專利名稱：用于長距離數(shù)據(jù)通信的光纖收發(fā)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及在供電系統(tǒng)中相隔較遠(yuǎn)的電子設(shè)備，如保護(hù)繼電器之間的異步數(shù)據(jù)光纖通信，并且尤其涉及在光纖通信線上使用的收發(fā)機(jī)。收發(fā)機(jī)把來自電子設(shè)備的數(shù)字電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的光信號(hào)，以及進(jìn)行一個(gè)相反的過程。
用于電子設(shè)備之間異步通信的系統(tǒng)是很普遍的，這些電子設(shè)備產(chǎn)生并接收數(shù)字信號(hào)，如供電系統(tǒng)保護(hù)繼電器，但也包括其它的電子設(shè)備，如計(jì)算機(jī)等。在異步通信中，發(fā)送電子設(shè)備將典型地產(chǎn)生參考地的信號(hào)，用于同另一個(gè)這樣的設(shè)備進(jìn)行通信。這個(gè)信號(hào)通常通過金屬電纜傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備上，接收設(shè)備相對(duì)于地測量所接收的信號(hào)。異步通信典型地使用EIA-232ASCII碼通信格式。在異步通信中，發(fā)送器和接收器的內(nèi)部時(shí)鐘不是同步的。
金屬電纜有一定的電容。如果數(shù)據(jù)通信的最大波特率為38.4K波特，發(fā)送器和接收器之間的典型最大距離將小于50英尺。這對(duì)于有些環(huán)境中是不利的，如供電系統(tǒng)，其電子設(shè)備之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)要大于50英尺。例如，在集中式負(fù)載中心，在電子供電系統(tǒng)子站之間9英里(15千米)是一個(gè)典型的距離，而且在許多情況中，兩個(gè)子站之間的距離遠(yuǎn)要比9英里大，甚至在有些情況下大于50-70英里。
在許多應(yīng)用中，如在兩個(gè)供電系統(tǒng)的保護(hù)繼電器之間，對(duì)于數(shù)據(jù)的傳輸要求高的安全性和可靠性。其中一個(gè)對(duì)安全性和可靠性有重要要求的數(shù)據(jù)通信實(shí)例是有關(guān)故障發(fā)生地信息的傳輸，即故障是發(fā)生在兩個(gè)指定保護(hù)繼電器的電能傳輸線上還是發(fā)生在一些其它的傳輸線上。
然而，金屬電纜在常規(guī)的通信系統(tǒng)中有多個(gè)缺點(diǎn)，包括在電氣故障期間發(fā)生的安全問題。還有，誤碼率(BER)會(huì)有大量的增加，這導(dǎo)致在故障期間，數(shù)據(jù)通信變得不可靠。進(jìn)一步，金屬電纜易受電干擾影響，如閃電可導(dǎo)致對(duì)通信電子設(shè)備的瞬時(shí)或永久性損壞。
光纜成為在需求高安全性和可靠性的通信中優(yōu)先采用的方法。另外光纖線纜提供期望的電隔離，其消除或降低了與金屬電纜有關(guān)的不安全性，并且消除或降低了故障期間BER的增長。另一方面，光纖線纜有一些缺點(diǎn)，其中大多數(shù)涉及供電需求。我們知道，光纖線纜的衰減取決于線纜的特性。為了用最少的功率提供最遠(yuǎn)的距離，與光纖線纜傳輸有關(guān)的重要目標(biāo)是使光能支出最大化，這根據(jù)一個(gè)已知的公式可以計(jì)算出。
為獲得遠(yuǎn)距離通信，高能激光器經(jīng)常用于光纖通信系統(tǒng)。然而，這種激光尺寸大、昂貴，并且需要高的電能來操作，并對(duì)操作員的眼睛和皮膚構(gòu)成安全威脅。另外，如果期望收發(fā)機(jī)從電子設(shè)備中獲得電能并因此安裝到電子設(shè)備上，那么高功率的激光器不能被使用。
一種稱為垂直腔表面發(fā)射(VCSEL)激光器的低功率激光器，雖然與所期望的供電系統(tǒng)輸出負(fù)載較近，另外具有所期望的小體積，但是仍然具有超過公認(rèn)人眼安全極限的光能輸出。對(duì)于本發(fā)明來說提供一個(gè)在公認(rèn)的人眼安全極限以下的收發(fā)機(jī)是重要的，也是所期望的。
用于遠(yuǎn)程光纖通信的當(dāng)前可用的光接收器也有缺點(diǎn)。這些接收器應(yīng)盡可能靈敏，如“雪崩”式光電探測器(APD)，或者pin光電二極管。然而APD不是一個(gè)合適的選擇，因?yàn)槠湫枨蟠罅控?fù)偏差和冷卻。可以使用pin光電二極管，盡管這些配置通常需要pin光電二極管反向偏差，并在光電導(dǎo)模式中配置，但如果接收到太強(qiáng)的信號(hào)，這能導(dǎo)致放大器的損壞或飽和。在這些情況下，在光纖線中典型提供衰減跳線器，這是不期望的。因此，滿足現(xiàn)存的人眼安全標(biāo)準(zhǔn)，而且具有足夠的功率和敏感性以傳輸從近距離到遠(yuǎn)程一系列不同的距離，并且不必使用衰減跳線器，這樣的光纖通信收發(fā)機(jī)是所需要的。
