IFS光导纤维设计指南

IFS光导纤维指南 目录 简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 入门„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 第一部分 了解光纤的基础„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 光纤的优势 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 常见光纤计量单位 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 什么是纤维光学, „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 折射率 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 全内反射 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 光导纤维 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 光导纤维的类型 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 单模光纤 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 多模光纤 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 10 光的波长 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 11 衰减 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 12 1 带宽 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 13 光的特性图 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 13 第二部分 基本系统设计理念 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 15 基本光纤系统 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 16 光发射器 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 17 光纤电缆 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 18 光接收器 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 19 系统设计目标 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 20 案例 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 20 初始设计程序 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 21 系统设计的四个步骤 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 22 操作参数的定义 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 23 布线设备及光程损耗 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 24 设备选择及功率分配 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 27 损耗预算评论 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 29 计算光纤长度 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 30 安全系数 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 30 第三部分 高级系统设计理念 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 35 优化系统性能 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 36 提高光损耗运算 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 37 限制光强度预算的问 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 38 系统设计中提高光损耗预算举例 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 39 系统设计中高功率传输举例„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 40 优化系统波长 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 41 系统设计中采用更长光波举例 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 43 光纤类型 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 44 最大化光纤传输容量 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 45 光纤带宽 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 46 光学色散 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 47 模态色散 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 48 色度色散 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 49 计算光纤带宽 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 50 波长分割多路复用 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 54 尾纤光波分复用器的组成„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 56 集成波分复用器的组成 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 57 粗波分复用 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 57 电子多路复用技术 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 58 增加光纤的容量 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 59 最大化光纤容量 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 60 扩展现有系统 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 61 单视频信号 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 61 2 单视频及单数据信号 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 62 多视频信号 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 63 增加含有大量视频信号的数据传输„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 64 集成多路系统 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 65 第四部分 视频传输及应用 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 67 视频基本知识及术语 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 68 EIA/TIA RS-250C标准 