414

การทดลองท 27 การรบ-สงสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1310 nm

27.1. วตถประสงคในการทดลอง 1. เพอความเขาใจคณสมบตของเสนใยน าแสง (Optical fibers) ทความยาวคลน 1310 nm 2. เพอความเขาใจหลกการท างานของวงจรภาคสงสญญาณเสนใยน าแสง (Optical fibers transmitter circuit) ทความยาวคลน 1310 nm 3. เพ อ ศกษาการออกแบบและสร างตวส งสญ ญาณ เสน ใยน าแสง (Optical fibers transmitter) ทความยาวคลน 1310 nm 4. เพอศกษาหลกการวดและปรบแตงตวสงสญญาณเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1310 nm 27.2. หลกการและทฤษฎทเกยวของ

ระบบสงสญญาณเสนใยน าแสง

การสอสารมองคประกอบหลก คอ ผสง (Sender) ตวกลาง (media) และผรบ (Receiver) โดยรปแบบของตวกลางแบงไดเปน 2 แบบ คอแบบไรสายและแบบมสาย ระบบการสอสารดวยเสนใยน าแสง เปนการสงสญญาณแสงผานสายเคเบลหรอเสนใยน าแสง โดยทตวสงจะสรางขอความ (Message) หรอสญญาณ ซงอาจเปนขอมล สญญาณความถ หรอขนาดแรงดน เพอสงผานตวกลาง ไปยงตวรบ โครงสรางระบบสงสญญาณเสนใยน าแสง ดงรปท 1 และ 2 โดยสวนการสงสญญาณเสนใยน าแสง ประกอบดวย ตวมอดเลเตอร (modulator) ไดรเวอร (driver) และตวแปลง E/O (E/O converter) และสวนการรบสญญาณประกอบดวย ตวดมอดเลเตอร (demodulator) ตวตรวจจบสญญาณแสง (optical detector) และวงจรขยายสญญาณ (Amplifier) ซงชองทางขอมลหรอสายน าสญญาณ คอ เสนใยน าแสง

Transmitter Data Channel Receiver

รปท 1 โครงสรางพนฐานของระบบสอสาร

415

รปท 2 โครงสรางระบบสอสารขอมลดวยเสนใยน าแสง

สญญาณเรมตนโดยทวไปนนอาจจะเปนคลนเสยง สญญาณภาพ ซงสญญาณขอมลตาง ๆ เหลานไมสามารถสงผานเสนใยน าแสงไดโดยตรง ตองท าการแปลงสญญาณเปนระดบความเขมของแสง เพอใชในการสงผานเสนใยน าแสง การควบคมระดบความเขมของแสงจากแหลงก าเนดแสง (Light emitter) มวธอยางงายโดยการควบคมกระแสทไหลผาน ทเปนไปตามกฎของโอหม (Ohm’s

law) คอ R

VI หรออาจกลาวได วา หนาทหลกทรานสดวเซอร กคอ แปลงสญญาณท ไม ใช

สญญาณไฟฟาเปนใหสญญาณไฟฟา เชน ไมโครโพน ทแปลงสญญาณเสยงเปนสญญาณไฟฟา หรอกลองถายวดโอ ทเปลงสญญาณภาพและเสยงเปนสญญาณไฟฟาเชนกน

1. มอดเลเตอร/คอนเวอรเตอร (Modulator / Convert or)

หนาทหลกของมอดเลเตอร/คอนเวอรเตอร คอ แปลงสญญาณไฟฟารปแบบตาง ๆ สงเขาสเสนใยน าแสง เพอสงขอมลอยางมประสทธภาพ ถาสญญาณมการเปลยนแปลงอยางชา ๆ และขนาดทเปลยนมคานอย ซงอาจเปนผลเนองจากการเปลยนแปลงอณหภม ซงสงผลตอการแปลงสญญาณ ท าใหเกดความผดพลาดในการสงผานขอมล อกทงระยะทางในการสงและรบขอมลยงสงผลตอสญญาณทตวรบดวย เงอนไขตาง ๆ น ตางกมผลรบกวนในทางปฏบต ดงนนมอดเลเตอร/ คอนเวอรเตอร จงตองมสวนปองกนปรากฏการณนดวย

2. ไดรเวอร (Driver)

หนาทหลกของไดรเวอร คอ ท าใหแหลงก าเนดแสงสามารถสงแสงออกมาสอดคลองกบแรงดนสญญาณไฟฟาไดอยางถกตอง ระดบความสวางของแสงทสงออกมาจะขนกบกระแส ถากระแสม