因此，本發(fā)明是用于數(shù)據(jù)通訊的光纖收發(fā)機(jī)，包括，從終端設(shè)備如供電系統(tǒng)保護(hù)繼電器，接收帶有高低電平狀態(tài)的數(shù)據(jù)信號(hào)的裝置；從數(shù)據(jù)信號(hào)產(chǎn)生一系列光脈沖的裝置，其中一個(gè)第一光脈沖排列表示數(shù)據(jù)信號(hào)的上升沿，以及一個(gè)第二光脈沖排列表示數(shù)據(jù)信號(hào)的下降沿，如果高電平狀態(tài)和低電平狀態(tài)存在的時(shí)間超過預(yù)設(shè)的時(shí)間，第一和第二脈沖排列將在所述高低電平狀態(tài)時(shí)，分別以預(yù)設(shè)的時(shí)間重復(fù)出現(xiàn)；從光纜上接收發(fā)送的光脈沖系列的裝置，其在光脈沖系列中分辨第一和第二脈沖排列，并且重建具有高低電平狀態(tài)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)，重建的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)能足夠反映產(chǎn)生光脈沖的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)；以及提供所述重建的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)到終端設(shè)備的裝置。


圖1是表示使用了本發(fā)明收發(fā)機(jī)的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)基本組成的框圖。
圖2是表示簡化了的數(shù)據(jù)字符傳輸?shù)臅r(shí)序圖。
圖3是使用本發(fā)明光信號(hào)排列的數(shù)據(jù)字符傳輸。
圖4是表示電子設(shè)備數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)和本發(fā)明光信號(hào)之間時(shí)序關(guān)系的信號(hào)圖。
圖5是表示本發(fā)明收發(fā)機(jī)發(fā)送器部分的原理圖。
圖6是在發(fā)送編碼器中使用的邏輯方程列表。
圖7A和7B表示本發(fā)明收發(fā)機(jī)接收器部分的原理圖。
圖8是在接收器編碼器中使用的邏輯方程列表。
圖1是表示本發(fā)明收發(fā)機(jī)連接到傳輸線的總體框圖。圖示兩個(gè)收發(fā)機(jī)10和12連接到光纖線14的兩端上。光纖線14可以有不同的長度，包括相對(duì)短的(大約0.5米)到相當(dāng)長的(大于100千米)的距離。實(shí)際可能的線長取決于光發(fā)送器的波長和光纖的厚度。比如，波長850納米(NM)，多模式光纖(50毫米厚)將允許大約15千米的線長，而波長1300NM，單模式光纖將允許接近100千米的距離。在所示實(shí)施例中，使用了雙向通訊，所以收發(fā)機(jī)10和12可以以發(fā)送或接收兩者任一合適的模式運(yùn)行。
為便于解釋，收發(fā)機(jī)10將以發(fā)送模式，收發(fā)機(jī)12將以接收模式討論。當(dāng)通訊是從收發(fā)機(jī)12到收發(fā)機(jī)10時(shí)，兩種模式正好相反。收發(fā)機(jī)10從電子設(shè)備接收EIA-232數(shù)字信號(hào)，如電源傳輸線上的保護(hù)繼電器?！拔帐帧彪娐诽峁碾娮釉O(shè)備到電子設(shè)備的控制信號(hào)反饋，以實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的任何握手需求。不論收發(fā)機(jī)是在發(fā)送或者接收，此均可實(shí)現(xiàn)。
收發(fā)機(jī)10的電源由供電線路提供，如圖中18處所示，它包括握手電路。這不是一個(gè)常規(guī)的電源；而是，收發(fā)機(jī)10被設(shè)計(jì)成從電子設(shè)備本身獲取電源。供電線路18處理從電子設(shè)備中所選的信號(hào)，并提供電源信號(hào)到不同的收發(fā)機(jī)上，包括發(fā)送器編碼器20，其驅(qū)動(dòng)光纖發(fā)送器22，通過光纖線14傳輸產(chǎn)生的光脈沖到線另一端的收發(fā)機(jī)12上。發(fā)送器編碼器20和發(fā)送器22的具體結(jié)構(gòu)將在后續(xù)段落詳細(xì)討論。收發(fā)機(jī)10也包括光纖接收器和接收器解碼器，下面將更詳細(xì)說明。
圖2表示了一個(gè)典型的8位數(shù)字字符，帶有一個(gè)起始位26和停止位28，根據(jù)時(shí)間串行編碼。此8位字符表示通常的異步數(shù)據(jù)通訊。波特率為典型的40,000位/秒，位間隔是25微秒。
對(duì)通常的光纖收發(fā)機(jī)，發(fā)送模式的收發(fā)機(jī)把圖2的數(shù)字電信號(hào)編碼成相應(yīng)的光信號(hào)，其進(jìn)一步通過光纖線傳輸。在線的另一端，接收模式的光纖收發(fā)機(jī)將解碼所收到的光纖信號(hào)，并重新生成原始的數(shù)字電信號(hào)。
本發(fā)明包括用于電子數(shù)據(jù)信號(hào)的特定光編碼系統(tǒng)。用此編碼方法，當(dāng)原始發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)上升(上升沿)時(shí)，產(chǎn)生兩個(gè)光脈沖并發(fā)送，而當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)下降(下降沿)時(shí)，產(chǎn)生單個(gè)光脈沖并發(fā)送。電信號(hào)數(shù)據(jù)的上升或下降沿與相應(yīng)光脈沖排列(兩個(gè)或單個(gè))的起始沿之間的時(shí)間是固定的，即在實(shí)施例中略小于一位的間隔，或者對(duì)于40K波特率來說，略小于25微秒。光脈沖寬度大約是位間隔的1/10。
