Praca Magisterska Piotr Bartczak111112cs.uef.fi/~bartczak/pliki/ThesisPolandPiotr.compressed.pdf8...
Transcript of Praca Magisterska Piotr Bartczak111112cs.uef.fi/~bartczak/pliki/ThesisPolandPiotr.compressed.pdf8...
1
POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA
WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
KATEDRA TELEKOMUNIKACJI I APARATURY
ELEKTRONICZNEJ
PRACA DYPLOMOWA
MAGISTERSKA
TEMAT: Stanowisko do badania systemu bezprzewodowej transmisji sygnałów drogą optyczną.
WYKONAWCA: Piotr Czesław Bartczak
PODPIS:
PROMOTOR: Dr inŜ. Norbert Marcin Litwińczuk
BIAŁYSTOK 2010 ROK
2
3
SPIS TREŚCI
1. Wstęp ................................................................................................................... 4
2. Przegląd rozwiązań układów do transmisji sygnałów drogą optyczną ................... 9
2.1. Propagacja fal optycznych ............................................................................. 14
2.2. Struktura optycznego systemu transmisyjnego ............................................... 34
2.3. Modulacja i demodulacja sygnałów optycznych ............................................. 34
2.4. Rodzaje i zasięg łącz optycznych. .................................................................. 34
2.5. Promieniowanie podczerwieni a bezpieczeństwo oczu ................................... 33
2.6. Źródła nadawania sygnału w podczerwieni .................................................... 33
2.7. Fotodetektory ................................................................................................ 55
2.8. Standard IrDA ............................................................................................... 33
3. Opracowanie koncepcji stanowiska do badania systemu bezprzewodowej transmisji
sygnałów drogą optyczną ...................................................................................... 45
4. Projekt i wykonanie stanowiska ............................................................................ 60
5. Wnioski ................................................................................................................ 70
4
1. Wstęp
W przeciągu kilku ostatnich dekad nastąpiło niespotykane zapotrzebowanie na
technologie bezprzewodowe. Zarówno w przemyśle jak i w przypadku prywatnych
klientów moŜna zaobserwować wzrost zainteresowania urządzeniami, w których
wykorzystuje się transmisję informacji drogą bezprzewodową. W odniesieniu do
szerokiego zakresu ich zastosowań stają się one elementem codziennego uŜytku u coraz
większej liczby ludzi, a wszystkie te urządzenia są w coraz większym stopniu oparte na
technologiach, które pozwalają im pracować bez uŜycia medium w postaci przewodów.
Korzyści z technologii bezprzewodowych są nieograniczone i dopasowywane do
potrzeb i wygód uŜytkownika. Zmniejszenie kosztów sprzętu technologii
bezprzewodowych i czasu jego instalacji, dokonało przełom w procesie wymiany
informacji.
Podstawowym celem pracy było zaprojektowanie i wykonanie stanowiska
laboratoryjnego do badania systemu bezprzewodowej transmisji sygnałów drogą
optyczną. W tym wypadku wymiana informacji odbywała się w zakresie fal bliskiej
podczerwieni, gdyŜ takie rozwiązanie jest wykorzystywane na co dzień w kaŜdym
domu. Celem pracy było równieŜ ukazanie szerokich moŜliwości i ich sprawdzenie dla
tego pasma oraz przedstawienie wybranych rozwiązań technicznych wykorzystywanych
do bezprzewodowej transmisji danych.
W pierwszej części pracy przedstawiono podstawowe informacje dotyczące
struktury systemu przesyłania danych i teoretyczne podstawy bezprzewodowej
transmisji sygnałów. Opisane zostały wszystkie problemy związane z transmisją drogą
optyczną i rozwiązania ją polepszające. Następnie przedstawiono i opisano elementy
układu nadawczego i odbiorczego, podzielona je na grupy i porównano. W dalszej
części omówiono układy ułatwiające zaimplementowanie standardu IrDA. Omówiono
go oraz przedstawiono jego wady i zalety.
W kolejnym rozdziale zaprezentowano koncepcje, stanowiska laboratoryjnego
do bezprzewodowego przesyłu informacji drogą optyczną bezprzewodową.
Przedstawiono załoŜenia i projekt takiego stanowiska. Omówiono dobór elementów,
jakie zostały wykorzystane do jego budowy. Zaprezentowano wykonanie obwodów
drukowanych i wykonanie stanowiska laboratoryjnego.
Dalej umieszczono opis i wyniki badań jakie przeprowadzono w celu
sprawdzenia poprawności transmisji zaprojektowanego stanowiska laboratoryjnego.
5
Z tej części wywnioskować moŜna jakie rozwiązania powinny być uŜyte dla róŜnych
załoŜeń i potrzeb łącza optycznego.
W pracy zamieszczono najwaŜniejsze informacje, które powinny być pomocne
dla wszystkich, którzy chcieliby się bliŜej zainteresować tematyką związaną z
transmisją bezprzewodową.
6
2. Przegląd rozwiązań układów do transmisji sygnałów drogą optyczną
Wiadomości podstawowe
Sieci bezprzewodowej transmisji informacji róŜnią się tym od sieci
przewodowych, iŜ utworzenie kanału komunikacyjnego odbywa się bez pośrednictwa
medium, którym są przewody. Dzięki temu system ten jest bardziej mobilny i uwalnia
nas od zbędnych ograniczeń związanych z kablami. Medium transmisyjne określić
moŜna jako przestrzeń, w którym mogą rozchodzić się fale elektromagnetyczne, a fale
elektromagnetyczne to nośnik energii na bardzo dalekie bądź bliskie odległości. Fala
elektromagnetyczna ma charakter fali poprzecznej, w której składowa elektryczna i
magnetyczna są prostopadłe do siebie. Oba pola indukują się wzajemnie czyli przy
powstaniu pola elektrycznego towarzyszy mu powstanie pola magnetycznego w
prostopadłym kierunku prostopadły do niego i na odwrót.
Rys.2.1. Fala elektromagnetyczna [6]
Energia pola elektromagnetycznego znajduje się w stanie cyklicznej wymiany
energii pola magnetycznego na energię pola elektrycznego. Przy rozchodzeniu się fali
elektromagnetycznej następuje ciągła zamiana energii elektrycznej w magnetyczną i na
odwrót (Rys.2.1).
J.C. Maxwell wprowadził poj
przestrzeni, które tłumaczy istnienie fali elektromagnetycznej w powietrzu i rozchodzenie si
jej z prędkością światła. Poni
Rys.2.2
Długość fali λ jest ś
w ciągu sekundy wykonanych przez pole elektryczne lub magnetyczne.
J.C. Maxwell wprowadził pojęcie „prądu przesunięcia” występuj
przestrzeni, które tłumaczy istnienie fali elektromagnetycznej w powietrzu i rozchodzenie si
wiatła. PoniŜej na rys.2.2 przedstawiono podział fal elektromagnetyczny
.2. Podział fal elektromagnetycznych [5]
ściśle związana z częstotliwością f , która określa licz
gu sekundy wykonanych przez pole elektryczne lub magnetyczne.
cia” występującego w wolnej
przestrzeni, które tłumaczy istnienie fali elektromagnetycznej w powietrzu i rozchodzenie się
podział fal elektromagnetyczny[6].
f , która określa liczę drgań
8
ZaleŜność między długością fali propagującej λ [m] a częstotliwością określa się
wzorem: [6]
λ = c/f (2.1)
gdzie: c – prędkość światła.
Transmisja optyczna obejmuje przetwarzanie i przekazywanie na odległość
sygnałów świetlnych w zakresie widzialnym, podczerwieni a nawet ultrafioletu. W
pracy skupiono się na bliskiej podczerwieni, której długości fali są w okolicach
0,75-5 µm, czyli o częstotliwościach od 400 do 60 THz.
2.2. Propagacja fal optycznych
Fale z zakresu podczerwieni
Fale elektromotoryczne w wolnej przestrzeni rozchodzą się z prędkością światła
po liniach prostych. Natomiast w ośrodkach materialnych fale ulegają róŜnym
zjawiskom, spowodowanym oddziaływaniem z materią. Fale z zakresu podczerwieni
ulegają podobnym zjawiskom jak światło widzialne i dość istotnie róŜnią się od fal
radiowych.
Dość waŜną cechą propagacji promieniowania w wolnej przestrzeni jest duŜa
tłumienność jednostkowa. Jest to spowodowane wysoką częstotliwością fal świetlnych.
Fale świetlne ulegają silnej absorpcji przez parę wodną i dwutlenek węgla, rozproszeniu
na cząsteczkach kurzu u załamaniu przy przenikaniu warstw powietrza o róŜnej
temperaturze.
Moc sygnału optycznego, docierającego do odbiornika w odległości l km od
nadajnika moŜna określić następującą zaleŜnością:
( )[ ] aNPWlP 10= (2.2)
gdzie, NP oznacza moc nadajnika [W], zaś α- tłumienność [dB/km].
9
Maksymalna odległość, na jaką moŜna przesyłać sygnał optyczny, wynosi zatem
[ ]O
NMAX P
PkmL log
10
α= (2.3)
gdzie, PN, PO – odpowiednio moc nadajnika i odbiornika [W]. NaleŜy przy tym
pamiętać, aby moc odebrana nie moŜe być mniejsza od czułości odbiornika. W
przeciwieństwie do transmisji radiowej, w której zasięg zaleŜy głownie od mocy
nadajnika, a w mniejszym stopniu od tłumienności trasy, w systemach optycznych
tłumienność trasy ma duŜo większe znaczenie niŜ moc nadajnika, z czym się wiąŜą
ograniczenia zasięgu transmisji, który zazwyczaj wynosi od 2 do 10 m.
Podobnie jak w transmisji radiowej, fale podczerwieni równieŜ ulegają zjawisku
propagacji wielodrogowej, Detektory promieniowania w podczerwieni mają jednak
wymiary znacznie większe od długości fali, toteŜ nie występują tu, znane z łączności
radiowej, zjawiska zaniku, spowodowane nałoŜeniem się sygnałów w przeciwnych
fazach.
Kolejnym problemem jest promieniowanie świetlne występujące w środowisku
pracy łączna wykorzystującego podczerwień. Moc takiego promieniowania moŜe
przekraczać nawet o 25 dB moc sygnału uŜytecznego. Rozwiązaniem tego problem jest
uŜycie do łączności światła monochromatycznego i filtrów pasmowo przepustowych, a
takŜe zastosowanie koncentratorów optycznych [3].
Światło laserowe
Światło laserowe jest szczególnym przypadkiem fal elektromagnetycznych z
zakresu światła widzialnego i sąsiednich zakresów. Cechą charakterystyczną laserów
(ang. Light Amplification by Stimulatin Emision of Radiation) jest moŜliwość uzyskana
wiązki światła o bardzo wąskim spektrum. Światło laserowe pozwala na transmisję z
duŜymi szybkościami. Mała szerokość wiązki pozwala takŜe na eliminację zakłóceń
zewnętrznych oraz ochronę danych przed niepowołanym dostępem. Wadą światła tego
rodzaju jest konieczność dokładnego nacelowania wiązki na odbiornik, z czym
związane są trudności przy transmisji na dalsze odległości. Dodatkową wadą jest brak
mobilności.
10
W razie łączności z obiektami ruchomymi naleŜy koniecznie śledzić tor ruchu.
Naziemna komunikacja laserowa jest utrudniona przez takie same wcześniej zjawiska,
pochłanianie, rozpraszanie i załamaniem promieni w atmosferze pod wpływem
czynników atmosferycznych. Przeszkody naziemne mają teŜ bardzo duŜy wpływ na
stosowanie laserów.
Rozchodzenie się światła w atmosferze moŜna opisać zaleŜnością:
[ ] )( rploeIlxI αα +−
= (2.4)
gdzie, Io – natęŜenie promieniowania na początku drogi [lx], I- natęŜenie
promieniowania na końcu drogi [lx], l- długość przebytej drogi w atmosferze [km], αp i
αr – odpowiednio współczynnik pochłaniania i rozpraszania atmosfery [dB/km] [3].
Wartość współczynnika tłumienia α=αp+αr zaleŜy od długości fali. ZaleŜność ta
jest bardzo nieregularna, moŜna jednak wyróŜnić pewne zakresy długości fal
elektromagnetycznych, w których sumaryczne tłumienie jest znacznie niŜsze niŜ dla
pozostałych. Są to m.in. zakresy: 0,5-0,9 mm, 1,2-1,3 mm, 2,1-2,4 mm.
Propagacja promieniowania podczerwonego w atmosferze
Fale podczerwieni rozchodzące się w atmosferze ulegają tłumieniu, które w pewnych
warunkach moŜe być tak duŜe, Ŝe uniemoŜliwia nawiązywanie łączności. RozróŜnić
moŜna takie rodzaje tłumienia jak:
• tłumienie spowodowane warunkami atmosferycznymi: deszcz, mgła, grad,
śnieg,
• absorpcja molekularna,
• rozpraszanie na cząsteczkach,
• tłumienie w twardych cząsteczkach (pył, cząsteczki dymu).
Znajomość fizyki atmosfery pomaga zrozumieć sposób powstawania chmur i
mgieł, które są szczególnie szkodliwe dla propagacji wiązki optycznej. Atmosfera
składa się głównie z azotu (78 procent), tlenu (21 procent) i argonu (1 procent). W jej
skład zalicza się takŜe szereg innych związków chemicznych, takich jak woda (od 0 do
7 procent) i dwutlenek węgla (od 0,01 do 0,1 procent). Istnieją teŜ inne cząsteczki, które
wchodzą w skład atmosfery. Mogą być wytwarzane w procesach produkcji i obróbki
11
materiałów bądź ich spalania. Do najliczniej występujących zalicza się kurz, dym i
cząsteczki ziemi. Połączenie tych wszystkich elementów przyczynia się na jej
zachowanie w propagacji fal elektromagnetycznych.
Tłumienie
Tłumienie atmosferyczne definiuje się jako proces, w którym część bądź całość
energii fali elektromagnetycznej jest utracona w sposób wchłania lub jej rozproszenia,
podczas pokonywania drogi w atmosferze. Dla typowych długości fal stosowanych
przez bezprzewodowe łącza IR (850 - 1550 nm), wkład tłumienia atmosferze jest
stosunkowo niski w porównaniu do wkładu tłumienia zaleŜnych od warunków
pogodowych. Dla porównania w warunkach czystej atmosfery wartość tłumienia to
około 0.2 dB/km, a dla miejsc zurbanizowanych, w wyniku występowania kurzu i dymu
10dB/km. Dla porównania w warunkach bardzo gęstej mgły wartości te mogą osiągnąć
nawet 300 dB/km.
Absorpcja
W przypadku absorpcji energia rozchodzącej się fali elektromagnetycznej jest
zuŜywana na wzbudzanie atomów i cząsteczek. Absorbując energię rozchodzącej się
fali atomy i cząsteczki przechodzą ze stanu o mniejszej energii do stanu o większej
energii. Absorpcja w zakresie widma optycznego jest spowodowana przede wszystkim
obecnością w atmosferze pary wodnej, dwutlenku węgla ozonu. Pozostałe składniki nie
mają tak wielkiego znaczenia. Tłumienie fal świetlnych wzrasta wraz ze wzrostem tych
trzech składników, a one zmieniają się wraz z warunkami atmosferycznymi. Zawartość
pary wodnej waha się w granicach od 10-3 % do 1% w zaleŜności od pory dnia i
miejsca. Koncentracja dwutlenku węgla wynosi średnio 0,01% przy czym jest znacznie
większa na obszarach uprzemysłowionych. Zawartość ozonu rośnie z wysokością i
osiąga wartość maksymalną 10-3%. Absorpcja atmosferyczna zaleŜy od długości fali
elektromagnetycznej [4,6]. Pochłanianie atmosfery w funkcji długości fal została
przedstawiona na rys.2.3.
Rys.2.3. Pochłanianie fal w róŜnych warunkach atmosferycznych[12]
Rozpraszanie
Rozpraszanie światła przez pojedyncze molekuły powietrza, cz
kurzu oraz krople wody jest definiowane jako rozproszenie zwi
świetlnych, która oddziałując z materi
wtórne fale elektromagnetyczne. Wymiary cz
tworzące mgłę i deszcz są porównywalne z długo
atmosfery ziemskiej spowodowana rozpraszaniem
zaleŜy od ich wymiarów i maleje odwrotnie proporcjonalnie do czwartek pot
długości fali, więc spośród fal opty
zakresu podczerwieni[4,6].
Wpływ opadów i mgieł na łącze optyczne
Powierzchnia Ziemi jest głównym generatorem pary wodnej w atmosferze.
StęŜenie skroplonej wody jest wię
obecności powstają chmury lub mgły. Dodatkow
atmosferze jest deszcz i śnieg jednak to ws
stanowi główny problem. Ich tłumienia, które mog
ych warunkach atmosferycznych[12]
wiatła przez pojedyncze molekuły powietrza, cząsteczki dymu i
kurzu oraz krople wody jest definiowane jako rozproszenie związane z falową natur
ąc z materią powoduje jej drgania i wypromieniowuje
wtórne fale elektromagnetyczne. Wymiary cząsteczek dymu i kurzu oraz krople wody
porównywalne z długością fal świetlnych. Tłumienno
atmosfery ziemskiej spowodowana rozpraszaniem światła na tego typu cząsteczkach
y od ich wymiarów i maleje odwrotnie proporcjonalnie do czwartek pot
ród fal optycznych najmniejszemu tłumieniu ulegają
cze optyczne
a Ziemi jest głównym generatorem pary wodnej w atmosferze.
enie skroplonej wody jest większe w dolnej części atmosfery i w przypadku jej
chmury lub mgły. Dodatkową formą wody występują
nieg jednak to wszelka postać mgły i pary wodnej w powietrzu
stanowi główny problem. Ich tłumienia, które mogą osiągnąć wartości ponad
steczki dymu i
ą naturą fal
duje jej drgania i wypromieniowuje
steczek dymu i kurzu oraz krople wody
wietlnych. Tłumienność
ąsteczkach
y od ich wymiarów i maleje odwrotnie proporcjonalnie do czwartek potęgi
ulegają fale z
a Ziemi jest głównym generatorem pary wodnej w atmosferze.
ci atmosfery i w przypadku jej
ępującej w
mgły i pary wodnej w powietrzu
13
300 dB/km mogą wpłynąć na działanie bezprzewodowego łącza podczerwieni o
odległościach takich jak 100 m. Porównywalny efekt występuje, gdy dym staje na
drodze komunikacji natomiast deszcz i śnieg nie wprowadzają tak znacznych tłumień.
Wynika to z faktu, Ŝe jest to zaleŜne od długości fali, przy czym krople deszczu
wpływają głównie na mikrofalowe systemy przekazywania informacji.
