一種針對單端高溫環(huán)境的非對稱式寬帶光纖傳輸方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種針對單端高溫環(huán)境的非對稱式寬帶光纖傳輸方法及裝置，主要包括常溫光收發(fā)模塊、高溫光收發(fā)模塊、多模光纖鏈路，實現(xiàn)全雙工通信。下行鏈路中，控制指令等經常溫光收發(fā)模塊的發(fā)送部分、下行多模光纖、高溫光收發(fā)模塊的接收部分，到達下位機或遠程終端；上行鏈路中，現(xiàn)場采集的視頻、音頻、環(huán)境參數經高溫光收發(fā)模塊的發(fā)送部分、上行多模光纖、常溫光收發(fā)模塊的接收部分，到達上位機或控制主機。該方法及裝置能夠長時間為單端高溫環(huán)境(不低于125攝氏度，無需額外的保溫措施或裝置)提供數千米、Mbit/s的全雙工傳輸功能，并且結構緊湊、強抗電磁干擾，對于高溫極端環(huán)境下(比如油田測井等)現(xiàn)場監(jiān)控具有重要意義。
【專利說明】
一種針對單端高溫環(huán)境的非對稱式寬帶光纖傳輸方法及裝

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖通信技術、光電子元器件、全雙工通信、油田測井等【技術領域】。

【背景技術】
[0002]在各種通用、專用通信與傳感領域，利用光纖感知和傳輸各類信息越來越引起人們的重視。因為，光纖要比用常規(guī)同軸電纜及微波傳輸有許多優(yōu)點:首先，光纖的低衰減和寬頻帶性能，允許長距離傳輸和大傳輸容量；其次，光纖作為絕緣傳輸媒介，光發(fā)射機和光接收機之間電氣上是絕緣的，并且可以不受來自強電磁場及其他線路的干擾，從而提高了信號傳輸質量。
[0003]在常規(guī)情況下光纖通信速度極高(可達數Gbit/s、幾十Gbit/s、甚至Tbit/s以上)，但工作溫度有限，無法工作在高溫環(huán)境下；而高溫環(huán)境下的寬帶通信需求很大，例如石油測井、地質鉆探、飛機發(fā)動機控制系統(tǒng)等都需要在高溫環(huán)境下進行通信，石油測井作為一種典型的應用極具代表性，它是石油工業(yè)中最基本和最關鍵的環(huán)節(jié)之一，通過對井下視頻、音頻、環(huán)境參數等重要物理參量的實時監(jiān)測，及時獲取井下信息，對優(yōu)化采油方案、提高油田開采效率等有著重要的意義。
[0004]就目前的技術而言，在高溫環(huán)境下進行數據傳輸或通信，要么距離短(達不到數km或千米)，要么傳輸速率低(很難超過100Kbit/S)。傳統(tǒng)的通信方式包括有線通信和無線通信。有線通信中電纜傳輸是比較普遍的傳輸方式:在高溫環(huán)境下，其數據傳輸速率可以達到100Kbit/S，但是在無中繼的條件下經數千米傳輸后信號衰減在70dB以上，在接收端很難被探測和恢復，同時其體積大，不適宜在油田測井、地質勘探等空間嚴格受限的場景中使用。而在無線傳輸中，常規(guī)的W1-Fi無線通信技術、超寬帶無線通信技術、藍牙技術等可以輕易達到Mbit/s的數據傳輸速率，但收發(fā)模塊或終端基本上工作在常溫下(低于85攝氏度)，不適宜于長期高溫寬帶通信，此外，油田測井中常用的泥漿脈沖傳輸方式、聲波傳輸方式、低頻電磁波傳輸方式，它們的傳輸速率偏低(從幾bit/s到幾百Kbit/s)，而且后兩種方式還易受環(huán)境、電磁干擾，傳輸距離嚴格受限。


【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的任務在于克服上述已有方案的不足，能夠同時提供長時間高溫工作性能、寬帶數據傳輸、長距離傳輸的解決途徑，以常溫光收發(fā)模塊、高溫光收發(fā)模塊、光纖鏈路，在不低于125攝氏度高溫下，實現(xiàn)Mbit/s量級、數千米傳輸距離的遠程全雙工寬帶通?目。
[0006]一種針對單端高溫環(huán)境的非對稱式寬帶光纖傳輸裝置，主要由上位機或監(jiān)控主機100、常溫光收發(fā)模塊200、下行多模光纖鏈路301、上行多模光纖鏈路302、高溫光收發(fā)模塊400以及下位機或遠程終端構成。所述常溫光收發(fā)模塊和高溫光收發(fā)模塊由發(fā)射部分和接收部分組成，所述常溫光收發(fā)模塊發(fā)射部分由光發(fā)射驅動電路和常溫發(fā)光二極管組成，接收部分由光電信號前置放大電路和主放大電路以及常溫光電二極管構成；所述高溫光收發(fā)模塊發(fā)射部分由光發(fā)射驅動電路和高溫發(fā)光二極管組成，接收部分由光電信號前置放大電路和主放大電路以及高溫光電二極管構成，常溫光收發(fā)模塊和高溫光收發(fā)模塊之間由兩條等長的長達數千米的多模光纖相連。