如果傳輸數(shù)據(jù)連續(xù)處于低電平，則產(chǎn)生附加的單光脈沖，并以重復(fù)的波特率發(fā)送，在實(shí)施例中，大約每1/2位間隔產(chǎn)生一個(gè)光脈沖。如果傳輸數(shù)據(jù)連續(xù)處于高電平，則產(chǎn)生雙光脈沖，并以重復(fù)的波特率發(fā)送，大約每1個(gè)位間隔產(chǎn)生一個(gè)雙光脈沖。因此，在一個(gè)位間隔上，單雙脈沖的總的功率大致相同。實(shí)施例中，連續(xù)光脈沖的上升沿大約以1/3位間隔分開。光信號(hào)的時(shí)序?qū)⒃谙铝卸温溥M(jìn)一步討論。
圖3表示了上面簡單討論過的本發(fā)明光編碼原則。在圖3，在發(fā)送數(shù)據(jù)(TXD)中，在起始脈沖30上升沿后固定的時(shí)間，產(chǎn)生一對(duì)光脈沖32，并發(fā)送。接著，在起始脈沖30下降沿后固定的時(shí)間，單光脈沖34被發(fā)送。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)保持低電平時(shí)(圖3中位1和2)，附加單脈沖36和38將以固定間隔發(fā)送。在此例中，發(fā)送信號(hào)在第一位和第二位時(shí)為低電平，發(fā)送了三個(gè)單光脈沖。第三數(shù)據(jù)位40為高，在數(shù)據(jù)位40上升沿后固定的時(shí)間，發(fā)送雙脈沖。數(shù)據(jù)位40下降沿將引起單脈沖44。
固定時(shí)間后，數(shù)據(jù)位46的上升沿將引起一個(gè)第一雙脈沖48，接著一個(gè)附加的雙脈沖50，其由于在固定時(shí)間后跟隨的數(shù)據(jù)位47仍為高電平而產(chǎn)生。在數(shù)據(jù)位47下降沿后固定時(shí)間，產(chǎn)生單個(gè)光脈沖52。既然雙脈沖50在數(shù)據(jù)位47下降沿時(shí)正在發(fā)送，因此雙脈沖50被完成并發(fā)送。
典型地，實(shí)際光脈沖寬度和脈沖特定時(shí)序可以被優(yōu)化，以對(duì)于給定的光脈沖傳輸，獲得最大的光強(qiáng)度。
再參考圖1，收發(fā)機(jī)12接收上述的和圖3所示的光脈沖數(shù)據(jù)。收發(fā)機(jī)的接收器部分53根據(jù)脈沖時(shí)序預(yù)設(shè)的時(shí)間，判斷所接收到的是單光脈沖還是雙光脈沖。如果探測到的是單光脈沖，解碼器55使產(chǎn)生的重建接收信號(hào)為低電平。如果探測到的是雙光脈沖，產(chǎn)生高電平的上升沿。
用于判斷接收到的是單脈沖還是雙脈沖的決定點(diǎn)(在時(shí)間上)，典型地，是所接收的光脈沖第一個(gè)上升沿后一段固定的時(shí)間。在實(shí)施例中，決定點(diǎn)是光脈沖第一個(gè)上升沿后大約2/5的位間隔，不管是單脈沖還是雙脈沖。重建的接收信號(hào)僅在此決定點(diǎn)上改變電平。由于收發(fā)機(jī)10的發(fā)送器在發(fā)送數(shù)據(jù)沿上接通，收發(fā)機(jī)12的接收器在接收的光脈沖上升沿上切斷，因此產(chǎn)生的重建接收信號(hào)接近于原始發(fā)送信號(hào)。
上述光編碼方法的主要優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)低的占空比。在所示實(shí)施例中，光脈沖占空比不大于20％。占空比甚至可以更小，取決于在發(fā)送電數(shù)據(jù)流中位的實(shí)際個(gè)數(shù)。低的占空比具有使光發(fā)送功率降低到安全級(jí)別的優(yōu)點(diǎn)。比如，850NM波長的VCSEL激光，平均光發(fā)送功率將從原來的1.5毫瓦(其高出人眼安全級(jí)0.44毫瓦)，降低到0.3毫瓦(其大大低于人眼安全級(jí))。在占空比大于20％，可能接近至少30％時(shí)，仍然可用并在期望的安全標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。
上述排列有一系列優(yōu)點(diǎn)。首先，電子設(shè)備的電數(shù)據(jù)流，可不考慮協(xié)議、數(shù)據(jù)格式或波特率，而以存在的形式使用。進(jìn)一步，收發(fā)機(jī)傳輸信號(hào)時(shí)，不必使用緩沖。再進(jìn)一步，數(shù)據(jù)信號(hào)從進(jìn)入發(fā)送器收發(fā)機(jī)10到從接收器收發(fā)機(jī)12出來的整個(gè)延遲相對(duì)較小，通常小于1.5位間隔。更進(jìn)一步，如上所示，低的占空比使發(fā)送器平均光能降低到安全水平上。優(yōu)化光能以滿足人眼安全級(jí)，并對(duì)長距離通訊提供足夠的功率。比如，上述的距離指標(biāo)用本發(fā)明是可以達(dá)到的。
另外，低的占空比使得收發(fā)機(jī)可以從相關(guān)的電子設(shè)備獲得其電源需求。連續(xù)的占空比允許接收器收發(fā)機(jī)AC耦合，消除與“暗”電流(不接收光時(shí)，從接收端的PIN光電二極管流出的電流)有關(guān)的任何直流噪聲。對(duì)于不同的光纜長度，不使用衰減跳線器，系統(tǒng)速率可高達(dá)40K波特，同時(shí)保持BER小于10-9。