Tabela 2.1.Tłumienie i zasięg fali zakresu podczerwieni w róŜnym stanie atmosfery [12]
Stan atmosfery Tłumienie α [dB/km] Zasięg d
CięŜka mgła >272 <50m
Średnia mgła 60-21 200-500m
Lekka mgła 13-4 770m-2000m
Mgiełka 2,6-0,44 2,8km-10km
Czyste powietrze 0,24-0,06 18km-50km
Zawirowania powietrza
Ze wzrostem temperatury maleje zarówno gęstość, jak i współczynnik załamania
atmosfery. Jednocześnie na skutek mieszania się gorących i zimnych mas powietrza
współczynnik załamania ulega lokalnym i okresowym wahaniom. Powoduje to zmiany
w rozchodzeniu się fal świetlnych. Zmiany te zaleŜą od stosunku średnicy wiązki
świetlnej do odcinka toru optycznego wzdłuŜ, którego zmienia się współczynnik
załamania. W pewnych przypadkach wiązka moŜe zostać całkowicie odchylona od
swojego początkowego kierunku. Jednym sposobem zredukowania wahań tłumienności
oraz okresów zaniku łączności jest odpowiednie rozszerzanie wiązki świetlnej.
Zawirowania powietrza powodować mogą lokalne i okresowe zmiany współczynnika
załamania i zaleŜą one od stanu pogody, wysokości na której przesyłana jest wiązka
świetlna, jak i od pory doby czy roku. Główne efekty turbulencji powietrza to
załamanie, ogniskowanie i rozpraszanie się światła [4].
14
Inne źródła wpływające na jakość łącza
Ze względu na znaczny wpływ dla komunikacji bezprzewodowej w paśmie
podczerwieni, promieniowanie podczerwone z atmosfery było badane przez wielu
naukowców. Pomiary przeprowadzano dla róŜnych szerokości geograficznych, pór
roku, ruchów mas powietrza czy warunków atmosferycznych. Wyniki tych badań
przedstawia rys.2.4. Pokazuje on intensywność promieniowania z kosmosu do
powierzchni Ziemi w paśmie widzialnym i bliskiej podczerwieni. Tego typu wykres jest
wykorzystywany nie tylko do oceny ilości światła słonecznego, które dociera do Ziemi
w róŜnych ilościach i o róŜnych długościach fal, ale równieŜ jako wskaźnik okien, które
naleŜy wykorzystywać przy wyborze długości fali nadawania bezprzewodowego łącza
podczerwieni. WyróŜnić moŜna cztery specyficzne pasma wzdłuŜ zakresu widzialnego
i bliskiej podczerwieni w regionach: 900 do 980nm; 1,1 do 1,16µm; 1,3 do 1,5 µm i 1,8
do 2 µm. Jest to jeden z powodów, dla których systemy bezprzewodowych transmisji
optycznych zazwyczaj nadają dla długości: 780 do 950 nm i 1,2 do 1,3 nm.
Rys.2.4. Promieniowanie atmosferyczne w okresie letnim [10]
15
Wpływ promieniowania świetlnego w środowisku pracy
We większości przypadków systemy optyczne pracujące zarówno wewnątrz jak
i na zewnątrz. Odbierają nie tylko sygnały uŜyteczne emitowane przez nadajnik ale
równieŜ sygnały promieniowane z otoczenia, czyli światła sztucznego bądź słońca.
Źródła te mają część swojej energii w danym przedziale widma podczerwieni, która
wprowadza szumy do odbiornika, zmniejszając w ten sposób stosunek sygnał szum
SNR (ang. Signal Noise Ratio). WraŜliwość systemów optycznych bezprzewodowych
moŜe być określona jako ilość niechcianego oświetlenia otoczenia, które jest moŜliwe
do odrzucenia. W związku z tym przebadanie róŜnych źródeł światła otoczenia i
stworzenie technik mających na celu graniczenie bądź wyeliminowanie niepoŜądanego
promieniowania spełnia bardzo waŜną rolę przy projektowaniu systemów
bezprzewodowych pracujących w paśmie podczerwieni [10].
WyróŜniono trzy podstawowe źródła wewnątrz pomieszczeń [12]:
• lampy fluorescencyjne,
• lampy Ŝarowe,
• światło słoneczne.
Ich znormalizowaną gęstość mocy na jednostkę długości fali dla lamp
fluorescencyjnych, lamp Ŝarowych, i słońca przedstawia rys.2.5. Znormalizowany
rozkład mocy w paśmie od 300 do 1500 nm pokazuje, które z nich najmocniej
wpływają na pracę systemu optycznego w paśmie podczerwieni. Na rysunku rys.2.5.
widzimy, iŜ najniebezpieczniejszym z nich jest światło z lamp wolframowych. Ich
największa moc przypada w paśmie roboczym bezprzewodowych systemów
optycznych. Najmniejsze zakłócenie wnosi oświetlenie z lamp fluorescencyjnych.
Maksymalna moc przypada w paśmie widzialnym dla około 630 nm. Widmowa gęstość
mocy świetlówek osiąga minimum dla długości fal w bliskiej podczerwieni. Większość
detektorów jest najbardziej wraŜliwa właśnie dla tych wartości, jest to zwykle około
850–950 nm. Światło dzienne i lampy Ŝarowe charakteryzują się szerokim pasmem i
większą ilością energii w bliskiej podczerwieni części widma.
16
Rys.2.5. Widma róŜnych źródeł światła w codziennym środowisku pracy [10]
Większość biur i pomieszczeń roboczych, gdzie uŜywane są systemy optyczne,
oświetlane są lampami fluorescencyjnymi, które emitują mniej szumu do
fotodetektorów. JednakŜe, światło produkowane przez te lampy charakteryzuje się
znaczną fluktuacją, co wpływa niekorzystnie na odbiornik. Zakres częstotliwości
harmonicznych generowanych przez lampy fluorescencyjne zaleŜą od typu i wieku
lampy. W starszych modelach sięgać mogą do 500kHz. Dlatego teŜ wykorzystuje się
modulowanie sygnału podnośną o częstotliwości powyŜej 100kHz, której odpowiada
najbardziej znacząca harmoniczna. Drugim sposobem jest kodowanie danych z
tłumionym widmem dla niskich częstotliwości.
Metody redukcji szumu otoczenia
Istnieje wiele technik, które moŜna wykorzystać do zmniejszenia szumu
wprowadzonego poprzez oświetlenie otoczenia. Jedną z nich jest ograniczenie pola
widzenia odbiornika. Alternatywą do tego jest uŜycie filtrów optycznych. Najczęściej
wykorzystuje się filtry pasmowe zgodne z charakterystyką źródła zakłóceń i czułości
fotoelementu w celu zminimalizowania niepoŜądanego zakłócenia bez tłumienia
sygnału roboczego. Charakterystykę transmitancji od długości fali przykładowego filtru
przedstawia rysunek rys.2.6.
Filtry mogą być wykonane z kolorowego plastiku lub szkła, pozwalającego na
przejście energii wyłącznie dla interesujących nas długości fal. Jedną z cech tychŜe
17
filtrów jest przepuszczanie przychodzącej energii niezaleŜnie od kąta jej padania, co
sprawia, iŜ są one najczęściej uŜywanymi filtrami w systemach optycznych. Jedną z ich
głównych wad natomiast jest szerokość pasma przepustowego, która jest zwykle
szeroka. Kolory zazwyczaj uŜywane to głęboka czerwień, bądź inne kolory
nieprzezroczyste, aby ukryć elementy i obwody elektryczne znajdujące się w obudowie.
MoŜna wyróŜnić dwa główne tworzywa sztuczne wykorzystywane jako filtry optyczne.
Istnieją dwa rodzaje tworzyw sztucznych powszechnie stosowanych, są to akryl i
poliwęglan. Ich właściwości są podobne, lecz ten drugi jest bardziej wytrzymały i
uŜywany jest dla urządzeń pracujących w surowszych warunkach.
Charakterystykę przykładowego filtru optycznego przedstawia poniŜszy rysunek:
Rys.2.6. Transmitancja filtru optycznego z materiału akrylowego [14]
2.3. Struktura optycznego systemu transmisyjnego
Wybór długości fal w optycznym systemie transmisji zaleŜy nie tylko od
potrzeb, ale teŜ od moŜliwości technicznych. W szczególności chodzi tu o metody
generacji i modulacji światła, oraz transmisji i demodulacji. Cała struktura jest w
zasadzie zbliŜona do struktury systemów radiowych. Zamiast anten są tu
wykorzystywane układy nadawczo-odbiorcze promieniowania świetlnego. RóŜnicą są
teŜ metody modulacji sygnałów.
Schemat optycznego systemu teletransmisyjnego pokazano na rysunku rys.2.7.
18
Rys.2.7. Schemat optycznego systemu teletransmisyjnego [4]
Na powyŜszym schemacie widoczna jest transmisja informacji z widzialnością
bezpośrednią FSO (ang. Free-Space Optical). Na wejściu jak i na wyjściu informacja
ma charakter elektryczny. Część nadająca składa się z układu wewnętrznego i źródła
światła. Na samym początku, sygnał wejściowy jest modulowany, a następnie
zmieniany na sygnał optyczny i wypromieniowany. Jako źródło światła najczęściej
stosuje się diody LED lub diody laserowe. Zmodulowana informacja przechodzi
poprzez wolną przestrzeń a potem trafia do detektora światła. Jako detektory najczęściej
stosuje się fotoelementy takie jak fotodiody PIN bądź fototranzystory. Detektor
zamienia sygnał optyczny w elektryczny. Kolejną rzeczą jest jego demodulacja i
przygotowanie sygnału w ten sposób aby w jak najdokładniejszy sposób odpowiadał
informacji nadanej.
2.4. Modulacja i demodulacja sygnałów optycznych
MoŜliwe są dwa rodzaje detekcji:
• detekcja koherentna, wymagająca sinusoidalnego sygnału odniesienia,
zsynchronizowanego w fazie i częstotliwości z odebranym sygnałem nośnym,
• detekcja niekoherentna, nie wymagająca takiego sygnału.
W chwili obecnej technologia produkcji nadajników i odbiorników pozwala na
realizację detekcji koherentnej, jednak w większym stopniu wykorzystywana jest
detekcja niekoherentna ze względu na prostotę i tani koszt. Najczęściej stosuje się
metody modulacji takie jak bezpośrednia detekcja sygnału oraz modulację
intensywności strumienia świetlnego IM (ang. Intensity Modulation). Uzyskiwana jest
poprzez zmianę natęŜenia prądu sterującego nadajnikiem promieni świetlnych.
19
Natomiast odbiornik wytwarza prąd optyczny proporcjonalny do mocy
padającego promieniowania. Przy cyfrowej transmisji danych, proces modulacji
związany jest z włączaniem i wyłączaniem diody w zaleŜności od ciągu bitów danych.
Modulacja intensywności moŜe być połączona z innymi typami modulacji. Wynikiem
tego jest modulacja FSK-IM (ang. Frequency Shift Keying-Intensity Modulation), w
której wymaga się wprowadzenia dodatkowego modulatora przed nadajnikiem i
demodulatora za odbiornikiem. Konstrukcja jest nieco bardziej skomplikowana lecz
zapewnia to wyŜszą jakość transmisji.
W optycznych systemach transmisyjnych stosuje się teŜ modulacje impulsowe [3]:
• modulację amplitudy impulsów PAM, (ang. Pulse Amplitude Modulation),
• modulacje połoŜenia impulsów PPM, (ang. Pulse Position Modulation),
• modulację szerokości impulsów PWM, (ang. Pulse Width Modulation),
• modulację częstotliwości impulsów PFM, (ang. Pilse Frequency Modulation)
Modulacje te równieŜ są wykorzystywane w połączeniu z modulacją intensywności
promieniowania.
2.5. Rodzaje i zasięg łącz optycznych
Łącza optyczne moŜna podzielić na [3]:
• Łącza z widzialnością bezpośrednią, (rys.2.8, a)
• Łącza dyfuzyjne, (rys.2.8, f)
• Łącza kierunkowe, (rys.2.8, d)
• Łącza szerokokątne, (rys.2.8, c)
• Łącza mieszane. (rys.2.8, b)
20
Rys.2.8. RóŜne rodzaje łączy optycznych [10]
KaŜde z rodzajów łącza ma swoje zalety i wady co w efekcie końcowym daje ich róŜne
zastosowanie. NajwaŜniejsze cechy przedstawiono w tabeli 2.2.
Tabela 2.2. Charakterystyka róŜnych łączy optycznych [10]
Kierunkowe Szerokokątne
Z widzialnością bezpośrednią
Konieczna bezpośrednia widoczność pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem. Wąskie pole widzenia w odbiorniku. DuŜy zasięg. Maksymalna szybkość transmisji. Brak moŜliwość poruszania się. Poprawa sprawności energetycznej. Wysoka podatność na blokowanie. Brak propagacji wielodrogowej. Minimalne zniekształcenia w komunikacji dwukierunkowej
Konieczna bezpośrednia widoczności pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem Zmniejszony zasięg. Mniejsza szybkość transmisji. Ograniczona mobilność. Zmniejszenie podatności na blokowanie.
Dyfuzyjne
Brak konieczności bezpośredniej widoczności pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem. Niska skłonność do blokowania Zwiększona mobilność. Spadek sprawności energetycznej.
Brak konieczności bezpośredniej widoczności pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem. Szeroka emisji światła nadajnika i odbiornika. Maksymalna mobilność. Minimalna podatność na blokowanie. Stosowana do transmisji rozsiewczej. Maksymalne zniekształcenia w komunikacji dwukierunkowej. Maksymalna elastyczność i odporność na blokowanie. Minimalny zasięg.
Mieszane
Bezpośrednia widoczność pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem. Większa mobilność.
Względna podatności na blokowanie sygnału przez przeszkody. Zmniejszony zasięg i sprawność energetyczna,
21
Zasięg optyczny
W przypadku sieci bezprzewodowych zasadnicze znaczenie dla przesyłu danych
maja fale docierające do odbiornika bezpośrednio. Do oszacowania moŜliwego zasięgu
połączenia optycznego znać naleŜy następujące parametry [13]:
• Moc nadajnika optycznego - PN,
• Długość fali optycznej systemu transmisyjnego – λ,
• Czułość odbiornika optycznego dla zadanej stropy błędów - SR,
• Znajomość tłumienia środowiska α.
Moc nadajnika optycznego jest mocą mierzoną na wyjściu optycznym dla danej
długości fali λ, przy załoŜeniu, Ŝe nadajnik jest pobudzany sygnałem ciągłym. JeŜeli
jako nadajnik została uŜyta dioda LED cała moc optyczna na wyjściu nadajnika jest
mocą uŜyteczną biorącą udział w transmisji. W przypadku źródeł laserowych moc
nadawcza jest sumą mocy wynikającej z prądu polaryzacji i prądu sygnału
modulującego. O zasięgu w takim przypadku decydować będzie poziom mocy
modulowanego sygnału optycznego.
Długość fali optycznej nadajnika jest istotnym parametrem decydującym o
zasięgu łącza optycznego. Związane jest to z faktem, iŜ tłumienie medium jest ściśle
zaleŜne od długości fali optycznej. Kolejnym czynnikiem zaleŜnym od długości fali
optycznej jest poszerzenie impulsu wprowadzane przez tor optyczny. Wynika ono ze
zmian prędkości propagacji wraz ze zmianą długości fali i jest równieŜ zaleŜne od
centralnej długości fali systemu. Źródło światła stosowane w nadajnikach jest
niepunktowe i posiada pewną charakterystykę widmową. Stąd, energia niesiona przez
światło w róŜnym czasie dociera do odbiornika.
Czułość odbiornika mówi o minimalnym poziomie mocy optycznej na jego
wejściu gwarantującym bitową stopę błędów nie gorszą niŜ załoŜoną przez producenta.
Dla optycznych systemów telekomunikacyjnych wyznacznikiem jest stopa błędów nie
gorsza niŜ 1x10-12
, gdzie mamy przekłamany jeden bit na 1x1012
odebranych[13].
2.7. Promieniowanie podczerwieni a bezpieczeństwo oczu
Zwiększając moc emitowaną przez nadajnik podczerwieni moŜna przezwycięŜyć
niektóre ograniczenia transmisji danych w bezprzewodowej technologii optycznej.
22
WyŜsza emisja sygnał moŜe zrekompensować straty poniesione przez tłumienie
atmosferyczne i zwiększyć zasięg systemu i poprawić SNR.
WyŜszy poziom mocy pozwoliłby teŜ na korzystanie z mniejszych i szybszych
detektorów podczerwieni. Niestety moc nadajnika jest ograniczona z uwagi na
bezpieczeństwa zdrowia i ograniczenia zuŜycia energii. Światło podczerwieni,
widzialne czy ultrafioletowe moŜe prowadzić do uszkodzenia oka ludzkiego, jeŜeli
energia emitowana na ich długości fal przekracza określone poziomy bezpieczeństwa.
Na rys.2.9. przedstawiona jest charakterystyka czułości oka ludzkiego dla róŜnej
długości fali.
Promieniowanie w bliskiej podczerwieni moŜe powodować oparzenie siatkówki,
podczas gdy promieniowanie w średniej i dalekiej podczerwieni powoduje oparzenie
rogówki. Uszkodzenie oczu występuje gdy źródło sygnału z nadmierną siłą dociera do
oka i swoją energię skupia na siatkówce. Efektem tego jest wystąpienie energii w tym
miejscu czego następstwem jest wzrost temperatury tkanek [10].
Rys.2.9. Charakterystyka widmowa względnej czułości oka ludzkiego[9]
23
Oprócz poziomu mocy waŜne są teŜ inne czynniki, które naleŜy brać pod uwagę przy
ocenie bezpieczeństwa pracy, są to:
• długość fali roboczej,
• odległość od źródła promieniowania,
• czas ekspozycji oka napromieniowanie,
• gęstość strumienia,
• szerokość wiązki promieniowania.
Bezpieczeństwo oczu jest najwaŜniejszym ograniczeniem emitowanej mocy
optycznej w kaŜdym zakresie, dlatego teŜ międzynarodowa komisja elektrotechniczna
IEC (ang. International Electrotechnical Commission) ustanowiła klasy bezpieczeństwa
róŜnych źródeł światła. Źródła te są klasyfikowane w zaleŜności, od charakteru
emitowanej energii a dokładniej czy jest to źródło wiązki skupionej czy rozszczepionej.
Źródła laserowe są uwaŜane za bardziej niebezpieczne niŜ diody LED.
2.8 Źródła nadawania w podczerwieni
Diody LED
W optoelektronice najczęściej wykorzystuje się elementy półprzewodnikowe.
Elementy te moŜemy podzielić na fotoemitery i fotodetektory. Fotoemitery
półprzewodnikowe, przekształcają energię elektryczna w energię promieniowania
elektromagnetycznego. W praktyce najczęściej stosowanymi w urządzeniach są diody
elektroluminescencyjne LED (ang. Light Emitting Diode) oraz diody laserowe, które
emitują promieniowanie spójne.
