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教學觀摩與經驗分享. ( 光纖通訊實驗室 ). 電子系 許 仕 老師 hsushih@csu.edu.tw. 大綱. 光纖通訊簡介 3K 機器人 感測器之介紹 結語. 光通訊的起源. 鎬京的烽火台 西周時,為了防備西邊犬戎部落的侵擾,政 府在鎬京附近的驪山一帶,修建了許多烽火台。 一旦發現犬戎入侵,士兵就在烽火台上點火或生 煙,召喚諸侯到鎬京抗敵。 烽火戲諸侯 周幽王是西周晚期的暴君,他為了逗寵妃褒 姒一笑,在無戰況時竟派人點燃了烽火台上的烽 火。各路諸侯以為天子有難,急忙率兵至鎬京。 褒姒在城樓上看到諸侯的狼狽相,就放聲大笑。

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Presentation Transcript
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教學觀摩與經驗分享

(光纖通訊實驗室)

電子系 許 仕 老師

hsushih@csu.edu.tw

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大綱
  • 光纖通訊簡介
  • 3K機器人感測器之介紹
  • 結語
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光通訊的起源

鎬京的烽火台

西周時,為了防備西邊犬戎部落的侵擾,政

府在鎬京附近的驪山一帶,修建了許多烽火台。

一旦發現犬戎入侵,士兵就在烽火台上點火或生

煙,召喚諸侯到鎬京抗敵。

烽火戲諸侯

周幽王是西周晚期的暴君,他為了逗寵妃褒

姒一笑,在無戰況時竟派人點燃了烽火台上的烽

火。各路諸侯以為天子有難,急忙率兵至鎬京。

褒姒在城樓上看到諸侯的狼狽相,就放聲大笑。

諸侯知道自己被戲弄,都十分不滿。

西周的滅亡

後來,犬戎入侵鎬京,幽王點燃烽火。諸侯

以為幽王再次戲弄他們,都不理會烽火警報,結

果周幽王被犬戎所殺,西周滅亡。

1

slide4
現代無線光通訊

medium

Transmitter

Receiver

2

slide5

1966年

1972年

1995年

光纖的誕生

玻璃光纖作為介質

波導進行光學

波段通信1000dB/Km

高錕和哈克漢姆

  • 康寧公司(Corning)
  • 20dB/Km

玻璃材料淨化

2009諾貝爾物理學獎得主 (Nobel Prize Winner), 高錕

  • 日本茨城通信研究所
  • 0.2dB/Km

製造技術發展

3

slide6
雷射的誕生

Theodore Maiman in 1960.

4

slide8
電通訊與光纖通訊之差異?

銅線

(電訊號)

<電通訊>

(電訊號)

(電訊號)

[電光轉換器]

[光電轉換器]

<光纖>

(光訊號)

(電訊號)

(電訊號)

<光纖通訊>

6

slide9

Operation

system

Service Node

FTTx

Internet

Fiber to the Home

OLT

FTTH 光纖到家

ONT

FTTP , Fiber-to-the-Premises

Leased

Line

FTTB 光纖到大樓

ONT

Frame/Cell

Relay

Fiber to the Building

Telephone

ONU

NT

FTTC 光纖到路邊

Fiber to the Curb

Twisted Pair

Interactive

video

ONU

NT

FTTCab 光纖到機箱

Fiber to the Cabinet

SNI

FTTx網路示意圖

Optical Network Terminal

Optical Fiber

Optical Network Units

Optical Line Terminal

7

transmitter receiver
光發射機(Transmitter)與光接收機(Receiver)

光發射機(Transmitter,E/O)

電訊號(E)  光訊號(O)

光接收機(Receiver,O/E)

光訊號(O) 電訊號(E)

雙向光纖通訊 : 光發射接收機(Trans-Ceiver)

8

slide11
載具光纖傳輸系統

光發射機

監視器

光纖

光接收機

視訊鏡頭

9

slide12
光纖的傳輸原理

利用”全反射原理”達成光纖傳輸

10

slide13

光纖的製作

預型體

光纖抽絲系統

裸光纖

11

slide14
單模光纖與光纜

單模光纖

光纜

12

slide15
單模與多模光纖結構

纖殼(cladding)

纖核(core)

光纖通訊主流

13

slide16
點石成金

點石成金

石頭

矽晶圓(99.999%)

點石成金

玻璃

光纖(99.999%,SiO2)