416

ประมาณนอยหรอไมพอตอการท าใหแหลงก าเนดแสงท างาน ไดรเวอรจะท าหนาทเพมกระแสนน การใชไดรเวอรทมสมบตดจะท าใหแสงทไดมความถกตองและควบคมได

3. ตวประมวลผลสญญาณ (Signal Processors)

ตวประมวลผลสญญาณ ท าหนาทในการกล าสญญาณหรอแปลงสญญาณทไดรบ เพอใหไดขอความเรมตน โดยตวประมวลผลสญญาณแบงออกเปนสวนยอย 4 วงจร ไดแก 1.วงจรสญญาณออสซ ล เล เตอร (Signal amplitude oscillator) 2.วงจรแปลงขวแรงดน (Voltage polarity transformers) 3.วงจรกรองสญญาณรบกวน (Noise filtering circuits) 4.วงจรภาครบสญญาณ/แปลงสญญาณกลบ (Signal demodulators/reverting circuits) โดยวงจรทมการใชมาก คอ วงจรภาครบสญญาณ/แปลงสญญาณกลบ และวงจรสญญาณออสซลเลเตอร สวนวงจรอน ๆ จะมการใชงานขนกบสถานการณและความตองการของระบบ วงจรสญญาณก าเนดสญญาณ ท าหนาทสราง (Oscillating) สญญาณ สวนวงจรแปลงขวแรงดนท าหนาท ในการแปลงสญญาณทมสองขว (Bipolarity) ใหเปนสญญาณทมขวเดยว (Single-polarity) หรอแปลงระดบแรงดนระหวางสญญาณ เชน แรงดนขาเขา 12 V เปน 5 V ในสวนของวงจรกรองสญญาณรบกวน ท าหนาทในการก าจดสญญาณรบกวน และวงจรภาครบสญญาณ/แปลงสญญาณกลบ ท าหนาทในการแปลงอนพตและแปลงกลบสญญาณขาออกเปนสญญาณขอมล

4. การรบ – สงสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1310 nm

โครงสรางระบบรบ – สงสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1310 nm มสมบตขององคประกอบตาง ๆ เปนดงน 4.1 ตวสงสญญาณ โครงสรางวงจรสงสญญาณเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1310 nm แสดงดงรปท 3 โดยม NAND U1 เปนบฟเฟอร และเพมความสามารถในทกระจายตามความยาวสญญาณ (fan out) นอกจานนยงท าหนาทในการแปลงขนาดสญญาณทมขนาดเลก ตวตานทาน R1 เปนตวตานทานเพมคา ทชวยลดผลกระทบเนองจากโหลด สวนตวตานทาน R2 และ R3 เปนตวตานทานควบคมกระแส เพอปองกนไมใหไอซไหม เมอแรงดนขาออกท U1:B และ U1:C มคานอย (0V) ซงท าใหเกดกระแสประมาณมากไหลผานไอซ สวนวงจรกรองสญญาณความถต าผานใชตวตานทาน R4 และตวเกบประจ C1 เพอก าจดสญญาณรบกวน สวนตวตานทาน C3 เปนตวเกบประจ Speed-up ทชวยลดชวงเวลา Interacting ระหวางทงสองดานของตวตานทาน R5 สวนตวตานทาน R6 และตวตานทานปรบคาได VR1 ท าหนาทควบคมการไบแอส LED ซงความสวางของ LED ดวยตวตานทานปรบคาได VR1

417

รปท 3 วงจรตวสงสญญาณเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1310 nm

4.2 ตวรบสญญาณ

โครงสรางวงจรรบและประมวลผลสญญาณเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1310 nm แสดงดงรปท 4

รปท 4 วงจรตวรบสญญาณเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1310 nm

สญญาณดจทลทไดรบมกจะมขนาดเลกและมสญญาณรบกวนมาก จงตองน าไอซขยายขนาดสญญาณ (amplifier magnitude) ทผลตโดยบรษทโมโตโรลา เบอร MC10116 มาประยกตใชงาน ซงการขยายขนาดสญญาณจะมขนาด CMRR (Common Mode Reject Ration) มาก และเหมาะกบการสอสารทระยะทางใกลๆ วงจรดงรปท 4 ประกอบดวยวงจรขยายสญญาณ 3 วงจร ท าใหไดสญญาณขนาดใหญ และก าจดสญญาณรบกวนออก โดยทรานซสเตอร Q1 และ Q2 ท าหนาทขยายขนาดสญญาณ ท าใหไดขนาดสญญาณขาออกจาก MC10116 มขนาดทเหมาะสม ในระดบสญญาณ TTL โดยใชสมบตของการ conducting (on) และ cutting (off) ของทรานซสเตอร เสมอนกบใช