24
Tabela 2.3. Wielkości opisujące promieniowanie [9]
Wielkości energetyczne
Wielkość Symbol Jednostka
Energia promieniowania Q J
Moc promieniowania Pe W
NatęŜenie promieniowania Ie W/sr
Luminacja energetyczna Le W/(sr.m2)
Egzytancja energetyczna Me W/m2
Wielkości świetlne
Ilość światła Qv lm.s
Strumień świetlny Ψv lm
Światłość Iv cd
luminacja Lv cd/m2
NatęŜenie oświetlenia Ev lx
Diody LED wykorzystują do generacji światła rekombinację promienistą
spontaniczną dlatego emitowane promieniowanie jest niespójne. Promieniowanie jest
wytwarzane w wyniku rekombinacji dziur i elektronów. Zjawisko to jak i ich budowa
przedstawiona jest na rysunku rys.2.10.
Rys.2.10. Zasada działania i przykładowy wygląd diody elektroluminescencyjnej [9,11]
Przy spolaryzowaniu złącza PN w kierunku przewodzenia elektrony obszaru N,
przechodzą do obszaru P, gdzie rekombinują z dziurami znajdującymi się w paśmie
25
podstawowym. Odpowiadający takiemu przejściu nadmiar energii zostaje
wypromieniowany w postaci energii promienistej. Promieniowanie spontaniczne
wytwarzane w obszarze typu p w bezpośrednim sąsiedztwie złącza rozchodzi się we
wszystkich kierunkach. W praktyce wykorzystuje się tylko pewną część tego
promieniowania. Reszta jest absorbowana lub w zaleŜności od kąta padania częściowo
albo całkowicie odbijana. Diody uŜywane do celów telekomunikacji optycznej powinny
odznaczać się duŜą sprawnością energetyczną. Luminacja energetyczna jest miarą mocy
emitowanej w danym kierunku w jednostce kąta bryłowego przez jednostkę
powierzchni diody. Diody nadawcze powinny ponadto wyróŜniać się krótkimi czasami
przełączania. Wtedy przez szybkie zmiany prądu wstrzykiwania moŜna bezpośrednio
modulować promieniowanie diody. Dodatkowo widmo emisji spontanicznej powinno
być wąskie i przypadać w obszarze widmowym małej tłumienności i duŜej czułości
fotodetektorów. Barwa światła, długość fali emitowanej przez diody LED zaleŜy od
uŜytego materiału półprzewodnikowego [4,9,10,11]. Najpopularniejsze z nich
przedstawia tabela 2.4.
Tabela 2.4. Cechy róŜnych półprzewodników [9]
System aktywnej warstwy materiału Robocze długości fal [µm] Substrat
GaAs/AlxGa1-xAs 0,8-0,9 GaAl
GaAs/InxGa1-xP 0,9 GaAs
AlyGa1-yAs/AlxGa1-xAs 0,65-0,9 GaAs
InyGa1-yAs/InxGa1-xP 0,85-1,1 GaAl
GaAs1-xSbx 0,9-1,1 GaAs
In1-xGaxAsyP1-y/InP 0,92-1,7 InP
Diody LED są umieszczane w obudowach metalowych, z tworzyw sztucznych,
przezroczystych, matowych a ich przykładowy kształt przedstawiono rys.2.10.
Obudowy są zamknięte soczewkami z tworzyw sztucznych, formującymi wiązkę
promieniowania.
26
Rys.2.11. Charakterystyka kątowa promieniowania diody LED [9]
Pozwala to uzyskać optymalny kształt charakterystyki kątowej promieniowania,
obrazującej przestrzenny rozkład promieniowania względem osi optycznej, rys.11.
Tabela 2.5. Przykłady diod nadawczych w zakresie podczerwieni [15,16]
Typ diody KM-4457F3C KP-1608F3C CQY37N TSAL5100
Długość fali [nm] 940 940 950 950
Kąt promieniowania [O] 150 120 12 10
Max. strata mocy [mW] 100 100 170 210
Max. prąd przewodzenia [mA] 50 50 100 100
Napięcie przewodzenia[V] 1.5 1.6 1.6 1.6
Rodzaj półprzewodnika GaAs GaAs GaAs GaAiAs/
GaAs
Dla porównania diod nadawczych umieszono kolejną charakterystykę kątową
promieniowania. Przy projektowaniu soczewki danej diody nadawczej zwraca się
uwagę na rodzaj łącza w jakim będzie ona wykorzystywana. W tabeli 2.5.widoczna jest
zaleŜność pomiędzy kątem promieniowania a maksymalną stratą mocy. W przypadku
szerszego kąta moc ta jest mniejsza. Po prawej części rysunku rys.2.12 umieszczono
charakterystykę intensywności nadawania diody, gdzie maksimum jest przy 940 nm.
27
Rys.2.12. Przykładowe charakterystyki promieniowania i intensywności nadawania
diod nadawczych [15,16]
Diody Laserowe
Kolejnym źródłem fali elektromagnetycznej wykorzystywanym w przesyle
informacji w zakresie podczerwieni jest dioda laserowa, znana jako laser diodowy. W
laserach tych promieniowanie wymuszone powstaje w podobny sposób jak w diodach
LED. Pod wpływem płynącego prądu następuje przenoszenie elektronów w atomach na
wyŜszy poziom. W wyniku emisji spontanicznej powstają kwanty promieniowania
mające przypadkową fazę i przypadkowy kierunek. Absorpcja rezonansowa występuje
częściej niŜ emisja wymuszona i w efekcie dioda laserowa zachowuje się jak dioda
LED. Wraz ze zwiększeniem prądu, następuje zjawisko inwersji obsadzeń czyli, na
sytuacja kiedy na górnej orbicie pojawia się więcej elektronów aniŜeli na dolnej. W ten
sposób większa ilość kwantów światła powstaje wskutek emisji wymuszonej a nie
absorpcji rezonansowej [4,17].
Charakterystycznym elementem diod laserowych jest lustro półprzepuszczalne,
które odbija z powrotem część powstałych fotonów, a te z kolei powodują dalszą
wymuszoną emisję, tworząc w ten sposób rezonator optyczny. Tylko kwanty mające
odpowiedni kierunek ruchu, częstotliwość i fazę biorą udział w dalszym wzmocnieniu.
W odróŜnieniu od diody LED, promieniowanie emitowane lasera jest koherentne, co
znaczy Ŝe kwanty powstające podczas emisji wymuszonej, mają taką samą
częstotliwość i fazę, jak kwanty promieniowania wymuszające go, czyli są spójne.
Rys.2.13. Zasada działania i budowa diody
Tabela 2.6. przedstawia róŜne typy
zawarte umieszczono tak aby wyró
laserowymi.
Tabela 2.6. Przykłady diod laserowych
Typ diody
Długość fali [nm]
Kąt promieniowania [O]
Max. strata mocy [mW]
Max. prąd przewodzenia [mA]
Napięcie przewodzenia[V]
Rodzaj półprzewodnika
Porównanie diod LED i laserowych
W praktyce uŜywa się róŜ
optycznej. Preferowane to diody LED i diody laserowe
aplikacji i ich właściwości. Diody LED s
promieniowania jest szerszy dlatego
. Zasada działania i budowa diody laserowej [17,19]
typy laserowych diod nadawczych. Parametry w niej
zawarte umieszczono tak aby wyróŜnić róŜnice pomiędzy diodami LED a diodami
laserowych nadawczych [19,20]
RLD 808 SLD322XT HL6712G NX5312
808 840 680 1310
12 9 8 ---
200 500 --- 20
500 1200 65 150
2 2,1 2 2
----- AlGaAs AlGaInP InGaAsP
Porównanie diod LED i laserowych
ę róŜnych źródeł światła do bezprzewodowej komunikacji
diody LED i diody laserowe wybierane w zaleŜno
Diody LED są tańsze i bezpieczniejsze. Ich k
atego preferowaną formą zastosowań to pomieszczenia.
owych diod nadawczych. Parametry w niej
dzy diodami LED a diodami
wiatła do bezprzewodowej komunikacji
Ŝności od
sze i bezpieczniejsze. Ich kąt
to pomieszczenia.
Niestety ich elektrooptyczne sprawno
ograniczona do kilkuset megaherców
filtrowanie niechcianych ź
przedstawia spektrum optyczne omawianych
Rys.2.14
Diody laserowe są dro
sterowniki i moduły. Ponadto
energii ze względu na bezpiecze
modulacji diody laserowej jest znacznie wi
konwersja elektrooptyczna jest wy
pozwala na wykorzystanie w
w celu zapewnienia wysokiej redukcji szumu z otoczenia.
Rys.2.15. Charakterystyka skuteczno
Niestety ich elektrooptyczne sprawności przetwarzania są niskie, modulacja jest
ograniczona do kilkuset megaherców a szerokość widmowa duŜa, co sprawia,
filtrowanie niechcianych źródeł podczerwieni jest trudniejsze. Rysunek
przedstawia spektrum optyczne omawianych źródeł światła [10].
4. Widmo diody laserowej i diody LED [17]
ą droŜsze i bardziej skomplikowane, a do obsługi potrzebne s
sterowniki i moduły. Ponadto są one przedmiotem rygorystycznych ogranicze
du na bezpieczeństwo oka, lecz oferują teŜ wiele korzy
laserowej jest znacznie większe niŜ w przypadku diody LED.
konwersja elektrooptyczna jest wyŜsza i szerokość widmowa tych źródeł jest w
pozwala na wykorzystanie wąskopasmowych cienkowarstwowych filtrów optycznych
w celu zapewnienia wysokiej redukcji szumu z otoczenia.
Rys.2.15. Charakterystyka skuteczności diody laserowej i diody LED
modulacja jest
a, co sprawia, Ŝe
Rysunek rys.2.14.
do obsługi potrzebne są
one przedmiotem rygorystycznych ograniczeń przesyłu
wiele korzyści. Pasmo
w przypadku diody LED. Ponadto
ródeł jest węŜsza i
skopasmowych cienkowarstwowych filtrów optycznych
ci diody laserowej i diody LED [17]
30
Rysunek rys.2.15 przedstawia wykres, który porównuje sprawności omawianych diod.
Do pewnego prądu progowego dioda laserowa zachowuje się jak dioda LED.
Tabela 2.7. NajwaŜniejsze cechy nadajników podczerwieni [12]
Parametr Dioda LED Dioda Laserowa
Szerokość widma 25-100 nm <10-5 do 5 nm
Pasmo modulacji 104 – 107 Hz 104-1010Hz
Sprawność przetwarzania E/O
10-20% 30-70%
Bezpieczeństwo oczu Bezpieczne dla
oczu Dla λ<1400 nm specjalne środki
bezpieczeństwa
Koszty Niskie Umiarkowane i wysokie
2.9. Fotodetektory
W systemach komunikacji optycznej odbiornikami sygnałów są fotodetektory
przetwarzające zmodulowane fale świetlne na sygnały elektryczne. W fotodetektorach
wykorzystuje się efekt fotoelektryczny, czyli bezpośrednio padające światło generuje
nośniki prądu. Drugi wykorzystywany efekt, to efekt termiczny, gdzie detektor
nagrzewa się na skutek absorpcji światła, a prąd generowany jest na skutek
wytworzonej róŜnicy temperatur. Detektory termiczne reagują bardzo wolno na zmiany
światła i mogą być uŜyte jedynie do demodulacji sygnałów o małej częstotliwości.
Natomiast pierwsza grupa odznacza się dobrą czułością i duŜą prędkością działania.
Zewnętrzny efekt fotoelektryczny związany jest z fotoemisją - wybijaniem przez
padające promieniowanie elektronów z powierzchni fotokatody. Detektory tego typu
noszą nazwę fotokomórek. Wewnętrzny efekt fotoelektryczny polega na wzroście
konduktywności w wyniku oświetlenia – inaczej, zjawisko fotoprzewodnictwa, bądź teŜ
samoistnej polaryzacji złącza PN, wskutek czego stanie się ono źródłem siły
elektromotorycznej i wytwarzaniu ruchliwych nośników prądu.
31
Spośród wszystkich fotodetektorów najpopularniejsze to fotodiody
półprzewodnikowe, fotodiody lawinowe, fototranzystory oraz scalone odbiorniki
podczerwieni.
Fotodetektor jest integralną częścią układu odbiornika bezprzewodowej drogi
optycznej. Wychwytywać on powinien nawet niski sygnał optyczny i konwertować go
na sygnał elektryczny bez wprowadzania błędów. W systemach cyfrowych szum
spowodować moŜe błędy, dlatego tez waŜne jest, aby stosunek SNR był wystarczająco
duŜy. Dzięki temu uzyskać moŜna akceptowalną stopę błędu BER (ang. Bit Error
Ratio). Rola jaką odgrywa fotodetektor tłumaczy surowe wymagania wydajności i
kompatybilności jakie powinien on spełniać [10]:
• Wysoka czułość dla uŜywanej długości fali,
• Wysoka wierność przy odtwarzaniu otrzymanych sygnałów ,
• DuŜy kąt zbierania sygnału,
• Szeroki zakres konwersji sygnału optycznego na elektryczny,
• Krótki czas reakcji,
• Minimalne szumy,
• Inne własności : niski koszt, niewielkie rozmiary, wysoka stabilność i
niezawodność.
Fotodiody półprzewodnikowe
Fotodiody półprzewodnikowe wykonane są zwykle z krzemu w postaci struktury PIN o
następującej budowie:
Rys.2.16. Budowa wewnętrzna diody półprzewodnikowej [9]
32
W obudowie znajduje się soczewka umoŜliwiająca oświetlenie obszaru złącza,
którą przedstawiono na rysunku rys.2.16. Na silnie domieszkowane podłoŜe typu N,
nakładana jest słabo przewodząca warstwa epitaksjalna typu N lub samoistna typu I. Do
tej warstwy wprowadza się przez dyfuzję domieszkę typu P tak, aby
przypowierzchniowa część obszaru samoistnego przechodzi w warstwę typu P+.
ObrzeŜe to jest połączone z elektroda kontaktową, natomiast środek tej warstwy z
antyodblaskowym pokryciem jest przezroczysty dla światła o określonej długości fali.
Światło z danego zakresu wnika bez odbić w głąb struktury powodując generację
nośników. Fotodioda pracuje przy polaryzacji w kierunku zaporowym. Przy braku
oświetlenia przez fotodiodę płynie niewielki ciemny prąd wsteczny. W skład prądu
oświetlonego złączna, tzw. prądu jasnego wchodzi więc prąd fotoelektryczny i prąd
ciemny [4,9]. Na rysunku rys.2.17. przedstawiono charakterystykę prądowo napięciową
fotodiody.
Rys.2.17. Charakterystyka prądowo napięciowa fotodiody [9]
Prąd fotodiody wzrasta proporcjonalnie do mocy promieniowania. Czułość na tą
moc jest stała i to w szerokim zakresie. Jest to jedną z zalet fotodiod. Mogą one
przetwarzać sygnały świetlne o częstotliwości kilkudziesięciu MHz, co jest kolejną
waŜną zaletą. Półprzewodniki, z których wytwarza się fotodiody oraz ich
charakterystyczne parametry pokazano w tabeli 2.8.
33
Tabela 2.8. Półprzewodniki wykorzystywane do produkcji fotodiod [10]
Materiał Pasmo energetyczne (eV) Robocze długości fal [nm]
Si 1.12 500-900
Ge 0.67 900-1300
GeAs 1.43 750-850
Fotodiody germanowe ze względu na wąską przerwę energetyczną germanu
pracują w zakresie fal do 1,3 µm. Fotodiody krzemowe reagują na światło o długości
fali mniejszej niŜ 1 µm. Ze względu na lepiej opanowaną technologię krzemu większość
fotodiod jest wykonywana właśnie z tego materiału. German ze względu na węŜszą
przerwę energetyczną posiada większe prądy ciemne zmniejszające ich czułość. Inna
zaleta krzemu to znacznie łagodniejszy wzrost współczynnika tłumienia przy rosnącej
energii fotonów. Fakt ten umoŜliwia wykonanie fotodiod o duŜej dokładności
przewidzianych wartości parametrów.
Znacznie większą czułością i szybkością działania niŜ fotodiody
konwencjonalne charakteryzują się fotodiody PIN. Padające promieniowanie generuje
dodatkowe nośniki przede wszystkim w obszarze I. W rezultacie diody PIN mają
bardzo duŜe częstotliwości graniczne dochodzące do dziesiątek GHz. Fotodiody PIN
stosuje się m.in. w systemach telekomunikacji optycznej i w układach detekcji
promieniowania laserowego.
Fotodiody lawinowe
DuŜą czułością i szybkością działania charakteryzują się fotodiody lawinowe.
Wykorzystuje się w nich wewnętrzne zjawisko fotoelektryczne oraz zjawisko
lawinowego powielania nośników. Przy spolaryzowaniu zaporowym napięciem bliskim
wartości przebicia, pierwotne elektrony i dziury wytwarzane przez padające
promieniowanie, generują w procesie jonizacji zderzeniowej nowe pary nośników.
Nowo powstałe nośniki wnoszą swój wkład do jonizacji zderzeniowej i pierwotny słaby
prąd fotoelektryczny zaczyna lawinowo narastać. Proces powielania lawinowego
nośników zwiększa silnie czułość fotodiody.
34
Fotodiody lawinowe stosuje się do detekcji szybkozmiennych impulsów
świetlnych o bardzo małej mocy, np. w łączach światłoczułych, w układach automatyki
oraz sprzęcie wojskowym. Wadą fotodiod lawinowych jest skomplikowany układ ich
zasilania oraz złoŜona technologia wytwarzania [4,9].
Tabela 2.9. Cechy wybranych półprzewodników [9]
Typ diody Długość fali[µm]
Napięcie przebicia[V]
Max.wzmocnienie prądowe
Pojemność [pF]
Prąd ciemny[A]
Lawinowa Si: p-n
0,6-1,1 210 200 1 10-8
Si: p-i-n 0,4-1,1 ----- ---- 3 5.10-8
Si: p-n 0,4-1,1 ---- ---- 1,8 2.10-8
Fototranzystor
Kolejnym waŜnym fotodetektorem jest fototranzystor, którego czułość jest
wielokrotnie większa niŜ omawianej wcześniej fotodiody. Prąd wytworzony pod
wpływem promieniowania ulega dodatkowemu wzmocnieniu. Fototranzystory mają
trzy obszary o róŜnym typie przewodnictwa. Promieniowanie świetlne moŜe padać na
obszar bazy, emitera lub kolektora. Najczęściej spotykanymi fototranzystorami są
fototranzystory NPN w układzie ze wspólnym emiterem WE i z oświetlanym obszarem
bazy. Większość fototranzystorów nie ma wyprowadzenia tego obszaru na zewnątrz, co
upraszcza jego zasilanie. Takie rozwiązanie przedstawiono na rysunku rys.2.18
Rys.2.18. Zasada działania fototranzystora [9]
35
Wielkością sterującą jest wówczas ilość światła padającego na czuły obszar.