14

slide17

SC

FC

Biconic

ST

DIN

D4

E2000

EC/RACE

VFO/DF

HMS-10/A

光纖連接器

15

c 3x10 8 m sec
電磁波頻譜(C=3x108 m/sec)

微波

光纖通訊頻譜 :λ2=1.31μm ,λ3=1.55μm

通訊發展過程 : 無線電波  微波  光纖通訊(紅外線)

16

slide19
電磁波頻譜量測儀器

頻譜分析儀 (SpectrumAnalyzer,SA)

光學頻譜分析儀 (OpticalSpectrumAnalyzer,OSA)

示波器 (Oscilloscope)

時間(Sec)

頻率(Hz)

波長(nm)

低頻

(0~1GHz)

中頻

(0~300GHz)

高頻

(>100000GHz)

光纖通訊波段:λ2=1.31μm=229000GHz

λ3=1.55μm=193500GHz

17

slide20

光纖的通訊波段

光纖通訊波段:λ2=1.31μm

λ3=1.55μm

半導體雷射

18

slide21
光纖通訊的優點 1/2

寬頻寬,資訊容量大

低損失,適合長距離通信

重量輕、體積小,安裝容易,空間利用效率高

無EMI/RFI干擾問題

安全性佳,不易被竊聽

製造光纖用之矽原料豐富

將來升級容易

19

slide22

光纖通訊的優點 2/2

  • Twisted Pair :  200 MHz
  • Coaxial Cable :  2 GHz
  • 3. Optical Fiber :  10000 GHz

由兩根直徑約1mm組成之銅纜線(外層以絕緣材料)包成螺旋狀互絞而成

通訊頻寬

電纜線徑1英吋,內導體直徑2.77mm。

5C電纜線,內導體直徑1.05mm。

10000G : 2G : 200M = 105 : 20 : 2

20

slide23

光纖熔接機

擦拭酒精

光纖切割刀

無棉絮

擦拭棉

光纖剝線鉗

21

slide24

光時域反射儀(OTDR)(Optical Time Domain Reflectmeter)

  • 功能:量測光纖損失參數(dB/km)及光纖斷點量測。
  • 應用:在光纖施工維修中,判斷光纖斷點之位置。

OTDR光譜

測試光纖

22

slide25

臺灣主要長途光纖通信系統示意圖

都會區網路(MAN,Metropolitan Area Network) 。都會光纖網路,主要在都會區( Metro, Metropolitan) 內,連接地方電話公司(ILEC)的中央機房( CO, Central Office) 、長途電話公

司的銜接點(POP) 、ISP 的銜接點(POP)及大企業在都會區的內部連線等互相連接的網路系統。

23

slide30

3K機器人之感測器設計 (與智慧型載具實驗室及機械系-李政男老師合作)

3K產業【(註:日文發音:骯髒(kitanai)、辛苦(kitsui)、危險(kikem)】

目前已設計完成之感測器有:

1.視訊模組.

2.全球衛星導航 (GPS)模組.

3. 超音波感測模組.

4.米輪測距模組.

5.坡度儀感測模組.

6.氣體感測模組.

28

slide34

視訊模組

鏡頭 : 彩色 1/3 英寸 國產 

紅外燈: 36顆 (國產高級LED燈,非一般便宜燈)

水平解析度: 420 線

系統制式: PAL/NTSC  PAL ( H X V ):512X 582   NTSC ( H X V ): 542 X 492

電子快門: PAL= 1/50 - 1/100,000 秒 NTSCL= 1/60 - 1/120,000 秒

最低照度: 0.1Lux (F: 1.2) . 信噪比: > 4dB (自動增益關閉)

伽瑪: 0.45 . 背光補償: 開 / 關 切換

自動增益: 開 / 關 . 自動白平衡: 開 / 關    

鏡頭安裝方式: C/CS . 視頻輸出: 1 Vp-p, 75Ω

電源輸入: DC 12V

視訊鏡頭

AV端子

類比電視棒(USB )模組介紹:

1.採用USB2.0介面,能提供更快傳輸速 度。

2.支援隨插即用及熱插拔功能,更容易安裝使用。

3.支援多種類比訊號輸入端子。

4.提供單張靜態影像擷取功能。

5.提供影像之亮度、對比、色調、飽和度調整功能。

類比電視棒

32

gps g lobal p ositioning s ystem
GPS(Global Positioning System)簡介
  • 美國國防部於1973年為軍事目的而開始發展。
  • GPS系統全名為 Navigation 〈導航〉