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 69 RS-250C长距离传输 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 69 RS-250C中距离传输 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 70 RS-250C短举离传输 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 70 视频调频技术 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 71 调频 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 72 调幅 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 73 数字编码 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 74 固定视频摄像机方面的应用 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 75 视频加单路数据传输的应用 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 77 视频加双路数据传输的应用 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 79 视频加同轴数据传输的应用 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 81 多视频应用 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 83 第五部分 数据传输及应用 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 85 数据接口 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 85 RS-232 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 86 RS-422 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 87 RS-485(2路或4路) „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 88 数字编码 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 89 点对点拓扑 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 90 星形拓扑 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 91 线形中继拓扑 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 92 环形拓扑 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 94 第六部分 音频传输及应用 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 97 音频信号基础知识 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 97 音频传输术语 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 98 两路音频 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 98 四路音频 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 98 输入/输出电压电平 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 99 输入/输出阻抗 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„101 不对称音频 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„101 对称音频 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„101 音频调制技术 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„102 调频 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„103 数位编码 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„104 3 视频传输的标准应用 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„105 多音频信号应用 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„106 音频自愈环式应急广播系统 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„107 内部音频通讯系统 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„109 Aiphone LEM/LEF内部通讯系统„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„110 按键电话应用 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„111 音频的其他应用 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„112 第七部分 电缆的安装及测试 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„113 电缆线路的构成 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„113 选择合适的电缆 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„114 室内电缆 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„114 单工/双工电缆 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„115 分支光缆 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„116 主干光缆 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„117 室外电缆 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„117 松管层绞光缆 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„117 NEC代码 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„118 光缆等级和标记 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„118 770条款中的主要部分 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„118 安装设计光缆的注意事项 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„119 光缆长度 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„119 光缆数量 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„120 最大拉应力 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„121 拉伸技术 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„122 最小弯曲半径 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„123 