低成本直流至32 MBd光纖解決方案：革新工業(yè)、醫(yī)療與通信領(lǐng)域

在當(dāng)今的工業(yè)、醫(yī)療、電信以及專有數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和高效性至關(guān)重要。傳統(tǒng)的銅線在許多場(chǎng)景下已難以滿足需求，而光纖憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)逐漸成為替代之選。本文將深入探討安華高（Avago Technologies）提供的低成本直流至32 MBd光纖解決方案，為電子工程師們?cè)?a href="http://m.sdkjxy.cn/soft/data/61-62/" target="_blank">設(shè)計(jì)相關(guān)系統(tǒng)時(shí)提供全面的參考。

文件下載：HFBR-0537.pdf

為何選擇光纖？

銅線在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但在某些情況下，其使用存在一定的局限性。例如，當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)的參考電位或接地電位不同時(shí)，使用銅線傳輸數(shù)據(jù)需要采取額外的措施來避免噪聲干擾。而光纖則無需嚴(yán)格的接地規(guī)則，也不需要終端電阻來防止反射，能有效避免接地環(huán)路干擾。此外，光纖還能承受雷擊，在電氣噪聲環(huán)境中表現(xiàn)出色，這是銅線難以企及的。

除了上述固有優(yōu)勢(shì)，光纖開始取代銅線還有兩個(gè)重要原因。一是現(xiàn)在有了相關(guān)的培訓(xùn)和簡(jiǎn)單工具，降低了使用門檻；二是使用塑料光纖（POF）或硬包層石英（HCS）光纖時(shí)，數(shù)據(jù)通信鏈路的總成本與使用銅線大致相同。

有線通信協(xié)議與光數(shù)據(jù)鏈路

許多現(xiàn)有的串行有線通信協(xié)議是為差分線路接收器或光耦合器設(shè)計(jì)的，這些協(xié)議可以檢測(cè)數(shù)據(jù)通信信號(hào)的直流分量，這種串行數(shù)據(jù)通常被稱為任意占空比數(shù)據(jù)。任意占空比數(shù)據(jù)包含直流分量，其通信協(xié)議通常需要直流耦合或能夠檢測(cè)數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)變化的光接收器。

在相對(duì)較低的數(shù)據(jù)速率（0 - 10 Mbit/sec）下，可以構(gòu)建直流耦合的TTL兼容光纖接收器。安華高的HFBR - 2521Z是一款直流至5 Mbit/sec的TTL兼容接收器，HFBR - 2528Z是直流至10 Mbit/sec的CMOS或TTL兼容接收器。本文將重點(diǎn)關(guān)注更高速度或更高性能的任意占空比光數(shù)據(jù)通信鏈路，其工作數(shù)據(jù)速率和傳輸距離優(yōu)于HFBR - 2521Z或HFBR - 2528Z組件。

任意占空比或突發(fā)模式數(shù)據(jù)的優(yōu)缺點(diǎn)

現(xiàn)有數(shù)據(jù)通信協(xié)議的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是已經(jīng)存在且在許多應(yīng)用中與銅線配合良好。然而，現(xiàn)有的銅線協(xié)議通常不是優(yōu)化光纖鏈路性能的最佳選擇。例如，為任意占空比數(shù)據(jù)或突發(fā)模式數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的接收器，其靈敏度通常比使用編碼數(shù)據(jù)優(yōu)化的接收器低4 dB至7 dB。

發(fā)送任意占空比數(shù)據(jù)時(shí)，如果需要同步串行通信，必須使用單獨(dú)的光鏈路發(fā)送時(shí)鐘；或者通過本地時(shí)鐘振蕩器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過采樣來實(shí)現(xiàn)異步數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。為避免過度的脈沖寬度失真（PWD），用于過采樣接收數(shù)據(jù)的本地振蕩器的頻率必須高于串行數(shù)據(jù)速率。

突發(fā)模式串行通信系統(tǒng)也有其特點(diǎn)。它通常需要更多的通信信道帶寬，因?yàn)樽畛Ｒ姷耐话l(fā)模式協(xié)議通常使用曼徹斯特編碼器，每個(gè)比特傳輸多個(gè)符號(hào)。編碼的優(yōu)點(diǎn)是將時(shí)鐘和數(shù)據(jù)合并，只需一個(gè)通信信道即可傳輸兩個(gè)信號(hào)。