[0007]所述常溫光收發(fā)模塊和所述高溫光收發(fā)模塊通過所述多模光纖對稱連接。
[0008]所述常溫光收發(fā)模塊的另一端與上位機或者監(jiān)控主機相連接，所述高溫光收發(fā)模塊的另一端與下位機或者遠程終端相連接。
[0009]所述高溫光收發(fā)模塊和多模光纖能夠長期工作在不低于125攝氏度的高溫環(huán)境下，高溫光模塊電路板耐溫值更是高達280攝氏度，無需額外的保溫措施或裝置(比如將收發(fā)模塊置于保溫瓶或恒溫瓶內等)。同時，傳輸距離達到數千米，串行數據傳輸速率達到Mbit/s。
[0010]一種針對單端高溫環(huán)境的非對稱式寬帶光纖傳輸方法，其特征在于，在下行鏈路中，上位機或監(jiān)控主機發(fā)送控制指令信號至常溫光收發(fā)模塊的發(fā)送部分，轉換成光信號經多模光纖鏈路傳輸至下位機或遠程終端的高溫光收發(fā)模塊的接收部分，然后恢復出所述的控制指令；在上行鏈路中，下位機將采集到的現(xiàn)場視頻、音頻、環(huán)境參數數據發(fā)送到高溫光收發(fā)模塊的發(fā)送部分，轉換成光信號經多模光纖鏈路傳輸至上位機的常溫光收發(fā)模塊的接收部分，然后恢復出所述的視頻、音頻、環(huán)境參數數據。
[0011]本發(fā)明具有以下有益技術效果:
[0012]本方法和裝置中的高溫光電元器件均可工作在不低于125攝氏度的環(huán)境中，突破了常規(guī)的有線/無線通信系統(tǒng)的工作溫度限制(約85攝氏度)，實現(xiàn)距離長達數千米(km)寬帶傳輸；同時整個系統(tǒng)的傳輸速率可達Mbit/s，適用于高溫環(huán)境下寬帶串行數據通信需求與應用，將在高溫極端環(huán)境下(比如油田開發(fā))等需要高可靠性、實時性的工業(yè)控制中具有重要的應用價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
:
[0013]圖1.本發(fā)明方法及裝置系統(tǒng)應用原理框圖。
[0014]圖2.非對稱式常溫光收發(fā)模塊結構(a)及二次放大電路(b)示意圖。(注:Cl?C4表電容，Rl?R2表電阻,204表不放大器，Vi表不常溫光電二極管203接收光信號后輸出的電壓，OUTl表示通過二次放大電路204的最終輸出端)
[0015]圖3.非對稱式高溫光收發(fā)模塊結構示意圖。
[0016]圖4.非對稱式高溫光收發(fā)模塊的接收部分二級放大示意圖。
[0017](注:C5?C13表示電容，R3?R7表示電阻，403表示光電二極管，404、405表示放大器，Id表不高溫光電二極管403接收光信號后輸出的光電流，0UT2表不經二級放大后主放大電路405的最終輸出端)

【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對本發(fā)明的實施作進一步的描述。
[0019]如圖1所示，本發(fā)明主要由上位機或監(jiān)控主機100、常溫光收發(fā)模塊200、下行多模光纖鏈路301、上行多模光纖鏈路302、高溫光收發(fā)模塊400以及下位機或遠程終端構成，下面結合器件原理與選型對常溫光收發(fā)模塊200、多模光纖鏈路301、302和高溫光收發(fā)模塊400進行詳細說明:
[0020]1.常溫光收發(fā)模塊
[0021]對于常溫光收發(fā)模塊發(fā)送部分的光源，我們選用工業(yè)級發(fā)光二極管，其應用領域主要包括主機監(jiān)控、工業(yè)控制鏈路等，耐溫值在-40?85攝氏度內，并且數據速率可達DC?5Mbit/s范圍，符合本發(fā)明的需要。
[0022]由于一般的邏輯門電路不能直接驅動發(fā)光二極管，所以這里利用具有四路二輸入與非門的芯片201作為驅動電路的主要器件。因為單門邏輯驅動器的最大灌電流有限，故利用三路與非門并聯(lián)來同時驅動發(fā)光二極管進行工作，并選擇了 74系列芯片作為理想的驅動器。由于74系列和54系列芯片只是耐溫值不同，故選擇74系列作為常溫光收發(fā)模塊的發(fā)送部分的驅動芯片，而54系列則作為高溫光收發(fā)模塊的發(fā)送部分的驅動芯片。