电缆沟及内部管道的使用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„124 引线盒 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„124 垂直拉升电缆 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„124 布线所需硬件 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„125 连接器注意事项 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„125 接续 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„125 所需其他硬件 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„126 检测设备 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„127 系统测试 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„128 系统文件编制 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„129 系统维护 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„130 系统恢复计划 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„131 避免服务中断 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„132 需要注意的安全问题 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„132 最后的建议 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„133 第八部分 设计工作表 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„135 系统设计评审 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„135 4 系统描述 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„136 光纤的选择 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„137 多模光纤损耗预算工作表 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„138 单模光纤损耗预算工作表 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„139 光缆选件 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„140 布局技术 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„141 光纤网络的物料清单 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„142 IFS技术支持热线 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„143 简介 在15年前，当世界光纤系统开始生产并且把光纤设备用在安防市场的时候，大多数设计专家都把铜线用在系统设计中。 对大多数人来说光纤传输仍然是个秘密并且一直有种误解认为这技术含量很高。一些设计专家认为光纤仅仅用于长距离的传送，其他的则认为造价太贵或者担心光纤容易损坏并且很难传输，否则在系统设计中你需要在光纤传输中加一个PH.D基站。 今天，当专家顾问， 综合商和实际用户发现在整个系统中光纤传输的许多优势后，那些误解慢慢的也被消除掉了。 5 公司也在努力寻找能够更好描述最新光纤传输技术的设计专家。在竞争激烈的今天，你乃至于你的公司更是有必要开始接受一个在光纤传系统设计方面经验丰富的设计师。 作为一个设计专家，你有责任为你的客户设计出一种高性能，低价格的系统。对设计师来说完全理解系统设计的局限性和各种元件选择的折衷性是非常重要的。 1 入门 光纤系统入门设计并不是很难。虽然光纤设计背后的理论是一项很难掌握的课题，但安装和测试光纤系统并不困难，特别是如果你懂得用铜线来设计的时候。 你需要理解一些基础的理论，学习用一些工具，并且‘行业的窍门’对光纤系统来说那是非常有效的。然而，你将仍然会发现在你用铜线设计过程中许多相同的设计原则将也会被应用在你的光纤设计过程中。 不要让这本‘设计手册’的尺度和字体愚弄了。这是一本很严格 6 的工具，它里面包含了多年来从教育，实践和经验中总结出来的很有价值的知识。里面有很对初学者来说很丰富的信息，并且有很多经验丰富的设计专家也会用到在你设计过程中相同的方法。把这本书设计向导当作一本工具册。许多的观念和光纤系统设计中你要用到的工具都在这本设计向导里面。 然而，当你能够通过这本设计向导学习的时候，你肯定也可以明白这本设计向导自身不可能覆盖每个应用和你所遇到的问题。国际光纤系统是不能估算它在这本设计向导书中的信息含量，因为设计者可以根据自己的实际情况来改进它。 除这本设计向导以外，当你需要额外的协助贯穿在你的光纤设计中时，IFS会通过它的设计中心提供非常有价值的协助。这种资源也会从光纤领域中有经验的应用工程师那提供免费的协助设计，从周一到周五早上8点到晚上8点。你可以通过打电话1-888-999-9437或者发邮件到 designcenter@ifs.com，与IFS设计中心取得联系。 利用在设计向导中获得的知识将会使你认识到在最新光纤产品技术中的优势，扩大你整个系统中将来额外变化的灵动性，并且为你客户提供完善的综合解决。 2 第一部分 7 了解光纤的背景 光纤传送是最好的传送和最有效的方法之一，但对一些设计专家来说它仍然是一个秘密。这部分将使一些误解变得不再神秘并且提供你一套综合的和健全的有利于以后形成光纤技术知识的基础。 光纤的优势 今天，在许多不同的企业工程师正在把光纤技术利用在不同的领域里，这些都归咎于光纤技术可利用的优势和振奋人心的技术。 这里有一些普通的优势，那就是在任何传输系统中的光纤传送的载体。 抗电磁和无线电干扰性:因为它是单独的靠光传送，光纤传输不受电磁和无线电的干扰，这也是用铜线传输系统普遍存在的问题。 低衰减性:光纤可以提供长距离的传输而只是用很传统的铜线并且不需要很昂贵的转发器。通用的多模光纤耗损最低在1DB/KM，单模光端机的耗损可以控制在最小0.2DB/KM. 高带宽:光端机做过带宽测试每秒可以传送350亿字节在100千米距离。理论速率可达到200-500万亿每秒。 轻重量和小尺寸:一个3/8英寸光纤线缆可以操作140MB/S，重1321BS/KM。 3 安全传输:因为光纤是绝缘体，光纤不能够传送电磁脉冲，射线，或者其它能够检测的能量。这些都使光缆变得难以寻找，分接光纤的内部组织的方法发明了一个实质性的分散系统，因而提供了简单的检 8 测。 雷电和共地回路保护:光纤可以完全不受其它种类的干扰，包括雷电，而且不能导电。所以，它能够沿着高电压设备和电线直接进入建筑物。你也可以认为光纤在两栋建筑之间是个绝缘体因为它不能够和任何种类的东西形成地面回路。 不串音和不短路:因为光纤由玻璃组成并且它不传导电，辐射能量，而且不能发热发光，这些信号就靠光纤当媒质。所以排除了串路和短路的问题。它对因为电路问题而受影响引起的爆炸也是很理想的材料。 NEC安装的灵动性:低于NEC代码770-52光纤安装和电导体，用导体来传播光电，能量，或者回路。不具备传导性的光缆将被允许传 送和它相同的用于传送光电，能量，或者回路可达600伏特的回路的电缆。所以允许了这种电缆的存在和消除了额外低电压传导的需要。 更新和变化的简单性:基于当前的电容技术，扩展容量通过用当前的光纤和传输技术将变得可能。 4 普通光纤的度量 dB—分贝，一种对比率单位区别于在输入和输出功率之间的损失的百分率信号。这种损失就用DB来描述。 dBm—接近1毫瓦能量的分贝。数字在1毫瓦以下就用-DBM来描述，当数字大大超过毫瓦时称作，DBM. Metric—光纤作为一种通用的技术也用米制系统来作为度量标准。一 9 些经常用到的系列如下: 1米r=39.37 英寸,或者仅仅比一码大一点点 1千米,1000米，或者近似0.62英里 1微米=100万分之1米，25微米相当于千分之一英寸。微米用来度量光纤尺寸。 1纳米,10亿分之1米，它通常是用来描述波长或者光传输的频率 什么是光纤, 简单的说，光纤是用来调节光束在玻璃光纤中的传输而避免很少信号损失的技术。 5 反射索引 光纤传输的原则很普通也很简单易懂。 光一直是沿直线传播。虽然透镜和镜子可以让光折射，但它仍然是沿直线传播的。 