圖4表示了在發(fā)送信號(hào)(TXD)、產(chǎn)生的光信號(hào)(光纖)和重建的接收信號(hào)(RXD)之間，一種特定的時(shí)序排列。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，在本發(fā)明范圍內(nèi)的其它時(shí)序排列也可以使用。發(fā)送信號(hào)在58處出現(xiàn)下降沿。20微秒后，出現(xiàn)一個(gè)單光纖脈沖60。光纖脈沖60脈寬2.5微秒。如果發(fā)送信號(hào)繼續(xù)為低，附加的單脈沖如62會(huì)被發(fā)送。在所示實(shí)施例中，只要發(fā)送信號(hào)為低電平，這些附加單脈沖將每隔13.5微秒出現(xiàn)一次。
當(dāng)圖4的單光脈沖傳到接收器上，重建接收信號(hào)的下降沿64將在單脈沖60開始10微秒后出現(xiàn)。因此，在所示實(shí)施例中，除了傳輸延遲外，在發(fā)送和重建信號(hào)之間有30微秒的延遲。
傳輸信號(hào)的上升沿也作了圖示。在傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)66處出現(xiàn)上升沿。20微秒后，發(fā)送一個(gè)雙脈沖68。在所示實(shí)施例中，雙脈沖總脈寬10微秒，而連續(xù)雙脈沖上升沿之間的時(shí)間是7.5微秒，使得每一個(gè)雙脈沖其中一個(gè)的脈寬為2.5微秒。在25.75微秒后，如果發(fā)送信號(hào)繼續(xù)為高電平，另外一個(gè)雙脈沖70會(huì)被發(fā)送。
在接收器處，在雙脈沖68接收并確認(rèn)后大約10微秒，上升沿72被重建，除了傳輸延遲外，大約有30微秒的延遲。再次聲明，其它時(shí)序排列也可以使用。上述時(shí)間排列是為圖示和解釋本發(fā)明。
光纖收發(fā)機(jī)的接收器部分使用850NM的VCSEL發(fā)送器，即在紅外范圍內(nèi)。發(fā)送器也可使用LED以取代激光器。激光發(fā)送器受大約為12毫安的恒流源控制。如上所示，占空比將大約為20％，甚至更小，這取決于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)序列。在所示實(shí)施例中，在-40°到85℃的溫度范圍內(nèi)，激光的最大峰值光能輸出小于1.5毫瓦。在平均功率中，如上所述，這樣的結(jié)果完全處在所需安全限制內(nèi)。
圖5表示了本發(fā)明發(fā)送器電路。供電電路(未畫出)給發(fā)送器電路提供正負(fù)電壓。如上所述，電源從相關(guān)電子設(shè)備中獲取，并最小限度地處理，來為收發(fā)機(jī)提供所需的電壓值。圖5以原理形式表示的發(fā)送器電路包括VCSEL激光器76；陶瓷振蕩電路；發(fā)送器編碼器80，在實(shí)施例中，其為門陣列邏輯處理電路(GAL)，其存儲(chǔ)并執(zhí)行邏輯方程，以產(chǎn)生發(fā)送的脈沖；以及驅(qū)動(dòng)激光器76的恒流源。
陶瓷振蕩器電路包括反相器84，陶瓷振蕩器86，電阻88、90以及電容92、94。陶瓷振蕩器電路在反相器84輸出端產(chǎn)生800KHz的方波時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)的上升沿進(jìn)入(計(jì)時(shí))發(fā)送器編碼器80的邏輯電路。
編碼器80產(chǎn)生輸出信號(hào)(圖5中表示為光纖信號(hào))，其引起光脈沖從激光器76發(fā)送。當(dāng)從電子設(shè)備發(fā)送的電數(shù)據(jù)信號(hào)為低電平時(shí)，每隔13.5微秒發(fā)送一個(gè)2.5微秒的光脈沖。當(dāng)傳輸信號(hào)為高電平時(shí)，每隔28.75微秒發(fā)送兩個(gè)2.5微秒的脈沖。產(chǎn)生這些脈沖的GAL80中的方程已在圖6中列出。
發(fā)送信號(hào)通過電路傳輸?shù)骄幋a器80上，電路包括電阻96，電阻98,FET100，和電阻102。到編碼器80的信號(hào)是電數(shù)據(jù)信號(hào)的反相信號(hào)。FET100引起數(shù)據(jù)信號(hào)電壓電平到編碼器中使用的邏輯電壓電平的轉(zhuǎn)換。
當(dāng)編碼器80的“光纖”信號(hào)為高電平時(shí)，激光器76的恒流源驅(qū)動(dòng)激光器。在所示實(shí)施例中，在所選電壓范圍內(nèi)，電壓被調(diào)節(jié)在11.5毫安和13.5毫安之間。運(yùn)算放大器103(管腳1,2以及3)提供大約1.2V的參考電壓，運(yùn)算放大器104(管腳5,6以及7)接在其后。負(fù)反饋回路使得管腳6的電壓跟隨管腳5的電壓。除了一個(gè)肖特基二極管的電壓降外，管腳5的電壓是電壓調(diào)節(jié)器的緩沖輸出，其由二極管106和電阻108決定。此二極管的電壓降補(bǔ)償峰值檢測器二極管110和電阻112的電壓降。運(yùn)放跟隨器反饋回路源是電阻114上電壓的峰值檢測電路。因此運(yùn)放104的輸出保持在相對(duì)穩(wěn)定的直流電壓，即使在FET113進(jìn)行電路通斷以產(chǎn)生光脈沖時(shí)。
