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光纜布線基礎知識及系統設計

光纖作為高帶寬、高安全的數據傳輸介質被廣泛應用于各種大中型網絡之中。由于線纜和設備造價昂貴,光纖大多只被用于網絡主干,即應用于垂直主干子系統和建筑群子系統的系統布線,實現樓宇之間以及樓層之間的連接,目前也應用于對傳輸速率和安全性有較高要求的水平布線子系統。

光纜布線基礎知識及系統設計

 

一、光纖

1、光及其特性:

1)光是一種電磁波

可見光部分波長范圍是:390~760nm(毫微米)。大于760nm部分是紅外光,小于390nm部分是紫外光。光纖中應用的是:850,1300,1550三種。

2)光的折射,反射和全反射。

因光在不同物質中的傳播速度是不同的,所以光從一種物質射向另一種物質時,在兩種物質的交界面處會產生折射和反射。而且,折射光的角度會隨入射光的角度變化而變化。當入射光的角度達到或超過某一角度時,折射光會消失,入射光全部被反射回來,這就是光的全反射。不同的物質對相同波長光的折射角度是不同的(即不同的物質有不同的光折射率),相同的物質對不同波長光的折射角度也是不同。光纖通訊就是基于以上原理而形成的。

2、光纖結構及種類:

1)光纖結構:

光纖裸纖一般分為三層:中心高折射率玻璃芯(芯徑一般為50或62.5μm),中間為低折射率硅玻璃包層(直徑一般為125μm),最外是加強用的樹脂涂層。

2)數值孔徑:

入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸,只是在某個角度范圍內的入射光才可以。這個角度就稱為光纖的數值孔徑。光纖的數值孔徑大些對于光纖的對接是有利的。不同廠家生產的光纖的數值孔徑不同(AT&T??CORNING)。

3)光纖的種類:

A.按光在光纖中的傳輸模式可分為:單摸光纖和多模光纖。

多模光纖:中心玻璃芯較粗(50或62.5μm),可傳多種模式的光。但其模間色散較大,這就限制了傳輸數字信號的頻率,而且隨距離的增加會更加嚴重。例如:600MB/KM的光纖在2KM時則只有300MB的帶寬了。因此,多模光纖傳輸的距離就比較近,一般只有幾公里。

單模光纖:中心玻璃芯較細(芯徑一般為9或10μm),只能傳一種模式的光。因此,其模間色散很小,適用于遠程通訊,但其色度色散起主要作用,這樣單模光纖對光源的譜寬和穩定性有較高的要求,即譜寬要窄,穩定性要好。

B.按最佳傳輸頻率窗口分:常規型單模光纖和色散位移型單模光纖。

常規型:光纖生產廠家將光纖傳輸頻率最佳化在單一波長的光上,如1300nm。

色散位移型:光纖生產長家將光纖傳輸頻率最佳化在兩個波長的光上,如:1300nm和1550nm。

C.按折射率分布情況分:突變型和漸變型光纖。

突變型:光纖中心芯到玻璃包層的折射率是突變的。其成本低,模間色散高。適用于短途低速通訊,如:工控。但單模光纖由于模間色散很小,所以單模光纖都采用突變型。

漸變型光纖:光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小,可使高模光按正弦形式傳播,這能減少模間色散,提高光纖帶寬,增加傳輸距離,但成本較高,現在的多模光纖多為漸變型光纖。

4)常用光纖規格:

單模:8/125μm,9/125μm,10/125μm

多模:50/125μm,歐洲標準 62.5/125μm,美國標準

工業,醫療和低速網絡:100/140μm,200/230μm

塑料:98/1000μm,用于汽車控制

3、光纖制造與衰減:

1)光纖制造:

現在光纖制造方法主要有:管內CVD(化學汽相沉積)法,棒內CVD法,PCVD(等離子體化學汽相沉積)法和VAD(軸向汽相沉積)法。

2)光纖的衰減:

造成光纖衰減的主要因素有:本征,彎曲,擠壓,雜質,不均勻和對接等。

本征:是光纖的固有損耗,包括:瑞利散射,固有吸收等。

彎曲:光纖彎曲時部分光纖內的光會因散射而損失掉,造成的損耗。

擠壓:光纖受到擠壓時產生微小的彎曲而造成的損耗。

雜質:光纖內雜質吸收和散射在光纖中傳播的光,造成的損失。

不均勻:光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。

對接:光纖對接時產生的損耗,如:不同軸(單模光纖同軸度要求小于0.8μm),端面與軸心不垂直,端面不平,對接心徑不匹配和熔接質量差等。

4、光纖的優點:

1)光纖的通頻帶很寬.理論可達30億兆赫茲。

2)無中繼段長.幾十到100多公里,銅線只有幾百米。

3)不受電磁場和電磁輻射的影響。

4)重量輕,體積小。例如:通2萬1千話路的900對雙絞線,其直徑為3英寸,重量8噸/KM。而通訊量為其十倍的光纜,直徑為0.5英寸,重量450P/KM。

5)光纖通訊不帶電,使用安全可用于易燃,易暴場所。

6)使用環境溫度范圍寬。

7)化學腐蝕,使用壽命長。

二、光纜

1、光纜的制造:

光纜的制造過程一般分以下幾個過程:

1)光纖的篩選:選擇傳輸特性優良和張力合格的光纖。

2)光纖的染色:應用標準的全色譜來標識,要求高溫不退色不遷移。

3)二次擠塑:選用高彈性模量,低線脹系數的塑料擠塑成一定尺寸的管子,將光纖納入并填入防潮防水的凝膠,最后存放幾天(不少于兩天)。

4)光纜絞合:將數根擠塑好的光纖與加強單元絞合在一起。

5)擠光纜外護套:在絞合的光纜外加一層護套。

2、光纜的種類:

1)按敷設方式分有:自承重架空光纜,管道光纜,鎧裝地埋光纜和海底光纜。

2)按光纜結構分有:束管式光纜,層絞式光纜,緊抱式光纜,帶式光纜,非金屬光纜和可分支光纜。

3)按用途分有:長途通訊用光纜、短途室外光纜、混合光纜和建筑物內用光纜。

3、光纜的施工:

多年來,做光纜施工使得我們已有了一套成熟的方法和經驗。

光纜的戶外施工:

較長距離的光纜敷設最重要的是選擇一條合適的路徑。這里不一定最短的路徑就是最好的,還要注意土地的使用權,架設的或地埋的可能性等。

必須要有很完備的設計和施工圖紙,以便施工和今后檢查方便可靠。施工中要時時注意不要使光纜受到重壓或被堅硬的物體扎傷。

光纜轉彎時,其轉彎半徑要大于光纜自身直徑的20倍。

1)戶外架空光纜施工:

A.吊線托掛架空方式,這種方式簡單便宜,我國應用最廣泛,但掛鉤加掛、整理較費時。

B.吊線纏繞式架空方式,這種方式較穩固,維護工作少。但需要專門的纏扎機。

C.自承重式架空方式,對線干要求高,施工、維護難度大,造價高,國內目前很少采用。

D.架空時,光纜引上線干處須加導引裝置,并避免光纜拖地。光纜牽引時注意減小摩擦力。每個干上要余留一段用于伸縮的光纜。

E.要注意光纜中金屬物體的可靠接地。特別是在山區、高電壓電網區和多地區一般要每公里有3個接地點,甚至選用非金屬光纜。

2)戶外管道光纜施工:

A.施工前應核對管道占用情況,清洗、安放塑料子管,同時放入牽引線。

B.計算好布放長度,一定要有足夠的預留長度。

C.一次布放長度不要太長(一般2KM),布線時應從中間開始向兩邊牽引。

D.布纜牽引力一般不大于120kg,而且應牽引光纜的加強心部分,并作好光纜頭部的防水加強處理。

E.光纜引入和引出處須加順引裝置,不可直接拖地。

F.管道光纜也要注意可靠接地。

3)直接地埋光纜的敷設:

A.直埋光纜溝深度要按標準進行挖掘,標準見下表:

B.不能挖溝的地方可以架空或鉆孔預埋管道敷設。

C.溝底應保正平緩堅固,需要時可預填一部分沙子、水泥或支撐物。

D.敷設時可用人工或機械牽引,但要注意導向和潤滑。

E.敷設完成后,應盡快回土覆蓋并夯實。

4)建筑物內光纜的敷設:

A.垂直敷設時,應特別注意光纜的承重問題,一般每兩層要將光纜固定一次。

B.光纜穿墻或穿樓層時,要加帶護口的保護用塑料管,并且要用阻燃的填充物將管子填滿。

C.在建筑物內也可以預先敷設一定量的塑料管道,待以后要敷射光纜時再用牽引或真空法布光纜。

4、光纜的選用:

光纜的選用除了根據光纖芯數和光纖種類以外,還要根據光纜的使用環境來選擇光纜的外護套。

1)戶外用光纜直埋時,宜選用鎧裝光纜。架空時,可選用帶兩根或多根加強筋的黑色塑料外護套的光纜。

2)建筑物內用的光纜在選用時應注意其阻燃、毒和煙的特性。一般在管道中或強制通風處可選用阻燃但有煙的類型(Plenum),暴露的環境中應選用阻燃、無毒和無煙的類型(Riser)。

