【導讀】隨著(zhù)工業(yè)和嵌入式計算對通信距離、低功耗和小型配置需求的提高，對通信帶寬也提出了更高的要求。而FPGA等特定使能技術(shù)以及收發(fā)器、連接器和接收器的進(jìn)步也為光通信技術(shù)的快速發(fā)展提供了支持。
隨著(zhù)工業(yè)和嵌入式計算對通信距離、低功耗和小型配置需求的提高，對通信帶寬也提出了更高的要求。而FPGA等特定使能技術(shù)以及收發(fā)器、連接器和接收器的進(jìn)步也為光通信技術(shù)的快速發(fā)展提供了支持。
圖1：帶終端的光纖電纜
一般來(lái)說(shuō)，光通信包括一個(gè)將信息編碼成光信號的發(fā)射器、一個(gè)將信號傳輸到目的地的通道和一個(gè)從光信號中復制信息的接收器。光通信速度在很大程度上取決于信息信號與光纖分子相互作用所產(chǎn)生的失真度。傳輸速度越快，信號就越容易失真。當失真較大時(shí)，接收端就會(huì )出現檢測錯誤。
不同于射頻通信固有的局限性，如今的光解決方案可以在更高的帶寬下運行，并通過(guò)比射頻更小、更輕、功耗更低的封裝來(lái)傳輸更多的數據，同時(shí)還可以在未受到管制的頻譜內運行。
提高帶寬對于工業(yè)和嵌入式環(huán)境來(lái)說(shuō)非常重要，而光纖能夠傳輸非常高的帶寬信號，甚至達到數GHz，較低的帶寬信號還可以復用到同一根電纜上進(jìn)行傳輸。光纖本身就具有較強的抗噪能力，而以前的工業(yè)用電纜需要安裝在導管保護套中。此外，在有爆炸危險的環(huán)境中，光纖鏈路不會(huì )儲存足以引發(fā)爆炸的能量。
工業(yè)和嵌入式應用都需要提高安全性，而光通信在這方面則有其特有的優(yōu)勢。由于光纖不會(huì )產(chǎn)生外部傳感器可以捕捉到的電磁干擾場(chǎng)，因此與傳統銅纜相比，幾乎不可能通過(guò)拼接光纖來(lái)“竊取”信號。
滿(mǎn)足工業(yè)和嵌入式計算需求
雖然最初在電信和廣域網(wǎng)中使用了很多年，但光纖在工業(yè)數據通信系統中也得到了普遍的應用。隨著(zhù)高數據傳輸速率能力、噪聲抑制和電氣隔離需求變得越來(lái)越重要，光纖技術(shù)在工業(yè)系統中的應用也愈發(fā)廣泛。在這一領(lǐng)域，最常用的是點(diǎn)對點(diǎn)連接，因此光纖鏈路被用來(lái)擴展RS-232、RS-422/485和以太網(wǎng)系統的距離限制。
堅固耐用的嵌入式計算系統也需要高數據速率的輸入/輸出，而光纖正好可以滿(mǎn)足這些需求。輸入/輸出可以是連接兩個(gè)插入式模塊的較短鏈路，也可以是較長(cháng)的鏈路。在眾多數據密集型應用中，光計算的優(yōu)勢發(fā)揮了巨大的作用。
在嵌入式和工業(yè)高速應用中，收發(fā)器可減少所需組件數、加快設計速度并節省成本。例如，Avago AFBR-59FxZ緊湊型650nm收發(fā)器可通過(guò)2.2mm護套的標準塑料光纖 (POF)，實(shí)現快速以太網(wǎng) (100Mbps) 通信。
AFBR-59FxZ收發(fā)器可用于工廠(chǎng)自動(dòng)化、工業(yè)視覺(jué)系統以及發(fā)電和配電系統。此收發(fā)器采用650nm LED，由完全集成的驅動(dòng)器IC驅動(dòng)。該IC是一個(gè)具有差分輸入信號的線(xiàn)性集成LED驅動(dòng)器，可將輸入電壓轉換為L(cháng)ED的輸出電流，工作電壓為3.3V。
而Finisar的FTLX1x72x3BCL可插拔多速率SFP+收發(fā)器符合SFF-8431、SFF-8432和10GBASE-ER標準，支持10G SONET、SDH、OTN、IEEE 802.3ae、40k鏈路的8x/10x光纖通道和6.144G/9.83 CPRI。此系列收發(fā)器用于高達40km的G.652單模光纖的萬(wàn)兆多速率鏈路。
