摘要 光纖作為一種數(shù)據(jù)傳輸媒介，由于其相對于銅介質(zhì)鏈路的固有優(yōu)點，在許多技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應用。本文為得到一個高性能價格比的用于點對點雙工通信的光纖解決方案，在重點分析LED驅(qū)動電路對光纖通信性能影響的基礎(chǔ)上，給出了一個簡潔實用的LED驅(qū)動電路。
關(guān)鍵詞 光纖 LED 驅(qū)動電路
我們在研制一個陣列信號處理系統(tǒng)中，由于陣列天線必須放置于四周開闊地帶，而陣列信號處理單元位于圓形陳列天線中央位置，這就需要在陣列信號處理單元與位于1～2km以外的微機之間進行雙工通信。為了減少數(shù)據(jù)傳輸時間在整個系統(tǒng)處理時間指標中所占的比重，要求數(shù)據(jù)傳輸率應不小于E1（2.048Mb／s）速率，同時要求通信鏈路安全、可靠。我們通過對各種數(shù)據(jù)通信技術(shù)的分析，最終選擇了光纖鍵路，取得了滿意的效果。
1銅介質(zhì)數(shù)據(jù)鏈路分析
由于同時要求較高的數(shù)據(jù)傳輸率及較長的通信距離，在銅介質(zhì)鏈路中不進行編碼和調(diào)制很難滿足指標要求，但是高速調(diào)制解調(diào)器不僅價格昂貴，而且雙方握手過程費時，在要求隨機實時傳輸數(shù)據(jù)的場會顯然不適用。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，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）標準的要求。
2光纖鏈路的分析
在人們的傳統(tǒng)印象中，光纖應用于短距離通信是不經(jīng)濟的，但是它有著銅介質(zhì)鍵路不可比擬的優(yōu)點：①光纖鏈路既不發(fā)射電磁波，也不受其影響，光纖之間沒有干擾，誤碼率大大降低。設(shè)計人員不用考慮可能耦合進來的環(huán)境噪聲；②光纖提供了通信鏈路雙方之間的電氣隔離，消除了長距離設(shè)備之間由于地電位不同引起的問題。同時設(shè)計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)動電路。數(shù)字基帶信號只要經(jīng)過簡單的線路編碼，即可直接驅(qū)動光纖發(fā)射器。
現(xiàn)在，光纖器件價格與以前相比已經(jīng)大幅下降，而今后隨著鋼纜價格的上升及光纖器件價格的進一步下降，人們選擇光纖時將不再首先考慮價格因素。因此，我們綜合考慮速率與距離指標，選擇合適類型的光纖、收發(fā)器及其驅(qū)動電路，可以獲得高性能價格比的光纖通信鍵路，這正是本文要討論的重點。
3光纖通信器件的選擇
一個基本的光纖通信系統(tǒng)非常簡單：一個LED發(fā)射器將電信號轉(zhuǎn)變成光信號，并將之耦會進入傳輸光纖中，光信號通過光纖到達光接收器，它把接收到的光信號恢復成原來的電信號輸出。
·光纜的選擇：一般，石英玻璃光纖由于其低損耗、高帶寬而用于長距離通信鏈路，例如，以太網(wǎng)和FDDI標準指定采用多模62.5／125μm石英玻璃光纖。這些細纖芯的光纖需要高精度連接器以減少耦合損耗，對于工業(yè)應用，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波長時為0.2dB／m，而200μm HCS光纖在650mm波長典型損耗值僅為8dB／km，在820nm波長時更少。HCS光纖的核心是石英玻璃，包層是專利的高強度聚合物，不僅增加了光纖的強度，而且防潮防污染，外護套則是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℃，在性能與價格上均滿足系統(tǒng)要求。
·工作波長的選擇：光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計必須考慮光纖損耗與色散對系統(tǒng)帶來的影響，由于損耗和色散都與系統(tǒng)的工作波長有關(guān)，因此工作波長的選擇成為系統(tǒng)設(shè)計的一個主要問題。 綜合考慮系統(tǒng)的指標要求與選定的光纖，選擇820nm波長可使HCS光纖損耗低至6dB／km，同時色散也達到最小。
·光源的選擇：在820m波長下，LED是可以選用的最佳光源，與半導體激光器相比，LED的驅(qū)動電路簡單，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波長的HFBR－0400系列。該系列中的HFBR－14X2／HFBR－ 24X2可在1500m距離內(nèi)達到5MBd的速率，工作溫度范圍為一40℃～＋85℃，有ST、SMA、SC和 FC多種端口型號可供選擇。HFBR－14XZ采用820nm波長的AlGaAs型LED，HFBR－24XZ內(nèi)部集成了包括PIN光電檢測器、直流放大器及集電極開路輸出Schottky型晶體管的一個IC芯片，其輸出可直接與流行的TTL及CMOS集成電路相連。
4一種實用的光纖LED驅(qū)動電路
光纖雙工通信系統(tǒng)其中驅(qū)動電路的作用是將電功率轉(zhuǎn)換成光功率，并將要傳輸?shù)碾娦盘栒{(diào)制到光源的輸出上，它對光源同時提供偏置電流和隨數(shù)字信號而變化的調(diào)制電流。
設(shè)計LED驅(qū)動電路必須首先考慮驅(qū)動LED的電流峰值，如果超過了峰值驅(qū)動電流光信號將會產(chǎn)的過沖現(xiàn)象。而由此在接收器引起的電信號的下沖，加上來自放大器噪聲的影響，結(jié)果可能會越過比較器的檢測門限，造成誤碼。同時LED有一個熄滅比點亮困難的特點，它會產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象，當采用串行驅(qū)動電路時這種現(xiàn)象尤其明顯。而并聯(lián)驅(qū)動方式可以為LED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LED的峰值驅(qū)動電流，否則光信號會產(chǎn)生過沖現(xiàn)象。另外電路中的SN75451具有低阻抗、高電流速率的特點，避免產(chǎn)生長的拖尾現(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電路來延遲LED的點亮。
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來的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺俳?jīng)過放大、均衡、判決電路，恢復出發(fā)射端的原始信號。
在光纖傳輸線路上，常用光信號的有無來表示“1”碼和“0”碼，為避免碼流中的長連“0”或長連“1”，有利于時鐘的提取，需要有編碼電路。同時陣列信號處理器送來的是并行數(shù)據(jù)，需要有率并轉(zhuǎn)換電路。
5 PCB板設(shè)計技術(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)，因此應該遵守下列的一些基本規(guī)則：
①設(shè)計PCB板時，推薦使用地層以減少電源公共地線的電感。如有可能同時使用一個地層和一個電源層，這將同時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口應最少，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)動電路和LED之間的連線長度應盡量縮短，以減少導線電感。
④10μF的鉭電解電容和0.1μF的獨石陶瓷電容應放置于靠近驅(qū)動LED信號的地方，這將減少發(fā)射器輻射的噪聲并提高LED的光響應時間。
⑤0.1μF（或0.01μF）的旁路電容應付于接收器的管腳2與7之間，它與接收器的距離不能超過20mm。
⑥接收器是光纖連接線路中最關(guān)鍵的部分，電路中過量的附加電感和電容會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)過實際測試，證實此電路完全達到了實用要求，通過縮短通信時間提高了整個系統(tǒng)的性能指標。
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