3)樓內垂直布纜時,可選用層絞式光纜(DistributionCables);水平布線時,可選用可分支光纜(BreakoutCables)。

4)傳輸距離在2km以內的,可選擇多模光纜,超過2km可用中繼或選用單模光纜。

三、連接和檢測

1、光纜的連接:

方法主要有永久性連接、應急連接、活動連接。

1)永久性光纖連接(又叫熱熔):

這種連接是用放電的方法將連根光纖的連接點熔化并連接在一起。一般用在長途接續、永久或半永久固定連接。其主要特點是連接衰減在所有的連接方法中最低,典型值為0.01~0.03dB/點。但連接時,需要專用設備(熔接機)和專業人員進行操作,而且連接點也需要專用容器保護起來。

2)應急連接(又叫)冷熔:

應急連接主要是用機械和化學的方法,將兩根光纖固定并粘接在一起。這種方法的主要特點是連接迅速可靠,連接典型衰減為0.1~0.3dB/點。但連接點長期使用會不穩定,衰減也會大幅度增加,所以只能短時間內應急用。

3)活動連接:

活動連接是利用各種光纖連接器件(插頭和插座),將站點與站點或站點與光纜連接起來的一種方法。這種方法靈活、簡單、方便、可靠,多用在建筑物內的計算機網絡布線中。其典型衰減為1dB/接頭。

2、光纖檢測:

光纖檢測的主要目的是保證系統連接的質量,減少故障因素以及故障時找出光纖的故障點。檢測方法很多,主要分為人工簡易測量和精密儀器測量。

1)人工簡易測量:

這種方法一般用于快速檢測光纖的通斷和施工時用來分辨所做的光纖。它是用一個簡易光源從光纖的一端打入可見光,從另一端觀察哪一根發光來實現。這種方法雖然簡便,但它不能定量測量光纖的衰減和光纖的斷點。

2)精密儀器測量:

使用光功率計或光時域反射圖示儀(OTDR)對光纖進行定量測量,可測出光纖的衰減和接頭的衰減,甚至可測出光纖的斷點位置。這種測量可用來定量分析光纖網絡出現故障的原因和對光纖網絡產品進行評價。

四、光纖的應用及系統設計

1、光纖的應用:

人類社會現在已發展到了信息社會,聲音、圖象和數據等信息的交流量非常大。以前的通訊手段已經不能滿足現在的要求,而光纖通訊以其信息容量大、保密性好、重量輕體積小、無中繼段距離長等優點得到廣泛應用。其應用領域遍及通訊、交通、工業、醫療、教育、航空航天和計算機等行業,并正在向更廣更深的層次發展。光及光纖的應用正給人類的生活帶來深刻的影響與變革。

2、光纖網絡系統設計:

光纖系統的設計一般遵循以下步驟:

1)首先弄清所要設計的是什么樣的網絡,其現狀如何,為什么要用光纖。

2)根據實際情況選擇合適是光纖網絡設備、光纜、跳線及連接用的其它物品。選用時應以可用為基礎,然后再依據性能、價格、服務、產地和品牌來確定。

3)按客戶的要求和網絡類型確定線路的路由,并繪制布線圖。

4)路線較長時則需要核算系統的衰減余量,核算可按下面公式進行:

衰減余量=發射光功率-接受靈敏度-線路衰減-連接衰減(dB)其中線路衰減=光纜長度×單位衰減;

單位衰減與光纖質量有很大關系,一般單模為0.4~0.5dB/km;多模為2~4dB/km。

連接衰減包括熔接衰減接頭衰減,熔接衰減與熔接手段和人員的素質有關,一般熱熔為0.01~0.3dB/點;冷熔0.1~0.3dB/點;接頭衰減與接頭的質量有很大關系,一般為1dB/點。系統衰減余量一般不少于4dB。

5)核算不合格時,應視情況修改設計,然后再核算。這種情況有時可能會反復幾次。

3、設計實例:

某校園網的改造:

根據其情況,在已有細纜網的一邊使用一臺三口中繼器(雙絞線-光纖-細纜),另一邊使用一臺帶光纖主干的雙絞線HUB。中間用架空或地埋勻可的束管式4芯室外多模光纜再經過熔接為帶ST頭的室內跳線(因設備的光纖接口為ST型)。

衰減核算:(一般多模設備在2km范圍內不用核算,這里只做個例子)

發射功率:-16dBm

接收靈敏度:-29.5dBm

線路衰減:1.5km×3.5dB/km=5.25dB

連接衰減:接頭2個衰減為:2點×1dB/點=2dB

熔接兩個點為:2點×0.07dB/點=0.14dB

衰減余量=-16dBm-(-29.5dBm)-5.25dB-0.14dB-2dB=6.11(dB

經過上面的計算,可以看出系統容量大于4dB,以上選擇可以滿足要求。

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