Przez nieoświetlony fototranzystor równieŜ płynie niewielki prąd ciemny.
Podstawowymi charakterystykami fototranzystora są charakterystyki wyjściowe,
przedstawiające zaleŜność prądu od napięcia kolektor-emiter, którą przedstawiono na
rysunku rys.2.19.
Rys.2.19. Charakterystyki wyjściowe fototranzystora [9]
Parametrem krzywych jest moc promieniowania. Czułość na natęŜenie
oświetlenia wynosi od kilku do kilkudziesięciu mikroamperów, a maksimum czułości
przypada dla λ = od 750 do 900nm [4,9] .
Wadą fototranzystorów jest ich mała prędkość działania. Częstotliwość
graniczna jest rzędu kilkudziesięciu kHz. W tabeli 2.10 porównano dwa róŜne
fototranzystory.
Tabela 2.10. Porównanie fototranzystorów [16]
Fototranzystor Wzmocnienie
prądowe Napięcie UCE
[V] Kąt chwytania
[o] Prąd ciemny
[nA]
BPV11 450 70 15 50
BPX43 330 70 15 200
36
Zarówno w przypadku fotodiod jak i fototranzystorów, producenci umieszczają
podstawowe charakterystyki, ukazujące kąt czułości oraz długości fal dla jakich jest ona
największa. Rysunek rys.2.20 przedstawia ich przykład dla typowego fototranzystora.
Rys.2.20. Czułość optyczna i jej kąt fototranzystora [16]
Głównymi obszarami zastosowań fototranzystorów są układy automatyki i
zdalnego sterowania, układ łączy optoelektronicznych, czytniki taśm i kart kodowych.
Układy scalone
W związku z popularnością i wymaganiami jakie muszą spełniać odbiorniki i
nadajniki podczerwieni zaczęto produkować układy scalone zawierające niezbędne
elementy zapewniające poprawną komunikację drogą bezprzewodową w paśmie
podczerwieni. Główna idea detekcji i konwersji sygnału optycznego została
przedstawiona na rysunku rys.2.21.
Rys.2.21. Schemat blokowy układu detekcji [10]
37
W układzie tym wyróŜnia się trzy podstawowe części: fotodetektor, część
linearyzująca i układ decyzyjny. W pierwszej z nich najczęściej uŜywanym elementem
jest fotodioda PIN, mająca na celu detekcję sygnału optycznego i zamianę go na sygnał
elektryczny. W dalszej części odebrany sygnał jest wzmocniony przez
przedwzmacniacz i przepuszczany przez filtr pasmowy, który dostarcza na wejście
głównego wzmacniacza odbiornika uŜyteczny sygnał RMA (ang. Receiver Main
Amplifier). Wzmacniacz ten projektowany jest w zaleŜności od aplikacji w jakiej
pracuje i moŜe działać jako wzmacniacz ograniczający, bądź jako automatyczna
regulacja wzmocnienia, AGC (ang. Automatic Gain Control). Przygotowuje to sygnał
do wartości wymaganej przez układ decyzyjny, odpowiadający za odzyskanie danych.
Układ taki naraŜony jest na liczne źródła zakłóceń i szumów.
Moduły podczerwieni
Istnieje kilka firm produkujących gotowe fotomoduły wykorzystywane w wielu
aplikacjach. Do głównych naleŜą Vishay Smiconductors, Osram i Everlight.
Fotomoduły TSOP17xx z firmy Vishay opisywane są jako seria
zminiaturyzowanych odbiorników podczerwieni uŜywanych najczęściej w pilotach
zdalnego sterowania. Dioda PIN i wzmacniacz zgrupowane są w jednej obudowie, która
zarazem spełnia funkcję filtru optycznego. Zdemodulowany sygnał na wyjściu układu
moŜe być bezpośrednio podany na procesor. Pracują one w szerokiej grupie urządzeń
zdalnego sterowania i współpracują z większością kodów transmisji [16].
Zalety opisywane przez producenta to [22]:
• Fotodetektor i wzmacniacze w jednej obudowie,
• Wewnętrznym filtr dla częstotliwości modulacji PCM,
• Poprawione ekranowanie przeciwko zakłóceniom,
• Kompatybilne z układami TTL i CMOS,
• Niski stan wyjścia aktywnego,
• Niski zuŜycie energii,
• Wysoka odporność na światło otoczenia,
• Ciągły przesył danych z prędkością do 2400 bps.
38
Rys.2.23. Schemat blokowy modułu z serii TSOP17XX [16]
Wewnętrzną budowę modułu z serii TSOP17XX przedstawiono na rysunku
rys.2.23, w skład który wchodzą elementy wcześniej opisane. Dodatkowo znajduje się
moŜna blok kontrolujący układ, sterujący automatycznym wzmocnieniem oraz
demodulatorem, którego wyjście dołączone jest do bazy tranzystora pracującego w
układzie wspólnego emitera. Całe urządzenie do poprawnej pracy potrzebuje jednego,
wspólnego zasilania. Obudowa moŜe posiadać róŜne kształty i wielkości.
Charakterystyczną cechą jest wybrzuszeniem, w którym umieszczona jest soczewka
oraz trzy wyprowadzenia układu.
Rys.2.24 Wygląd zewnętrzny fotomodułu [16]
NajwaŜniejsze parametry elektryczne są identyczne dla wszystkich fotomodułów z
rodziny TSOP17XX przedstawiono w tabeli 2.11. Są one takie same dla kaŜdego typu z
tej serii.
39
Tabela 2.11. Parametry fotomodułów firmy Vishay [16]
Parametr Wartość Jednostka
Napięcie zasilania -0.3…6.0 V
Prąd zasilania 5 mA
Napięcie na wyjściu -0.3…6.0 V
Prąd na wyjściu 5 mA
Konsumpcja mocy 50 mW
Dystans transmisji 35 m
Kierunkowość 45 [0]
Jedyną róŜnicą pomiędzy typami z serii TSOP17XX jest częstotliwość nośnej
wykorzystywanej do modulacji i demodulacji sygnału. Dwie ostatnie cyfry w nazwie
typu fotomodułu mówią o częstotliwości nośnej.
Tabela 2.12. Typy fotomodułów i ich częstotliwości [16]
Typ f0 Typ f0
TSOP1730 30 kHz TSOP1738 38 kHz
TSOP1733 33 kHz TSOP1740 40 kHz
TSOP1736 36 kHz TSOP1756 56 kHz
TSOP1737 36.7 kHz
Moduły są projektowane, tak aby nieoczekiwane sygnały na wyjściu związane z
szumem i zakłóceniami zewnętrznymi nie pojawiały się. W tym celu wykorzystuje się
filtr pasmowy, integrator oraz automatyczną kontrolę wzmocnienia. Wyznacznikiem
odróŜniającym pomiędzy sygnałem uŜytecznym a zakłóceniami jest częstotliwość
nośnej, i odpowiedniej długości i ilości cykli. Dlatego teŜ sygnał wejściowy powinien
być modulowany sygnałem najbardziej zbliŜonym do centralnej częstotliwości filtru
pasmowego. Paczka sygnału nie moŜe zawierać mniej niŜ 10 wzbudzeń, a przerwa
między nimi musi trwać przynajmniej czternastokrotność czasu ich trwania. Producent
zapewnia redukcję wpływu światła otoczenia oraz wpływu sygnałów o innej
częstotliwości.
Do działania układu nie potrzeba wielu zewn
jego zastosowanie i minimalizuje rozmiary całego urz
aplikacje przedstawiono na rysun
Rys.2.25. Typowa aplikacja fotomodułu
Innym przykładem popularnego fotomodułu mo
EVERLIGHT, który pokazano na rysunku rys.2.26.
Rys.2.26 Wygląd zewn
Posiada on podobne cechy
wyposaŜony jest w metalową obudow
jakich znalazł zastosowanie to m.in. sterowanie TV, sprz
klimatyzacji i wiatraków elektrycznych oraz przeł
Tabela 2.13. Parametry fotomodułów firmy EVERLIGHT [16]
Parametr
Napięcie zasilania
Prąd zasilania
Dystans transmisji
Kierunkowo
Do działania układu nie potrzeba wielu zewnętrznych elementów, co ułatwia
jego zastosowanie i minimalizuje rozmiary całego urządzenia. Typową aplikacj
aplikacje przedstawiono na rysunku rys.2.25
Typowa aplikacja fotomodułu z serii TSOP17XX [16]
Innym przykładem popularnego fotomodułu moŜe być IRM-8606S, producenta
EVERLIGHT, który pokazano na rysunku rys.2.26.
ąd zewnętrzny fotomodułu firmy EVERLIGHT [22]
chy do fotomodułu z rodziny TSOP17xx. Dodatkowo
ą obudowę, która zwiększa jego odporność. Aplikacje w
jakich znalazł zastosowanie to m.in. sterowanie TV, sprzętem Audio, kontrola
klimatyzacji i wiatraków elektrycznych oraz przełącznik optyczny.
Parametry fotomodułów firmy EVERLIGHT [16]
Parametr Wartość Jednostka
ęcie zasilania 0…6.3 V
ąd zasilania 3 mA
Dystans transmisji 8 m
Kierunkowość 45 [0]
trznych elementów, co ułatwia
aplikację
8606S, producenta
trzny fotomodułu firmy EVERLIGHT [22]
rodziny TSOP17xx. Dodatkowo
. Aplikacje w
tem Audio, kontrola
41
W swojej budowie układ IRM-8606S wykorzystuje podobne elementy co
TSOP17XX. Pokazano to na rysunku rys.2.27. Cechą róŜniącą go jest limiter
wzmocnienia integrator do wyliczenia wartości średniej sygnału oraz komparator z
pętlą histerezy podłączony do bazy tranzystora. Na wyjściu układu mamy dwa stany
napięcia, odpowiadające logicznemu ‘1’ bądź ‘0’ w zaleŜności od obecności bądź braku
sygnału na wejściu.
Rys.2.27 Schemat blokowy modułu TSOP17xx [16]
Standardowa aplikacja z mikroprocesorem (rys.2.28), zamieszczona w nocie
katalogowej przez producenta nie róŜni się od tej w TSOP17XX. Dzięki temu dwa
moduły moŜna zasilać bateryjnie i nie potrzebują duŜo elementów zewnętrznych co
pozwala oszczędzić miejsce i ułatwia stosowanie układów.
Rys.2.28 Typowa aplikacja fotomodułu IRM-8606S [22]
Układy transceiverów
Transceiver jest to układ scalony posiadający w jednej obudowie zarówno
nadajnik i odbiornik podczerwieni. Transceivery są najczęściej wykorzystywane przy
standardzie IrDa, opisanym w rozdziale 2.10. Moduły te produkowane są na róŜne
maksymalne prędkości transmisji danych od 115,2 kb/s aŜ do 100Mbit/s [5].
42
Przykładowy wygląd takiego modułu pokazana na rysunku rys.2.29
Rys.29. Typowa wygląd transceivera podczerwieni [22]
Jednym z przedstawicieli grupy SIR jest transceiver firmy VISHAY, FDU4101.
W swojej strukturze moduł zawiera wszelkie elementy do poprawnego nadawania i
odbioru sygnału w paśmie podczerwieni
Rys.2.30. Schemat blokowy TFDU4101 [16]
Warte uwagi są dwa wyjścia oznaczone jako TXD i RXD. To pierwsze
odpowiada wejściu wykorzystanemu do transmisji danych szeregowych w momencie
gdy wejście SD jest w stanie niskim. Kolejne odpowiada wyjściu danych odebranych,
które podczas transmisji danych jest nieaktywne. Tak jak wcześniej omawiane
fotomoduły, TFDU4101 nie potrzebuje wielu elementów zewnętrznych. Jego
standardowa aplikację przedstawia rysunek, rys.2.31
Rys.2.31. Standardowa aplikacja TFDU4101
43
Kolejnym przykładem moŜe być transceiver z grupy FIR ( patrz rozdział 2.10 ),
przystosowany do większej szybkości przesyłu danych, nawet do 4 Mbit/s, o nazwie
TFDU6300. Model ten posiada identyczną budowę wewnętrzną i standardową
aplikację, co czyni je uniwersalnymi i łatwymi do modyfikacji systemu.
Tabela 2.14. Porównanie parametrów transceiverów firmy VISHAY [16]
Parametr TFDU4101 TFDU6300 Jednostka
Napięcie zasilania 2,4…5,5 2.4…6 V
Pobór prądu 10 10 mA
Pobór prądu w stanie uśpienia 3 1 µA
Prędkość transmisji 115.2 4 000 kbit/s
Zasięg transmisji 1 9 m
2.10. Standard IrDA
Standard IrDA jest prekursorem technologii bezprzewodowych. Firmy takie jak
IBM, HP i SHARP, załoŜyly w 1993 roku grupę IrDA (ang. Infrared Data Association).
Standard ten zawdzięcza swoje powstanie procesom normalizacji, dotyczącym zdalnego
sterowania urządzeń RTV. Pierwotnie technologia IrDA miała być normą dla portów
transmisji danych, a obecnie jest protokołem transmisji informacji cyfrowych w
podczerwonym paśmie częstotliwości, wspieranym przez około 200 firm. Specyfikacja
IrDA została przystosowana do standardu ISO. Dostosowany jest do komunikacji
dwustronnej, kierunkowej w konfiguracji „punkt-punkt” z kilkoma wariantami
szybkości transmisji między urządzeniami [5].
Podczas komunikacji IrDA zapewnia transmisję danych z róŜnymi szybkościami
transmisyjnymi danych. W ten sposób moŜna wyróŜnić standardy zapewniające daną
prędkość, takie jak:
• SIR (ang. Slow InfraRed) - Pierwotny system IrDA 1.0, czyli szeregowa IrDA
warstwy fizycznej. Standard ten zdefiniowany dla krótkiego zasięgu dla
asynchronicznego, szeregowego przesyłania danych. Maksymalna szybkość
wynosi 115,2 kbot/s na odległość 1m w trybie transmisji w jednym kierunku.
• MIR (ang. Medium InfraRed
• FIR (ang. Fast InfraRed
Szybkość do 4 Mbs, zasi
Urządzenia FIR wspierają
• VFIR (ang. Very Fast InfraRed
maksymalną szybkość przesyłu danych do 16 Mb/s
• UFIR (ang. Ultra Fast InfraRed
szybkości przesyłu danych ponad 100Mb/s
Architektura standardu IrDA
Protokoły komunikacyjne w IrDA DATA
korzystają wzajemnie ze swoich usług.
elementy obowiązkowe, opcjonalne i multimedialne zostały przedstawion
rys.2.32.
Rys. 2.32
W skład podgrupy wdraŜane obowi
• Warstwa fizyczna IrPHY (ang. Physical Layer)
optyczne, kodowanie danych oraz synchronizacje ramek
• IrLAP –odpowiada za nawi
• IrLMP –wykonuje zwielokrotnienie podziału czasowego
• IAS-odpowiada za dostęp do informacji
Medium InfraRed) – szybkość transmisji wynosi (576…1152) kb
Fast InfraRed) - standard IrDA 1.1 wprowadzony w 1996 roku.
o 4 Mbs, zasięg krótki w trybie transmisji w jednym kierunku.
ia FIR wspierają urządzenia SIR.
Very Fast InfraRed) – opracowany 2000 roku technika zapewnia
ść przesyłu danych do 16 Mb/s
Ultra Fast InfraRed) – ta specyfikacja przewiduje osią
ci przesyłu danych ponad 100Mb/s
Protokoły komunikacyjne w IrDA DATA zostały podzielone na warstwy i
wzajemnie ze swoich usług. Cała struktura standardu IrDA wliczaj
zkowe, opcjonalne i multimedialne zostały przedstawione na rysunku
2. Architektura standardu IrDA [5]
ane obowiązkowo wchodzą [5]:
Warstwa fizyczna IrPHY (ang. Physical Layer) –specyfikuje charakterys
optyczne, kodowanie danych oraz synchronizacje ramek,
odpowiada za nawiązanie połączenia i jego niezawodność,
wykonuje zwielokrotnienie podziału czasowego,
ęp do informacji.
transmisji wynosi (576…1152) kbit/s
standard IrDA 1.1 wprowadzony w 1996 roku.
misji w jednym kierunku.
opracowany 2000 roku technika zapewnia
osiągnięcie
na warstwy i
Cała struktura standardu IrDA wliczając
e na rysunku
specyfikuje charakterystyki
45
Zastosowanie poniŜszych protokołów opcjonalnych zaleŜy od wymagań konkretnej
aplikacji [5]:
• Protokół Tiny TP – zapewnia niezawodność transmisji oraz sterowanie danych
w kanale,
• Protokół IrOBEX – ułatwia transfer plików i innych obiektów,
• IrCOMM – emuluje porty szeregowe i równoległe,
• IrLAN- zapewnia urządzeniom elektronicznym, dostęp do sieci LAN.
Zastosowanie i zalety
IrDA jest implementowana w większości telefonów, komputerów przenośnych
drukarek czy aparatów cyfrowych. Zapewnia wygodne połączenie pomiędzy
urządzeniami ruchomymi i lokalną siecią bezprzewodową LAN. Standard ten
umoŜliwia m.in. połączenie dwóch komputerów w sieć, połączenie do sieci
przewodowej poprzez inny komputer bądź dołączenie do sieci LAN poprzez adapter
dostępu. Cechą charakterystyczną technologii IrDA jest jej uniwersalność, działa na
kaŜdej platformie systemowej z kaŜdym urządzeniem wyposaŜonym w port
podczerwieni. Kolejnymi zaletami standardu IrDA są [5]:
• prosta i tania implementacja,
• mały pobór mocy,
• połączenia bezpośrednie w konfiguracji „punkt-punkt”,
• wydajne i pewne przesyłanie danych.
Porównanie technologii wybranych standardów łączności bezprzewodowej
W tabeli 2.15 przedstawiono najpopularniejsze standardy łączności
bezprzewodowej takie jak IrDA, Bluetooth i Wi-Fi. Zamieszczono w niej ich
najwaŜniejsze cechy, takie jak zasięg czy szybkość transmisji. Informacje te, są
niezbędne przy wyborze poprawnie działającej łączności dla danych wymagań.
Standard IrDA cechuje się prostotą i szybkim czasem nawiązania połączenia. Niestety
46
parametry zasięgu i ilości podłączonych urządzeń wypadają gorzej przy porównaniu ze
standardem Wi-Fi.
