-корд» можно купить на Amazon.com или в магазинах звуковой техники не дороже доллара. На рис. 12.97 показаны сигналы на логическом входе и выходе пары TOSLINK, запитанной от +3.3 V и работающей на скорости 15 Mb/s через кабель длиной 2.4 m . Продаются и 5-вольтовые версии, например TOTX/TORX177 ( аналоги фирмы Sharp имеют обозначение GP1FA351TZ/RZ для 3-вольтовых и GP1FA551TZ/RZ для 5-вольтовых пар ).

Рис. 12.96   Недорогие волоконно-оптические компоненты под печатный монтаж включают всю нужную для работы приёмников и передатчиков электронику. На входе и на выходе у них - стандартные логические уровни, а аппаратная часть обеспечивает связь до 15 Mb/s на расстоянии до 10 m

Одной из проблем цифровой связи TOSLINK является невозможность передачи постоянного сигнала. По спецификации минимальная скорость передачи составляет 0.1 Mb/s 51 . Передатчик, кстати, вполне способен работать постоянно: проблема на принимающем конце. Дело в том, что размах сигнала в приёмнике используется для задания порогового уровня, что требуется для минимизации искажений. В тех случаях, когда используется постоянный уровень ( это стандартное решение в других протоколах, например, в Versatile Link ), приёмник будет получать после реконструкции более узкие или более широкие импульсы в зависимости от амплитуды на оптическом входе, т.е. будет зависеть от длины линии и качества волокна.

Рис. 12.97   Передаваемый и принимаемый поток данных, идущих через пластиковое волокно ∅1 mm длиной 2.4 m со скоростью 15 Mb/s . Используются компоненты для цифрового звука фирмы Toshiba TOTX141FPT и Sharp GP1FA352RZ). По горизонтали 200 ns/div

Если требуется расширить полосу сигнала вниз до постоянного тока, можно взять приёмники TOSLINK с улучшенными характеристиками. Например, пара TOTX197 и TORX198 относится к компонентам «общего назначения» ( вместо «цифрового аудио» ), работает от постоянного тока до 6 Mb/s на расстоянии до 40 m и с теми же соединителями и оптоволокном. TOTX/TORX1350 имеют скорость 0...10 Mb/s и дистанцию 100 m всё с тем же APF. Если заменить POF волокно на улучшенный вариант PCF - стеклянным волокном в пластиковой оболочке, то для пары TOTX/TORX196 расстояние увеличивается до 1 km . Как это всегда бывает в жизни, имеются отдельные недостатки. У перечисленных компонентов больший разброс ширины импульсов: типовое значение ±55 ns , а у звуковых вариантов с адаптивным порогом ±15 ns 52 . Кроме того, стОят они в 20 раз больше ( $20-25 в небольших количествах ).

12.8.1.A Оптическая связь без разъёмов

Если у вас аллергия на соединители, то можно посмотреть в сторону безразъёмных оптических компонентов фирмы Industrial Fiber Optics. Связь идёт по пластиковому волокну ∅1 mm , которое закрепляется быстрозажимной втулкой в корпусе самого приёмника или передатчика. Требуется обрезать волокно, вставить в корпус и плотно затянуть зажим. Семейство включает широкую номенклатуру оптических пар со скоростью до 155 Mb/s и приятными длинами волн ( красной, зелёной, синей и инфракрасной ). Закупаясь этим оборудованием, не проходите мимо их толковой карточки для детектирования инфракрасного излучения ( артикул IF-850052 ). Она может подсказать, работает ли инфракрасный светодиод или лазер. Если поднести её к излучателю, то в освещённом месте появится оранжево-жёлтое пятно 53 .