虽然，当光从空气传播到密度高一些的物质，就拿水来举例，光的传播速度在表面折射传播速度会降低，结果是光束会弯折，与此同时也会发生反射。我们都看到过在玻璃杯子中变弯的铅笔同样也印证了这个原则。 10 6 全内反射 正如下面例子展示的，当我们看见水下的一个物体时，这物体并不在我们肉眼所看到的位置因为光从空气传到水里时发生了折射。 当入射角增加的时候，会有一个点当光被反射回相同的物质，就像3显示的那样。这个角就叫全内反射的临界角。这就是光在光纤中全内反射的原则。 7 光纤 11 光纤的两个主要要素就是中心和覆层。由玻璃组成的光纤的中心，比较其覆层的低折射指数它有着很高的折射指数。因此，当光线以正确的入射角射入玻璃中心时，它能够通过覆层反射到中心并且重复着这样传播向前。换句话说，光线不能在中心逃脱，光纤扮演着”光通道”和 “光向导”。 8 光纤的种类 在当今的传输系统中有两种普通的种类:单模和多模。 单模 单模体系来源于光纤中心是如此的小(仅仅只有9微米――1微12 米相当于100万分之1)以至于只有单一的一个模式光线通过光纤的这个中心。 单模光纤的一个特征就是低衰减和高带宽，这些都使单模光纤在长距离传输系统和高信息量传输系统中是个不错的选择。 下面是单模光纤的一些应用例子: 无线通讯 有线电视系统 智能传输系统 轻轨、重轨 远程教育 大企业、大学校园环境 9 多模光纤 多模光纤系统来源于它有一个大的中心，差不多有62.5微米，光可以有若干的方式通过光纤的中心。 多模光纤有其固有的特征，例如和单模比较起来它有高衰减性和狭窄的带宽。 然而，如果系统要求受限制的多模光纤，很多时候对设计工程师 13 来说这是个不错的选择，因为多模光纤系统比单模成本更低，而这原因又在于用了一对低成本的发光二级管和激光二级管来产生光能量。另外，多模系统的安装和测试都不像单模系统那样复杂，这有降低了整个系统的安装成本。 下面是多模光纤的一些应用例子: CCTV 通路控制 报警系统 大楼设备自动化 数据网络 10 光纤的波长 光纤能够以不同波长运算。光波是一种简单的针对颜色和光在光纤中传输频率的光学术语。光纤设备，用于传输系统，它是利用肉眼可以看到的红外线区域。光波是用纳米来度量，意思就是10亿分之1。 多模光纤对于光谱传输一般来说有两个主要波长，850纳米和1300纳米。因为现有频率变化很细微，光纤设计师们有时候用“视窗”(发射机用1300纳米的视窗) 单模光纤一般有1310纳米和1550纳米波长两种波长适宜光纤传输。光在850纳米不能用于典型的单模光纤。 14 11 衰减 衰减是用来描述光和能量在光纤传输中的损失。当用光纤的时 候，这种衰减取决于波长;所以波长和衰减是紧密联系的，波长越长衰减越低。除外，光纤中心的大小也对光和能量的衰减有影响。衰减用分贝来度量并且这种损耗是用每千米多少分贝来表达的。 这里有两种损耗系统可以分类这种衰减。 内部损失――就是光纤内部的损失。因素诸如吸收，分散，光纤中心变化，和微观弯曲的损失。因为这些都是光纤的内部损耗，设计师和 15 安装工程师们几乎没有办法控制这种损失。 外部损失――就是光纤的外部损耗。因素诸如连接器和结合损失，外部损耗，光纤耦合器，宏观的和微观的弯曲损失。设计师和安装工程师们对此能够进行控制并且在系统设计过程中能够重视它。 12 带宽 带宽是光纤传输中一个很重要的信息。一般典型带宽对大型光纤中心来说在几MHZ/KM至上百MHZ/KM对标准的多模光纤和针对单模光纤上千MHZ/KM。 值得注意的一个很重要的概念就是当光纤的长度增加，它的带宽将成比例的减少。举例，一种光纤能维持500MHZ带宽在1千米 的距离，250MHZ带宽在2千米，100MHZ带宽在5千米。同样，当光纤长度减少时，其带宽将相应的增加。 当在设计光纤系统时，因增加线缆距离能够影响带宽性能并且带宽变成设计和衰减中受限的因素，这种理念很关键。 光纤特性图表 迄今，回顾这些信息是对理解来说如此重要，虽然如今有其它相同重要的概念贯穿整本设计向导，它是你接下来光纤系统设计的基层知识。 随着你继续构建自己的知识板块和对光纤的理解，一个你能放入你设计手册的工具就是电缆制造光纤性能表。 每个电缆制造商提供像如下展示的 相似的。这些信息在系 16 统设计时非常重要，因为你要决定用哪种光纤类型并且在你设计中考虑特殊的光纤怎么执行在衰减和带宽你可能用到的传输设备, 13 举例光纤特性表 单模 多模 多模 8.3 µm 50 µm 62.5 µm 纤心直径 125 µm 125 µm 125 µm 覆层 0.13 0.20 0.275 数字孔径 850 nm N/A 2.5 dB/Km 3.75 dB/Km 衰减: 0.4 dB/Km 0.8 dB/Km 1.5 dB/Km 衰减: 1300 nm 0.3 dB/Km N/A N/A 衰减: 1550 nm 600 160 850 nm N/A 带宽: Mhz/Km Mhz/Km 500 N/A 1 Ghz/Km 带宽: 1300 nm Mhz/Km N/A N/A N/A 带宽: 1550 nm 14 17 第二部分 系统基础设计概念 在光纤系统设计时对光损失的预算是需要考虑的最重要的因素之一，因为我们需要确保有足量的信号到达接收端来使得系统正确运行。当然，还有其它一些因素值也得关注。 本节集中介绍系统设计的基本概念，以使大家对光纤系统的构造有一个清晰认识。这些基本原理将会有助于提高大家的系统设计评估与可行系统理念发展的能力。 15 一个基本的光纤系统 你仅需一根光纤去构造一个通信系统。通过光纤传输设备的使用，任 何信号，无论是图象、声音或者是数据，均可被调制成利用光纤的玻璃核来载送信号的光波。一个光纤系统主要由三个部件构成。尽管针对不同应用每个部件的规格将会变化，但在任意光纤通信系统中这些基本部件是相同的。它们分别是: 发射部件:发射部件将电子信号输入调制光源或者是发射部件中的发射器; 光缆:光通过光缆进行传输。针对不同环境有多种不同型号的光缆; 接收部件:接收部件利用光探测器接收调制后的光并将其还原为电子信号。 18 16 光的发射部件 多种因素决定了光纤发射部件的性能， 如调制的方法，光源的类型，控制的波长以及光的强度。 模拟vs.数字:一些发射部件采用模拟波形与其它基于非连续数字脉 冲的操作。因为便宜，所以模拟被广泛使用;但模拟发射可能变为非线性的或扭曲的。而数字不同了，具有更强的抗噪和抗扭曲能力。 光源:对单模光纤，其只有一个小的核，最佳匹配是一个发射器使用一个激光二极管或面射型二极管，从一个仅几微米大小的区域发射光波。对多模光纤，发射器则使用具有稍大发射区域的光发射二极管。 波长:发射部件中的光发射器使用的波长也影响系统性能。一个例子是信号衰减。光发射器使用的波长越长，则衰减越少。然而，这里存在一个与设备价格之间的折中。 输出强度:发射或分发到光纤中的光波必须要足够强到可克服光纤系统的损失，从而保证有足够强度的光可使得接收部件能够侦测。 17 19 光纤线缆 光纤被封装在线缆以便方便操作 以及保护他们不受环境影响。光纤必 须刚好排在一起以便链接更好传输。 如果在光纤里传递光，两端必须很好的排列在一起。因为他们的直径非常的小。机械忍耐力使其固定紧。因此应该更多关心链接头处而不是电流通信。系统传输最大的范围更多的取决于衰减而不是源的能量或者是接收器的灵敏度。 18 光纤接收器 决定光纤接收器的表现好坏包括接收器的灵敏度，动态范围，探测器使用类型。 1:灵敏度，灵敏度取决于接收器对信号作出反应的强度。有许多因素影响接收器的灵敏度包括信号质量，光波长度，探测器类型以及周围的环境 2:动态范围:输出信号必须在探测器动态范围内。输入的电源大小的范围导致输出渴望值。以达到避免失真。 3探测器类型，PIN型二极管是最常规的二极管，相对便宜并且要求的电源少。不过有灵敏度的限制。雪崩二极管用于提高灵敏度和加快远距离传输用途。不过成本很高～ 20 18 光纤接收器 这里有一些因素决定光纤接收器的操作, 包括接收器的灵敏度, 动态变化, 和检测器的应用.. 灵敏度 –灵敏度反映接收器对信号反映的好坏.这些因素影响接收器的灵敏度,包括信号本身质量, 光的波长, 选用的检测仪的类型和整 个回路的信号质量. 动态变化范围 –输入信号必须在检测仪的动态变化范围之类, 接收器产生要求的生产的输入功率的范围之内， 目的是为了避免变形。 检测器的类型 –这个PIN二极管是使用的二极管的最普通的类型. 他们相对廉价并且不需要巨大数量的能量, 但反映的灵敏度受到限制. 雪崩二极管应用在长距离中,为增加敏感性和更快的输送使用，不过，他们很贵. 19 系统设计目标 如今光纤的3 个组成部分已经被认知，是时侯考虑系统怎样设计了. 当设计任何光纤传输系统时，是否带视频，音频还是数据通信， 有 21 几个问题需要引起设计者的注意。 •提供一个节省成本的系统 •使光纤的性能最大化 • 最小化光的路径损失 •使可靠性最大化 •使系统的维修变得容易 •为将来的升级作准备和系统的改变 这些目标将被考虑并且你必须考虑各种各样概念惯穿在整个这本设计指南之中。 工程研究 设计者也必须与用户确定如下内容确定项目的可行性: •工程参数 • 资金预算 •工程安排 20 初步设计过程 在人行道通内积极开创好的基础设施和工程环境设施，目的是确定它 将怎样影响系统的总的设计和安排。 1. 找到设备位置 • CCTV 录像机 •进入控制面板 •通讯装置基站 22 2. 