418

ทรานซสเตอร Q1 และ Q2 เปนสวตซ นนเอง เมอสญญาณขาออกฝงตรงขามของ U1:C มสถานะ High (5V) ทรานซสเตอร Q2 จะท างานในแบบ cutting (off) ท าใหสญญาณขาออกท Data O/P มสถานะ Low (0V) ในท านองกลบกนถาสญญาณขาออกฝงตรงขามของ U1:C มสถานะ Low (0V) ทรานซสเตอร Q2 จะท างานในแบบ conducting (on) ท าใหสญญาณขาออกท Data O/P มสถานะ High (5V) ทงนการปรบขนาดแอมปลจดของสญญาณขาออกท าไดโดยปรบตวตานทาน R14 เมอตวตานทานมคามาก ขนาดแอมปลจดของสญญาณกจะมาก ถาตวตานทาน R14 มขนาดมากเกนกจะสงผลตอขนาดแอมปลจดสญญาณขาออกเชนกน เพราะทรานซสเตอร Q2 อยในสภาวะ Cut แรงดนท Data O/P มผลท าใหเกดกระแสไหลผานตวตานทาน R14 ลงกราวน โดยทถาตวตานทาน R14 มขนาดมาก ชวงเวลา releasing time จะเพมขน ท าใหเกดแรงดนตกครอมทตกลง เปนผลใหสญญาณผดรปไป

27.3. อปกรณการทดลอง 1. ชดทดลอง ETEX (Optical Fibers Communication) 2. Oscilloscope แบบสองแชนแนล 3. ดจทลมลตมเตอร 4. DC Power Supply 5. สายตอวงจร

27.4. ขนตอนการทดลอง

การทดลองท 1 วงจรสงสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1310nm

1. จากวงจรตวสงสญญาณเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1310 nm แสดงในรปท 3 หรอ OFS1-1 ในโมดล ETEK OFS-9500-01

2. ปอนสญญาณ TTL ดวยแอมปลจด 5 โวลต Duty cycle 50% และความถ10 kHz ทชองสญญาณดจทลขาเขา (Data I/P) ใชออสซลโลสโคปวดสญญาณทจด TP1 และ TP2 และจด TP4 พรอมท าการปรบตวตานทานปรบคาได VR1 เพอใหสญญาณขาออกจาก TP4 มคามากสดโดยไมผดรป สงเกตและบนทกผลในตารางท 1

3. ปรบอนพตตามตารางท 2 และท าการทดลองซ าตามขนตอนท 2 โดยสงเกตและบนทกผลทไดในตารางท 2

419

การทดลองท 2 วงจรรบสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1310 nm

1. จากวงจรตวรบสญญาณเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1310 nm แสดงในรปท 4 หรอ OFS2-1 ในโมดล ETEK OFS-9500-02 และวงจรตวสงสญญาณเสนใยน าแสง ทความยาวคลน 1310 nm แสดงในรปท 3 หรอ OFS1-1 ในโมดล ETEK OFS-9500-01

2. ปอนสญญาณ TTL ดวยแอมปลจด 5 โวลต Duty cycle 50% และความถ 10 kHz ทชองสญญาณดจทลขาเขา (Data I/P) ของ OFS1-1 และ OFS-02

3. ใชออสซลโลสโคปสงเกตสญญาณ ทอนพตของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1310 nm (TP4) ของ OFS1-1 และปรบคาตวตานทาน VR1 เพอใหสญญาณขาออกจาก TP4 ทมคามากสดโดยไมผดรป ท าการสงเกตและบนทกผลลงในตารางท 3

4. ใชออสซลโลสโคปวดสญญาณทจด TP3 บน OFS2-1 และสงเกตและบนทกผลลงในตารางท 3

5. ใช CH1 และ CH2 ของออสซลโลสโคป วดสญญาณทจด TP1 และ TP2 พรอมกนและบนทกผลลงในตารางท 3

6. ใช CH1 และ CH2 ของออสซลโลสโคปวดสญญาณทจด TP4 และ TP5 พรอมกนและบนทกผลลงในตารางท 3

7. ใช CH1 และ CH2 ของออสซลโลสโคปวดสญญาณทจด TP6 และ TP8 พรอมกนและบนทกผลลงในตารางท 3

8. ใช CH1 และ CH2 ของออสซลโลสโคปวดสญญาณของทรานซสเตอร Q1 (TP7) และทรานซสเตอร Q2 (Data O/P) และบนทกผลลงในตารางท 3