由于光信號(hào)的占空比相當(dāng)恒定，因此峰值檢測器很少有紋波，這使得運(yùn)放104的輸出保持穩(wěn)定值。運(yùn)放驅(qū)動(dòng)晶體管118進(jìn)入活動(dòng)區(qū)一段合適的時(shí)間，以保持電阻114上的峰值電壓穩(wěn)定，以使得，峰值電壓等于運(yùn)放103電壓調(diào)節(jié)器的參考電壓，大約1.2V。晶體管118集電極-發(fā)射極的電壓將變化，以保持電流通過激光器，即使在FET113導(dǎo)通時(shí)。與FET113串聯(lián)的電阻120限制在FET首次導(dǎo)通時(shí)可能流經(jīng)晶體管118的電流尖峰，而電阻122限制收發(fā)機(jī)初次上電時(shí)晶體管118基極電流。電容124抑制FET113初次導(dǎo)通時(shí)可能產(chǎn)生的運(yùn)放的振蕩。
激光器76的輸出是一系列光脈沖，如圖3所示。這些光脈沖通過光纜傳輸?shù)骄€另一端的收發(fā)機(jī)上，光纜長度隨應(yīng)用而定。接收到的光脈沖傳輸?shù)绞瞻l(fā)機(jī)接收部分上。
圖7表示了收發(fā)機(jī)接收部分。收發(fā)機(jī)必需的電源由供電電路提供，其從與之相連的相關(guān)電路中，就象發(fā)送端的收發(fā)機(jī)一樣，獲取功率。發(fā)送器電路包括pin光電管130；四個(gè)運(yùn)放級(jí)；一個(gè)GAL接收解碼器132，其類似于發(fā)送器部分的GAL80，用于把接收到的光脈沖轉(zhuǎn)換成原始數(shù)據(jù)；以及電平轉(zhuǎn)換電路，以從GAL132產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號(hào)。實(shí)施例中所示的GAL132為門陣列邏輯處理電路，其存儲(chǔ)并執(zhí)行邏輯方程，以把收到的信號(hào)解碼成原始數(shù)據(jù)信號(hào)。
四級(jí)運(yùn)放把從光纜中收到的光脈沖轉(zhuǎn)換成具有足夠分辨率的數(shù)字脈沖，即單脈沖與雙脈沖可以容易地區(qū)別開。如上所述，接收到的光單脈沖使得重建數(shù)據(jù)信號(hào)為低電平，而雙脈沖使得數(shù)據(jù)信號(hào)為高電平。第一個(gè)運(yùn)放138決定接收器敏感度，其為跨阻抗放大器，進(jìn)行電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。第一級(jí)對(duì)于給定光接收級(jí)，使得信噪比(SNR)最大化。這通過為反饋電阻140選擇一最大的可能值來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樾盘?hào)強(qiáng)度直接與電阻140值成正比，而噪聲與電阻140值的平方根成正比。
電阻140的最大值取決于保持運(yùn)放138穩(wěn)定的最小可能帶寬和電容142的最小值。電容142的實(shí)際最小值為1pF，而最小可能帶寬由最后一級(jí)運(yùn)放所需的數(shù)字脈沖分辨率決定，在此情形下，約為160KHz。電容142的最小值為1pF和最小帶寬160KHz使得反饋電阻值為1MΩ。對(duì)于低(弱)光能信號(hào)，電阻151和電容153基本上對(duì)接收到的信號(hào)沒有運(yùn)算作用，并且管腳二極管130以大約-3V的電壓反向偏置。反向偏置由+5V供電電壓以及電阻142、144和電容146組成的分壓器實(shí)現(xiàn)。
此電路連接到運(yùn)放138的正向輸入端。當(dāng)沒有接收到光脈沖時(shí)，運(yùn)放138的輸出大約為2V，除了二極管“暗”電流(當(dāng)不接收光時(shí))通過1MΩ反饋電阻140引起的直流電壓降。當(dāng)接收光脈沖(圖示實(shí)施例中為2.5微秒)，pin二極管產(chǎn)生2.5微秒的電流。光電管的電流脈沖幅度基于光脈沖的電源和光電管的響應(yīng)度。運(yùn)放138的增益大約為10。在此增益水平上，電容分流器存在于電容142與運(yùn)放輸入和光電管之間的寄生電容之間。于是，大約1/2到3/4的二極管電流實(shí)際上流經(jīng)反饋電阻140。
第一級(jí)運(yùn)放和相關(guān)電路容易受到干擾，因此其被封裝在一個(gè)EMI接地的罩子里，其保護(hù)兩個(gè)高阻抗節(jié)點(diǎn)免受供電線路或邏輯電路的輻射噪聲。第一第二兩個(gè)運(yùn)放的供電電壓被濾波。濾波消除了由供電電壓交換頻率產(chǎn)生的不希望的噪聲。
為適應(yīng)大的光能和動(dòng)態(tài)范圍，第一級(jí)運(yùn)放不允許飽是非常重要的。如果運(yùn)放138飽和，產(chǎn)生的數(shù)字脈沖寬度會(huì)過大，以致于不能分辨單脈沖和雙脈沖。在光電管130和第一級(jí)運(yùn)放138之間使用20MΩ電阻151，使得運(yùn)放138不能飽和。一旦平均光電管電流超過150納安培，光電管將不在反向偏置。此時(shí)，光電管進(jìn)入光生電壓模式。在高的光能時(shí)，移去二極管的反向偏置將能保護(hù)二極管，使其免受損壞。
