Yüksek Frekans ve Uzun Mesafeli POF Tabanlı Veri İletimi Ercan Köse 1, Aydın Mühürcü 2 1 Mersin University/ Tarsus Technology Faculty, Mechatronic Engineering, Turkey; ekose@mersin.edu.tr 2 Sakarya University/ Engin. Fac., Electrical and Electronic Eng., Turkey; amuhurcu@sakarya.edu.tr Özet Bu çalışmada, dijital elektriksel veri işaretleri ışığa dönüştürülerek PMMA akrilik polimer tabanlı plastik optik fiber (POF) hattı üzerinden veri iletişimi gerçekleştirilmiştir. POF, sabit ışık altında dekoratif amaçlı ışıklandırma için üretilmiş plastik ışık iletim hattı olmasına rağmen, tasarladığımız verici ve alıcı elektronik devreleri sayesinde, yüksek frekanslı elektriksel lojik verinin, elektromagnetik ve elektrostatik bozucu iletim ortamı içerisinde bile güvenilir uzun mesafeli iletimi gerçekleştirilmiştir. Bu iletim başarısı sayesinde POF, elektriksel bozuculardan etkilenmeden esnek ve ucuz veri iletim hattı olarak kullanılabileceği önerilmiştir. Kablolu veri iletişim yönteminde, elektriksel bozuculardan kaynaklı karmaşık veri iletişim protokollerine olan ihtiyaç; POF tabanlı veri iletişimi için önemini yitirdiğini uygulamalı olarak gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler: lazer LED, A-sınıfı yükselteç, POF, akrilik polimer, protokolü veri iletişim High-Frequency Logic and Long Distance Data Transmission Based On POF 1. GİRİŞ Abstract This study was focused on the data communication using PMMA acrylic polymerbased plastic optical fiber (POF) along the line. POF that is designed for decorative lighting under constant light plastic light transmission line through our transmitter and receiver electronics circuit design, high-frequency electrical logic data, electromagnetic and reliable long-distance transmission even in electrostatic distorting the transmission medium is realized. Since, POF is not affected by electrical disturbances. It can be used as a flexible and inexpensive data transmission line. The wired data communication method, the need for complex data sourced from electrical disturbances communication protocols; for POF based data communication shown in practice has lost its importance. Keywords: laser LED, A-class amplifiers, POF, acrylic polymers, data communication protocol Işık dalgaları kullanılarak haberleşmenin gerçekleştirilmesi, telefonun mucidi olan Alexander Graham Bell'in ışıkla habeleşmeyi "photophone" geliştirmesine dayanmaktadır. Gerçekleştirdiği deneyde, güneş ışığı dalgaları üzerine ses sinyalini bindirerek 200m ilerdeki parabolik aynaya yansıtılmaktadır. Burada, ışık dalgaları toplanarak tekrar ses sinyaline dönüştürülmektedir [1]. Işık dalgalarıyla iletişim için en önemli çalışmalardan biri Maiman tarafından 1960 yılında ilk lazerin üretilmesiyle gerçekleştirilmiştir 1
Ercan Köse ve Aydın Mühürcü; High-Frequency Logic and Long Distance Data Transmission Based On POF [2]. İlk zamanlarda uygun ışık kaynağı elde edilemediğinden güvenli haberleşme gerçekleştirilemedi. Lazerli ilk modern optik haberleşme deneyleri atmosfer yoluyla gerçekleştirildi. Fakat mikro dalga ve radyo dalga sinyallerinin aksine istenilen mesafeye gönderilemedi. Bunun nedeni dalga boyu uzunluğunun yaklaşık 1µm olması ve bunun atmosfer tarafından bozulup yutulmasıdır. 1964 yılında Goubau ve Christian optik frekanslardaki uzun mesafeli haberleşme için lenslerin kullanılmasını önerdiler [3]. Aynı yıl Berreman gas lensleri önerdi [1]. Her iki öneride uygulama için kullanılabilirdi. Bu konu ile ilgili en önemli çalışmalardan birini Kao ve Hockham 1966'da yayınladı. Yaptıkları çalışmada silica glassa dayalı optik fiberlerin orta mesafe haberleşme iletimi için kullanılabileceğini önerdiler [4]. Fakat bu fiber sistemi yüksek kayıplara sahipti (yaklaşık 1000 db/km). 