Tabela 2.15. Porównanie standardów [23]
Technologia IrDA Bluetooth Wi-Fi
Data powstania 1993 1998 199
Zasięg 1 m 10 m 100 m
Rodzaj transmisji kierunkowa dookólna dookólna
Medium transmisji podczerwień 2,4 GHz 2,4Ghz; 5GHz
Czas nawiązania połączenia
250-650 ms 2-10 s 2 s
Szybkość transmisji 16 Mb/s 1 Mb/s 54 Mb/s
Rodzaj połączenia Punkt-punkt Punkt-
wielopunkt Punkt-
wielopunkt
Maksymalna liczba urządzeń
2 8 w pikosieci, 10 pikosieci w
zasięgu
ZaleŜy od danej sieci
Prostota korzystania DuŜa Średnia Mała
Pobór mocy 10 mW 100 mW wysoki
Bezpieczeństwo brak szyfrowanie Protokół
WEP
W związku z pojawieniem się innych technologii zaczęto opracowywać
mechanizmy zapewniające współpracę pomiędzy standardami IrDA i Bluetooth.
Współpraca ta dotyczy aplikacji i nie gwarantuje bezpośredniej transmisji pomiędzy
nimi. Obydwie technologie mają swoje wady i zalety, które są charakterystyczne dla
kaŜdej z nich.
47
3. Opracowanie koncepcji stanowiska do badania systemu
bezprzewodowej transmisji sygnałów drogą optyczną.
W części tej zastały opisane załoŜenia i projekt stanowiska do badania systemu
bezprzewodowej transmisji sygnałów drogą optyczną. Stanowisko to składa się z dwóch
modułów. Z modułu nadawczego i odbiorczego. Głównym celem projektu jest
przedstawienie i wytłumaczenie zasad pracy systemu przesyłu informacji w zakresie
podczerwieni. Dodatkowym celem było sprawdzenie i przebadanie moŜliwości
gotowych układów scalonych dostępnych na rynku. Obie stacje, nadawcza i odbiorcza,
zasilane są z zasilacza sieciowego.
ZałoŜenia projektowe nadajnika:
• Płynna regulacja częstotliwości nośnej w dwóch zakresach: od 1kHz do
10kHz i od 1kHz do 100kHz,
• Płynna regulacja czasu trwania informacji (logicznego „0” i „1”),
• Wybór róŜnych źródeł nadawczych, róŜniących się długościami fal,
• Regulacja mocy nadawania,
• Zasilanie z sieci energetycznej 230V,
• Łatwa obsługa urządzenia,
• Wskaźnik częstotliwości
• MoŜliwość zbadania przebiegu w róŜnym miejscu urządzenia.
Rys.3.1. Schemat blokowy nadajnika podczerwieni.
48
ZałoŜenia projektowe odbiornika:
• MoŜliwość porównania typowych fotodetektorów z gotowymi układami
scalonymi,
• Łatwa interpretacja odebranego sygnału,
• Zasilanie z sieci energetycznej 230V,
• Łatwa i intuicyjna obsługa,
• MoŜliwość zbadania przebiegu w róŜnym miejscu urządzenia.
Rys.3.2. Schemat blokowy odbiornika podczerwieni.
Na rysunkach 3.1 i 3.2 przedstawiono schematy blokowe wykonanych stacji do
transmisji bezprzewodowej drogą optyczną. Do budowy nadajnika podczerwieni uŜyto
trzech układów scalonych odpowiedzialnych za generacje i modulacje sygnału
sterującego źródłem światła o interesującym nas zakresie fal. Za generację sygnału
odpowiedzialny jest popularny układ czasowy NE555 firmy Philips Semiconductors,
pracujący w układzie astabilnym. Nośna sygnału wytwarzana jest dzięki uniwersalnemu
przetwornikowi napięcie/częstotliwość KA331 firmy Fairchild Semiconductors . Jako
źródła światła uŜywane są cztery diody nadawcze podczerwieni. KaŜda z nich posiada
inne parametry oraz długość fali emitowanej. Urządzenie zasilane jest wprost z
zasilania sieciowego 230V poprzez zasilacz 12V.
W skład odbiornika wchodzą dwie, róŜne trasy detekcji sygnału podczerwieni.
W pierwszej za detekcję, wzmocnienie i demodulację sygnału odpowiedzialne są
gotowe fotomoduły podczerwieni omawiane w rozdziale 2.7. Zastosowano róŜne typy
gotowych fotomodułów, w celu przebadania i porównania ich właściwości. Otrzymany
49
sygnał sygnalizowany jest diodą kontrolną LED. Istnieje takŜe moŜliwość zbadania
sygnału na wyjściu układu w celu porównania go z informacją wysłaną.
W drugiej trasie do detekcji sygnału zostały uŜyte fotodiody oraz
fototranzystory. Otrzymany sygnał jest odpowiednio wzmocniony a następnie podany
na diody sygnalizujące otrzymany sygnał. Do detekcji sygnału uŜyto fotodetektorów o
znacznie róŜniących się od siebie parametrach. Urządzenie zasilane jest wprost z
zasilania sieciowego 230V poprzez zasilacz 12V.
3.1. Opis komponentów uŜytych do budowy nadajnika fal z zakresu bliskiej
podczerwieni.
W części tej opisane zostały wszystkie elementy wchodzące w skład budowy
modułu nadawczego. Pokazano ich budowę wewnętrzną oraz sposób doboru elementów
zewnętrznych niezbędnych do uzyskania wspomnianych wcześniej załoŜeń
projektowych.
Przetwornik KA331 i układ generatora nośnej
Układ scalony KA331 jest to zamiennik układu LM331, który jest znanym
przetwornikiem napięcie-częstotliwość, wykorzystywanym w układach konwersji
analogowo-cyfrowej.
Rysunek rys.3.3 przestawia schemat blokowy przetwornika KA331.
50
Rys.3.3. Schemat blokowy przetwornika KA331
W układzie scalonym KA331 znajduje się skompensowane temperaturowo
źródło napięcia odniesienia o bardzo dobrej dokładności temperaturowej w całym
zakresie temperatur pracy. Precyzyjny układ przerzutnika monostabilnego ma małe
prądy polaryzacyjne, jest szybki i po wyliczeniu elementów zewnętrznych zapewnia
konwersję sygnałów do częstotliwości 100kHz. Układ zasilany jest pojedynczym
napięciem o szerokim zakresie 5-40V. Dodatkowo, wyjście typu otwarty kolektor jest
zabezpieczone przed zwarciem do napięcia zasilania. Układ posiada bardzo duŜą
liniowość i stabilność napięcia odniesienia. W przypadku układu KA331 producent
gwarantuje maksymalną stabilność 0,01% a napięcie odniesienia na poziomie około
1,89V. Inne parametry przedstawia tabela 3.2. Na wyjściu układu w zaleŜności od
napięcia wejściowego otrzymywany jest sygnał prostokątny o częstotliwości
proporcjonalnej do niego. Posiada on osiem wyprowadzeń, których funkcje
przedstawia tabela 3.1. W notach katalogowych producent sugeruje nam podstawową
aplikacje jako przetwornik napięcie-częstotliwość, ale po zmianie konfiguracji układ
staje się przetwornikiem częstotliwość-napięcie.
Na rysunku rys.3.4. przedstawiono schemat wewnętrzny oraz podstawowy układ
pracy w roli przetwornika V/F. Stałe napięcie przetwarzane na sygnał prostokątny o
zadanej częstotliwości, podawane jest na nóŜkę nr.7. Kondensator C9 jest ładowany
prądem z ustalanego źródła prądowego i rozładowywane poprzez rezystor R10. Prąd
51
źródła jest wyznaczony poprzez zaleŜność 3/89,1 RI s = . Prąd większy niŜ 5mA
spowodować moŜe nieodwracalne szkody w układzie.
Tabela 3.1 Wyprowadzenia układu scalonego KA331
PIN# Symbol Typ Opis 1 Current output O Źródło prądu wyjścia 2 Reference current I Prąd referencyjny 3 Frequency output O Wyjście 4 GND Źródło masy 5 RC I Czas działania przerzutnika 6 Threshold I Wejście komparatora 7 Comparator input I Napięcie wejściowe 8 VCC O Napięcie zasilania
Czas działania przerzutnika monostabilnego jest wyznaczony przez elementy
R5 i C11, dołączone do nóŜki nr.5. Wyliczamy go z zaleŜności 1151,1 CRT ⋅⋅= .
Częstotliwość powtarzania impulsów jest proporcjonalna do napięcia wejściowego i
przedstawia ją wzór:)1151089,1(
)3(
CRR
RUF WE
WY⋅⋅⋅
⋅= .Dla zachowania dokładności
elementy odpowiadające za pracę układu powinny być stabilne. Na rysunku rys.3.4.
rezystor R1 zapewnia kompensację prądów polaryzujących wypływających z wejść
6 i 7.
Dodatkowo umieszczono kondensator C7, który pełni rolę filtru. Producent
sugeruje aby wartość tego kondensatora była równa wartości kondensatora C9,
poniewaŜ w takim wypadku zmiana napięcia wejściowego powoduje natychmiastową
zmianę częstotliwości impulsu wyjściowego.
Rys.3.4. Konfiguracja przetwornika napięcie-częstotliwość [24]
Przy projektowaniu nadajnika drogi optycznej w zakresie podczerwieni
podstawowy układ aplikacyjny przetwornika V/F z not
zmodyfikowany. Układ generowania sygnału no
przedstawia rysunek rys.3.5.
Rys.3.5. Schemat uk
Połączony szeregowo z kondensatorem C9 rezystor o niewielkiej warto
powoduje powstanie niewielkiej histerezy i poprawia liniowo
wyznaczająca prąd ładowania, składa si
to skompensowanie błędów wzmocnienia układu i
współczynnik przetwarzania miał zadan
przetwarzania 1kHz/1V oraz 10lHz/10V wybierane za pomoc
Potencjometr R9 oraz rezystor
napięcia niezrównowaŜenia komparatora, która mo
Tabela 3.2). Napięcie niezrównowa
mierzonych.
ktowaniu nadajnika drogi optycznej w zakresie podczerwieni
podstawowy układ aplikacyjny przetwornika V/F z noty katalogowej
zmodyfikowany. Układ generowania sygnału nośnej modulujący sygnał nadawany
Rys.3.5. Schemat układu generującego sygnał nośnej
czony szeregowo z kondensatorem C9 rezystor o niewielkiej warto
powoduje powstanie niewielkiej histerezy i poprawia liniowość układu. Rezystancja
d ładowania, składa się z rezystora R3 i potencjometru R6. Umo
dów wzmocnienia układu i tolerancji uŜytych elementów, by
współczynnik przetwarzania miał zadaną wartość. Układ ten posiada dwa zakresy
przetwarzania 1kHz/1V oraz 10lHz/10V wybierane za pomocą przełącznika P6.
metr R9 oraz rezystor R11 potrzebne są do korekcji wejściowego
enia komparatora, która moŜe wynosić ±10mV (patrz
cie niezrównowaŜenia ogranicza uŜyteczny zakres napi
ktowaniu nadajnika drogi optycznej w zakresie podczerwieni
został
cy sygnał nadawany
czony szeregowo z kondensatorem C9 rezystor o niewielkiej wartości
układu. Rezystancja
R6. UmoŜliwia
ytych elementów, by
. Układ ten posiada dwa zakresy
cznika P6.
do korekcji wejściowego
±10mV (patrz
yteczny zakres napięć
Tabela 3.2. Parametry przetworn
ParametrNapięcie zasilania
Prąd zasilania
Temp. otoczeniaNapięcie odniesienia
Prąd wyjściowyNapięcie niezrównowa
Częstotliwość wyj
Kalibracja układu
Zaprojektowany układ przetwornika napi
w celu uzyskania naleŜytego współczynnika przetwarzania. Przy zakr
pomocą potencjometru R6 nale
na przykład 8V. W tym wypadku na wej
napięcie równe 8V i za pomoc
równą dokładnie 80kHz.
Za pomocą potencjometru R9 mo
NaleŜy za jego pomocą skalibrowa
przykład 500mV, uzyskują
wysokiej i niskiej częstotliwo
0,01% pełnej skali. Charakterystyki wyj
przedstawione na rysunkach rys.3.6. i rys.3.7.
Rys.3.6. Charakterystyka wyj
Parametry przetwornika KA331 [24]
Parametr Warunki Min. Typ. cie zasilania 5V
d zasilania Zasilanie 5V 1.5mA 3mA Zasilanie 40V 2mA 4mA
Temp. otoczenia 00C cie odniesienia NóŜka 2 1.7V 1.89V
ściowy NóŜka 1 116µA 136µA cie niezrównowaŜenia ±3mV
ść wyjścia Uwe=10V 10kHz
Zaprojektowany układ przetwornika napięcie-częstotliwość naleŜy skalibrowa
Ŝytego współczynnika przetwarzania. Przy zakresie 10
6 naleŜy skalibrować układ do duŜego napięcia wej
na przykład 8V. W tym wypadku na wejście komparatora, nóŜka nr.7 podajemy
cie równe 8V i za pomocą potencjometru R6 ustawiamy częstotliwość
potencjometru R9 moŜna uzyskać optymalny zakres napi
ą skalibrować układ dla małego napięcia wejś
500mV, uzyskując częstotliwość wyjściową 5kHz . Po takiej kalibracji
stotliwości nieliniowość przetwornika nie powinna by
Charakterystyki wyjściowe dla dwóch zakresów zostały
przedstawione na rysunkach rys.3.6. i rys.3.7.
Rys.3.6. Charakterystyka wyjściowa przetwornika względem napięcia wej
Max. 40V 6mA 8mA
+700C 2.08V 156µA 10mV
100kHz
naleŜy skalibrować
esie 10kHz/1V za
ęcia wejściowego,
ka nr.7 podajemy
stotliwość wejściową
optymalny zakres napięć pracy.
cia wejściowego, na
. Po takiej kalibracji
przetwornika nie powinna być gorsza niŜ
ciowe dla dwóch zakresów zostały
cia wejściowego
Rys.3.7. Charakterystyka wyjściowa przetwornika wzgl
Z wykreślonych charakterystyk widoczna jest liniowa zale
napięciem wejściowym a częstotliwo
Niewielkie odchylenia spowodowane s
rozdzielczość woltomierza, którym odczytywano warto
wynosi 10mV co w przypadku zakresu 1V/10kHz wnosi bł
JednakŜe wyniki te są wystarczają
Dobór elementów dla układu KA331
Dla poprawnej pracy układu oraz zało
przetwornika KA331, naleŜało wyliczy
Rezystor R3:
Maksymalne napięcie na nó
Ω== 3785
89,13
mA
VR . W tym przypadku rezystancja nie mo
W naszym przypadku wartość rezystancji R3 ustalono na poziomie 12k
prąd płynący przez nóŜkę nr.2 wynosi 0,16mA.
. Charakterystyka wyjściowa przetwornika względem napięcia wejściowego
lonych charakterystyk widoczna jest liniowa zaleŜność pomi
ęstotliwością sygnału wyjściowego przetwornika KA331
iewielkie odchylenia spowodowane są błędem odczytu napięcia ze wzglę
woltomierza, którym odczytywano wartość napięcia. Jego rozdzielczo
wynosi 10mV co w przypadku zakresu 1V/10kHz wnosi błąd wielkości 100Hz.
arczające do poprawnej pracy układu nadawczego.
Dobór elementów dla układu KA331
Dla poprawnej pracy układu oraz załoŜonych zakresach częstotliwo
ało wyliczyć wartości elementów zewnętrznych.
nóŜce nr.2 U=1,89V, prąd maksymalny 5mA
. W tym przypadku rezystancja nie moŜe być mniejsza niŜ 378
ść rezystancji R3 ustalono na poziomie 12kΩ, przy czym
nr.2 wynosi 0,16mA.
ściowego
ść pomiędzy
przetwornika KA331.
cia ze względu na
cia. Jego rozdzielczość
ści 100Hz.
ęstotliwości
d maksymalny 5mA
mniejsza niŜ 378 Ω.
, przy czym
55
Elementy R5, C11 i C12, odpowiedzialne są za okres sygnału na wyjściu
przetwornika. 0
175,012,1151,1
fCRT =⋅⋅= , gdzie f0 to wymagana częstotliwość.
Producent sugeruje poprawność pracy układu dla elementów rzędu 6,8kΩ>R5>680kΩ i
0,001µF<C11,C12<1µF. W układzie przyjęto rezystancję dla wartości R5=6,8kΩ
Dla f0=10kHz, T= 5
0
105,71
75,0 −⋅=f
, 51048,71151,1 −⋅=⋅⋅= CRT
Dla f0=100kHz, T= 6
0
105,71
75,0 −⋅=f
, 61048,71251,1 −⋅=⋅⋅= CRT
Dla sprawdzenia poprawności przetwarzania napięcia na częstotliwość:
kHznFkk
kV
CRR
RUF WE
WY 67,4108,610089,1
125
)1151089,1(
)3(=
⋅Ω⋅Ω⋅
Ω⋅=
⋅⋅⋅
⋅= , przy czym
potencjometr R6 ustala sygnał na poziom 5kHz
Tabela 3.3. Wykaz uŜytych elementów.
Układ generatora nośnej Układ generatora nośnej Numer elementu Wartość/Nazwa Numer elementu Wartość/Nazwa
C7,C12 10nF R7 100Ω C9 1µF R10 100kΩ C11 1nF R11 22kΩ R1 10kΩ R12 47Ω R3 12kΩ U3 KA331 R5 6,8kΩ P5,P6 Gniazdo 3 pinowe R6 Potencjometr 5kΩ P8 Gniazdo 2 pinowe R9 Potencjometr 20kΩ
Układ czasowy 555 jako generator sygnału
W zaprojektowanym nadajniku bezprzewodowej drogi optycznej w zakresie
podczerwieni do generacji sygnału wykorzystany został powszechnie znany układ
czasowy NE555 firmy Philips Semiconductors . NE555 jest układem przeznaczonym do
generowania pojedynczych impulsów bądź ciągów przebiegów prostokątnych. Na
rysunku rys.3.6 przedstawiono schemat blokowy układu czasowego NE555 wraz z
elementami zewnętrznymi niezbędnymi do generacji sygnału. Podstawowymi
elementami układu 555 są 2 komparatory, przerzutnik oraz tranzystor rozładowujący.