由于pin二極管正極處的峰值正電壓不能超過正向壓降，高于+5V電壓0.7V，流經(jīng)電阻151的峰值電流限制在185納安培以內(nèi)。這保證，第一級(jí)運(yùn)放不進(jìn)入飽和。這樣，對(duì)于高光能信號(hào)，pin二極管保持在光生電壓模式。選擇電容153的值，以使得流過反饋電阻140的電流脈沖幅度變化很小。電容153的值使得在二極管完全正偏(光電導(dǎo)模式)和在二極管完全反偏(光生電壓模式)，電流脈沖幅值變化很小。因此，由于占空比變化小的影響，二極管在光電導(dǎo)模式和光生電壓模式快速切換時(shí)，電流脈沖幅值沒有太大的變化。
第一級(jí)運(yùn)放通過電容158與第二級(jí)運(yùn)放156解耦。電容158濾去在運(yùn)放輸出信號(hào)中可能存在的任何直流信號(hào)，其由于光電管“暗”電流或第一級(jí)運(yùn)放偏置引起。運(yùn)放156主要的目的在于不引入大的噪聲的前提下提供大的增益。運(yùn)放156被配置成反向加法放大器。名義上，交流信號(hào)增益由反饋電阻160除以源電阻162得到。但是，增益收到運(yùn)放增益帶寬積(GBW)的限制，其取決于所選的運(yùn)放特性。反饋電容164和反饋電阻160構(gòu)成低通濾波器，其轉(zhuǎn)角頻率大約為160KHz。電阻168與運(yùn)放反向輸入端串聯(lián)，以限制高光能時(shí)，第一和第二級(jí)運(yùn)放功率的消耗。
連接到運(yùn)放156反向端的是單位緩沖放大器的輸出，它實(shí)際上是在運(yùn)放的內(nèi)部。運(yùn)放的輸出被調(diào)整，使得進(jìn)入或流出運(yùn)放156反向端的電流為0。但是，如果運(yùn)放進(jìn)入飽和，反向端將“吸收”大量電流。電阻168限制電流。電阻170使得直流信號(hào)與輸入信號(hào)相加。因此，在沒有接收到光脈沖時(shí)，第二個(gè)運(yùn)放的輸出大約為1.4V。
對(duì)于強(qiáng)的光能信號(hào)，二極管處于光生電壓模式，第二級(jí)運(yùn)放的輸出將處于飽和。由電阻170引起的直流電平漂移使得第一級(jí)輸出信號(hào)的“窗口”向下調(diào)整。這個(gè)直流的調(diào)整使“窗口”離開信號(hào)的上半部分，這里，第一級(jí)無阻尼響應(yīng)被誤當(dāng)成接收到的光脈沖。當(dāng)“窗口”離開信號(hào)的下半部分，這里，第二2.5微秒脈沖的幅度不如第一個(gè)強(qiáng)，而可能被忽略。
第二級(jí)運(yùn)放通過電容174同第三級(jí)解耦。這消除了累加到第二級(jí)上的直流電平、偏置電壓和電流。實(shí)施例中的第三級(jí)運(yùn)放176和第四級(jí)運(yùn)放178是雙運(yùn)放的兩部分。第三級(jí)運(yùn)放176的目的在于提供大約40的增益，并箝位輸、出信號(hào)在大約±0.7V范圍內(nèi)。第三級(jí)運(yùn)放176被配置成反向加法放大器。輸入信號(hào)增益由反饋電阻除以源電阻182決定。既然實(shí)際上并沒有反饋電阻，反饋電阻由箝位二極管184和186決定。
對(duì)于電容174處的較弱信號(hào)，將是大的反饋電阻；而對(duì)于強(qiáng)信號(hào)，將是小的反饋電阻。第三級(jí)的增益同樣受到運(yùn)放GBW的限制。第三級(jí)的輸出將相對(duì)穩(wěn)定，且峰-峰值電壓將保持在小于1.4V。輸出信號(hào)以運(yùn)放的DC偏置(大約2V)為中心，其由電阻188、電阻190和電容192組成的分壓器連接到運(yùn)放上提供。電阻194引起直流信號(hào)與輸入信號(hào)相加。
當(dāng)沒有接收到光脈沖時(shí)，第三級(jí)運(yùn)放的輸出將略大于2伏。對(duì)于低的光能信號(hào)，DC電平的增加使得第三級(jí)增益“窗口”漂移。相對(duì)于第二運(yùn)放級(jí)的輸出，該窗口的漂移為正，以便更以峰-峰值信號(hào)為中心。不管第二級(jí)輸出位于高點(diǎn)還是位于低點(diǎn)，該中心化功能使得信噪比保持穩(wěn)定。
第四級(jí)運(yùn)放178把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。第四級(jí)運(yùn)放178通過電容179與第三級(jí)解耦。這通過一個(gè)反向運(yùn)放配置、使用反饋電阻196和源電阻198來完成。對(duì)于正輸出，第四級(jí)運(yùn)放的輸出飽和，并且對(duì)于低或負(fù)輸出，箝位在地電平以上。大約0.7V的DC偏移點(diǎn)從二極管183、電阻185和電容187上得到。在送入接收器解碼器132以前，運(yùn)放178的輸出輸入到施密特觸發(fā)器緩沖200上。施密特觸發(fā)器的輸出下降(脈沖)，以響應(yīng)被二極管接收的光脈沖。在第一運(yùn)放的輸入所接收的光信號(hào)和在施密特觸發(fā)器的輸出所接收的光信號(hào)之間的延遲大約在5微秒左右。
根據(jù)光纖信號(hào)的強(qiáng)度、溫度范圍的差異等等，施密特觸發(fā)器輸出脈沖的寬度也可稍有不同。例如對(duì)于2.5微秒光脈沖信號(hào)，施密特觸發(fā)器輸出信號(hào)的相應(yīng)寬度可以是從3.7-9微秒之間的任一值。對(duì)于雙光脈沖，施密特觸發(fā)器信號(hào)可以是兩個(gè)窄脈沖或者一個(gè)長脈沖。當(dāng)雙光脈沖轉(zhuǎn)變成一個(gè)施密特觸發(fā)器輸出脈沖，在所示的實(shí)施例中脈沖寬度可以在12.1-15.6微秒之間。當(dāng)兩個(gè)脈沖都存在時(shí)，脈沖至少是4.2微秒寬，并且第二個(gè)脈沖在不超過第一個(gè)脈沖的上升沿8.7微秒后開始。
接收器解碼器132分析從施密特觸發(fā)器電路輸入的脈沖，并產(chǎn)生重建數(shù)字信號(hào)。當(dāng)只有一個(gè)數(shù)字脈沖被確認(rèn)時(shí)，解碼器驅(qū)動(dòng)或保持接收數(shù)字信號(hào)為低電平。當(dāng)雙脈沖被確認(rèn)時(shí)，解碼器驅(qū)動(dòng)或保持接收數(shù)字信號(hào)為高電平。因?yàn)樘沾晒舱衿鳛榘l(fā)送器提供時(shí)鐘，被接收發(fā)送器接收的光脈沖寬度是固定的，大約2.5微秒。其它光脈沖的時(shí)鐘也是相對(duì)固定的。
接收器解碼器邏輯時(shí)鐘速率是1.25微秒，因此在實(shí)施例示出的單和雙脈沖之間的決定點(diǎn)可以在10-11.25微秒之間的任何值。10微秒以后，單光脈沖不再存在。對(duì)于雙脈沖，在11.25微秒以后，或者會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)脈沖的下降沿，或者第二個(gè)脈沖仍然存在。這是接收器解碼器用來重建源數(shù)據(jù)信號(hào)的邏輯。解碼器使用三位計(jì)數(shù)器來幫助計(jì)數(shù)到10微秒。它也使用兩個(gè)寄存器來計(jì)算已在10微秒范圍內(nèi)接收到的脈沖數(shù)。圖8表示了用于接收器解碼器132的邏輯方程集，以把所收到的光脈沖解碼成原始發(fā)送信號(hào)。
實(shí)際的數(shù)據(jù)信號(hào)由電平漂移晶體管電路產(chǎn)生。二極管202、電阻204和電容206稍微延遲了FET208的導(dǎo)通。這是為了平衡高電平和低電平數(shù)據(jù)信號(hào)的脈沖寬度。否則，脈沖寬度可因使用的FET稍稍失真。當(dāng)從解碼器132收到的信號(hào)變高時(shí)，在稍微延遲后，F(xiàn)ET208將導(dǎo)通。當(dāng)編碼器的接收信號(hào)變低時(shí)，F(xiàn)ET208將截止。正和負(fù)參考電壓由發(fā)送器電壓提供。
對(duì)于高電平，由于FET208的導(dǎo)通，輸出信號(hào)212在有基極電流時(shí)導(dǎo)通。接著，由于晶體管212的導(dǎo)通引起晶體管214的導(dǎo)通。一旦晶體管212截止，則接收信號(hào)切換到低電平，這使得晶體管214截止以及晶體管216導(dǎo)通。產(chǎn)生的信號(hào)是原始發(fā)送信號(hào)的重建。
這樣，已經(jīng)對(duì)光纖收發(fā)機(jī)進(jìn)行了描述。由于特定的光脈沖排列表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)，同時(shí)，特定的硬件實(shí)現(xiàn)使得收發(fā)機(jī)滿足人眼安全標(biāo)準(zhǔn)，而且具有足夠功率使之能在相當(dāng)長的距離上傳輸光纖信號(hào)，這在一定程度上取決于光發(fā)送器的波長。
盡管，在這里，本發(fā)明的最佳實(shí)施例為舉例說明起見已被公開，應(yīng)當(dāng)理解在不脫離本發(fā)明精神的情況下，任何不同的變化、改動(dòng)和替換都可以應(yīng)用到此實(shí)施例中，其被如下的權(quán)利要求書定義。
權(quán)利要求
1．一種用于數(shù)據(jù)通訊的光纖收發(fā)機(jī)，包括從終端設(shè)備接收具有高低電平狀態(tài)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的裝置；從數(shù)據(jù)信號(hào)生成一系列光脈沖的裝置，其中，第一光脈沖排列表示數(shù)據(jù)信號(hào)的上升沿，以及第二光脈沖排列表示數(shù)據(jù)信號(hào)的下降沿，如果高低電平狀態(tài)超過預(yù)設(shè)的時(shí)間長度，第一和第二脈沖排列，分別在所述的高低電平狀態(tài)內(nèi)，以預(yù)設(shè)的次數(shù)重復(fù)出現(xiàn)；沿光纜發(fā)送所述光脈沖系列的裝置；從光纜接收傳輸?shù)南盗泄饷}沖的裝置，其能在光脈沖系列中分辨第一和第二脈沖排列，并能重建具有高低電平狀態(tài)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)，重建的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)基本上是產(chǎn)生光脈沖系列的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的復(fù)制；以及把所述重建數(shù)據(jù)信號(hào)提供到終端設(shè)備的裝置。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的上升沿和下降沿與產(chǎn)生的第一和第二脈沖排列的時(shí)間間隔約為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的一個(gè)位間隔。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中第一脈沖排列具有約等于第二脈沖排列的平均功率。