[0023]對于常溫光電二極管，我們選用響應波長范圍在300?IlOOnm的大帶寬(DC?1MHz)、高靈敏度(優(yōu)于-35dBm)的常溫光電二極管203作為我們的常溫光收發(fā)模塊的接收部分的主要器件，由于其輸出電壓較小，所以我們設計了如圖2所示的二次放大電路204對其微弱電壓進行二次放大。
[0024]常溫光收發(fā)模塊接收部分的二次放大電路204選擇具有較大增益帶寬積的放大器芯片，常溫光收發(fā)模塊所選擇的常溫光電二極管203具有高靈敏度、頻響范圍寬的優(yōu)勢，并且對外界溫度要求不高，但受到下位機端高溫發(fā)光二極管402特性的限制，再加上數千米(km)多模光纖傳輸,數據傳輸發(fā)生較大畸變。因為該常溫光電二極管203輸出電壓只有幾十毫伏(mv)量級，還需放大幾十倍達到TTL識別電平；所以選擇了大帶寬、電壓反饋型放大器，該放大器增益帶寬積為500MHz，轉換速率為1800ν/μ S，用同相二次放大電路204，使其輸出電壓符合TTL電平，實現(xiàn)了 MHz寬帶通信，進而實施音、視頻等大容量數據的傳輸。
[0025]2.光纖鏈路
[0026]考慮到常溫、高溫光收發(fā)模塊的發(fā)送部分的光源工作波長均在850nm附近，所以對光纖鏈路301、302的設計選用多模光纖，光纖長為數千米(km)，損耗為3.5dB/km。選擇的常溫、高溫光電二極管都可以檢測得到經過數千米(km)傳輸后的微弱光信號，并進行有效的光電轉換，配合二次放大電路204，前置放大電路404和主放大電路405的組合，以達到上位機或監(jiān)控主機100以及下位機或遠程終端500接收端口可以識別的電平信號值。
[0027]3.高溫光收發(fā)模塊
[0028]由于高溫光收發(fā)模塊工作在高溫環(huán)境下，對光元件溫度要求比較高，所以選用耐高溫光電收發(fā)元器件；光源采用高溫發(fā)光二極管402，耐溫值達150攝氏度，經封裝耦合后發(fā)光功率為3 μ W，此發(fā)送光功率雖小，對應接收的光電二極管采用高靈敏度的高溫光電二極管403 (高于-32dBm)，耐溫值可達150攝氏度，能夠有效檢測經過數千米傳輸后微弱的光信號(400?500nw，納瓦)，并可進行有效的光電轉換。
[0029]對于工作在高溫環(huán)境下的放大器，不僅要求功耗小，而且噪聲也要足夠低，該發(fā)明利用低功率、低噪聲、低漂移的場效應晶體管前置運算放大電路404，將光電流轉化成電壓信號，而主放大電路405選用了具有超低偏壓特性的放大器對電壓進行進一步的放大，以致恢復出原來的電信號。同時，還匹配了供源電壓轉換芯片，保證放大器在高溫下的正常工作。
[0030]針對光功率為幾百納瓦(nw)的微弱信號接收，使用了如圖4所示高溫光電收發(fā)模塊的接收部分光電檢測電路。這里，我們選擇結電容、暗電流都較低的PIN型高溫光電二極管403，并選擇暗電流小，線性度好的零偏置光電壓模式作為前置放大電路形式。前置放大電路404采用了跨阻連接方式，跨接了一個反饋電阻Rl ;對于反饋電阻Rl的選取，不宜過大，否則會導致電路穩(wěn)定性變差，測量時間變長，該電路還并聯(lián)一個反饋電容C9，用來抑制、平滑噪聲干擾，并采用T型負反饋電阻網絡的電流-電壓轉換放大電路，來減小切換穩(wěn)定時間，保證測量放大倍數，達到較高的測量準確度。由于前置放大電路輸出電壓在毫伏(mv)量級，所以需要進行二級放大，故還需主放大電路，對前置放大輸出電壓進行幾十倍甚至上百倍的放大設計。同時，我們采用高Tg印制PCB電路板，來滿足高溫光收發(fā)模塊長期工作在高溫極端環(huán)境下電路板能正常工作的需要，電路板耐溫值可達280攝氏度，保證了本發(fā)明的可行性。
[0031]4.全雙工通信
[0032]結合光收發(fā)模塊、光纖鏈路，實施高溫環(huán)境下寬帶全雙工通信。這里，高溫光收發(fā)模塊、多模光纖安置于高溫環(huán)境中(通常是下位機或遠程終端)、常溫光收發(fā)模塊安置于常溫環(huán)境中，提供單端高溫環(huán)境下的遠程、寬帶通信傳輸功能。