Tabela 3.4 Wyprowadzenia układu scalonego NE555
PIN# Symbol Typ Opis
56
1 GND Źródło masy zasilania 2 Trigger I Wejście wyzwalające 3 Output O Wyjście układu 4 Reset I Kluczowanie pracy 5 Control I Zmiana proporcji wartości rezystorów 6 Treshold I Wejście komparatora 7 Discharge I Rozładowanie kondensatora 8 Vcc I Napięcie zasilania
Układ pracować moŜe jako multiwibrator monostabilnym oraz astabilnym. W
przypadku opisywanego nadajnika podczerwieni NE555 pracuje w trybie astabilnym
pokazanym na rysunku rys.3.8. Do otrzymania sygnału potrzebne są dwa rezystory oraz
jeden kondensator. Jeśli nóŜka nr.5 nie jest wykorzystywana to producent sugeruje
połączenie jej z masą za pośrednictwem kondensatora o pojemności rzędu 10..22nF w
celu uniknięcia zmian proporcji wartości wewnętrznego dzielnika napięcia.
Rys.3.8. Schemat blokowy układu w układzie generatora astabilnego [26]
Zasadę działania generatora astabilnego tłumaczy rysunek rys.3.9. Jeśli na
wejściu TRIGGER połączonym wraz z wejściem TRESHOLD napięcie wynosi 0 to
przerzutnik wewnętrzny włącza się i na wyjściu ustawiony zostaje ustawiony stan
wysoki. Kondensator C ładuje się poprzez rezystory RA i RB i po osiągnięciu napięcia
równego 2/3 napięciu zasilania, przerzutnik wyłącza się. Na wyjściu ustawiony jest stan
niski i kondensator zaczyna się rozładowywać przez rezystor RB.
Rys.3.
Pojemność kondensatora C i rezystancja R
na kondensatorze będzie równe 1/3 napi
rozpoczyna się od nowa.
Częstotliwość pracy generatora astabilnego z NE555 wyli
CRRF
BAWY
⋅+=
)2(
49,1
Dodatkowymi parametrami, które mo
CRRT BA ⋅+⋅= )2(693.0
czas trwania sygnału niskiego
Rys.3.10. Schemat układu generuj
W skład generatora sygnału wchodz
z tranzystorem Q2, którego zadanie
sygnałów. W obu przypadka mo
Rys.3.9. Praca generatora astabilnego.
kondensatora C i rezystancja RB określa czas trwania sygnału. Gdy napi
dzie równe 1/3 napięciu zasilania, przerzutnik włącza si
pracy generatora astabilnego z NE555 wylicza się z zale
Dodatkowymi parametrami, które moŜna wyliczyć to okres sygnału:
C ,czas trwania stanu wysokiegoT ⋅= (693.01
ania sygnału niskiego CRT B ⋅⋅= 693.02 i wypełnienie sygnału D
Schemat układu generującego sygnał nadawczy.
W skład generatora sygnału wchodzą dwa układy czasowe NE555, U4 i U5 wraz
z tranzystorem Q2, którego zadaniem jest wymnoŜenie ze sobą dwóch ró
W obu przypadka moŜliwa jest płynna regulacja okresu za pomoc
la czas trwania sygnału. Gdy napięcie
ciu zasilania, przerzutnik włącza się i cykl
za się z zaleŜności:
to okres sygnału:
CRR BA ⋅+ ) ,
%1002
1 ⋅=T
TD .
dwa układy czasowe NE555, U4 i U5 wraz
dwóch róŜnych
za pomocą dwóch
58
potencjometrów P2 i P10. Czas trwania sygnału z układu scalonego U4 jest znacznie
mniejsza aniŜeli układu U10. W ten sposób otrzymujemy sygnał przypominający
informację wychodzącą ze standardowego pilota telewizyjnego.
Dobór elementów zewnętrznych
Przy wyborze elementów zewnętrznych posłuŜono się wzorem, CRR
FBA
WY⋅+
=)2(
49,1
Elementy układu scalonego U4 wyliczono kHzF
FWY 46,11)3302360(
49,1=
⋅Ω⋅+Ω=
µ,
Dla układu HzF
FWY 46,4470)2202270(
49,1=
⋅⋅+=
µ
Tabela 3.5. Wykaz elementów zewnętrznych generatora sygnału
Generator sygnału U4 Generator sygnału U5 Numer
elementu Wartość/Nazwa Numer elementu Wartość/Nazwa
C10 10nF C14 10nF
C8 1µF C13 470µF
R8 330Ω R13 270Ω
R4 360Ω R14 220Ω
P2 2kΩ P10 1kΩ
Q2 Tranzystor BC54FDE P11,P9 Gniazdo 2 pinowe
Przy doborze rezystorów podpiętych do nóŜek nr 2 i 7 naleŜy zwracać uwagę na
prąd przez nie płynący. Zbyt mała rezystancja moŜe spowodować trwałe uszkodzenie
układu. NajwaŜniejsze parametry układu pokazuje tabela 3.7.
Tabela 3.6 Parametry układu czasowego NE555 [27]
Parametr Warunki Min. Typ. Max. Napięcie zasilania 4,5V 18V Prąd zasilania Zasilanie 5V 3mA
Zasilanie 15 V
- 10mA -
Maksymalny prąd wyjścia - - 100mA
59
Temperatura otoczenia - 00C - +700C Napięcie wyjścia w stanie niskim przy prądzie wpływającym 100mA
Zasilanie 15V
- 2 V -
Napięcie wyjścia w stanie wysokim przy prądzie wpływającym 100mA
NóŜka 1 - 13,5 -
Diody nadawcze jako źródło sygnału w zakresie podczerwieni
Nadajnik posiada cztery róŜne źródła światła w zakresie podczerwieni. Są to
diody nadawcze róŜniące się między sobą parametrami, gdzie najwaŜniejszym z nich
jest długość fali nadawania. Typ oraz parametry diod przedstawia tabela 3.7.
Tabela 3.7. Nazwy i parametry diod nadawczych
Nazwa Długość fali
Napięcie przewodzenia
Maksymalny prąd
Kąt promieniowania
Intensywność
TSAL6200
950 nm 1,6 V 100 mA 34o 50mW/Sr
L-53F3C 940 nm 1,5 V 50 mA 30o 20mW/Sr L-53SF4C 880 nm 1,7 V 50 mA 30o 20mW/Sr
LL-503SIRC
850 nm 1,5 V 50 mA 25 o 30mW/Sr
Dzięki róŜnicom takim jak długość fali i kąt promieniowania moŜliwe będzie
przebadanie działania filtrów odbiorników podczerwieni oraz ich kąty odbiorcze. Na
rysunku 3.9. pokazano intensywność z jaką diody L-53F3C, L-53SF4C, LL-503SIRC
nadają dla danych długości fal.
Rys.3.11. ZaleŜność intensywność od długości fali uŜytych diod nadawczych [15][16]
Projekt układów dodatkowych: zasilanie układu oraz układ
Zasilanie układu
Ze względu na to, Ŝe u
stabilnym i potrzebne są trzy róŜ
zasilany z zasilacza sieciowego oraz baterie. Do stabilizacji i zmiany napi
uŜyto stabilizatorów napięcia L
wykorzystano aplikację daną z not
rys.3.10.
Rys.3.1
Schemat zasilania nadajnika podczerwieni i sterownia przetwornikiem napi
częstotliwość przedstawia rysunek rys.3.11. Układ U1 odpowiedzialny jest za zasilanie
układu scalonego KA331 natomiast układ U2 dostarcza maksymalne napi
wysterowania wspomnianego przetwornika. Przy doborze stabilizatorów nale
uwagę na jak najmniejszą konsumpcj
U1 nie dostarcza na wyjściu napię
Rys.3.13. Schemat zasilania i sterownia nadajnikiem podczerwieni
dodatkowych: zasilanie układu oraz układ woltomierza i wyświetlacza
Ŝe układ zasilany musi być napięciem jak najbardziej
trzy róŜne napięcia: 2 zasilania i jedno wejściowe, układ jest
zasilany z zasilacza sieciowego oraz baterie. Do stabilizacji i zmiany napięcia z sieci
cia LM7812 oraz LM7810. Do poprawnej pracy
ą z noty aplikacyjnej producenta, widoczną na rysunku
Rys.3.12. Aplikacja układu LM78XX [28]
Schemat zasilania nadajnika podczerwieni i sterownia przetwornikiem napi
przedstawia rysunek rys.3.11. Układ U1 odpowiedzialny jest za zasilanie
układu scalonego KA331 natomiast układ U2 dostarcza maksymalne napi
wysterowania wspomnianego przetwornika. Przy doborze stabilizatorów naleŜy z
konsumpcję napięcia. Przy 12 V zasilaczu sieciowym układ
ciu napięcia oczekiwanego lecz jest ono mniejsze o około 1V.
. Schemat zasilania i sterownia nadajnikiem podczerwieni
świetlacza
ciem jak najbardziej
kład jest
ęcia z sieci
scalaka
na rysunku
Schemat zasilania nadajnika podczerwieni i sterownia przetwornikiem napięcie-
przedstawia rysunek rys.3.11. Układ U1 odpowiedzialny jest za zasilanie
układu scalonego KA331 natomiast układ U2 dostarcza maksymalne napięcie
Ŝy zwrócić
cia. Przy 12 V zasilaczu sieciowym układ
cia oczekiwanego lecz jest ono mniejsze o około 1V.
61
Tabela 3.8. Wykaz elementów zewnętrznych stabilizatora napięcia
Stabilizator napięcia U1,U2
Numer elementu Wartość/Nazwa Numer elementu Wartość/Nazwa
U1,U2 NE555 C6 4,7nF
C1,C3 1µF C5 5,6nF
C2,C4 10nF P1 Gniazdo 2 pinowe
J1 Łącze ekspresowe
Układ woltomierza i wyświetlacza
W związku z pracą układu przetwornika napięcie-częstotliwość i z jego
zadowalającą liniowością wykonano układ woltomierza wraz z wyświetlaczem
mającym na celu uzyskania szybkiej informacji o częstotliwości sygnału modulującego.
Nadajnik podczerwieni zaprojektowano na 2 zakresy częstotliwości modulującej.
Pierwszy pozwalający na uzyskanie maksymalnej częstotliwości równej 10 kHz, gdzie
zaleŜność częstotliwości od napięcia wynosi 1V/1kHz i drugi o najwyŜszej
częstotliwości 100kHz, gdzie 1 V odpowiada 10kHz.
Do budowy woltomierza uŜyto popularny układ scalony ICL7106 firmy
INTERSIL, który zapewnia konwersję analogowo-cyfrową i współpracuje z
wyświetlaczem ciekłokrystaliczny LCD 213 cyfry + znak. Schemat wyprowadzeń
wyświetlacza pokazano na rys.3.13. Układ woltomierza został zrealizowany według
przykładowej aplikacji zawartej w nocie katalogowej pokazanej na rysunku rys.3.12.
62
Rys.3.14. Aplikacja układu scalonego ICL7106
Aplikacja z rys.3.12. przedstawia układ przeznaczony do pomiaru napięć stałych
w dwóch zakresach pomiarowych ±200mV, gdzie rozdzielczość jest równa 0,1mV.
Maksymalne mierzone napięcie jest równe 12V, więc naleŜało zmodyfikować układ do
pomiaru napięć z zakresu ±20V (rozdzielczość: 10mV). W celu zmiany zakresu
pomiarowego zastosowano dzielnik napięcia dołączony do wejścia pomiarowego
układu ICL7106. Elementy wchodzące w jego skład to R3 oraz R4.
Rys.3.15. Schemat wyświetlacza LCD 213 cyfry + znak
Na podstawie aplikacji z rysunku rys.3.14 i schematu wyprowadzeń
wyświetlacza z rys.3.15 powstał schemat układu woltomierza wraz z wyświetlaczem
dostosowany do wymagań nadajnika podczerwieni. Schemat przedstawiono na rys.3.16.
Producent informuje, iŜ zasilanie układu nie moŜe być brane z tego samego
źródła zasilania co reszta układów, dlatego teŜ wymagało to zasilania bateryjnego. Przy
wyborze omawianego zakresu naleŜy zwrócić uwagę na wybór właściwej kropki. WiąŜe
się to z wlutowaniem zwory w odpowiednim miejscu złącza o nazwie Kropka1.
Elementy zewnętrzne nieznacznie odbiegają od tych sugerowanych w notach
aplikacyjnych. Elementy C5 i R6 wyznaczaj
układu ICL7106. Kondensator C2 wpływa na zmniejszenie bł
charakterystyki. Elementy C4, C5 i R5 maj
woltomierza. Kondensator C4 i rezystor R5 to elementy wchodz
całkowania. Kondensator C4 musi mie
C4 inaczej kondensator „autozera” dobierany jest w zale
pomiarowego.
Napięcie referencyjne zostało ustalone w procesie kalibracji poprzez doł
do nóŜek nr. 35 i 36 układu ICL7106, woltomierza cyfrowego DT9208A i przy pomocy
potencjometru R8 ustawiono je na poziomie 100mV.
Rys.3.16. Schemat ideowy układu woltomierza w
C5 i R6 wyznaczają częstotliwość wewnętrzną
układu ICL7106. Kondensator C2 wpływa na zmniejszenie błędu asymetrii
charakterystyki. Elementy C4, C5 i R5 mają zasadnicze znaczenie dla pr
woltomierza. Kondensator C4 i rezystor R5 to elementy wchodzące w skład układy
całkowania. Kondensator C4 musi mieć jak najmniejsze straty dielektryczne. Element
C4 inaczej kondensator „autozera” dobierany jest w zaleŜności od zakresu
cie referencyjne zostało ustalone w procesie kalibracji poprzez doł
ek nr. 35 i 36 układu ICL7106, woltomierza cyfrowego DT9208A i przy pomocy
potencjometru R8 ustawiono je na poziomie 100mV.
Schemat ideowy układu woltomierza wraz z wyświetlaczem
ętrzną oscylatora
układu ICL7106. Kondensator C2 wpływa na zmniejszenie błędu asymetrii
zasadnicze znaczenie dla pracy
ce w skład układy
jak najmniejsze straty dielektryczne. Element
ści od zakresu
cie referencyjne zostało ustalone w procesie kalibracji poprzez dołączenie
ek nr. 35 i 36 układu ICL7106, woltomierza cyfrowego DT9208A i przy pomocy
wietlaczem
64
Tabela 3.9. Wykaz elementów zewnętrznych woltomierza wraz z wyświetlaczem LCD
Układ woltomierza wraz z wyświetlaczem LCD Numer elementu Wartość/Nazwa Numer elementu Wartość/Nazwa
R1 100kΩ R8 680Ω R2 27kΩ R9,R10,R11 100Ω R3 10MΩ C1, C2 100nF R4 1MΩ C3, C4 220nF R5 47kΩ C5 100pF R6 100kΩ ICL1 ICL7106 R7 Potencjometr 5kΩ LCD1 Wyświetlacz LCD
Układ nadajnika podczerwieni
Całość zaprojektowanego stanowiska laboratoryjnego przedstawia schemat
ideowy nadajnika podczerwieni z rysunku rys.3.18. oraz schemat panelu z rysunku
rys.3.19. W skład wchodzą układy scalone wraz z elementami zewnętrznymi wcześniej
opisanymi w dziale 3.1 oraz dodatkowe elementy pozwalające na ich współpracę.
Rozwiązanie posiada teŜ liczne gniazda ekspresowe, które wykorzystać moŜna do
sprawdzenia sygnału w danym miejscu układu.
Rys. 3.18. Schemat nadajnika podczerwieni-płytka
Tabela 3.9. Wykaz elementów u
Numer elementu
R2
P2,P3,P4,P7,P8,P10,P11
P5,P6
Schemat rozwiązania panelu z elementami reguluj
nadawany przedstawiono n
pozwalające na sprawdzenie sygnału w wybranym miejscu stanowiska.
POT3 i POT2 odpowiedzialne s
układy czasowe NE555. Za zmian
odpowiedzialny jest potencjometr wieloobrotowy POT4, który ustala warto
wejściowego do układu KA331 na poziomie od 0 do 10 V. Potencjometr POT1 wraz z
przełącznikiem obrotowym S1 odpowiedzialne s
przez ustawioną diodę nadawcz
zakresu częstotliwości oraz uruchomienie woltomierza okre
wejściowe układu KA331. Diody LED1
nadmiernym prądem, który ustala rezystor R2. Sygnalizuj
chwili została wybrana do nadawania sygnału.
Rys.3.19.
Tabela 3.9. Wykaz elementów uŜytych w projekcie nadajnika podczerwieni
Nadajnik podczerwieni-płytka
Numer elementu Wartość/Nazwa Numer
elementu Wartość
56Ω Q1,Q2 Tranzystor BC54FDE
P2,P3,P4,P7,P8,P10,P11 Gniazdo 2
pinowe J2
Złącze kluczujdiode nadawcz
Gniazdo 3 pinowe
ązania panelu z elementami regulującymi i kontrolują
nadawany przedstawiono na rysunku rys.3.19. W jego skład wchodzą 3 zł
ce na sprawdzenie sygnału w wybranym miejscu stanowiska. Potencjometry
3 i POT2 odpowiedzialne są za zmianę okresu sygnałów formowanych przez
układy czasowe NE555. Za zmianę częstotliwości modulującej tą
potencjometr wieloobrotowy POT4, który ustala warto
ciowego do układu KA331 na poziomie od 0 do 10 V. Potencjometr POT1 wraz z
cznikiem obrotowym S1 odpowiedzialne są za wybór i wartość prą
ę nadawczą. Przełączniki S3 i S4 odpowiedzialne s
ci oraz uruchomienie woltomierza określającego napi
ciowe układu KA331. Diody LED1-LED4 zostały zabezpieczone przed
óry ustala rezystor R2. Sygnalizują one fotodiodę, która w danej
chwili została wybrana do nadawania sygnału.
Rys.3.19. Schemat ideowy nadajnika podczerwieni - panel
ytych w projekcie nadajnika podczerwieni
Wartość/Nazwa
Tranzystor BC54FDE ącze kluczujące
diode nadawczą
cymi i kontrolującymi sygnał
ą 3 złącza BNC
Potencjometry
okresu sygnałów formowanych przez
cej tą informację
potencjometr wieloobrotowy POT4, który ustala wartość napięcia
ciowego do układu KA331 na poziomie od 0 do 10 V. Potencjometr POT1 wraz z
ść prądu płynącego
czniki S3 i S4 odpowiedzialne są zmianę
ącego napięcie
LED4 zostały zabezpieczone przed
ę, która w danej
panel
66
3.2. Opis komponentów uŜytych do budowy odbiornika fal z zakresu bliskiej
podczerwieni.
W części tej opisane zostały wszystkie elementy wchodzące w skład budowy
modułu odbiorczego. Pokazano ich budowę wewnętrzną oraz sposób doboru
elementów zewnętrznych niezbędnych do uzyskania wspomnianych wcześniej załoŜeń
projektowych.
Fotomoduły z serii TSOP
W celu sprawdzenia właściwości gotowych fotomodułów do detekcji sygnałów
w podczerwieni, opisanych w dziale 2.7 uŜyto ich w projekcie stacji odbiorczej. W ich
skład wchodzi 5 miniaturowych odbiorników podczerwieni o róŜnych częstotliwościach
nośnej.