鉴定现有的公用设施位置 • 入口设备 • 导线柜 • 强度 3. 环境限制 • 温度 •湿度 • EMI/RFI 干扰 4.描述合适的线缆路线 •确定拓扑结构 • 确定设备的传输距离 (比如线缆的长度) • 确定需要的光纤量– 准备50%的备件是好的经验法则 • 线缆的维修 •线缆搭接适于安装的环境(比如 户内户外; 渠道/ 托架) • NEC适用 5. 依附代码和法则 •本地建筑条例 •获得适当的许可证 21 系统设计的四个步骤 光纤系统设计有四个基本步骤，这是每个设计专家需要理解和运 23 用的。 1. 确定光纤系统组件。 2. 确定需要的线缆设施 和计算光纤的路径损失. 3. 选择符合满足光纤需要的发射仪器并计算出系统的光的强度。 4. 检测光的损耗预算并且为系统考虑一个合适的安全限度 22 1. 确定操作参数 设计光纤系统可能是些许平衡的设计。 首先，你将需要确定系统的操作参数和确定正确的光学的传输设备和可能影响设计的任何限制的因素 比如: • 什么是视频参数? •视频的使用形式–比如. NTSC, PAL, SECAM •模拟，数字化，IP 输送 •用PTZ固定录像或者录像控制 •什么是数据参数? •数据接口– 比如. RS-232, RS-422, RS-485, etc. •数据传输速度 - 数据的速度(用比特数每秒测量) •半双工或者全双工通讯 •什么编码计划被使用 –如 曼彻斯特，双阶段，NRZ，NRZI，等等 •音频的参数是什么, •线路级别或者扩音器水平 24 •阻抗 - 低或者高 •平衡或者不平衡 • 选择的限制因素是什么, •如领域中设备制造商所定义的最大的控制装置的数量是多少在一个网络允许范围内, • 多少现成的光纤可提供, •什么本地代码需要依附, 23 2. 线缆设施和光纤路径损失 设计专业人士也必须考虑要求安装线缆设施满足系统要求， 同时也必须符合合适的环境和建筑条例。 • 输送距离(确定传送器/ 接收器和用的光纤的类型)。 • 光纤类型 (单模和多模) • 需要的光纤质的 (确认所有的现有光纤是否可用 或者是否需要安装新的线缆) •连接器的数量和类型 •捻接的数量和类型 •补丁物的数量和类 24 光的路径损失 理想的确定光路径损失是直接检测有多少光被损耗。当这光纤还没有被安装时，因为最初要进行设计，这，当然，不实际。因此， 另 25 一个设计者使用的' 方法'是一张光损耗表， 将光传输过程中使用的各种各样的组成部分的平均损失记录下来。这将允许设计者估计光的路径损耗保证它不超过系统的光损耗预算 。光纤线缆要不停的测试，安装允许的损失要在计算的初步设计的参数内。 25 计算光纤路径损失的例子 计算光纤的路径损失简单的说就是光纤系统中所有组件的损失之和。 这种损失用分贝来描述。 例如受组件影响的路径损失包括: • 光连接器 • 融合物或机械的接合 • 嵌板 • 在一个特别的光纤衰减的波长 重要提示:千万记住光纤的衰减是依赖于所选用的发射器接收的波长。通过运用前些页提到的计算光纤损失的公式作为我们的设计向导，我们能够用下面的公式来估算出由发射器最初操作的850nm通过多模光纤线缆设施的传输将会损失到62.5nm。 下面是计算光纤路径损失的公式:: 光纤的路径损失 = 线的衰减 + 结合处的衰减 +嵌板的衰减 例如: 2 Km cable (3 dB/Km @ 850 nm) 6.0 dB + 3 splices @ 0.3 dB each 0.9 dB 26 + 2 patch panels (2 cnt/panel @ 1.5 dB each) 3.0 dB Optical Path Loss 9.9 dB 通过累加所有的线缆设施的损失我们能计算出光纤在整个系统中的路径损失。 26 3. 设备的选型及功率计算 设计中除光纤的要求之外,布线设施和光纤的路径损失也被定义,接下来的光纤系统的设计步骤就是选择合适的光端机和计算出光功率。 为了选择更适合的发射仪,设计专家必须考虑所有发射仪器的性能使之满足系统的要求比如单模型号; 录像机规格,数据接口和记录, 声音叁数, 信号方向,如设计的第 1 步骤所定义的等等步骤。 设计专家也必须确保从发射器到整个光纤路径传输中有足够的光强度包括光纤线缆设施的路径损失也能有足够强度传送到接收器。 27 光纤功率计算的例子 光的强度的计算跟发射器的输出的强度和接收器感应到的有所区别。发射器的输出光的强度和接受器感应到的值用dBms描述，然而结果用dBs来描述。运用这些设计单位使系统设计变得简单。 计算系统功率的公式如下: 光强度预算 = (发射输出强度)–(接收感应到的强度) 例如: 27 - 16 dBm 发射光强度(LED) - 30 dBm ver 灵敏度(PIN) 光强度预算 14 dB 对于给定的发射器 ( IFS模型: VT1101M) 并且接收器 ( IFS模型:VR1100) 的例子光的强度的预算是 14个分贝。 这就是设计者需要计算的有多少光信号有大强度.。光在路径中的损失比系统光的强度预算大吗,系统将不会这样操作并且将考虑一些其他的设计部件。系统设计理念在不段进步，在这本设计手册的下章节中将会引起人们的争议。 28 4. 损失预算 确定仪器选择得是否合适, 你将会需要运行一个光学的损失预算。替系统做一个光的强度预算, 减去光学的路径损失用以确认设计没有超过光的强度预算。如果光的路径损失超过了光的强度预算,则调整设计中的光缆设施或者选择其它光纤传输设备显得尤其必要。 下面是光纤损失预算得公式: 光的损失预算 = 光的强调预算 –光的路径损失 例如: 14 dB 光强度预算 9.9 dB - 光路径损失 28 4.1 dB = 安全限度 在这个例子中,光的强调预算对于整个路径传输过程来说有足够的剩于空间。当我们计算这些的时候,设计专业人士应该总是努力在系统中留出大约3个分贝的安全限度。这些在允许整个设计有所变化是非常重要的,这些变化当然就包括系统降级合回复中意想不到的失败。 29 计算光纤传输的距离 早先的例子是设计一个最普通的光纤系统。 然而, 如果你已经有了一些传输仪器并且你想知道1单位可以传输多 远的距离， 了解了这些你将需要一组成对的数据( 也就是户内的/户外的转变)或者成片的嵌板包括光纤设施. 下列的计算将会使你们了解决定最大值的传输距离。 光的强度预算= (发射器输出光强度) – (接收器感应到的强度) 强度预算 – (捻接衰减 x #) – (连接衰减 x #) – (安全限度) =净强度预算 29 网络的强度预算/ 光纤衰减/千米 = 光纤传输的总距离 30 在安全限度内需注意的 设计专家在设计中应该总是包括„安全限度'。这种安全限度的过度是上述的和超过接收器的最小量光学的需求。这是考虑到系统的料想不到的败失。例如成份老化,电缆过度弯曲, 机械的 & 温度压迫力, 和接合了电缆和未来的扩充。 按照设计者的经验法则, 一个 3 分贝的最小安全限度或 50% 衰减应该是包括在这些料想不到的损失里面. 如果安全限度是少于3个分贝少于系统设计中的调整量则这些都应该调整制订出来。. 正如附加的安全, 它也是常见的做法包括 3 分贝安全限度就当做计算光学的路径损失的部份。 这确定在设计中有其它的限度，为将来的恢复接合设计光纤设施传输变得更加严格而且需要整理。 无论怎么做, 所有的光纤系统叁数一定要依照下列的公式: 发射器输出–接收器输入 = ?损失 + 限度 一旦你已经完成开始的设计,回顾所有方面是重要的，目的就是为了检查和查证设计是有成本效益的, 包括为对系统将来的升级和变化编入预算并且允许柔性。 31 这里有一个计算光学损失的工作表单的例子，它可以用来计算系统设计的各种不同叁数。你将会找到这一张工作表单的副本进入这设计的 30 工作表单区段，并且指导你自己今后的设计，也可以效仿使用。 例如损失预算的工作表单 光纤类型: 多模 核心: 62.5/125 µm 可执行波长: 850 nm 减去来自 TX 的 RX - 16 dBm 发射功率 - 30 dBm 接收感应 14 dB 光功率预算 加上光纤设施的损失 2 公里电缆(3分贝/ 公里@ 850纳米) 6.0 dB 每一个0.3分贝3捻接 0.9 dB 2个补丁小组(2 cnt/panel @。 每一个75分贝) 3.0 dB 9.9 dB 光的路径损失 检查安全极限 14 dB 光功率预算 - 9.9 dB 光的路径损失 4.1 dB 超出安全极限(安全边缘) 32 费用、实施的成本交换 31 正如许多设计专家想象的那样, 具有很多令人希望的特性的光纤系统成本会增加。然而,这也并不意味着设计专家不能够设计一套具有成本效益的系统。 基于安全应用的大多数光纤系统利用多模光纤并且设备也是利用发光二极管。发光二极管基本上在光信号的输出和电信号的输入比是线性的,在一个较大可操作的温度范围内是稳定的而且是经济温度。当有必要设计出一套可传输更远距离的系统, 例如，较大的线性下降 和插入或者 环型拓展, 或者 在设计中提供更高的带宽, 比如智能交通系统 (ITS)的应用, 设计专家 能够利用单模光纤 和使用激光二级管的设备。 LD在光信号的输出和电信号的输入比是线性的 并且 能提供更高的输出能量; 然而, 他们比LEDS更昂贵, 并且在较 高的温度范围内没那么稳定. t. 这依次需要另外的电路达到可接受的稳定操作，并且这样会增加费用。然而, 光纤技术在不断的向前发展. 