[0033]上行鏈路中，下位機或遠程終端500將采集到的現(xiàn)場視頻、音頻、環(huán)境參數數據發(fā)送到高溫光收發(fā)模塊的發(fā)送部分406，經驅動電路401和高溫發(fā)光二極管402將電信號轉換成光信號，由上行多模光纖鏈路302傳輸至常溫光收發(fā)模塊的接收部分207，經常溫光電二極管203接收光信號后輸出的電壓Vi,進而通過二次放大電路204得到最終輸出電壓信號
Vouti
[0034]Vout^V +(1)

V K.2 J
[0035]其中，R1, R2分別表示圖2(b)中電阻Rl?R2的電阻值。然后將此電壓信號傳輸給上位機或監(jiān)控主機100的接受端口，完成視頻、音頻、環(huán)境參數數據的傳輸。
[0036]下行鏈路中，上位機或監(jiān)控主機100發(fā)送控制指令信號至常溫光收發(fā)模塊的發(fā)送部分206,經驅動電路201和高溫發(fā)光二極管202將電信號轉換成光信號，由下行多模光纖鏈路301傳輸至高溫光收發(fā)模塊的接收部分407，經高溫光電二極管403接收光信號后輸出的光電流ID，進而得到最終輸出電壓信號Vtot2
[0037]=+(2)

V Iv5 JIVe
[0038]其中，R3?R7分別表示圖4中電阻R3?R7的電阻值。然后將此電壓信號傳輸給下位機或遠程終端500的接收端口，完成控制指令的傳輸。
[0039]綜上所述，本發(fā)明方法及裝置能夠為長期工作在不低于125攝氏度的單端高溫環(huán)境，提供傳輸距離長達數千米，上下行鏈路串行數據速率達Mbit/s的傳輸功能，實現(xiàn)了真正的高溫、長距離、寬帶通信。
[0040]以上所陳述的僅僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，在不脫離本發(fā)明方法和核心裝置實質的前提下，在實際實施中可以做出若干更改(等同或變形)也應包含在本發(fā)明的保護范圍以內。
【權利要求】
1.一種針對單端高溫環(huán)境的非對稱式寬帶光纖傳輸裝置，其特征在于:主要由上位機或監(jiān)控主機100、常溫光收發(fā)模塊200、下行多模光纖鏈路301、上行多模光纖鏈路302、高溫光收發(fā)模塊400以及下位機或遠程終端構成；裝置采用非對稱模式，其中常溫光收發(fā)模塊由發(fā)射部分和接收部分組成,高溫光收發(fā)模塊由發(fā)射部分和接收部分組成,所述常溫光收發(fā)模塊發(fā)射部分由光發(fā)射驅動電路和常溫發(fā)光二極管組成，接收部分由光電信號前置放大電路和主放大電路以及常溫光電二極管構成；所述高溫光收發(fā)模塊發(fā)射部分由光發(fā)射驅動電路和高溫發(fā)光二極管組成，接收部分由光電信號前置放大電路和主放大電路以及高溫光電二極管構成；所述常溫光收發(fā)模塊的第一端和所述高溫光收發(fā)模塊的第一端通過所述多模光纖對稱連接，所述常溫光收發(fā)模塊的第二端與上位機或者監(jiān)控主機相連接，所述高溫光收發(fā)模塊的第二端與下位機或者遠程終端相連接。
2.根據權利要求1所述的一種針對單端高溫環(huán)境的非對稱式寬帶光纖傳輸裝置，其特征在于:所述高溫光收發(fā)模塊和多模光纖能夠長期工作在不低于125攝氏度的環(huán)境下,能夠為不低于125攝氏度的單端高溫環(huán)境提供數千米傳輸距離、Mbit/s數據速率的通信功倉泛。
3.一種針對單端高溫環(huán)境的非對稱式寬帶光纖傳輸方法，其特征在于:在下行鏈路中，上位機或監(jiān)控主機發(fā)送控制指令信號至常溫光收發(fā)模塊的發(fā)送部分，轉換成光信號經多模光纖鏈路傳輸至下位機或遠程終端的高溫光收發(fā)模塊的接收部分，然后恢復出所述的控制指令；在上行鏈路中，下位機將采集到的現(xiàn)場視頻、音頻、環(huán)境參數數據發(fā)送到高溫光收發(fā)模塊的發(fā)送部分，轉換成光信號經多模光纖鏈路傳輸至上位機的常溫光收發(fā)模塊的接收部分，然后恢復出所述的視頻、音頻、環(huán)境參數數據。
【文檔編號】H04B10/40GK104320193SQ201410561837
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月20日 優(yōu)先權日:2014年10月20日
【發(fā)明者】鄒喜華, 管國光, 潘煒, 羅斌, 閆連山 申請人:西南交通大學