1970 yılında Kapron, Keck ve Maurer oldukça verimli silica fiberi üretmeyi başardılar [5]. Bu fiberin kaybı 17 db/km ve He-Ne laser dalga uzunluğu 633nm'dir. Bu buluştan sonra teknolojik ilerlemeler hızlanmıştır. 1975 yılından itibaren başlayan bir dizi araştırma sonrasında 0,8 µm dalga boyu civarında işletilen ve GaSa yarı iletken lazer kullanan ilk ticari ışıklifi iletişim cihazı geliştirildi. İlk nesil sistem 10 km ye kadar aralıklı yineleyicilerle 45 Mbit/s değerinde işletildi. 22 Nisan 1977 de, General Telephone and Electronics 6 Mbit/s hızında ilk canlı telefon görüşmesini ışık lifi ile Long Beach, California boyunca gönderdi [6].1985 yılına kadar fiber kaybı < 0.25 db/km'nin altına düşürülmüştür. Yapılan çalışmada dekoratif amaçlı geliştirilen polimer tabanlı plastik optik fiber kabloların iletişim amaçlı kullanılabileceği araştırılmış ve sistemin bu amaç doğrultusunda kullanılabileceği elde edilen sonuçlara göre ortaya çıkmıştır. 2. TASARLANAN SİSTEMİN YAPISI Tasarlanan sistem, polimer tabanlı plastik optik fiber (POF) kablo, PIC18F452 mikrodenetleyici devresi, bakır kablo, osilaskopdan oluşmaktadır. Bakır kablo ve POF tabanlı veri iletişimi için düzenlenmiş olan donanımsal yapı Şekil 1'de verilmiştir. Burada seri veri, PIC18F452 mikrodenetleyici kullanılarak üretilmiştir. Üretilen seri veri, POF ve bakır kablo iletim hatlarına ait donanım ünitelerine ayrı pinler üzerinden aktarılmıştır. Şekil 1: Kablolu ve POF tabanlı veri iletişimi için donanım yapısı POF tabanlı iletişim, elektriksel verinin ışığa dönüştürme, ışık iletimi, ışığın tekrardan elektriksel veriye dönüştürme ve genlik yükseltme olmak üzere 4 farklı işlem ünitesinden meydana gelir. Bu üniteler Şekil 2'de ayrıntılı olarak gösterilmiştir. 1 st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2016), October 26-28, 2016, Adana/Turkey 2
elektriksel lojik veri gerilim ışık POF iletim hattı ışık gerilim A-sınıfı yükselteç Şekil 2: POF tabanlı veri iletiminde kullanılan temel üniteler elektriksel lojik veri 2.1 Kullanılan Veri İletim Elemanları Bu çalışmada elektriksel veri, lazer diyot kullanılarak ışık verisine dönüştürülmüştür, Şekil 3. Şekil 3: CS-5M, lazer veri dönüştürücü. Işık verisi, çapı 1mm olan POF üzerinden iletimi gerçekleştirilmiştir, Şekil 4. Şekil 4: POF tabanlı fiber Alınan ışık verisi, bpw34 foto diyot kullanılarak tekrardan elektriksel veriye dönüştürülmüştür, Şekil 5. Şekil 6: bpw34, ışık algılayıcı diyot POF hattından gelen ışık verisinin gerilim seviyesi, lojik entegreler tarafından algılanamayacak kadar düşüktür. Bu çalışmada lojik '1' seviyesi 5V olarak belirlenmiştir. Gelen elektriksel veri, A-sınıfı 180 evirmeli bir yükselteç kullanılarak gerilim seviyesi algılanabilir lojik seviyesi olan 5V'ta çıkartılmıştır, Şekil 6. 3 1 st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2016), October 26-28, 2016, Adana/Turkey
Ercan Köse ve Aydın Mühürcü; High-Frequency Logic and Long Distance Data Transmission Based On POF Şekil 6: BP34 ve A-sınıfı 180 evirmeli yükselteç devresi Geleneksel kablolu elektriksel veri iletimi için gerekli olan devre elemanları ise bakır kablo, sonlandırma direnci ve ters akım diyotu olmak üzere basit bir donanım yapısına sahiptir, Şekil 7. Şekil 7: Kablolu veri iletiminde kullanılan devre elemanları 3. SİSTEMİN DENEYSEL OLARAK GERÇEKLEŞTİRİLMESİ Kablolu ve POF tabanlı veri iletimi, elektromagnetik ve elektrostatik dalgaların meydana getirmiş olduğu elektriksel gürültü ortamı içerisinde gerçekleştirilmiştir. Gürültü kaynağı olarak taş motoru kullanılmıştır. Kablolu iletim yönteminde, iletim kablosu anten görevi görerek ortam magnetik ve elektrostatik gürültülerini elektriksel gürültüye yoğun olarak çevirdiği gözlemlenmiştir, Şekil 8. Şekil 8: Kablolu iletim ortamında meydana gelen elektriksel gürültü 1 st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2016), October 26-28, 2016, Adana/Turkey 4