Tabela 3.10. Wykaz fotomodułów uŜytych do budowy odbiornika podczerwieni.
Typ f0 Napięcie zasilania
Prąd zasilania
Dystans transmisji
TSOP34830 30 kHz 2,7-6V 5mA 35 m
TSOP34833 33 kHz 2,7-6V 5mA 35 m
TSOP4836 36 kHz -0,3-6V 5mA 35 m
TSOP34838 38 kHz 2,7-6V 5mA 35 m
TSOP4840 40 kHz -0,3-6V 5mA 35 m
Elementy wymienione w tabeli 3.10. zostały umieszczone na panelu urządzenia.
Zasilono je napięciem 5V, które zostało wcześniej ustabilizowane za pomocą
stabilizatora LM7805. Dodatkowo w celu sygnalizacji odebranej informacji na wyjściu
fotomodułów umieszczono diody LED, które po dołączeniu do tranzystora w układzie
wspólny emiter znajdującego się w budowie wewnętrznej układu scalonego i
ograniczeniu prądu przez nie płynącego, rezystor R1 (patrz schemat ideowy
odbiornika-panel) informują o poprawnie odebranym sygnale.
67
Schemat ideowy płytki druku, rys.3.20. przedstawia dwa kolejne rozwiązania
wykorzystane do detekcji sygnału w zakresie podczerwieni.
Rys.3.20.Schemat ideowy odbiornika podczerwieni – płytka
Część b) schematu ideowego odbiornika, przedstawia sposób typowego połączenia
fotodiody wraz z wzmacniaczem operacyjnym. Do poprawnej pracy układu naleŜało
zastosować typowa aplikacje konwertera prądu na napięcie, który przedstawiono na
rysunku rys.3.21.
Rys.3.21. Wzmacniacz operacyjny jako konwerter prąd na napięcie [11]
W celu określenia sygnału na wyjściu układu wykorzystuje się wzór
FinOUT RIV ⋅=
68
Fotodiody uŜyte do detekcji sygnału podczerwieni przedstawiono i opisano w
tabeli 3.11. Paramatery otrzymano z not katalogowych producentów.
Tabela 3.11. Opis fotodiod uŜytych w stanowisku laboratoryjnym
Typ Długość fali Kąt odbioru Prąd diody BPV22NF 940nm 60˚ 85µA
HPDB3J-14D 900nm 50˚ 10µA BPW41 925nm 130 45µA
SFH203FA 900 40 40 µA
Trzecim rodzajem uŜytych fotodetektorów są fototranzystory, które w
połączeniu z układem wzmacniacza nieodwracającego, widocznego na schemacie
ideowym, patrz rys.3.20 c), d), e) tworzą typowo wykorzystywaną aplikację.
Fototranzystory w układzie wtórnika emiterowego, przedstawiono na rys.3.22
Rys.3.22. Fototranzystor w układzie wtórnika emiterowego [11]
Rezystancja podłączona do emitera została dobierana w taki sposób aby układ
był jak najbardizej czuły na zmiany natęŜenia światła i zarazem aby kształt sygnału
wyjściowego jak najbardziej nadawał się do dalszego uŜycia. W konfiguracji tej
pojawienie się światła na elemencie jest równoznaczne ze wzrostem sygnału w miejscu
Vout.
Aby wzmocnić sygnał na wyjściu fototranzystora, dodano go do wzmacniacza
nieodwracającego, patrz rys.3.23. Wzmocnienie tego układu wyznaczają rezystory R2 i
R1. 1
21
R
RRUwy
+= . W przypadku zaprojektowanego odbiornika ustalono je na
wartościach R2=10MΩ i R1=1MΩ
Rys.3.23. Schemat wzmacniacza nieodwracaj
Fototranzystory uŜyte w projekcie
Tabela 3.12. Opis fototranzystorów
Typ BPW85C BPW17 L-53P3C
Większość elementów w przypadku odbiornika podczerwieni
panelu obudowy. Połączenie i
Rys.3.24. S
Rys.3.23. Schemat wzmacniacza nieodwracającego
yte w projekcie omówiono w tabeli 3.12.
fototranzystorów uŜytych w stanowisku laboratoryjnym
Długość fali Kąt odbioru Max. Napięcie 950nm 50˚ 32V
780nm 24 32V 940nm 30 30V
elementów w przypadku odbiornika podczerwieni zamontowwano na
czenie i ideowy schemat przedstawiono na rysunku rys.3
Schemat ideowy odbiornika podczerwieni – panel
zamontowwano na
przedstawiono na rysunku rys.3.24.
panel
W uŜądzeniu uŜyto tak jak w przypadku nadajnika podczerwieni układ
woltomierza z wyświetlaczem LCD, który został
on na celu informować uŜytkownika na
tranzystora Uce
Tabela 3.13. Elementy uŜyte do budowy odbiornika podczerwieni
OdbiornikNumer elementu
R2 P2,P3,P4,P7,P8,P10,P11
P5,P6
3.3. Obwody drukowane i monta
Obwody drukowane zostały wykonane jednostronnie przy pomocy wersji próbnej
programu Altium Designer. Wersja ta posiada wi
ograniczeniem jest ograniczony czas u
uŜytych komponentów. Obwody drukowane zostały wykonane metod
Metoda ta jest tania w uŜyciu i w porównaniu z czasem wykonania ma du
dokładność. Na rysunkach
Rys.3.25. Płyt
yto tak jak w przypadku nadajnika podczerwieni układ
wietlaczem LCD, który został dokładnie opisany w części 3.1.
ytkownika na jakim poziomie jest napięcie kolektor-emiter
yte do budowy odbiornika podczerwieni
dbiornik podczerwieni Wartość/Nazwa Numer elementu
56Ω Q1,Q2 Gniazdo 2 pinowe J2
Gniazdo 3 pinowe
Obwody drukowane i montaŜ elementów
Obwody drukowane zostały wykonane jednostronnie przy pomocy wersji próbnej
programu Altium Designer. Wersja ta posiada większość funkcji, a jedynym
raniczony czas uŜytkowania. Biblioteka zawierała wię
ytych komponentów. Obwody drukowane zostały wykonane metodą termo transferu
yciu i w porównaniu z czasem wykonania ma duŜą
Płytka druku – nadajnik podczerwieni
3.1. Ma
emiter
Obwody drukowane zostały wykonane jednostronnie przy pomocy wersji próbnej
jedynym
ytkowania. Biblioteka zawierała większość
termo transferu.
yciu i w porównaniu z czasem wykonania ma duŜą dość
Rys.3.26
Rys.3.2
Wszystkie płytki drukowane projektowane były dla elementów
przewlekłego, poniewaŜ takie były dost
wyświetlacza uŜyto złącz ekspresowych maj
wymiany elementu bez zbę
6. Płytka druku – woltomierz z wyświetlaczem
.3.27. Płytka druku - odbiornik podczerwieni
Wszystkie płytki drukowane projektowane były dla elementów
Ŝ takie były dostępne. W przypadku układów scalonych i
ącz ekspresowych mających na celu ułatwienie ewentualnej
wymiany elementu bez zbędnego naraŜania ścieŜek na uszkodzenie. W miejscu ł
Wszystkie płytki drukowane projektowane były dla elementów do montaŜu
przypadku układów scalonych i
cych na celu ułatwienie ewentualnej
ek na uszkodzenie. W miejscu łączeń
72
elementów z panelu równieŜ zastosowano złącza ekspresowe, dzięki temu demontaŜ i
wewnętrzne zmiany są szybsze. Płytki odbiornika i nadajnika przykręcone są do dolnej
obudowy, natomiast układ woltomierza z wyświetlaczem został przytwierdzony klejem
montowanym na ciepło co zapewnia stabilność jego montaŜu oraz moŜliwość jego
wyjęcia. Wszystkie przełączniki, złącza BNC oraz potencjometry są elementami do
montaŜu na panel, więc komunikację pomiędzy płytką drukowaną rozwiązano
przewodami.
Rys. 3.28. Wygląd końcowy stacji nadawczej i odbiorczej
73
4. Badania układów
W pracy zostały zaprojektowane dwa urządzenia, mianowicie nadajnik i
odbiornik, które tworzą bezprzewodowe łącze optyczne w zakresie podczerwieni.
Nadajnik zawiera cztery diody nadawcze o róŜnym natęŜeniu promieniowania i róŜnych
długościach fal. Odbiornik posiada 12 fotoelementów w skład, których wchodzi 5
fotomodułów, 4 fotodiody oraz 3 fototranzystory. W rozdziale tym zawarte są pomiary
najwaŜniejszych parametrów zaprojektowanego łącza optycznego oraz wnioski z
otrzymanych wyników. Do przeprowadzenia badań uŜyto cyfrowego oscyloskopu
Tektronix TDS 220 w konfiguracji przedstawionej na rysunku 4.1.
Rys.4.1. Schemat pomiarowy
Kanał pierwszy oscyloskopu został podłączony do trzeciego złącza BNC w celu
zmierzenia prąd płynącego poprzez rezystor R2. Do ustalenia wartości prądu potrzebna
jest wartość rezystancji, która wynosi 56Ω oraz napięcie na oporniku, regulowane za
pomocą potencjometru POT1. Kanał drugi podłączono do złącza BNC w odbiorniku
podczerwieni.
4.1. Charakterystyki fotomodułów z serii TSOP48XX
Pomiary fotomodułów z serii TSOP48XX przeprowadzono w katedrze
optoelektroniki, w ciemni, w celu uniknięcia oświetlenia zewnętrznego, które moŜe w
duŜym stopniu zafałszować wyniki badanych parametrów. WzdłuŜ pomieszczenia
rozłoŜono metrówkę do pomiaru dystansu między nadajnikiem i odbiornikiem. Diody
nadające oraz badany odbiornik znajdowały się na tej samej wysokości i naprzeciw
74
siebie. Miało to znaczny wpływ na przebieg pomiaru, gdyŜ kaŜde inne połoŜenie
wpływało na wyniki pomiaru. Pierwszym badaniem było sprawdzenie zakresu
częstotliwości modulującej nadawanego sygnału, którą odbiornik jest zdolny odebrać.
Fotomoduł ustawiono na odpowiedniej odległości od źródła sygnału, następnie
zmieniano częstotliwość nośną i sprawdzano, w którym momencie odbiornik nie jest
juŜ w stanie odebrać nadawanej informacji. Prąd płynący przez diody wynosił 2,14mA.
Wyniki pomiarów przedstawiono w formie wykresów. W ten sposób przebadano
wszystkie fotomoduły.
Rys.4.2. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=950nm
Rys.4.3. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=940nm
Rys.4.4. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=880nm
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4830
1
2
Sta
n Odległość [m]
f [kHz]
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4830
1
2
Sta
n Odległość [m]
f [kHz]
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4830
1
2
Sta
n
Odległość [m]
f [kHz]
75
Rys.4.5. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=850nm
Pierwszym przebadanym odbiornikiem był TSOP4830. Częstotliwość nośna dla
której został on wyprodukowany to 30kHz. Z rysunków rys.4.2.-rys.4.5 widać wielką
róŜnicę zakresu częstotliwości w zaleŜności od dystansu pomiędzy nadajnikiem a
odbiornikiem. W tym wypadku czym silniejszy sygnał dociera do odbiornika tym
częstotliwość modulująca ma mniejszy wpływ na prace układu. Z wykresu 4.2. moŜna
zauwaŜyć, iŜ dioda nadawcza 950nm ma najmniejsze natęŜenie promieniowania i to
właśnie dla niej zakres częstotliwości modulującej jest najwęŜszy. Wartości te,
skupione są wokół 30kHz co jest zgodne z załoŜeniami producenta. Wyniki w
przypadku diod 940 i 850nm mają najszersze pasmo odebranego sygnału przy
odległości równej 2 m. Diody te święcą znacznie mocniej niŜ pozostałe przy wcześniej
wspomnianym prądzie. Sygnał, który dociera jest znacznie silniejszy i dlatego teŜ
przedział częstotliwości mieści się w 5kHz - 40kHz
Następnym fotomodułem jest TSOP4833, dla którego częstotliwość modulująca
sygnał powinna wynosić 33kHz.
Rys.4.6. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=950nm
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4830
1
2Sta
n
Odległość [m]
f [kHz]
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4833
1
2
Sta
n Odległość [m]
f [kHz]
76
Rys.4.7. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=940nm
Rys.4.8. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=8800nm
Rys.4.9. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=850nm
Wyniki przedstawione na rysunkach rys.4.6. - rys.4.9. przedstawiają taką samą
zaleŜność mocy sygnału a zakresu częstotliwości modulującej. Dla sprawdzenia
częstotliwości modulującej dla jakiej został wyprodukowany badany fotomoduł
najlepiej jest spojrzeć na rysunek 4.5. Widać na nim, Ŝe środkową częstotliwością przy
odległości 2m jest właśnie sugerowana 33kHz. Pozostałe diody nie pozwalają na
sprawdzenie tego parametru. Najszerszy zakres częstotliwości modulującej odbieranej
przez TSOP4333 jest w przypadku diody o długości fali λ=850nm. Widać
podobieństwo w przypadku diod λ=940nm i λ=880nm. Przy odległości równej 2 metry
zakresy są niemalŜe identyczne.
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4833
1
2
Sta
n Odległość [m]
f [kHz]
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4833
1
2
Sta
n
Odległość [m]
f [kHz]
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4833
1
2
Sta
n
Odległość [m]
f [kHz]
77
Rys.4.10. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=950nm
Rys.4.11. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=940nm
Rys.4.12. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=880nm
Rys.4.13. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=850nm
Podczas badań modułu TSOP4836 parametr ten sprawdzono dla trzech róŜnych
odległości. Dzięki temu w większym stopniu zauwaŜalny jest wpływ mocy sygnału
dochodzącego do odbiornika na zakres częstotliwości. Na kaŜdym wykresie
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4836
0,5
1
3
f [kHz]
Sta
n
Odległość [m]
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4836
0,5
1
3
f [kHz]
Sta
n
Odległość [m]
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4836
0,5
1
3
f [kHz]
Sta
n
Odległość [m]
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4836
0,5
1
3
f [kHz]
Sta
n
Odległość [m]
78
rys.4.10.-rys.4.13. widać, iŜ częstotliwość nośna powinna wynosić 36kHz. To właśnie
dla niej poprawność i dystans działania łącza podczerwieni jest największa.
Rys.4.14. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=950nm
Rys.4.15. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=940nm
Rys.4.16. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=880nm
Rys.4.17. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=850nm
W przypadku tego fotomodułu nie moŜna stwierdzić jednoznacznie na jaką
nośną został on zaprojektowany. Sygnał dochodzący był zbyt silny, aby zaobserwować
zakres częstotliwości. MoŜna powiedzieć, iŜ czułość kaŜdego fotomodułu jest inna.
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4838
1
2
Sta
n Odległość [m]
f [kHz]
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4838
1
2
f [kHz]
Sta
n
Odległość
[m]
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4838
1
2
Sta
n
Odległość [m]
f [kHz]
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4838
1
2
Sta
n
Odległość [m]
f [kHz]
79
Rys.4.18. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=950nm
Rys.4.19. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=940nm
Rys.4.20. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=880nm
Rys.4.21. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=850nm
W dwóch przypadkach, dla diod λ=940nm i λ=850nm sygnał nośnej nie miał
wpływu na odebranie informacji. Rysunek rys.4.18. pokazuje, Ŝe częstotliwością
modulującą powinna być f0=40kHz
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4840
1
2Sta
n
Odległość [m]
f [kHz]
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4840
1
2
Sta
n
Odległość [m]
f [kHz]
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4840
1
2
Sta
n Odległość [m]
f [kHz]
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4840
1
2
Sta
n Odległość [m]
f [kHz]
80
Następnym badaniem było sprawdzenie wpływu oświetlenia zewnętrznego na
zakres częstotliwości modulującej sygnału nadającego się do odbioru. Odległość
pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem ustalona na 3 metry. Prąd płynący przez diody
wynosił 5,8 mA, Badanie przeprowadzono w ciemni dla trzech wariantów: braku
oświetlenia, pomieszczenie oświetlano lampą z Ŝarówką wolframową oraz oświetlenie
fluorescencyjne. Wyniki przedstawiono na wykresach znajdujących się na rysunkach
rys.4.22.-rys.4.25. Wpływ oświetlenia zewnętrznego przeprowadzono dla jednego
fotomodułu, TSOP4840
Rys.4.22.Wpływ oświetlenia na zakres częstotliwości odebranego sygnału - λ=950nm
Rys.4.23.Wpływ oświetlenia na zakres częstotliwości odebranego sygnału - λ=940nm
Rys.4.24.Wpływ oświetlenia na zakres częstotliwości odebranego sygnału - λ=880nm
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4840
brak
wolframowe
jarzeniówe
Sta
n
oświetlenie
f [kHz]
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4840
brak
wolframowe
jarzeniówe
Sta
n
oświetlenie
f [kHz]
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4840
brak
wolframowe
jarzeniówe
Sta
n
oświetlenie
f [kHz]
81
Rys.4.25.Wpływ oświetlenia na zakres częstotliwości odebranego sygnału - λ=850nm
Z wyników badań widać, iŜ światło zewnętrzne w duŜym stopniu wpływa na
odbiór sygnału. Światło nadawane z lampy Ŝarowej spowodowało największą róŜnicę w
porównaniu do wyników bez oświetlenia. JednakŜe światło ze świetlówek, równieŜ
wpłynęło na zakres częstotliwości nośnej nadających się do odbioru. Wnioskiem jest, iŜ
wraz ze wzrostem natęŜenia zewnętrznego światła zawierającego fale podczerwieni,
zakres częstotliwość nośnej nadającej się do odbioru się zmniejsza. Dodatkowo moŜna
powiedzieć, iŜ nie wpływa to na poprawność działania odbiornika, gdyŜ częstotliwość
modulująca nadal wynosi 40kHz. Oświetlenie zewnętrzne zmniejsza zasięg
komunikacji łącza podczerwieni.
Następnym etapem jest zbadanie wpływu przeszkód na jakie mogą się napotkać
się fale wysyłane z nadajnika podczerwieni. Na trasie łącza postawiono przyciemnioną
szybę, zwykły kawałek szkła oraz plastikowy kwadrat. Ich grubość nie przekraczała
4mm. Odległość pomiędzy modułami wynosiła 3 metry a prąd płynący przez diody miał
wartość 1,5 mA. Przeszkody stawiano tuŜ przed nadajnikiem prostopadle do diod
nadawczych. Wyniki przedstawiono na rysunkach rys.4.26-rys.4.29.