Satellite 〈衛星〉

Timing 〈授時〉

And

Ranging 〈測距〉

簡寫成NAVSTAR。

亦稱為 Global Positioning System,簡稱GPS〈全球定位系統〉。

  • GPS可以提供授時、定位及導航的功能。

33

slide36

全球定位系統(GPS)模組

  • GPS:規格
  • 特色:
  • 快速定位及追蹤 10 顆衛星的能力。
  • 晶片內建1920 次/頻率硬體,提高 接收傳送搜尋衛星訊號。
  • 內建WASS/EGNOS解調器。
  • 採用SiRF LP低耗電量晶片。
  • 支援NMEA0183 2.2版本規格輸出。
  • 提供省電模式。
  • 改良式計算理論,提高不良環境下的信號接收能力和定位準確度。

(GPS)接收天線

傳輸模組

(GPS)接收天線及傳輸模組

34

slide37

全球衛星導航 (GPS)

GPS週期 =12小時

GPS軌道高度 =20200km

35

slide38

GPS顯示衛星分佈狀況

日期

台北時間

北緯

東經

有效衛星=藍色

(數值越大,訊號越強)

無效衛星=紅色

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全球衛星導航 (GPS)-衛星高度=20200km

克卜勒行星第三定律(Keplersthirdlaw)

T=12小時=43200秒.r=26600km.(為地球半徑4.16倍)

h=r- 地球半徑(6400km)=20200km.

(h: 地表上空高度)

地球

GPS衛星

37

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同步衛星高度=35900km

克卜勒行星第三定律(Keplersthirdlaw)

T=24小時=86400秒.r=42300km.(為地球半徑6.6倍)

h=r- 地球半徑(6400km)=35900km.

(h: 地表上空高度)

地球

同步衛星

38

slide41

其他國家之衛星導航 系統

  • 中國之北斗衛星導航定位系統,目前已經發射了10顆衛星,於2012年覆蓋亞太地區,2020年擴充為全球衛星導航系統。
  • 歐盟1999年初正式推出「伽利略」計劃,部署新一代定位衛星。該方案由27顆運行衛星和3顆預備衛星組成,可以覆蓋全球,位置精度達幾米,亦可與美國的GPS系統兼容,總投資為35億歐元。目前已經發射三顆實驗衛星,未提供服務。
  • 俄羅斯的GLONASS系統。

39

slide42

超音波感測模組

  • 輕巧短小: 0.870" x 0.785" x 0.645" (2.2 x 2.0 x 1.6 cm), 0.15 oz (4.3 g)
  • 大範圍偵測: 0 – 6.45 m (21.2 ft)
  • 無死角(0到15.24公分顯示15.24公分的距離值)
  • 分辨率為2.5公分((1”)
  • 42 kHz超音波感測器,20 Hz 讀取速率
  • 三種介面(所有同時運行 ) 
  • PWM頻寬調變:147 μs/inch

1.使用電壓:DC5V

2.靜態電流:小於2mA

3.電平輸出:高5V  

4.電平輸出:低0V

5.感應角度:不大於15度

6.探測距離:2cm-450cm

接腳定義

1 VCC:電源 5V

2 TRIG:控制端

3 ECHO:接收端

4 GND:地線

40

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米輪測距模組

米輪機(500脈波/轉)

米輪機表頭

RS232轉USB

RS485轉RS232

PC

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slide44

坡度儀感測模組

本模組有內建之RS232資料傳輸界面,可與電腦串列埠(Serial Port, or COM Port)連接,利用軟體即可進行資料傳輸。

數位水平儀規格:

角度量測範圍…45°

操作溫度………0°C ~ 50°C

解析度…………0.1°

儲存溫度………-10°C ~ 60°C

量測精度………± 0.1°

電源………....…9V DC .

Y+

X -

X+

Y-

坡度儀感測模組

MEMS(Micro Electro Mechanical System)

微電機系統 :定義為一個智慧型微小化的系統,包含感測、處理或致動的功能,此外為兩個或多個電子、機械、光學、化學、生物、磁學或其他性質整合到一個單一或多晶片上。

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結語
  • 光纖通訊是現今有線通訊的主流。
  • 3K【骯髒(kitanai)、辛苦(kitsui)、危險(kikem)】產業,所延伸的機器人,將會是今日及未來值得發展的產業。

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