12.8.2 Versatile Link

Versatile Link ( VL ) - серия приёмо-передающих модулей, предложенных фирмой Hewlett-Packard ( потом Agilent и, наконец, Avago) в 1990 и активно используемая по сию пору. Свет идёт по тому же пластиковому волокну ∅1 mm , что и у TOSLINK, но имеет иную форму соединителей, а именно: цилиндрический защёлкивающийся корпус, удерживающий пару пластиковых зажимов ( см. фотографию 12.95 ). Здесь также используется видимая длина волны ( красная 660 nm ). Серия включает несколько моделей. Самые удобные варианты: пара HFBR-1521Z/2521Z 0...5 Mb/s с дистанцией 20 m и пара HFBR-1523Z/2523Z 0...40 kb/s до 100 m . Приёмник выдаёт логические сигналы, используя внешние или внутренние резисторы подтяжки, а на передающей стороне - голый светодиод, которому потребуется токоограничительный резистор и насыщающийся у земли ключ или что-либо аналогичное по действию ( см. рис. 12.98 ). Такое решение упрощает вопросы сопряжения, но требует дополнительных компонентов. Приёмные и передающие модули стОят $10 в небольших количествах. Можно приобрести уже готовый кабель или сделать свой, что легко, быстро и не требует специального инструмента. Разъёмы на кабель продаются по $0.50 в небольших количествах.

Рис. 12.98   Типичная схема подключения передатчика и приёмника серии «Versatile Link» и ST фирмы Avago. Для 3.3 V питания следует ставить в передатчике 50 Ω . Такой ток подойдёт для расстояния 10 m ( VL, пластиковое волокно ) или 1 km ( ST, стеклянное волокно ). Параметры можно менять в зависимости от скорости и расстояния ( см. справочные данные Avago и их заметку по использованию ##App Note 1035 )

Если нужна более высокая скорость, можно взять HFBR-1527Z/2526Z, которые дают скорость 125 Mb/s по тому же волокну, но уже без работы на постоянном токе. Эти и аналогичные устройства ( например, TODX2402 и TOTX/RX1701 из серии TOSLINK или HFBR-1424/2426 в серии ST/SC серии Avago с длиной волны 820 nm ) популярны как быстрые варианты волоконно-оптической связи, например, передачи Ethernet или последовательных данных между двумя SERDES ИМС.

12.8.3 ST/SC модули для стеклянного волокна

Многие годы авторы использовали серию HFBR-14xx/24xx оптоволоконных приёмо-передатчиков фирмы Avago. Эта серия дороже ( $15 в небольших партиях ), чем упоминавшиеся ранее аналоги под пластиковую жилу, но с качественным стеклянным волокном ASF или AGF под длину волны 820 nm они бьют на километр и более. Дополнительным плюсом идёт надёжность стекловолокна, которое за счёт малого диаметра ( 62.5 μm сама жила, 125 μm покрытие ) и плотной внешней изоляцией без повреждений переносит изгибы и растягивающее усилие при прокладке.

С волокном использовались соединители типа ST - байонет с блокировкой ( рис. 12.95 ). Можно приобрести готовые кабели: симплексные ( одна жила, ST разъёмы с обеих сторон ) или дуплексные ( «zip cord» - пара жил, каждая с ST разъёмами с обеих сторон ). Их продают компании Tyco/AMP, 3M и Amphenol по несколько долларов за метр. Если есть готовность потратиться на комплект монтажного оборудования и потрудиться немного, то можно насадить разъёмы самостоятельно.

Как и в случае с Versatile Link можно приобрести низкоскоростные приёмники, работающие от постоянного тока, например, HFBR-2412Z, который даёт 5 Mb/s на дистанции до 2 km . На выходе открытый коллектор, нужен подтягивающий резистор. Для высоких скоростей подойдёт HFBR-2416Z. Он тянет до 155 Mb/s на расстояние до 0.6 km . Кстати, в приёмнике есть «аналоговый» выход с внутреннего предусилителя для PIN диода-детектора, который можно подать через конденсатор на внешний усилитель/компаратор и получить цифровой канал LVDS или ECL. Для любого из упомянутых приёмников подходит передатчик HFBR-1414Z. Подобно VL аналогам он представляет собой простой светодиод. На пользователя возлагается обязанность подобрать резистор и ключ или логический элемент с мощным выходом, скажем, ’LVC2Q34 ( см. краткое руководство ##App Brief 78 и заметку по использованию ##App Note 1123 фирмы Avago).