近年来,垂直激光及VCSELS发射已经在不断进步，这使得LED和激光更好的结合在一起，而这能够通过高光信号输出和高速发射实现，并且也会在一个经济的价位。 注意:在系统设计中为了更多的了解费用和成本交换的信息,请查阅这本向导中系统设计的先进理念。 33 ? 2002 International Fiber Systems, Inc. All Rights Reserved 34 第三节 高级系统设计概念 32 在第2节的基础上，本节集中阐述高级系统设计概念，以帮助专业设计人员充分掌握光纤设计。 本节侧重帮助专业设计人员: 优化系统性能 最大化光的运载能力 35 系统性能优化 一个专业设计人员有多种方法来对一个光纤系统进行优化。但是，以下三个方面对系统的影响明显最大。 它们分别是: 提高光的损失预算 优化系统的可控波长 设计中使用的光纤类型 36 提高光的损失预算 由第2节中阐述系统设计基本概念中可知，专业设计人员需要确信发射装置产生的光有足够的强度，可以克服光在光缆中的路径损失，并有足够的强度传送到接收装置。 在传输设备中使用的发射器和侦测器的特征对于计算系统中光的强度预算具有重要作用。 下表给出了光发射器和接收器之间的不同关系对一个系统中光的强度预算的影响。 33 发射装置改变(发射器) 发射 检测 功率预算 LED - 16 dBm PIN - 30 dBm 14 dB LED - 10 dBm PIN - 30 dBm 20 dB LASER 0 dBm PIN - 30 dBm 30 dB -接收装置改变(侦测器) 发射 检测 功率预算 LED - 16 dBm PIN - 30 dBm 14 dB LED - 16 dBm APD - 40 dBm 24 dB LASER 0 dBm PIN - 30 dBm 30 dB LASER 0 dBm APD - 40 dBm 40 dB 37 限制光强度预算的问题 在第2 部分给的例子里， 看见在系统里有许多的光强度问题，克服在设计过程中的光路径损耗是容易的。 我们的计算如下: 再次，掌握光损耗预算的公式如下: 光的路径预算 = 光强度预算 –光的路径损失 比如: 34 14 dB 光强度预算 9.9 dB - 光路径损失 =过度边(安全限度) 4.1 dB 然而,当设计者需要设计长距离传输和一些额外得捻接时怎么办,让我们看看下面发生路径损失时会发生什么事情并且确定是否相同的发射器和接收器可以被使用。.用斜体字印刷的那排，线缆距离和捻接的数量，是在设计过程中可改变的参数。 38 系统设计中增加得路径损失得例子 光纤类型: 多模 核心: 62.5/125 µm 可执行波长: 850 nm 从TX中减去RX - 16 dBm 发射强调 - 30 dBm 接收感应 14 dB 光强调预算 加上线缆设施得路径损失 12 dB 4 Km线缆 (3 dB/Km @ 850 nm) 1.5 dB 5 捻接 @ 0.3 dB 2个补丁小组(2 cnt/panel @。 每一个75分贝) 3.0 dB 16.5 dB 光路径损失 35 检查安全限度 14 dB 光强调预算 - 16.5 dB 光路径损失 - 2.5 dB 安全限度 可以很清楚看见光强度系统的预算不够克服光纤线缆设施的路径损耗。实际上,另外强度的大小需要几乎超过进行系统设计的足够的安全限度。 39 解决这问题的一个明显的解决办法是利用一个高功率传送者, 为了克服光纤的路径损耗，如此推进系统的光强度预算。 使用IFS型号VT1102M，一个高功率传送者，将为我们的设计实现目标。 系统设计中一个高功率传输的例子 光纤型号: 多模 核心: 62.5/125 µm 可操作波长: 850 nm 从TX中减去RX - 10 dBm 发射强度 - (高强度) - 30 dBm 接收感应 20 dB 光强度预算 加上线缆上的损失 4 公里电缆(3分贝/ 公里@ 850纳米) 12 dB 每一个0.3分贝5捻接 1.5 dB 2个补丁小组(2 cnt/panel @。 每一个75分贝) 3.0 dB 16.5 dB 光路径损失 36 检查安全限度 20 dB 光强度预算 - 16.5 dB 光路径损失 3.5 dB 安全限度 40 优化系统的波长 增加光强度预算不总是一个可行的解决办法。让我们讨论假如你正为你的设计考虑传输者系列方面没有高功率版本，我们必须发现另一个解决这个问题的办法。因此，例如，在检查两张产品数据表过程中我们发现IFS VT/VR为4000 系列视频发射机/ 接收器相关联，或者在www.ifs.com你能找到在当今的IFS 目录里的这种产品的数据 表。 需要光强 部分数最大传 描述 光纤度预 字 输距离 数量 算 FM Video 多模 2.8 miles 62.5/125 VT4010 Transmitter 1 16 dB (4.5 km) µm (850 nm) FM Video 多模 2.8 miles 62.5/125 VR4010 Receiver 1 16 dB (4.5 km) µm (850 nm) FM Video 37 多模 10 miles 62.5/125 VT4020 Transmitter 1 16 dB (16 km) µm (1300 nm) FM Video 多模 10 miles 62.5/125 VR4030 Receiver 1 16 dB (16 km) µm (1300 nm) 你能看见VT/VR 4010 发射器/接收器有一项16分贝的更高的光强度预算。然而,这正好是16.5分贝光纤设施的路径损耗并且甚至不考虑到安全限度的任何形式， 这应该被归入好的设计实践中。 41 你将注意到VT / VR4020/30 和VT/VR 4010发射器/接收器都适用于多模光纤，并且有相同光强度16分贝的预算。 然而, 你也将注意到VT4020发射器和VR4030 接收器结合相对VT/VR 4010 对模式能传送更长距离。这是怎样实现的呢,记住，光强度预算不是你能优化一种系统性能的唯一的方式。在光纤的系统设计中 ，其他重要参数是光纤衰减依赖的设计中使用的光学的波长。每台光纤发射器和接收器能控制一个或者更多的光波。通过应用不同的光的波长，设计专业人士能利用不同的损失，带宽和散布特性。如果你为检测可操作的波长， 你将发现VT4020 和VR4030利用1300纳米波长，VT/VR4010个模型利用850纳米波长的。象在第1 部分介绍的那样，理解光纤的基础并且回顾第2 部分，基本的系统设计概念评论， 要记得的一个重要的 38 设计参数是更长的波长，在光纤输中的更低的衰减。让我们回顾一下怎样利用不同的波长优化这种系统性能。 42 现在，让我们比较一下两种相同光强度预算的产品, 但有两种不同的可操作波长。这里我们能认识到利用1300NM光波能够使光纤传输带来更低的衰减，并且甚至胜过在有一项更高的光强度预算的以前的设计里使用的VT1102M 发射器～ 系统设计中有更长光波的例子 光纤类型: 多模 核心: 62.5/125 µm 可操作 波长: 1300 nm 从TX中减去RX - 17 dBm 发射强度 - 17 dBm - 33 dBm 接收感应 - 33 dBm 16 dB 光强度预算 16 dB 加上线缆设施损失 4 公里电缆(1.5分贝/ 公里@ 1300纳米) 12 dB 6.0 dB 每一个0.3分贝5捻接 1.5 dB 1.5 dB 2个补丁小组(2 cnt/panel @。 每一个75分贝) 3.0 dB 3.0 dB 16.5 dB 光路径损失 10.5 dB 39 检查安全限度 16 dB 光能量预算 16 dB - 16.5 dB 光路径损失 - 10.5 dB - 0.5 dB 安全限度 5.5 dB 43 光纤类型 (多模 或者单模) 回顾第1 部分，理解光纤的基础，有两类光纤，单模和多模。每种光纤类型被视为可控不同的波长有不同的特性。一个系统使用的光纤的波长能影响一个系统的衰减和带宽能力。这在光学特性第1 部分图表方面有所显示。这里也有所显示方便你的回顾 。注意, 对于给定相同的光波,单模光纤比多模光纤有更低的衰减。用单模光纤将赢得传输更远的距离，这也是基于它的低衰减特性。 一张光学特性图表的例子 单模 多模 多模 8.3 µm 50 µm 62.5 µm 中心直径 125 µm 125 µm 125 µm 覆层 数字孔 0.13 0.20 0.275 850 nm N/A 2.5 dB/Km 3.75 dB/Km 衰减: 0.4 dB/Km 0.8 dB/Km 1.5 dB/Km 衰减: 1300 nm 0.3 dB/Km N/A N/A 衰减: 1550 nm 600 160 850 nm N/A 带宽: Mhz/Km Mhz/Km 40 500 N/A 1 Ghz/Km 带宽: 1300 nm Mhz/Km N/A N/A N/A 带宽: 1550 nm 既然你更彻底的理解了光的波长和他们对光纤的衰减的显著影响,光纤特性图表应该很容易读懂并理解和懂得在光纤设计中运用这些数据的重要性 。 44 最大化光纤容量 虽然在过去的二十年安装的光纤有的数英里，设计专家也不只一次会遇到这样的情景，那就是在设计中哪里有足够数量的可利用的光 纤。 这都有可能是由于你的客户想用最少的光纤数量来搭建线缆设施并且也可能是受到物质基础的限制 。