Τ.Ε.Ι Λαμίας Τμήμα Ηλεκτρονικής 2 η ΕΡΓΑΣΙΑ ΟΠΤΙΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Μπαρμπάκος Δημήτριος Τζούτζης Έλτον-Αντώνιος Διδάσκων: Δρ. Βασίλης Κώτσος Λαμία 2013
Περιεχόμενα 1. Οπτική πηγή 1.1 Χαρακτηριστικές καμπύλες 2. Πομπός 2.1 Ρεύμα προπόλωσης 2.2 Ρύθμιση της εκπεμπόμενης ισχύος 2.3 Kυματομορφές του μεταδιδόμενου κύματος 3. Οπτικός ανιχνευτής 3.1 Ευαισθησία 4. Δέκτης 4.1 Ανάλυση κυματομορφής 4.2 Κόρος του δέκτη 5. Διασπορά στο Mode 5.1 Μήκος οπτικής ίνας και άπλωμα παλμού 6. Σχεδίαση ζεύξης 6.1 Διαχείρηση ισχύος σε οπτικά συστήματα.(περιθωριο ΙΣΧΥΟΣ) 7. Mετάδοση δεδομένων 7.1 Ασύγχρονη μετάδοση δεδομένων
1. Οπτική πηγή 1.1. Χαρακτηριστικές καμπύλες Τροφοδοτούμε την διάταξη και αποσυνδέουμε τον ηλεκτρικό συνδετήρα J 1 ενώ στη θέση του ηλεκτρικού συνδετήρα J 2 συνδέουμε ένα μιλιαμπερόμετρο. Συνδέουμε βολτόμετρο δια μέσου της LED, και ύστερα συνδέουμε στη LED με τον μετρητή ισχύος μέσω της πολύτροπης οπτικής ίνας 200/230μm. Mεταβάλλοντας το trimmer πόλωσης, μετράμε το ρεύμα Ι F που διατρέχει τη LED, την V F σε αυτήν και την οπτική ισχύ εξόδου P out. Πέρνουμε τις παρακάτω μετρήσεις: A/A I F (ma) V F (mv) P out (dbm) 1 13.83 1499-19.41 2 14.94 1508-18.85 3 16.25 1518-18.25 4 19.44 1537-17.07 5 25.54 1568-15.45 6 31.42 1596-14.28 7 39 1627-13.16 8 44.6 1650-12.47 9 46.6 1658-12.31 Απο τις πειραματικές μετρήσεις σχεδιάζουμε την καμπύλη ισχύος που παρέχεται απο την LED σαν συνάρτηση του ρεύματος οδήγησης.
Επίσης απο τις πειραματικές μετρήσεις σχεδιάζουμε την καμπύλη πιλοτικού ρεύματος σαν συνάρτηση της τάσης V F. Συμπέρασμα: Aντικαθιστώντας την πολύτροπη οπτική ίνα 200/230μm με διαβαθνισμένη 50/125μm, μονότροπη 10/125μm ή πλαστική(pvc) 500/530μm θα δούμε ότι οι συναρτήσεις θα είναο ελαφρώς μετατοπισμένες. 2. Πομπός 2.1. Ρεύμα προπόλωσης Τροφοδοτούμε την διάταξη και συνδέουμε τον ηλεκτρικό συνδετήρα J 1 ενώ στη θέση του ηλεκτρικού συνδετήρα J 2 τον οποίο αποσυνδέουμε, συνδέουμε ένα μιλιαμπερόμετρο. Συνδέουμε βολτόμετρο δια μέσου της LED, και ύστερα συνδέουμε στη LED με τον μετρητή ισχύος μέσω της πολύτροπης οπτικής ίνας 200/230μm. Συνδέουμε την TTL είσοδο στα 0 Volt. Συμπέρασμα: Βλέπουμε ότι το μετρούμενο ρεύμα I F δεν είναι μηδέν, είναι 4.5μA. Δηλαδή το ρεύμα προπόλωσης είναι 4.5μA.