12.8.4 Законченные модули волоконных приёмо-передатчиков

Почему бы не интегрировать всю интерфейсную электронику прямо в модуль волоконно-оптической связи? И в самом деле! С учётом широкого распространения дуплексных оптических линий передачи данных ( fast Ethernet 125 Mb/s или firewire до 250 Mb/s ) или связи между двумя SERDES ИМС сейчас вокруг полно готовых к использованию модулей. Такие штуки имеют передатчик и приёмник плюс оптические разъёмы. Обычно речь идёт о дуплексных ST или SC стандартах под стеклянное волокно или о дуплексном соединителе для пластиковой жилы. Наружу смотрят быстрые дифференциальные драйверы и приёмники ( чаще всего это 3- или 5-вольтовый PECL [* см. рис. 12.6 ] ) см. рис. 12.99 и фамильный портрет на рис. 12.95 .

Рис. 12.99   Высокоскоростной волоконно-оптический приёмо-передатчик, подобный Avago AFBR-5xxx, в стандартном исполнении 1x9 SIP включает в свой состав всю нужную электронику, в том числе порт для внешнего 3- или 5-вольтового дифференциального интерфейса PECL

К современным примерам можно отнести Avago серию AFBR-5xxx, которая снабжается SC или ST соединителями и работает на скорости 100 Mb/s ( fast Ethernet 100Base-FX или ATM . Интерфейсный порт модуля соответствует стандарту PECL и подключается прямо к соответствующим выводам Ethernet, firewire или ATM «PHY» ( микросхеме физического уровня ). Типичным представителем является AFBR-5803. Он работает до скоростей 125 Mb/s и стоит $30. AFBR-53D5 - быстрее, может работать в сетях gigabit Ethernet, стоит около $60. Быстрые волоконные приёмо-передатчики можно использовать с SERDES ИМС, например, CY7C924 или HDMP-1636, чтобы соединить пару параллельных портов с потоком 20...100 Mbytes/s , разделённых большим расстоянием. Для коротких можно найти быстрые модели под пластиковую жилу. К таковым относятся TODX2402 фирмы Toshiba ( PECL, двунаправленный 250 Mb/s , около $25 в небольших партиях ).

49 На момент публикации книги рекорд передачи по волоконно-оптическому кабелю был 1 Petabit/s ( \(10\space^{15}\) b/s ) на расстояние 50 km . Принадлежит он колаборации из NTT (Япония ), Fujikara Ltd., Университета Хоккайдо и Технического Университета Дании. В качестве «кабеля» выступал пучок из 12 волокон, каждое из которых передавало 84.5 Tb/s , мультиплексируя 222 волны света различной длины. Свет каждой отдельной волны передавал сигнал со скоростью 380 Gb/s . Такая скорость достигалась за счёт модулирования восемью независимыми несущими, каждая передавала данные в кодировке «32-QAM» [* см. §7.1.9.G ] за счёт поляризации. <-

50 Предупреждение : Похоже, что упомянутые компоненты можно найти только у вторичных производителей Comoss, Sys Concept и FiberFin. Компоненты примеров в этой главе теперь недоступны и возможно, сняты с производства самой Toshiba. <-

51 Здесь нет требований по балансировке числа «0» и «1» в цифровом потоке, только точная временная разбивка. <-

52 В аудиофильском сообществе слышно глухое ворчание по поводу джиттера [* см. §7.1.10 и разбор «межсимвольной интерференции» на стр. 870 ] в данном виде соединений. Вопрос решается восстановлением тактовых сигналов с помощью фазовой автоподстройки, или изменения частоты тактирования. В проводных ( коаксиальных ) каналах передачи цифрового аудиосигнала такой проблемы нет. <-

53 Задачка для читателя: преобразование фототока с низкой энергией в фотон с высокой энергией нарушает принцип сохранения энергии. Объясните почему. <-

Previous part:

Next part: