低成本直流至32 MBd光纤解决方案：革新工业、医疗与通信领域

在当今的工业、医疗、电信以及专有数据通信应用中，数据传输的稳定性和高效性至关重要。传统的铜线在许多场景下已难以满足需求，而光纤凭借其独特的优势逐渐成为替代之选。本文将深入探讨安华高（Avago Technologies）提供的低成本直流至32 MBd光纤解决方案，为电子工程师们在设计相关系统时提供全面的参考。

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为何选择光纤？

铜线在数据传输领域有着广泛的应用，但在某些情况下，其使用存在一定的局限性。例如，当两个系统的参考电位或接地电位不同时，使用铜线传输数据需要采取额外的措施来避免噪声干扰。而光纤则无需严格的接地规则，也不需要终端电阻来防止反射，能有效避免接地环路干扰。此外，光纤还能承受雷击，在电气噪声环境中表现出色，这是铜线难以企及的。

除了上述固有优势，光纤开始取代铜线还有两个重要原因。一是现在有了相关的培训和简单工具，降低了使用门槛；二是使用塑料光纤（POF）或硬包层石英（HCS）光纤时，数据通信链路的总成本与使用铜线大致相同。

有线通信协议与光数据链路

许多现有的串行有线通信协议是为差分线路接收器或光耦合器设计的，这些协议可以检测数据通信信号的直流分量，这种串行数据通常被称为任意占空比数据。任意占空比数据包含直流分量，其通信协议通常需要直流耦合或能够检测数据逻辑状态变化的光接收器。

在相对较低的数据速率（0 - 10 Mbit/sec）下，可以构建直流耦合的TTL兼容光纤接收器。安华高的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。本文将重点关注更高速度或更高性能的任意占空比光数据通信链路，其工作数据速率和传输距离优于HFBR - 2521Z或HFBR - 2528Z组件。

任意占空比或突发模式数据的优缺点

现有数据通信协议的一个重要优势是已经存在且在许多应用中与铜线配合良好。然而，现有的铜线协议通常不是优化光纤链路性能的最佳选择。例如，为任意占空比数据或突发模式数据设计的接收器，其灵敏度通常比使用编码数据优化的接收器低4 dB至7 dB。

发送任意占空比数据时，如果需要同步串行通信，必须使用单独的光链路发送时钟；或者通过本地时钟振荡器对数据进行过采样来实现异步数据通信系统。为避免过度的脉冲宽度失真（PWD），用于过采样接收数据的本地振荡器的频率必须高于串行数据速率。

突发模式串行通信系统也有其特点。它通常需要更多的通信信道带宽，因为最常见的突发模式协议通常使用曼彻斯特编码器，每个比特传输多个符号。编码的优点是将时钟和数据合并，只需一个通信信道即可传输两个信号。

可实现的距离和数据速率

本文推荐的简单收发器可用于满足广泛的距离、数据速率和系统成本目标。不同类型光纤在使用安华高光收发器组件时的最大允许距离如下表所示：	发射器组件编号及波长	接收器组件编号及波长	光纤直径类型	本出版物推荐的收发器电路在32 MBd时的最大距离
HFBR - 15X7Z 650 nm LED	HFBR - 25X6Z 650 nm	1 mm塑料阶跃折射率	图3发射器和图4接收器为27米；图3发射器和图5接收器为42米
HFBR - 15X7Z 650 nm LED	HFBR - 25X6Z 650 nm	200 μm HCS阶跃折射率	图3发射器和图4接收器为690米；图3发射器和图5接收器为1.0公里
HFBR - 14X2Z 820 nm LED	HFBR - 24X6Z 820 nm	200 μm HCS阶跃折射率	图3发射器和图4接收器为690米；图3发射器和图5接收器为1.0公里
HFBR - 14X4Z 820 nm LED	HFBR - 24X6Z 820 nm	62.5/125 μm多模玻璃	图3发射器和图4接收器为800米；图3发射器和图5接收器为1.6公里
HFBR - 13X2TZ 1300 nm LED	HFBR - 23X6TZ 1300 nm	62.5/125 μm多模玻璃	图3发射器和图4接收器为1.3公里；图3发射器和图5接收器为3.3公里

简单的TTL兼容LED发射器

图3展示了一种高性能、低成本的TTL兼容发射器。该发射器看似简单，实则经过精心设计，能够充分发挥安华高LED发射器的最佳性能。推荐的发射器成本低廉，用于对LED进行电流调制的74ACTQ00门电路成本通常低于0.40美元。使用不同的安华高LED与各种光纤时，无需进行复杂的计算来确定所需的无源组件，只需使用表2中推荐的组件值，该发射器即可适用于广泛的应用场景。

简单的TTL兼容接收器

图4展示了一种简单的TTL兼容接收器，其灵敏度足以满足广泛的应用需求。通过公式1，设计师可以快速确定C6和C7的值，使接收器在最高32 MBd的数据速率下达到最佳性能。

增强型TTL兼容接收器

图5所示的接收器电路适用于需要更长光缆长度的应用。与图4中的简化接收器相比，图5中的接收器灵敏度提高了6 dB。通过公式2，设计师可以快速确定C9和C10的值，使接收器在最高32 MBd的数据速率下达到最佳性能。

印刷电路板版图

使用安华高光组件的收发器性能部分取决于印刷电路板的布局。系统设计师可以嵌入本文提供的印刷电路设计，以实现表1中所述的光纤链路性能。图6是图3发射器和图4接收器的印刷电路板版图，图7是图3发射器和图5接收器的印刷电路板版图。可以通过互联网下载本文所示版图的Gerber文件电子副本。

错误率和抗噪性

光纤链路出现错误的概率与接收器自身的内部随机噪声以及其抑制系统噪声的能力有关。光纤接收器中的总噪声通常是PIN二极管前置放大器噪声和主机系统电气噪声的总和。施加到比较器的迟滞量决定了接收器能够可靠检测数据的最小信号幅度（即最小信号阈值电平）。比较器的开关阈值（即迟滞）与接收器噪声的比值对错误概率有显著影响。适当增加比较器的阈值 - 噪声比可以显著降低错误概率。

本文推荐的光纤接收器具有足够的抗噪能力，在大多数系统中无需静电屏蔽。安华高的PIN二极管前置放大器是小型混合电路，不会像天线一样接收过多的噪声。对于极端噪声环境，安华高提供导电塑料或全金属封装的PIN二极管前置放大器。

元件清单

本文推荐的TTL兼容光纤收发器非常简单且成本低廉，仅需少量外部组件。表5是图3发射器和图4接收器的完整元件清单，表6是图3发射器和图5接收器的完整元件清单。所有元件均与图6和图7所示的印刷电路板版图兼容，可最大程度减少设计时间和资源。

总结

本文提供的完整TTL兼容光纤收发器解决方案可用于提高现有使用铜线协议的数据通信系统的抗噪性。当使用光纤介质代替传统铜线时，可以构建新的通信系统，使其免受公用电力开关设备、电机驱动器或高压电源引起的大噪声瞬变的影响。此外，光通信链路中使用的非导电电缆在雷击时的生存概率比铜线更高。本文所示的光数据通信解决方案还能够在长距离上高速传输32 MBd的数据，这是铜线电缆难以实现的。系统设计师可以通过嵌入本文所示的完整光纤解决方案，以最小的工程成本快速开发抗噪通信链路。

在实际设计中，电子工程师们需要根据具体的应用场景和需求，综合考虑上述因素，选择合适的光纤组件和设计方案，以实现高效、稳定的数据传输。你在设计过程中遇到过哪些类似的挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。