9. ปรบอนพตตามตารางท 4 และท าการทดลองซ าตามขนตอนท 4 – 8 โดยสงเกตและบนทกผลทไดในตารางท 4

420

บนทกผลการทดลองท 1

ตารางท 1 ผลการวดวงจรภาคสงสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1310 nm Input Signal

Frequencies and Amplitudes

Output Signal Waveforms

TTL (50%) 10 kHz

TP1 TP2

TP3 TP4

TTL (50%) 50 kHz

TP1 TP2

TP3 TP4

421

บนทกผลการทดลองท 1

ตารางท 2 ผลการวดวงจรภาคสงสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1310 nm Input Signal

Frequencies and Amplitudes

Output Signal Waveforms

TTL (33%) 10 kHz

TP1 TP2

TP3 TP4

TTL (33%) 50 kHz

TP1 TP2

TP3 TP4

422

บนทกผลการทดลองท 2

ตารางท 3 ผลการวดวงจรภาครบสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1310 nm Input Signal

Frequencies and Amplitudes

Output Signal Waveforms

TTL (50%) 10 KHz

TP4 (OFS1-1) TP3

TP1, TP2 TP4, TP5

TP6, TP8 TP7, Data O/P

423

ตารางท 3 (ตอ) ผลการวดวงจรภาครบสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1310 nm Input Signal

Frequencies and Amplitudes

Output Signal Waveforms

TTL (50%) 50 KHz

TP4 (OFS1-1) TP3

TP1, TP2 TP4, TP5

TP6, TP8 TP7, Data O/P

424

บนทกผลการทดลองท 2

ตารางท 4 ผลการวดวงจรภาครบสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1310 nm Input Signal

Frequencies and Amplitudes

Output Signal Waveforms

TTL (33%) 30 KHz

TP4 (OFS1-1) TP3

TP1, TP2 TP4, TP5

TP6, TP8 TP7, Data O/P

425

ตารางท 4 (ตอ) ผลการวดวงจรภาครบสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1310 nm Input Signal

Frequencies and Amplitudes

Output Signal Waveforms

TTL (33%) 50 KHz

TP4 (OFS1-1) TP3

TP1, TP2 TP4, TP5

TP6, TP8 TP7, Data O/P

426

27.5. สรปผลการทดลอง ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………

27.6. ค าถามทายการทดลอง 1. จงอธบายถงโครงสรางของระบบการรบ-สงสญญาณของเสนใยน าแสงรวมไปถงโครงสรางของวงจร

……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… 2. จากการสงผานสอตางๆ ของผานเสนใยน าแสง สามารถจ าแนกไดกชนด และน าไปประยกตใชกบอะไรไดบาง

……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………

3. หนาทของมอดเลเตอร/คอนเวอรเตอรและไดรเวอร มอะไรบาง

……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………

427

4. ในรปท 1-3 ตวตานทาน R2, R3 และตวเกบประจ C3 ท าหนาทอะไร

……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… 5. จากรปท 1-4 Q1และQ2 ท าหนาทอะไรในวงจร

……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… 27.7. เอกสารอางอง

1. คมอทดลอง Optical Fibers Communication Applications and Measurements, Etek Technology Co, LTD.

2. ปณยวย จามจรกล, ระบบการสอสารผานเสนใยแกว, ส านกพมพแหงจฬาลงกรณมหาวทยาลย, 2550.

3. รศ.ดร.ปรชา ยพาพน, เครอขายใยแกวน าแสง, สมาคมสงเสรมเทคโนโลย (ไทย-ญปน)

4. ผศ.อภนนท มณยานนท, ทฤษฎการสอสารเสนใยแสง, ต าราชดวศวกรรมศาสตร,

สถาบนเทคโนโลยพระจอมเกลาเจาคณทหารลาดกระบง, 2534.

5. พนธศกด ศรทรพย, การสอสารดวยไฟเบอรออพตค, บรษทอเลคทรอนกสเวลส, 2526.

6. Robert J. Hoss, Fiber Optic Communications Design Handbook, Prentice – Hall International Inc., 1990.

7. Keigo Lizuka, Elements of Photonics for Fiber and Integrated Optics, Volume II, A John Wiley & Son Inc., 2002.

8. Gerd Keiser, Optical Fiber Communications, Second Edition, McGraw-Hill, Inc, 1991.

9. Harold B. Killen, Fiber Optic Communications, Prentice Hall, 1991.

10. Stephen B. Alexander, Optical Communication Receiver Design, Institute of Electrical Engineering, London UK, 1997.