Bu elektriksel gürültü, iletim esnasında elektriksel veriye de aktarılmıştır, Şekil 9. Osilaskop ekranında gösterilmiş olan deney sonuçlarında mavi renkli işaretler gönderilen ve sarı renkli işaretler ise alınan verileri göstermektedir. Şekil 9: Kablo tabanlı gürültülü veri iletimi POF tabanlı iletim yönteminde ise iletim hattı hiçbir şekilde ortam gürültüsünden etkilenmediği gözlemlenmiştir, Şekil 10. Şekil 10: POF tabanlı gürültüsüz veri iletimi POF tabanlı veri iletim sürecindeki veri ışığa dönüştürülerek, varış noktasına ışık olarak iletilir ve ardından tekrar elektriksel veriye dönüştürülür. Dönüşümler, elektronik devre elemanlarından kaynaklı frekans hassasiyetli, gönderilen ve alınan veri işaretleri arasında bir zaman gecikmesine (faz farkı) sebep olur. Deneysel çalışma sürecinde POF tabanlı iletim için kullanmış olduğumuz devre elemanları 500Hz için seçilmiş olup, bu frekanstaki işaretler için 2µs'lik faz kayması meydana gelmiştir, Şekil 11. 5 1 st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2016), October 26-28, 2016, Adana/Turkey
Ercan Köse ve Aydın Mühürcü; High-Frequency Logic and Long Distance Data Transmission Based On POF Şekil 11: 2µs'lik POF iletim veri dönüşüm zaman gecikmesi POF tabanlı veri iletim sürecinde gönderilecek verinin işaret frekansı artıkça, alınan veri işareti arasında faz kayması da artış göstermiştir. Bu artış, 180KHz için yaklaşık 180 olarak gözlemlenmiştir, Şekil 12. Şekil 12: POF veri iletim sürecinde 180 faz farklı oluşumu Kablolu iletişim yönteminde veri iletim frekansının artması iletim hattına ait bobin ve direnç, iletim verisinin dalga şeklini belirgin bir şekilde biçimlendirdiği gözlemlenmiştir, Şekil 13. Buna karşılık POF tabanlı veri iletimi sürecinde, böyle bir etkileşim oluşmamıştır, Şekil 12. Şekil 13: Kablolu iletim hattına ait bobin ve direncin iletim verisine olan etkisi 1 st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2016), October 26-28, 2016, Adana/Turkey 6
5. SONUÇLAR Yapmış olduğumuz bu donanımsal çalışmada, POF tabanlı veri iletimi başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Bu iletişim yönteminde, elektriksel verinin ışığa dönüştürme hızı, ışık kaynağının lümen değeri ve gelen ışığın tekrardan elektriksel veriye dönüşüm hızı, gönderilen veri ile alınan veri işaretleri arasında bir zaman gecikmesi meydana getirir. Deneysel çalışma, faz farkı gözetlenerek tasarlanacak olan POF iletim devreleri sayesinde, herhangi bir iletişim protokolü ihtiyaç duyulmadan ortam gürültüleri ve hat uzunluğundan etkilenmeyen güvenilir ve düşük maliyetli veri aktarımı gerçekleştirilebileceğini göstermiştir. REFERANSLAR [1] Thyagarajan K., and Ghatak A., (2007) "Fiber Optic Essentials", John Wiley & Sons, Inc., pp.28-30. [2] http://www.nasonline.org/publications/biographical-memoirs/memoir-pdfs/maiman-theodore.pdf [3] Goubau G., and Christian, J.R., (1964) "Some aspects of beam waveguides for distance transmission of optical frequencies", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 12, pp.212-220. [4] Kao C. K., and G. A. Hockham (1966) "Dielectric fiber surface waveguides for optical frequencies", IEE Proceedings, 133, 1151. [5] Kapron F.P., Keck D.B., Maurer R.D., (1971) "Radiation losses in glass optical waveguides", Appl. Phys. Lett. 17, 423 425. [6] https://tr.wikipedia.org/wiki/fiberoptik_ileti%c5%9fim 7 1 st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2016), October 26-28, 2016, Adana/Turkey