電子系 許 仕 老師 hsushih@csu.edu.tw 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。 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

現代無線光通訊 medium Transmitter Receiver 2

2009諾貝爾物理學獎得主 (Nobel Prize Winner), 高錕 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 1966年 1972年 1995年 康寧公司(Corning) 20dB/Km 日本茨城通信研究所 0.2dB/Km 高錕和哈克漢姆 玻璃材料淨化 製造技術發展 2009諾貝爾物理學獎得主 (Nobel Prize Winner), 高錕 3

雷射的誕生 Theodore Maiman in 1960. 4

光纖和雷射發展史 年代 人名 重要事件 1960 梅曼(Maimen) 紅寶石雷射(固體雷射) 1962 Hall和Nathan 砷化鎵(GaAs)半導體雷射 1966 高錕和Hockham 發表“光纖傳輸”之論文 1970 康寧公司(Corning) 低損耗光纖研製成功(20 dB/km) 1972 貝爾實驗室(Bell Lab) 光纖損失降為(2.5 dB/km) 1979 日本茨城通信研究所 光纖損失降為(0.2 dB/km) 5

電通訊與光纖通訊之差異？ 銅線 <電通訊> <光纖> <光纖通訊> (電訊號) (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

FTTx 網路示意圖 7 Service Node FTTx ONT FTTH 光纖到家 Optical Fiber OLT Internet Service Node Leased Line Frame/Cell Relay Telephone Interactive video SNI Operation system OLT FTTx ONT NT Twisted Pair ONU FTTH 光纖到家 FTTB 光纖到大樓 FTTC 光纖到路邊 FTTCab 光纖到機箱 Fiber to the Cabinet Fiber to the Curb Fiber to the Building Fiber to the Home FTTP , Fiber-to-the-Premises Optical Network Terminal Optical Fiber Optical Network Units Optical Line Terminal 7

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

載具光纖傳輸系統 監視器 光纖 光發射機 光接收機 視訊鏡頭 9

光纖的傳輸原理 利用”全反射原理”達成光纖傳輸 10

光纖的製作 預型體 光纖抽絲系統 裸光纖 11

單模光纖與光纜 單模光纖 光纜 12

單模與多模光纖結構 纖殼(cladding) 纖核(core) 光纖通訊主流 13

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

光纖連接器 FC SC ST Biconic D4 E2000 DIN EC/RACE VFO/DF HMS-10/A 15

電磁波頻譜 (C=3x108 m/sec) 光纖通訊頻譜 : λ2 = 1.31μm , λ3 = 1.55μm 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

電磁波頻譜量測儀器 時間(Sec) 頻率(Hz) 波長(nm) 低頻 (0 ~ 1 GHz) 中頻 (0 ~ 300 GHz) 高頻 頻譜分析儀 (Spectrum Analyzer, SA) 光學頻譜分析儀 (Optical Spectrum Analyzer, OSA) 示波器 (Oscilloscope) 時間(Sec) 頻率(Hz) 波長(nm) 低頻 (0 ~ 1 GHz) 中頻 (0 ~ 300 GHz) 高頻 (>100000 GHz) 光纖通訊波段 : λ2 = 1.31μm = 229000 GHz λ3 = 1.55μm = 193500 GHz 17

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

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

光纖通訊的優點 2/2 通訊頻寬 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

光纖熔接機 光纖切割刀 擦拭酒精 無棉絮 擦拭棉 光纖剝線鉗 21

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

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

Fiber-optic Link Around the Globe (FLAG)~27300 km 24

TransPacific Cable (TPC) 25

History of Transpacific Cable Systems 光放大器 商業化 26

光纖與雲端運算系統 27

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

三K機器人之介紹 29

下水道機器人 30

自動化乾冰清潔機器人 31

視訊模組 鏡頭 : 彩色 1/3 英寸 國產 視訊鏡頭 AV端子 類比電視棒 32 類比電視棒(USB )模組介紹: 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 (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

全球定位系統(GPS)模組 (GPS)接收天線及傳輸模組 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

全球衛星導航 (GPS) GPS週期 = 12小時 GPS軌道高度 = 20200 km 35

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 36

全球衛星導航 (GPS)-衛星高度=20200km 克卜勒行星第三定律(Keplers third law) T=12小時=43200秒.  r=26600 km.(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

同步衛星高度=35900km 克卜勒行星第三定律(Keplers third law) T=24小時=86400秒.  r=42300 km.(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

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

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

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 41

坡度儀感測模組 坡度儀感測模組 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 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。 42

下水道機器人感測器方塊圖 43

下水道機器人監控視窗 44

管道機器人監控視窗 45

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。 46

感謝聆聽 謝謝指教