與1310nm 10GBASE-LR和OC-192 SR-1收發(fā)器相比，Finisar FTLX1772M3BCL收發(fā)器還具有更高的光發(fā)射功率和更好的接收器靈敏度，并支持17dB的光鏈路預算，以補償40km G.652單模光纖在1310nm波長(cháng)下較高的光纖衰減損耗。
在該解決方案中，根據SFF-8472的規定，可通過(guò)2線(xiàn)串行接口提供數字診斷功能。FTLX1772M3BCL收發(fā)器采用內部發(fā)射器和接收器重定時(shí)器IC，以滿(mǎn)足SONET/SDH抖動(dòng)的要求，并能增強主機卡的信號完整性。其應用包括10GBASE-ER/EW和10G光纖通道（FTLX1672D3BCL）、OTN G.709 OTU1e/2/2e FEC比特率、6.144G/9.83G CPRI、8.5Gb/s光纖通道、10G NRZ SONET、SDH、10G以太網(wǎng)和光纖通道以及G.709 OTN FEC比特率。
集成FPGA
為滿(mǎn)足降低功耗和電信號路徑長(cháng)度的要求，可集成高速光收發(fā)器與可編程器件，進(jìn)而大大縮短從芯片I/O焊盤(pán)到光收發(fā)器輸入端的信號路徑。 縮短路徑還能降低電磁干擾（EMI）和抖動(dòng)，提高信號完整性，減少寄生元件造成的數據誤差。
Altera的光學(xué)FPGA技術(shù)突破了近年來(lái)在傳輸距離、功耗、端口密度、成本和電路板復雜性方面的限制。例如，該公司的Arria V GX 13688 LABs 704 IO系列便是一款綜合型中端FPGA產(chǎn)品。Arria V器件非常適合于功耗敏感型無(wú)線(xiàn)基礎設施設備、20G/50G橋接、交換及數據包處理應用、高清視頻處理和圖像處理、密集型數字信號處理（DSP）應用。它采用臺積電28納米工藝技術(shù)和硬知識產(chǎn)權 (IP) 模塊，功耗比前幾代產(chǎn)品低50%，是所有中端系列中功耗最低的收發(fā)器。
該系列在單個(gè)Arria V片上系統 (SoC) 中緊密集成了雙核ARM Cortex-A9 MPCore處理器、硬IP和FPGA。它支持超過(guò)128 Gbps的峰值帶寬，并能保持處理器和FPGA架構之間集成數據的一致性。
而Altera的28-nm Stratix V FPGA包括增強型內核架構、高達28.05Gbps的集成收發(fā)器和獨特的集成硬知識產(chǎn)權 (IP) 塊陣列等創(chuàng )新技術(shù)。這種組合使Stratix V FPGA能夠提供一類(lèi)應用特定的新型器件，這些器件針對帶寬密集型的應用和協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化，包括PCI Express（PCIe）Gen3、40G/100G及以上的數據密集型應用，以及高性能、高精度數字信號處理 (DSP) 應用。
接收器
只要接收端能提供足夠的信號電平，光纖系統便可產(chǎn)生極低的比特誤碼率 (BER)，而且由于光纖不會(huì )受到電磁干擾 (EMI)，因此相鄰電纜上的信號不會(huì )耦合在一起。Avago Technologies的AFBR-25x1CZ光纖接收器由集成光電二極管的IC組成，可產(chǎn)生與TTL邏輯系列兼容的輸出。在與Avago的AFBR-15x9Z或AFBR-16x9Z發(fā)射器配合使用時(shí)，可支持從DC到5MBd的任何類(lèi)型信號，使用1mm 0.5NA POF時(shí)傳輸距離可達50米，使用200μm 0.37NA PCS時(shí)傳輸距離可達500米。該接收器有4個(gè)引腳，采用Versatile Link外殼。Versatile Link器件可以互連，從而極大地節省了空間，并能與全雙工連接器建立雙通道連接。