客户也可能需要你扩大现有的可利用的光纤基础设施。无论什么原因，对专业的设计师来说理解怎样使光的传播带来一个系统的性能最大化是重要的。设计专业人士必须理解光纤的情态和色彩散布的特性和他们怎样影响系统的带宽能力。这个部分也将让你看到能使用计算带宽的一些公式。这里有一些设计专业人士能使用使传播的光纤的性能最大化的几项技术。 我们将评论能用来改进一种光纤性能的两项关键技术。 他们分别是: •光波长划分多路复用 41 •电子多路复用技术 45 光纤带宽 在讨论这两种不同的用以最大化光纤传送能力的多路技术之前，我们首先要了解光纤的两个重要特征:带宽和频散。带宽可以简单的定义成在给定长度下光纤能有效传送的信号的最大频率。因此带宽越大，光纤传送信息的能力就越强。带宽的单位一般是兆赫/千米。多模光纤的一般带宽为160-600mhz/km,最大可达1-1.5Ghz/km. 单模光纤的理论带宽为200-500Thz/km. 要知道光纤的带宽取决于光纤的材料、传送信号的波长以及光纤长度。光纤的设计带宽是在纤维材料和信号波长衡定的情况下根据光纤长度确定。 46 光学频散 在这部分我们已经讨论了由于信号的衰减和丢失会限制信号在光纤中的传送距离。然而，还有另外一个因素影响信号在光纤中的传送距离，这就是光学频散。频散严重削减了光纤的带宽，因此影响了光纤的传送距离、传送能力以及整个系统的性能。因此设计师在设计光纤系统时必须考虑这两个特性中，哪个首先影响信号的传送距离。频散一般认为是由于信号的散射造成，即部分同时在光纤中发射的信号没有同时同步到达接收终端。频散分为模态频散和色度频散，它们都限制了光纤的带宽。 47 42 模态频散 光在光纤中传播时，脉冲信号分成高、中、低三种等级进行传送。中级脉冲沿着光纤的中心线传送，因此比高级和低级脉冲早到达终端，这就造成信号的模态频散。这种情况轮流发生就造成脉冲传送过程中在一些点发生重合致使接收终端不能解读。这是除信号衰减外的另一个限制多态光纤有效传送距离的因素。如果对照光学特征图，你会发现光纤的中心直径越小，信号丢失越少，带宽越大。这就是受模态频散影响造成的。 光学特征图示例: 单模 多模 多模 8.3 µm 50 µm 62.5 µm 中心直径 125 µm 125 µm 125 µm 包层厚度 0.13 0.20 0.275 数字 850 nm N/A 2.5 dB/Km 3.75 dB/Km 衰减: 0.4 dB/Km 0.8 dB/Km 1.5 dB/Km 衰减: 1300 nm 0.3 dB/Km N/A N/A 衰减: 1550 nm 600 160 850 nm N/A 带宽: Mhz/Km Mhz/Km 500 N/A 1 Ghz/Km 带宽: 1300 nm Mhz/Km N/A N/A N/A 带宽: 1550 nm 43 单模光纤不受这影响，这就是为什么原因单模光纤比多模光纤能够传输更多的信号更远的距离。 48 色度频散 不同波长的信号在光纤中传播速度不同会造成光譜散射，用白色光照射在棱镜上会折射出象彩虹一样五颜六色的光就是很好的例子。不同波长的光以不同的速度传播造成相(不)同数量的光线折射，这和各自的颜色有关。如果光源(比如激光器二极管)发射的光线的光譜很窄，色度频散就能大大减少。发光二级管和激光器二极管相比，前者的光譜宽度是后者的十倍。波长约为1310nm的信号在光纤中传 送是发生的频散最小，通常用于单模光纤传送。 注意:单模光纤传送的最佳波长范围1310-1550nm。由于在这波长范围内，信号的丢失和频散最少，因此这种光纤特别适用于高性能要求的系统。 49 光纤的类型(单模或多模) 根据第一部分了解光纤的基础中所提到的，光纤可以分为两种，单模 44 和多模。 每种光纤在光的波长方面都会有不同的特征，一个系统所采用的光波长将影响到系统的信号衰减及带宽容量。 这些在第一部分的光的特性图中都有所显示，现在你可以重新看一下下图来回顾一下。注意，对于同一种特定的波长来说，与多模相比单模的衰减系数较低。由于这种特征，使用单模光纤能够传送更远的距离。 光的特性图 单模 多模 多模 纤心直径 8.3微米 50微米 62.5微米 覆层 125微米 125微米 125微米 数值孔径 0.13 0.20 0.275 衰减: 850纳米 无 2.5 dB/千米 3.75 dB/千米 衰减:1300纳米 0.4 dB/千米 0.8 dB/千米 1.5 dB/千米 衰减:1550纳米 0.3 dB/千米 无 无 带宽: 850纳米 无 600 兆赫/千米 160 兆赫/千米 带宽:1300纳米 无 1 千兆/千米 500 兆赫/千米 带宽:1550纳米 无 无 无 既然已经对光波长及他们对光纤信号衰减的影响有了更深的了解，你 45 现在对光的特性图及将此数据用于设计光纤系统中的重要性将比较容易理解。 光传输容量最大化 虽然在过去的二十年中，安装了数以里计的光纤，但是设计人员仍然要多次面对只有少数的光纤可以应用于设计中的情况。 这可能是因为客户希望在布线设施中保持较少的光纤数或者仅限于现有的电缆沟/盘的容量。客户也可能会要求你在其现有的布线设施的基础上扩展现有的系统，而现有的布线设施可能只具备有限的光纤。 不管是什么原因，作为一个设计人员，重要的是要懂得如何使系统的光传输容量最大化。 设计人员必须了解两种模式的特性，光纤的色散，以及他们如何影响系统的带宽容量。这一部分将为你展示几种用来计算带宽的公式。 设计人员用来最大化光纤传输容量的技术有很多种，我们认为其中有两种关键的技术可以用于提高光纤的容量，他们分别是: , 光波长分隔多路传输 , 电子多路传输技术 46 注意:单模光纤散射范围从这一波长到1550纳米.这种光纤最适用于性能非常有优越的系统,因为此波长光纤的光损耗最小，色散也极少。 计算光纤的带宽 测定一个特定系统运行带宽的方法有很多种。因为带宽取决于光纤的长度/类型以及光纤的波长，我们需要增加一些公式作为我们决定符合设计要求的光纤类型及运行波长。 公式A:用于计算带宽时知道数据传输速率和光纤长度。 计算公式如下: 所需带宽=数据传输速率×光纤长度 例1: 150兆位/秒 × 2 千米 = 300 兆赫带宽 根据计算结果，我们可以确定给定的光纤至少需要300兆赫/千米的带宽。重新回顾一下下页中的光的特性图，你可以看到运行于1300纳米的波长的62.5/125微米的光纤设备就可以满足我们的设计需要了。 例2: 如果需要以622兆位/秒的速率传输呢,还能使用同样长度的光 47 纤吗, 同样，利用上一公式: 所需带宽=数据传输速率×光纤长度 622兆位/秒 × 2千米 = 1244兆赫带宽 本例中，利用给出的参数，设计人员既不能使用同样的62.5/125微米的多模光纤，也不能使用50/125微米的多模光纤。相反，设计人员需要考虑在设计中采用单模光纤以满足性能要求。需要提到的是，随着产品的变化，光的特性图中的规格也会变化。因此，当你考虑在设计中使用电缆产品时，利用所提供的产品的规格是很重要的。 单模 多模 多模 纤心直径 8.3微米 50微米 62.5微米 覆层 125微米 125微米 125微米 数值孔径 0.13 0.20 0.275 衰减: 850纳米 无 2.5 分贝/千米 3.75 分贝/千 米 衰减:1300纳米 0.4 分贝/千米 0.8 分贝/千米 1.5 分贝/千 米 衰减:1550纳米 0.3 分贝/千米 无 无 带宽: 850纳米 无 600 兆赫/千米 160 兆赫/千米 带宽:1300纳米 无 1 千兆/千米 500 兆赫/千米 带宽:1550纳米 无 无 无 48 公式B:如果知道光纤的带宽和特定的距离，那么如何计算所支持的最大传输速率呢, 以下公式将为你提供已知带宽规格的光纤在一定的长度下是否支持你的设备的速查方法。 最大传输速率,有效带宽,已知长度 例如: 500 兆赫/千米, 2千米 = 最大传输速率 250 兆位/秒 已知的光纤将支持2千米内每秒250兆位的最大传输速率。 注意:值得注意的是，由于光衰减和带宽都可能是影响你的系统传输距离的性能的因素，因此设计系统时需要把这些因素都考虑进去。在 设计过程中，你可能经常发现有足够的光功率分配，来克服光程损耗，但也会发现由于带宽的问题，传输距离总是受制约。另外的情况是，设计系统时会有足够的带宽，由于衰减(光程损耗与光功率分配)的问题，而使传输距离受到制约。因此，设计光纤系统时同时考虑这两种参数是很重要的。 公式C:如果知道光纤的带宽和设备传输的速率，怎么确定最大传输距离呢, 下列公式将告诉你答案: 最大传输距离=光纤有效带宽,传输速率 例1: 49 500兆赫/千米 , 155兆位/秒 = 最大传输距离 3.22 千米 通过线形计算方法，可以看出当系统以较低的速率传输时，传输的距离将会增加。相反，如果需要设计出较快的传输速率，能够传输的距离将会减少。 例2: 500 兆赫/千米 , 622 兆位/秒 = 最大传输距离 803 米 举一反三，设计师可以通过调整系统参数的变量来满足设计中的传输要求。 注意:这些例子只是用来计算数据传输的带宽。如果需要有关视频多 路传输复用器带宽要求的资料，请查询艾福斯数据表，或咨询艾福斯设计中心。 波长分割多路复用 复用器是将两个或多个独立的信号组合起来并通过光纤进行传输的设备。而多路信号分离器则接收这些信号，并将其分离成独立的信号。 