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中第一脈沖排列是一個(gè)雙脈沖，而第二脈沖排列是一個(gè)單脈沖。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的設(shè)備，其中第一脈沖排列的預(yù)設(shè)時(shí)間大約是位間隔的1/2，而第二脈沖排列的預(yù)設(shè)時(shí)間大約是一個(gè)位間隔。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中設(shè)備的功率從電子終端設(shè)備獲得。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中光脈沖系列具有小于30％的占空比。
8．根據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，其中所傳輸?shù)墓饷}沖系列具有的功率對(duì)用戶眼睛基本上構(gòu)成不了危害。
9．根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，包括提供與終端設(shè)備進(jìn)行握手的裝置。
10．根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中生成裝置包括一個(gè)尺寸小的、低功率的激光器，以及從數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)為激光器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的發(fā)送器編碼器。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的設(shè)備，其中激光器是一個(gè)VCSEL激光器，發(fā)送器編碼器驅(qū)動(dòng)裝置包括數(shù)字邏輯裝置和驅(qū)動(dòng)所述數(shù)字邏輯裝置的時(shí)鐘振蕩器。
12．根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中生成裝置包括一個(gè)LED和從數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)為LED產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的裝置。
13．根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中生成裝置能夠使用直接從數(shù)據(jù)終端來的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)，而不必修改其形式或其它特性。
14．根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中接收裝置包括一個(gè)pin光電二極管，多個(gè)放大器級(jí)，接收器解碼器和產(chǎn)生重建數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換器。
15．根據(jù)權(quán)利要求13的設(shè)備，包括四個(gè)放大器級(jí)，其中第一放大器級(jí)對(duì)于給定光接收器級(jí)，使得信噪比最大化，其中第二和第三級(jí)提供所述數(shù)字脈沖的放大，以及其中第四級(jí)把到達(dá)接收器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
16．根據(jù)權(quán)利要求13的設(shè)備，其中接收裝置是AC耦合的，并且接收器解碼器包括數(shù)字邏輯裝置和一個(gè)驅(qū)動(dòng)數(shù)字邏輯裝置的時(shí)鐘振蕩器。
全文摘要
一個(gè)光纖收發(fā)機(jī),其從相關(guān)電子終端設(shè)備如:保護(hù)繼電器,上接收數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào),并發(fā)送到相關(guān)電子終端設(shè)備上。光纖收發(fā)機(jī)可以放置在光纖連接線的對(duì)立端。每個(gè)收發(fā)機(jī)的電能從其相關(guān)的電子設(shè)備中獲得。收發(fā)機(jī)包括發(fā)送部分、接收部分、及提供控制信號(hào)反饋、相關(guān)電子終端設(shè)備需求的握手電路部分以及供電部分。特定光編碼排列用于把終端設(shè)備的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成一系列光脈沖,其中一對(duì)光脈沖表示電子設(shè)備中的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的上升沿,而一個(gè)單脈沖表示數(shù)據(jù)信號(hào)的下降沿。
文檔編號(hào)H04B10/02GK1223507SQ98120969
公開日1999年7月21日 申請(qǐng)日期1998年10月16日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月17日
發(fā)明者蒂默斯·M·敏特 申請(qǐng)人:斯維則工程實(shí)驗(yàn)室公司