2.2. Ρύθμιση της εκπεμπόμενης ισχύος Τροφοδοτούμε την διάταξη και συνδέουμε τον ηλεκτρικό συνδετήρα J 1 ενώ στη θέση του ηλεκτρικού συνδετήρα J 2 τον οποίο αποσυνδέουμε, συνδέουμε ένα μιλιαμπερόμετρο. Συνδέουμε βολτόμετρο δια μέσου της LED, και ύστερα συνδέουμε στη LED με τον μετρητή ισχύος μέσω της πολύτροπης οπτικής ίνας 200/230μm. Συνδέουμε την TTL είσοδο στα +5 Volt. Το μετρούμενο ρεύμα Ι F εξαρτάται απο τη ρύθμιση του trimmer BIAS και ως εκ τούτου και η οπτική ισχύς εξόδου της LED. Πέρνουμε τις παρακάτω μετρήσεις: A/A I F (ma) P out (dbm) 1 33.8-13.62 2 35-13.40 3 38-12.99 4 44-12.24 5 53-11.40 6 60-10.86 7 60.5-10.80 Απο τις πειραματικές μετρήσεις σχεδιάζουμε την καμπύλη ισχύος που παρέχεται απο την LED σαν συνάρτηση του ρεύματος οδήγησης.
2.3. Kυματομορφές του μεταδιδόμενου κύματος T1μs, T100ns=0.1μs, Άρα το εύρος ζώνης (bandwidth) είναι απο 1-10MHz Oscilloscope out(απεικόνιση παλμογράφου στην έξοδο) : Συμπέρασμα: Στον κόρο έχουμε αύξηση της τάσης μέσω του Τrimmer,άρα αύξηση και του ρεύματος I F που έχει σαν αποτέλεσμα και αύξηση της τάσης στα άκρα του LED.
3. Οπτικός ανιχνευτής 3.1. Ευαισθησία Μετράμε την οπτική ισχύ που παρέχεται από τις 2 οπτικές γεννήτριες: Συνδέουμε την οπτική γεννήτρια στο 1 ο παράθυρο 850nm με τον οπτικό ελεγκτή (tester) μέσω της διαβαθμισμένης τεχνητής οπτικής ίνας 50/125μm και μετράμε την ισχύ που δημιουργείται. 850nm -25.48dbm 2.83 mw P(μW)= ( ) Συνδέουμε την οπτική γεννήτρια στο 2 ο παράθυρο 1300nm με τον οπτικό ελεγκτή (tester) μέσω της διαβαθμισμένης τεχνητής οπτικής ίνας 50/125μm και μετράμε την ισχύ που δημιουργείται. 1300nm -30.1dbm 0.97 mw Συμπέρασμα: Η ισχύς στο πρώτο παράθυρο θα είναι μεγαλύτερη απο την ισχύ που παρέχεται στο δεύτερο παράθυρο. Τροφοδοτούμε την διάταξη και συνδέουμε την οπτική γεννήτρια στο 1 ο παράθυρο 850nm με τον ανιχνευτή μέσω της διαβαθμισμένης τεχνητής οπτικής ίνας 50/125μm, συνδέοντας ένα βολτόμετρο στο σημείο 4. 850nm 1818 mv (Vout τελεστικού APD) Συνδέουμε την οπτική γεννήτρια στο 2 ο παράθυρο 1300nm με τον ανιχνευτή μέσω της διαβαθμισμένης τεχνητής οπτικής ίνας 50/125μm, συνδέοντας ένα βολτόμετρο στο σημείο 4. 1300nm 1783 mv (Vout τελεστικού APD) Συμπέρασμα: Στο πρώτο παράθυρο είναι μεγαλύτερη η τάση που παρέχεται, επίσης βλέπουμε ότι όσο χαλαρώνεις το connector-α ελαττώνεται και η τάση καθώς από 1840mV φτάνει στα 1788mV μέχρι που αποκόπτεται τελείως
4. Δέκτης 4.1. Ανάλυση κυματομορφής Δέκτης T5div200ns=1000ns=1μs, T5div20ns=100ns=0.1μs, Dutycycle=0.2=20% pigtail/πολύτροπο 200/230μm 3.5m Τροφοδοτούμε την διάταξη και συνδέουμε τους συνδετήρες J 1 και J 2, συνδέουμε την έξοδο της TTL γεννήτριας (σημείο 1) με την είσοδο του πομπού (σημείο 2) θέτοντας τη συχνότητα της γεννήτριας στην ελάχιστη τιμή που είναι f min =1Mhz. Συνδέουμε τη LED και τη φωτοδίοδο με την χρήση της πολύτροπης τεχνητής οπτικής ίνας 200/230μm. Συνδέουμε τον παρμογράφο στα σημεία 2,3,4,5,6 και εξετάζουμε αντίστοιχα