Rys.4.26.Wpływ przeszkód na zakres częstotliwości odebranego sygnału - λ=950nm
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4840
brak
wolframowe
jarzenióweSta
n
oświetlenie
f [kHz]
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4840
brak
ciemne szkło
szkło
plastik
St
an
przeszkody:
f [kHz]
82
Rys.4.27.Wpływ przeszkód na zakres częstotliwości odebranego sygnału - λ=940nm
Rys.4.28.Wpływ przeszkód na zakres częstotliwości odebranego sygnału - λ=880nm
Rys.4.29.Wpływ przeszkód na zakres częstotliwości odebranego sygnału - λ=850nm
We wszystkich przypadkach największy wpływ na osłabienie sygnału miał
kawałek szkła. Kolejna przezroczysta przeszkoda, która wpłynęła na zwęŜenie zakresu
częstotliwości nośnej nadającej się do odbioru to plastik. Najlepsze wyniki ma
przyciemniane szkło, które prawdopodobnie zatrzymuje najmniejszą ilość fal z zakresu
podczerwieni. Osłony stosowane w urządzeniach wykorzystujących podczerwień
najprawdopodobniej przechodzą badania w celu skonkretyzowania zasięgu, który
zmniejsza się w zaleŜności od uŜytego materiału.
Ostatnim przebadanym parametrem jest maksymalny zasięg łącza. W celu
uzyskania jak największego dystansu pomiędzy stacją nadającą i odbierającą sygnał,
badania przeprowadzono na wąskim korytarzy a urządzenia umieszczono 50 cm od
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4840
brak
ciemne szkło
szkło
plastik
Sta
n
przeszkody:
f [kHz]
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4840
brak
ciemne szkło
szkło
plastik
Sta
n
przeszkody:
f [kHz]
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4840
brak
ciemne szkło
szkło
plastik
Sta
n
przeszkody:
f [kHz]
83
ziemi naprzeciw siebie. Nadajnik nastawiono na wartość maksymalną, gdzie prąd
płynący przez rezystor R2 wyniósł około 28 mA. Uzyskana odległość jaką udało się
uzyskać to 30 metrów. NaleŜy wspomnieć, iŜ badania przebiegały w ciągu dnia, gdzie
wpływ miało światło słoneczne. W przypadku diod λ=940nm i λ=850nm zasięg jest
większy, ograniczeniem wyznaczenia maksymalnego zasięgu w ich przypadku była
długość pomieszczenia.
Rys.4.30. Zasięg maksymalny łącza optycznego zakresu podczerwieni
Dla wszystkich diod nadawczych widoczna jest ustalona częstotliwość nośna
wynosząca 36kHz.
4.2. Charakterystyki fotodiod
W tej części przebadano diody wchodzące w skład odbiornika podczerwieni.
Głównym celem jest sprawdzenie maksymalnego zasięgu łącza, gdy jako fotodetektor
wykorzystywana jest fotodioda. Dodatkowo sprawdzono czułość fotoelementy na daną
długość fal z zakresu podczerwieni.
Rys.4.31. ZaleŜność sygnału na wyjściu fotodiody od jej odległości od nadajnika
0
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
TSOP4836
950
940
880
850
Sta
n
diody:
f [kHz]
0
0,5
1
1,5
2
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
BPV22NF
950
940
880
850
diody:
Odległość [m]
Na
pię
cie
[V
]
84
Rys.4.32. ZaleŜność sygnału na wyjściu fotodiody od jej odległości od nadajnika
Rys.4.33. ZaleŜność sygnału na wyjściu fotodiody od jej odległości od nadajnika
Rys.4.34. ZaleŜność sygnału na wyjściu fotodiody od jej odległości od nadajnika
Diody BPV22NF, SFH203FA i BPW41 charakteryzują się największym
zasięgiem, sięgającym nawet do 3,5 metra. RóŜnicą pomiędzy nimi jest czułość na
róŜne długości fal. W przypadku diody BPW41 najwyŜszy poziom odebranego sygnału
udało się uzyskać przy wysłaniu informacji poprzez diodę λ=950nm. Z danych
0
0,5
1
1,5
2
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
BPW41
950
940
880
850
diody:
Odległość [m]
Na
pię
cie
[V
]
0
0,5
1
1,5
2
0 0,5 1 1,5 2 2,5
HPDB3J-14D
950
940
880
850
diody:
Odległość [m]
Na
pię
cie
[V
]
0
0,5
1
1,5
2
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
SFH203FA
950
940
880
850
diody:
Odległość [m]
Na
pię
cie
[V
]
85
producenta wiemy, iŜ największa czułość fotodiody uzyskuje się dla długości fal
λ=940nm. Na rysunku rys.4.31. widać jednak róŜnicę. Powodem tego moŜe być
niepoprawne ustawienie nadajnika i odbiornika, które powinny znajdować się na tej
samej wysokości. W przypadku róŜnego natęŜenia promieniowania diod nie jest
moŜliwe ustalenie prawidłowo maksymalnej czułości fotodiody. MoŜna ustalić jedynie
najlepsze warunki nadawania dla badanego fotoelementu. NajwyŜszy poziom sygnału
przy detekcji fotodiodą BPV22NF uzyskano dla długości fal λ=880nm. NiemalŜe
liniowy kształt uzyskanych charakterystyk moŜna tłumaczyć zaleŜnością pomiędzy
wartością prądu fotodiody od natęŜenia światła na nią padającego.
Tak jak w przypadku fotomodułów, takŜe zbadano wpływ przeszkód na poziom
sygnału odebranego przez fotodiodę. Cały przebieg pomiaru wyglądał tak jak w dziale
4.1. Odległość pomiędzy modułami wynosiła 0,5m a urządzenia umieszczono na
wprost siebie. Uzyskane wyniki przedstawia wykres na rys.4.35.
Rys.4.35. Wpływ przeszkód na poziom sygnału odbieranego przez fotodiodę
Największa róŜnica poziomu sygnału występuje dla przeszkody z
przyciemnianego szkła. Poziom sygnału przy nadawaniu diodą o długością fali
λ=880nm zmalał o ponad 0,6V. Najlepszy efekt jest widoczny dla plastikowej
przeszkody, dlatego teŜ większość pilotów sprzętu RTV posiada plastikową osłonę.
Następnie przebadano wpływ nieprzezroczystych przeszkód na odbiór sygnału.
W tym przypadku uŜyto kartek papieru o róŜnym kolorze. Wyniki przedstawia rysunek
rys.4.36.
0
0,5
1
1,5
2
840 860 880 900 920 940 960
BPV22NF
brak
szkło
ciemne
szkłoplastik
przeszkoda:
Długość fali [nm]
Na
pię
cie
[V
]
86
Rys.4.36. Wpływ barwy przeszkód na poziom sygnału odbieranego przez fotodiodę
Wpływ tego typu przeszkód nawet o niewielkiej grubości ma bardzo duŜy
wpływ na tłumienie poziomu odebranego sygnału. W tym wypadku kolor nie miał
większego znaczenia. Największą ilość światła roboczego przepuścił papier koloru
Ŝółtego a najgorsze wyniki ma kolor biały. Z wykresu widać fale , które w większym
stopniu są zatrzymywane przez kartki. RóŜnica pomiędzy poziomami moŜe
występować teŜ z róŜnic gramatury, gdyŜ nie wiadomo jakie wartości posiadają
przeszkody.
4.3. Charakterystyki fototranzystorów
W tej części przeprowadzono badania trzech fototranzystorów. Na samym
początku zmierzono maksymalny zasięg oraz zaleŜność napięcia sygnału odebranego od
odległości pomiędzy modułami. Nadajnik nastawiono na maksymalny poziom
nadawania. Pomiary przeprowadzano w ciemni w celu uniknięcia oświetlenia.
Rys.4.37. ZaleŜność sygnału na wyjściu fototranzystora od odległości od nadajnika
0
0,5
1
1,5
2
2,5
840 860 880 900 920 940 960
BPV22NF
brak
biały
czerwony
zółty
papier:
Długość fali [nm]
Na
pię
cie
[V
]
0
2
4
6
8
10
12
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
BPW17
950
940
880
850
diody:
Odległość [m]
Na
pię
cie
[V
]
87
Rys.4.37. ZaleŜność sygnału na wyjściu fototranzystora od odległości od nadajnika
Rys.4.38. ZaleŜność sygnału na wyjściu fototranzystora od odległości od nadajnika
Pierwszym faktem, który róŜni fototranzystory od fotodiod jest ich zasięg
odbioru. W tym przypadku jest on krótszy o ponad połowę drogi. Początkowe wartości
sygnału dla małych odległości ustalają się na poziomie 11,4V. Spowodowane jest to
napięciem zasilania wzmacniacza operacyjnego pracującego jako wzmacniacz
nieodwracający. Jego napięcie zasilania wynosi 12V i dlatego teŜ nie moŜna uzyskać
wyŜszego sygnału. Wzmocnienie układu zostało ustalone tak aby uzyskać jak
największy zasięg a zarazem kształt sygnału odebranego powinien przypominać jak w
największym stopniu nadany. Jeśli chodzi o czułość fototranzystorów, pierwszy BPW17
wykonany na długość fali λ=780nm uzyskał największy sygnał i dystans dla diody
nadawczej λ=850nm, która jest najbliŜsza jego czułości. Pozostałe dwa o maksymalnej
czułości dla fal λ=940 i 950nm wyróŜniają się większym zasięgiem, co spowodowane
jest prawdopodobnie większym wzmocnieniem tych fototranzystorów. Nadawanie
0
2
4
6
8
10
12
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
L-53P3C
950
940
880
850
diody:
Odległość [m]
Na
pię
cie
[V
]
0
2
4
6
8
10
12
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
BPW85C
950
940
880
850
diody:
Odległość [m]
Na
pię
cie
[V
]
88
sygnału dla ich długości fal wpływało na wartości. W przypadku BPW85C maksymalny
poziom sygnału na wyjściu utrzymywał się do 0,5m odległości.
Kolejne pomiary przeprowadzono przy róŜnym oświetleniu pomieszczenia.
Wyniki przedstawiono na wykresach rys.4.39.-rys.4.42.
Rys.4.39. Wpływ oświetlenia zewnętrznego na poziom sygnału odebranego - λ=950nm
Rys.4.40. Wpływ oświetlenia zewnętrznego na poziom sygnału odebranego - λ=940nm
Rys.4.41. Wpływ oświetlenia zewnętrznego na poziom sygnału odebranego - λ=880nm
0
2
4
6
8
10
12
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
BPW85C
brak
jarzeniowe
wolframowe
oświetlenie
:
Odległość [m]
Na
pię
cie
[V
]
0
2
4
6
8
10
12
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
BPW85C
brak
jarzeniowe
wolframowe
oświetlenie
:
Odległość [m]
Na
pię
cie
[V
]
0
2
4
6
8
10
12
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
BPW85C
brak
jarzeniowe
wolframowe
oświetlenie
:
Odległość [m]
Na
pię
cie
[V
]
89
Rys.4.42. Wpływ oświetlenia zewnętrznego na poziom sygnału odebranego - λ=850nm
W przypadku fototranzystorów dodatkowe światło znacznie wpływa na kształt i
poziom sygnału odebranego. śarówka wolframowa wprowadzała znaczne zakłócenia
sygnału. Towarzyszyły mu szumy oraz duŜa składowa stała na poziomie około 8V.
Świetlówki wprowadzały znacznie mniejsze zakłócenia i składową stałą o wartości 2V.
Porównując wyniki bez dodatkowego oświetlenia widzimy logarytmiczny charakter
charakterystyki sygnału od odległości. Związane jest to z charakterystyką wyjściową
fototranzystora.
4.4. Kąt nadawania i odbioru sygnału
W tej części sprawdziliśmy kąty pod jakimi moŜna nadawać bądź odbierać
sygnał za pomocą zaprojektowanego łącza optycznego. Badania przeprowadzono w
ciemni. Badany moduł ustawiono na obrotową tarczę z wyznacznikiem kąta obrotu.
Stacja nadawcza i odbiorcza znajdowała się na tej samej wysokości. Podczas pomiarów
obracano tarczę i sprawdzano kąt, dla którego komunikacja pomiędzy urządzeniami
została przerwana. Diody nadawcze charakteryzują się róŜnymi kątami promieniowania
dlatego teŜ wyniki nie są do identyczne. W celu zobrazowania zakres kątów nadawania
i odbioru sygnału, urządzenia stopniowo od siebie oddalano. Powstałe charakterystyki
przedstawiono na rysunkach rys.4.43 i rys.4.44.
0
2
4
6
8
10
12
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
BPW85C
brak
jarzeniowe
wolframowe
oświetlenie
:
Odległość [m]
Na
pię
cie
[V
]
90
Rys.4.43. Kąt promieniowania diod nadawczych
Niesymetryczny kształt wykresów jest spowodowany meblami znajdującymi się
w pomieszczeniu. Odległość od ścian z lewej i prawej strony była róŜna, więc ilość
odbitego światła wpłynęła na wyniki. Największy kąt promieniowania przypada dla
diod λ=950 i 850nm a podobieństwo charakterystyk przypada pomiędzy diodami λ=940
i 880nm.
Rys.4.44. Kąt odbioru fotomodułu TSOP3836
W przypadku kąta odbioru sygnału przebadano fotomoduł TSOP4836.
Porównując dwa powyŜsze rysunki w tym podrozdziale moŜna stwierdzić, iŜ kąt
odbioru sygnału jest znacznie większy aniŜeli kąt nadawania łącza. Kształt wykresu jest
bardzo niesymetryczny i główny wpływ na to ma pomieszczenie w jakim wykonywany
był pomiar. Najlepszym rozwiązaniem byłoby przeprowadzenie badania w wolnej
przestrzeni, gdzie sygnał nie odbijałby się od ścian i mebli.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35
950nm
940nm
880nm
850nm
kąt [˚]
Od
leg
łość
[m
]diody:
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60
950nm
940nm
880nm
850nm
kąt [˚]
Od
leg
łość
[m
]
diody:
91
5. Wnioski końcowe
Na samym początku, komunikacja pomiędzy urządzeniami odbywała się
poprzez połączenia kablowe. Jednak trudności i ograniczenia jakie są z nimi związane,
w przeciągu kilku ostatnich dekad spowodowały niespotykane zapotrzebowanie na
technologie bezprzewodowe. Zarówno w przemyśle jak i u prywatnych klientów moŜna
zaobserwować wzrost zainteresowania urządzeniami, w których wykorzystuje się
transmisję informacji drogą bezprzewodową. Zmniejszenie kosztów sprzętu technologii
bezprzewodowych i czasu jego instalacji, dokonało przełom w procesie wymiany
informacji.
W pracy przedstawiono i omówiono rozwiązania układów i podzespołów
słuŜących do transmisji sygnałów drogą optyczną bezprzewodową. Na samym początku
wspomniano o propagacji fal elektromagnetycznych, opisano charakter i właściwości
fal optycznych, poczym wskazano na jakie problemy są one naraŜone podczas procesu
komunikacji. W celu lepszego poznania systemu nadawania w bliskiej podczerwieni
omówiono strukturę optycznego toru transmisyjnego. Następnie zaprezentowano
sposoby doboru parametrów toru optycznego i zwrócono uwagę na najwaŜniejsze
cechy, jakie powinien taki tor spełniać. Wspomniano teŜ o sposobach modulacji
informacji oraz o rodzajach i właściwościach łączy optycznych. W dalszej części
przedstawiono konkretne rozwiązania tychŜe modułów. Opisano zasadę ich działania
oraz wymieniono najwaŜniejsze wady i zalety elementów wchodzących w skład
budowy urządzeń. Omówiono teŜ układy najpopularniejszych producentów, słuŜące do
komunikacji w standardzie IrDA, wyszczególniono przykładowe moduły pracujące w
standardach SIR, MIR, FIR, VFIR, jak równieŜ układy ułatwiające zaimplementowanie
tego standardu. Pod sam koniec rozdziału opisano architekturę standardu IrDA i
porównano go z innymi technologiami łączności bezprzewodowej.
W dalszej części pracy przedstawiono opracowanie własnej koncepcji
stanowiska laboratoryjnego, słuŜącego do przebadania wybranych właściwości
podzespołów. Omówiono tu zasadę działania oraz dobór elementów zewnętrznych
niezbędnych do poprawnej pracy stanowiska laboratoryjnego. Zamieszczono teŜ
najwaŜniejsze parametry wykorzystanych nadajników i fotodetektorów. Wspomniano
takŜe o projekcie układów dodatkowych, mianowicie o projekcie woltomierza z
wyświetlaczem LCD oraz o części zasilającej układy scalone. W rozdziale zawarto
92
schematy ideowe oraz druki płytek wykonanych i uŜytych w stanowisku
laboratoryjnym. Szczegółowo opisano wykonanie tychŜe obwodów i zaprezentowano
końcowy wygląd urządzeń.
Podstawowym celem pracy było zaprojektowanie i wykonanie stanowiska
laboratoryjnego do badania systemu bezprzewodowej transmisji sygnałów drogą
optyczną. W tym wypadku wymiana informacji odbyła się w zakresie fal bliskiej
podczerwieni, gdyŜ takie rozwiązanie jest wykorzystywane na co dzień w kaŜdym
domu. Celem pracy było równieŜ ukazanie jak najszerszych moŜliwości i ich
sprawdzenia dla tego pasma oraz przedstawienie wybranych rozwiązań technicznych
wykorzystywanych do bezprzewodowej transmisji danych.
Zaprojektowane stanowisko laboratoryjne po zmontowaniu i uruchomieniu
przetestowano i przebadano. Sprawdzono poprawność komunikacji, jej zasięg oraz kąty
nadawania i odbierania informacji. Przebadano teŜ wpływ róŜnego rodzaju przeszkód
na wcześniej wymienione właściwości łącza optycznego. W dziale tym zawarto
pomiary i wyniki w celu zasugerowania przykładowych badań laboratoryjnych jakie
moŜna wykonać za pomocą zaprojektowanego urządzenia.
Wykonane stanowisko laboratoryjne pozwala na pogłębienie wiedzy dotyczącej
bezprzewodowego przesyłania informacji drogą optyczną z zakresu fal bliskiej
podczerwieni. Pozwala równieŜ zapoznać się szczegółowo z budową, moŜliwościami i
wadami układów, które słuŜą do przesyłania i odbioru tychŜe sygnałów. Wykonanie
stanowiska laboratoryjnego umoŜliwiło zapoznanie się z problemami, na jakie moŜna się
natknąć podczas projektowania takich systemów. Opracowane i wykonane stanowisko
laboratoryjne moŜe być wykorzystane do zajęć dydaktycznych dla studentów kierunku
Elektronika i Telekomunikacja na przedmiotach związanych z bezprzewodową transmisja
danych. Dzięki róŜnym elementom nadającym i odbierającym, które wykorzystano w
projekcie, urządzenie świetnie nadaje się do porównania i poznania najwaŜniejszych
właściwości rozwiązań z dziedziny komunikacji w podczerwieni.