圖2：Avago AFBR-25x1CZ光纖接收器推薦應用電路 （圖源：數據手冊）
Avago AFBR-25x1CZ光纖接收器可應用于5MBd及以下系統的光接收器、工業(yè)控制和工廠(chǎng)自動(dòng)化、RS-232和RS-485擴展、高壓隔離、消除接地回路，以及降低電壓瞬變敏感度。
連接器
過(guò)去，光纖鏈路的端接需要耗費大量的人力，包括切割光纖、用環(huán)氧樹(shù)脂澆注專(zhuān)用連接器，以及拋光光纖末端。這些操作需要特定的工具和測試設備，方能確保良好的連接。這種技術(shù)至今仍然占據著(zhù)一定的市場(chǎng)份額，且用于切割、對齊和連接光纖的設備已得到改進(jìn)和簡(jiǎn)化。此外，連接還會(huì )產(chǎn)生損耗，具體因連接類(lèi)型而異，但通常在0.2dB至1dB之間。
例如，TE Connectivity (TE) 加固型光學(xué)背板互連系統提供背板/子板結構的高密度盲插光學(xué)互連。TE還提供了采用插座（背板）和配接插頭（子卡）連接器的光學(xué)系統，該系統最多可連接兩個(gè)MT套管，每個(gè)套管可容納多達24條光纖路徑， 其典型應用包括需要光學(xué)基礎設施的惡劣環(huán)境和高帶寬計算應用。這些連接器支持VITA 66.1標準，可最大限度地提高光學(xué)性能。
突破其他障礙
然而，光通信并非沒(méi)有挑戰。以光纖為例，當功率超過(guò)臨界值時(shí)，額外增加的功率會(huì )對光纜中傳輸的信息造成不可挽回的篡改。
加州大學(xué)圣地亞哥分校的光子學(xué)研究人員聲稱(chēng)，他們已經(jīng)突破了限制光纖傳輸距離的關(guān)鍵障礙，使得信息在遠距離傳輸時(shí)仍能被接收器準確破譯。他們提高了光信號通過(guò)光纖傳輸的最大功率，從而提高了傳輸距離，這項研究成果發(fā)表在2015年6月26日出版的《科學(xué)》雜志上。
在實(shí)驗室環(huán)境中，研究人員利用標準放大器，在不使用中繼器的情況下，成功破譯了通過(guò)光纜傳輸的信息，傳輸距離突破12,000公里（近7500英里）。這一突破消除了功率限制，擴大了信號在不使用中繼器的情況下通過(guò)光纖傳輸的距離。在處理80到200個(gè)信道時(shí)，取消周期性電子再生可節省大量成本，并提高信息傳輸效率。
這一突破性技術(shù)利用寬帶“頻率梳”，來(lái)確保通過(guò)光纖長(cháng)距離傳輸的捆綁信息流之間的信號失真或串擾是可預測的，最重要的是，在接收端是可逆的。頻率梳可以防止隨機失真，因為隨機失真會(huì )導致接收端無(wú)法重新組合原始內容。
展望未來(lái)
近來(lái)光通信技術(shù)的進(jìn)步主要體現在提高單個(gè)波長(cháng)信道的帶寬和每條光纖傳輸的波長(cháng)數量上。未來(lái)將集中于支持各種新興應用，即以靈活、低功耗和高成本效益的方式提供實(shí)時(shí)、按需和高數據速率功能。
雖然光通信仍面臨著(zhù)一些其他挑戰， 如帶寬擴展、傳輸距離、功率和集成方面的問(wèn)題。但隨著(zhù)工業(yè)和嵌入式領(lǐng)域對通信性能、安全性和價(jià)格需求的不斷提高，光學(xué)技術(shù)將繼續提供合適的解決方案。
（作者: Carolyn Mathas）
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
用基于IP的通用協(xié)議實(shí)現智能家居物聯(lián)網(wǎng)通信大一統
利用經(jīng)過(guò)認證的 LoRaWAN 模塊加速遠距離連接的開(kāi)發(fā)