την κυματομορφή του TTL, την αντίστοιχη κυματομορφή του ρεύματος που διατρέχει την LED και την κυματομορφή της τάσης που ανιχνεύεται απο την μονάδα φωτοδίοδος+ενισχυτή ανάδρασης. Oscilloscope out(απεικόνιση παλμογράφου): Στο σημείο 2 βλέπουμε το εκπεμπόμενο παλμό ο οποίος έχει συχνότητα f min =1MHz, στο σημείο 3 βλέπουμε την τάση στα άκρα του LED V(LED) το οποίο έχει υποστεί κυμάτωση (ripple) ενώ στο σημείο 4 βλέπουμε την τάση στα άκρα της φωτοδιόδου V(photodiode) το οποίο εκτός απο τη κυμάτωση (ripple) που έχει υποστεί, έχει και μειωμένο πλάτος, περίπου στα 500mV. Eύκολα διακρίνουμε οτί στήν έξοδο (σημείο 5) είναι πεσμένο το πλάτος (απο 5V στα 4V) και επίσης το σήμα είναι απλωμένο, έχει υποστεί διασπορά δηλαδή, επίσης το ίδιο βλέπουμε και στο Vout συμπλήρωμα (σημείο 6 - ανάποδο της εισόδου) καθώς το πλάτος είναι απο -1.25V μέχρι +1.25V
4.2. Κόρος του δέκτη Τροφοδοτούμε την διάταξη και συνδέουμε τους συνδετήρες J 1 και J 2, συνδέουμε την έξοδο της TTL γεννήτριας (σημείο 1) με την είσοδο του πομπού (σημείο 2) θέτοντας τη συχνότητα της γεννήτριας στην ελάχιστη τιμή που είναι f min =1Mhz. Συνδέουμε τη LED και τη φωτοδίοδο με τον ανιχνευτή μέσω της πολύτροπης τεχνητής οπτικής ίνας 200/230μm. Συνδέουμε τον παρμογράφο στα σημεία 3 και 4 και ανιχνεύουμε τη κυματομορφή του ρεύματος που διατρέχει την LED και την κυματομορφή της τάσης που ανιχνεύεται απο την μονάδα φωτοδίοδος+ενισχυτή ανάδρασης. Για να μην είναι το ρεύμα πόλωσης της LED και η εκπεμπόμενη ισχύς μεγάλα, και ο ανιχνευτής να είναι σε κόρο, ρυθμίζουμε ελαφρά την πόλωση ή μετακινούμε την οπτική ίνα λίγο πιο μακριά απο τον ανιχνευτή ή την LED.
Συμπέρασμα: Στο σημείο 4 έχουμε την έξοδο με ενισχυτή με ανάδραση.όταν ο ανιχνευτής δουλεύει κοντά στον κόρο, οι λαμβανόμενοι παλμοί απλώνουν πολύ. Μεταβάλλοντας το ποτενσιόμετρο πόλωσης παρατηρείται αύξηση του ρεύματος και οδηγείται ο φωτοδέκτης στο κόρο, έτσι επιλέγουμε σημείο λειτουργίας στο μέσον του
5. Διασπορά στο Mode 5.1. Μήκος οπτικής ίνας και άπλωμα παλμού Μια ποιοτική ανάλυση του φαινομένου της διασποράς στην οπτική ίνα είναι η εξής : - Τροφοδοτούμε την πειραματική διάταξη. - Συνδέουμε τους ακροδέκτες J1 και J2. - Συνδέουμε την έξοδο της TTL γεννήτριας με την είσοδο του πομπού και θέτουμε τη συχνότητα της γεννήτριας στο ελάχιστο,που είναι περίπου 1 μsec. - Στη συνέχεια συνδέουμε την LED με την φωτοδίοδο μέσω pigtail 200m 200/230 step index.σε αυτή την ίνα γίνεται πίο εμφανές το φαινόμενο. - Με τη βοήθεια του παλμογράφου ρυθμίζουμε το ρεύμα πόλωσης της LED ώστε ο ανιχνευτής να μην είναι στη περιοχή του κόρου. - Απ τις μετρήσεις παρατηρούμε ότι οι παλμοί που λαμβάνουμε είναι περίπου 20 nsec πλατύτεροι από αυτούς της εκπομπής.όσο μεγαλώνει η συχνότητα τόσο πιο εμφανές γίνεται το φαινόμενο. Ανάλογα με τον τύπο οπτικής ίνας που χρησιμοποιούμε εμφανίζεται και η διασπορά.λιγότερη γίνεται στην Graded index οπτική ίνα και ακόμα λιγότερη στη μονότροπη.