可實(shí)現(xiàn)的距離和數(shù)據(jù)速率

簡(jiǎn)單的TTL兼容LED發(fā)射器

圖3展示了一種高性能、低成本的TTL兼容發(fā)射器。該發(fā)射器看似簡(jiǎn)單，實(shí)則經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，能夠充分發(fā)揮安華高LED發(fā)射器的最佳性能。推薦的發(fā)射器成本低廉，用于對(duì)LED進(jìn)行電流調(diào)制的74ACTQ00門電路成本通常低于0.40美元。使用不同的安華高LED與各種光纖時(shí)，無需進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算來確定所需的無源組件，只需使用表2中推薦的組件值，該發(fā)射器即可適用于廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

簡(jiǎn)單的TTL兼容接收器

圖4展示了一種簡(jiǎn)單的TTL兼容接收器，其靈敏度足以滿足廣泛的應(yīng)用需求。通過公式1，設(shè)計(jì)師可以快速確定C6和C7的值，使接收器在最高32 MBd的數(shù)據(jù)速率下達(dá)到最佳性能。

增強(qiáng)型TTL兼容接收器

圖5所示的接收器電路適用于需要更長(zhǎng)光纜長(zhǎng)度的應(yīng)用。與圖4中的簡(jiǎn)化接收器相比，圖5中的接收器靈敏度提高了6 dB。通過公式2，設(shè)計(jì)師可以快速確定C9和C10的值，使接收器在最高32 MBd的數(shù)據(jù)速率下達(dá)到最佳性能。

印刷電路板版圖

使用安華高光組件的收發(fā)器性能部分取決于印刷電路板的布局。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以嵌入本文提供的印刷電路設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)表1中所述的光纖鏈路性能。圖6是圖3發(fā)射器和圖4接收器的印刷電路板版圖，圖7是圖3發(fā)射器和圖5接收器的印刷電路板版圖?？梢酝ㄟ^互聯(lián)網(wǎng)下載本文所示版圖的Gerber文件電子副本。

錯(cuò)誤率和抗噪性

光纖鏈路出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率與接收器自身的內(nèi)部隨機(jī)噪聲以及其抑制系統(tǒng)噪聲的能力有關(guān)。光纖接收器中的總噪聲通常是PIN二極管前置放大器噪聲和主機(jī)系統(tǒng)電氣噪聲的總和。施加到比較器的遲滯量決定了接收器能夠可靠檢測(cè)數(shù)據(jù)的最小信號(hào)幅度（即最小信號(hào)閾值電平）。比較器的開關(guān)閾值（即遲滯）與接收器噪聲的比值對(duì)錯(cuò)誤概率有顯著影響。適當(dāng)增加比較器的閾值 - 噪聲比可以顯著降低錯(cuò)誤概率。

本文推薦的光纖接收器具有足夠的抗噪能力，在大多數(shù)系統(tǒng)中無需靜電屏蔽。安華高的PIN二極管前置放大器是小型混合電路，不會(huì)像天線一樣接收過多的噪聲。對(duì)于極端噪聲環(huán)境，安華高提供導(dǎo)電塑料或全金屬封裝的PIN二極管前置放大器。

元件清單

本文推薦的TTL兼容光纖收發(fā)器非常簡(jiǎn)單且成本低廉，僅需少量外部組件。表5是圖3發(fā)射器和圖4接收器的完整元件清單，表6是圖3發(fā)射器和圖5接收器的完整元件清單。所有元件均與圖6和圖7所示的印刷電路板版圖兼容，可最大程度減少設(shè)計(jì)時(shí)間和資源。

總結(jié)

本文提供的完整TTL兼容光纖收發(fā)器解決方案可用于提高現(xiàn)有使用銅線協(xié)議的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的抗噪性。當(dāng)使用光纖介質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)銅線時(shí)，可以構(gòu)建新的通信系統(tǒng)，使其免受公用電力開關(guān)設(shè)備、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或高壓電源引起的大噪聲瞬變的影響。此外，光通信鏈路中使用的非導(dǎo)電電纜在雷擊時(shí)的生存概率比銅線更高。本文所示的光數(shù)據(jù)通信解決方案還能夠在長(zhǎng)距離上高速傳輸32 MBd的數(shù)據(jù)，這是銅線電纜難以實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以通過嵌入本文所示的完整光纖解決方案，以最小的工程成本快速開發(fā)抗噪通信鏈路。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電子工程師們需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，綜合考慮上述因素，選擇合適的光纖組件和設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。你在設(shè)計(jì)過程中遇到過哪些類似的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。