6. Σχεδίαση ζεύξης 6.1. Διαχείρηση ισχύος σε οπτικά συστήματα.(περιθωριο ΙΣΧΥΟΣ) Pt = Ισχύς εκπομπής LED Pr = Ισχύς λήψης APD Al1 = Ισχύς που εξασθενεί λόγω fiber στο κομμάτι l1 PL = απώλεια ισχύος στο συνδετήρα Al2 = ισχύς που εξασθενεί λόγω fiber στο κομμάτι l2 Pr : ευαισθησία δέκτη (dbm) Pm = Pt Pr ( Περιθώριο ισχύος ) ( )
Ο τύπος που εκφράζει τις απώλειες ισχύος λόγω συνδέσεων με fiber διαφορετικών διαμέτρων είναι : ( ) Με D1 και και D2 διαμέτρους. Ο τύπος που εκφράζει απώλειες ισχύος λόγω σύνδεσης fiber με διαφορετικά ΝΑ(αριθμητικά ανοίγματα) : ( )
7. Mετάδοση δεδομένων 7.1. Ασύγχρονη μετάδοση δεδομένων Η μεταδόσεις δεδομένων που μελετάμε παρακάτω χωρίζονται σε ασύγχρονη και σύγχρονη. Αρχικά,για την ασύγχρονη μετάδοση.στη μετάδοση σειριακών δεδομένων τα δεδομένα μεταδίδονται ως στάθμες τάσης (N-R-Z, Non Return Zero). Στη περίπτωση της ασύγχρονης μετάδοσης,το σήμα δε συνοδεύεται απο κάποιο ρολόϊ και ο δέκτης θα δίνει μια μόνο κυματομορφή σχεδόν παρόμοια μ αυτή που παρέχεται από τη μονάδα μετάδοσης. -Επιλέγουμε μετάδοση δεδομένων με ταχύτητα = 1.2 Kbits / sec. -Ελέγχουμε τις κυματομορφές για διαφορετικά σήματα μετάδοσης. -Παρατηρούμε ότι ακολουθίες από συνεχόμενα 0 ή 1 δεν μπορούν να μεταδοθούν.ο λόγος είναι ότι η συνεχής συνιστώσα κόβεται στη λήψη από έναν συμπυκνωτή. -Ελέγχουμε τον ρυθμό σφαλμάτων (BER,Bit-Error-Rate) με ψευδοτυχαία ακολουθία. Συγκεκριμένα για μετάδοση 0000 0000 σε 10.000 παλμούς το 55% είναι λάθος ( περίπου 5.500 λάθη ). Για μετάδοση 0000 1111 σε 10.000 παλμούς το 45% είναι λάθος ( περίπου 4.500 λάθη). Στην μετάδοση ψευδοτυχαίας ακολουθίας το BER είναι 25%.
Στη περίπτωση σύγχρονης μετάδοσης,το σήμα δεδομένων συνοδεύεται από σήμα ρολογιού σύγχρονο με τα δεδομένα και με συρόμενο μέτωπο αντίστοιχο των διαστημάτων των bit. Σε αυτές τις περιπτώσεις απαιτείται κατάλληλη κωδικοποίηση για εισαγωγή εναλλαγών στη κυματομορφή. Δύο κύρια παραδείγματα είναι η κωδικοποίηση Manchester και ο διφασικός κώδικας (BMC). Η κωδικοποίηση Manchester Τα αποτελέσματα με την χρήση κωδικοποίησης Manchester είναι BER 34% για μετάδοση 0, BER 40% για μετάδοση 1 και για μετάδοση 01010101 BER 50%.
Βιβλιογραφία: [1]Εργαστηριακές Ασκήσεις Οπτικών Επικοινωνιών, Δρ.Βασίλης Κώτσος [2]www.wikipedia.org