有很多种方法可以用来将多种信号复合在光纤上，一种常见的用来将多种信号复合在光纤上的设备是波分复用器(WDM)。波分复用器利用优化特定的光纤(多模或单模)的两种光波，使其同时将两种信号同向或异向传输。波分复合器技术是使光纤的光传输容量最大化的一 50 种独特的方法。 重要提示:重要的是，使用WDM(波分复用)技术时，你需要计算出最坏情况下的光程损耗。举例来讲，根据上面的图表，当使用带有一个在850到1300纳米范围内运行的WDM的多模光纤时，你应该利用光的特性图中的850纳米的规格，并基于此计算光衰减。这样做是因为，与1300纳米的波长相比，多模光纤以850纳米的波长运行时，将有更大的光衰减，因而成为一种制约因素。 WDM技术会怎样优化你的设计并使你的系统传输容量得到最大呢, 我们以困扰了很多设计人员的常见问题举例说明。设想一下，监视系统中需要传输CCTV视频信号及PTZ控制。通过快速分析，我们建议需要两个光纤。其中一根光纤可以用来将视频信号从摄像头发送回监视器，而另外一根光纤则用来将PTZ控制信号从键盘传输到摄像头接收器/传动器。 但是如果可以用来安装的光纤数量有限呢,如果你只有一根光纤，却需要传输两种信号，甚至要异向传输，通过WDM技术这个问题很容易得到解决，这可以通过将两种信号复合到同一根光纤上来实现。这不仅能用于安装时降低布线的成本，同时也是一种不需要更多的光纤而增强或增加系统的容量从而满足设计的要求的有效方法。艾福斯 51 VT/VR1500WDM和VT/VR1910WDM就是利用WDM技术的传输工具。 尾纤光波分复用器的组成 不同的产品所使用的WDM技术也有所不同，有些产品利用早期的WDM技术，这种技术在工作时无法达到最新WDM技术的可靠性。 早期的WDM技术使用有3根尾纤的波分复用器，将两路光波复用或分解到一根光纤上。虽然有时在产品的结构设计中或使用多路光波时必须使用这种类型的元件，然而新的集成波分复用器能够达到更好的性能及更高的可靠性。 带有尾纤的波分复用器存在的问题如下: , 不太符合温度的规格要求; , 散纤维容易损坏; , 抗震性不强; , 降低光功率——这样会导致1dB或者更大的损耗。 集成波分复用器的组成 艾福斯的很多产品都采用了最新的集成WDM技术。通过集成分波分用器，所有的滤光器、发射器和检波器都包含在一个整装部件上，该部件可以直接焊接在PCB板上，而且只有一个I/O接口。这样有以下好处: , 使用较小的集成晶体板装配设计; 52 , 更好地符合温度的规格要求; , 不会损坏散纤维; , 更好的防震性; , 较高的光功率，且不会有额外的损耗。 粗波分复用(CWDM) 近年来开发出来的最活跃的技术就是粗波分复用(CWDM)技术,它是在单芯光纤上同时传输多达8路光波，以增加光纤传输系统的信息容量。与高密度波分复用(DWDM)不同，CWDM使用比较节约成本的标准光纤时可以使成本更低，同时具备DWDM技术的多种优势的。艾福斯VT/VR732030 32通道视频复用器就采用了CWDM技术的传输设备。 电子多路复用技术 电子多路复用器可以将多种信号利用电子学方法复合成一个信号，然后转换成一个光信号，再通过光纤进行传输。用于光纤传输的多路复合技术有很多种。 时分多路复用(TDM):主要用于电信和数据通信市场。由于复用器通过分配并分享信号通信时间以轮流使用多个信道，因此其适用于数据传输，却不适用于模拟视频多路复用，因为视频信号并非是实时传输的。 53 频分多路复用(FDM) :主要用于CCTV信号的视频传输，它能实时传输视频信号。频分多路复用器也可以用于音频和数据的传输，甚至可以同时传输大量的视频、音频和数据通信信号。很受欢迎的艾福斯VT/VR6010 4信道视频多路复用器就是采用频分多路复用技术的传输设备。 数字复用:采用多媒体数字信号编解码器(CODEC)将模拟信号转换成数字信号，然后将信号作为数字数据流通过光纤进行传输。光纤接收器通过内置的多媒体数字信号变解码器将数字化的视频信号转换回来，以模拟基带视频输出。数字复用器适用于2-64个信道。艾福斯的VT/VR7820 8信道视频复合器这一传输设备就是采用了数字技术。 增加光纤的容量 设计人员可以通过多路复合设备的使用来提高系统的价格和成本效益。下面我们将涉及3种多路复合设备的使用方法，通过复合器的使用，设计人员能最有效地利用光纤。 它们分别是: , 最大化光纤容量; , 扩展现有系统; , 集成多种系统。 最大化光纤容量 54 设计一个新的系统时，设计人员可能经常遇到这样的问题，由于在设计中要采用的光纤的数量，使得容量有限。这可能是由于成本的限制，或用户要求利用现有的光缆线路，这些线路可能有多余的光纤，但容量却有限。 在这些情况下，使用多路复用器能够轻松解决问题。艾福斯的拥有2-64或更多信道的复合器，能使系统设计者最大化有限光纤的信号传输容量。 扩展现有系统 设计人员可能经常需要对现有系统进行改造，而增加系统信号容量的 一个方法就是增加光纤电缆(计算系统所需光纤数量的资料，请参阅本设计指南第七部分——电缆的安装和监测)。然而，你也可能经常无法选择这种方法。这时，多路复合设备能利用现有光缆线路帮助你扩展系统的容量。 如前所述，光纤的带宽很大，从而能够支持多种信号的传输。我们来回顾一下如果只有一小根光纤，将会存在哪些可能。 单视频信号 我们先从为固定摄像机的安装而设计的单光纤系统开始。 55 单视频及单数据信号 现在你的客户要求以PTZ控制摄像头取代固定的摄像机，但这台摄像机没有多余的光纤可用。没问题，如前所述，一个利用WDM技术的视频/数据收发器在不需要增加光纤的情况下，就能扩展信号的容量。 设计小贴士:视频模块的数据界面只是一个数据界面。尽管很多同类产品是作为视频与PTZ遥控一起销售的，但如果其支持你要的数据界面的数据的双向传输，你就可以任意利用其数据信道。比如说，你可以将其用于固定的摄像机和警报面板通信，或固定摄像机和存取控制 信号。类似的应用就像你的想象力一样丰富。 多视频信号 现在你的客户请你将系统的部分设备扩展到16个摄像机。在他们想要放置额外的摄像机的地方，固定的摄像机上已经有一根光纤。然而，他们没有其他的光纤，而且也不想花钱来安装更多的光纤。这个问题可以用16信道的多路复用器来解决，比如艾福斯的VT/VR71620复用器可以将所有的摄像机组合在已有的光纤上。艾福斯有多种型号的二、四、八、十二、十六、二十、二十四、二十八及32信道的视频复用器产品，可以满足你或你的客户轻松扩展系统的需要。 56 增加含有大量视频信号的数据传输 如果你的客户需要扩展至多个带有PTZ遥控的CCTV摄像机呢,同样，只用一根光纤，艾福斯就能提供几种方案，如VT/VR6010-DRDT系列复合器。这种产品提供最多支持4个摄像机的4个信道的视频，也含有支持大部分数据界面和PTZ控制协议的双向数据信道。 集成多种系统 我们来进一步看一下这种复用概念。很多设计都基于集成系统，可能涉及CCTV监视系统，存储控制，对讲电话装置和/或门控。在设计中 找出将多路系统信号进行集成并传输的有效方法，是设计人员的责任。 艾福斯多路复合技术的使用，使你能够将多路系统集成在光纤上。比如下面的图解，利用VT/VR7830-2DRDT，能够提供8个视频通道及两个双向数据通道。 这一设计采用一根光纤，为存储控制系统传输8个CCTV视频信号，一个PTZ控制数据信号及数据通信信号。这种设计利用原有的一根光纤，对多路系统进行了扩展和集成。现在多路系统光纤的信号传输已经从57 1个视频信号增加到10个多重信号。 艾福斯也供应多种集成了视频、数据及音频通信的多路复合器，要查看艾福斯最新产品目录，请登陆我们的网站www.ifs.com. 第四部分 视频传输及应用 为了设计好光纤系统，在光纤设计实践中，你不仅需要扎实的基础知识，同时也需要光纤的多种应用方法。 本部分涉及到基本的视频技术规格和参数，并提供很有价值的应用实例。通过本部分的案例研究，将为你评估系统要求及开发系统做好充分准备。 视频基本知识及术语 应用视频传输系统的基本标准有三个，这些参数对系统的质和量都有 58 重要的影响。 信号噪声比(信噪比):定义系统保持视频图像的清晰度、细节特征或者分辨率的能力，单位为分贝(dB)。由于该指标是指视频信号电平与传输线路所产生的电气噪声电平之间的比值，因此，信噪比越高，代表传输系统的性能越佳。 微分增益:定义图形黑白对比度的保真度或精确度，用于表示视频信号电平变化时其幅值中偏差或误差所占的百分比，百分比越低，性能越好。 微分相位:定义视频图像的色彩的保真度或精确度。举例来讲，在电视系统中，原色特别难以保持肤色，对于一个较高微分相位性能的系统而言，能够精确地再现图像色彩。微分相位用电角度来表示，数值越低，性能越好。 电子工业联合会(EIA)/电视工业联合会(TIA)RS-250C标准 在已经建立并广泛应用的电子工业联合会/电视工业联合会标准中对于这些以及其他一些次要技术参数都进行了量性规定，即EIA/TIA RS-250C标准，该标准是50年代美国电视传输网络由大西洋岸至太平洋岸最早进行传输的时候制定的。。 这一标准描述了彩色电视传输的技术要求，且与介质无关，换句话说， 59 无论视频传输借助于何种方式，卫星、同轴电缆、微波或光纤连接，均适用RS-250C标准。 RS-250C标准可以划分成三类: , 长距离传输; , 中距离传输; , 短距离传输 RS-250C长距离传输 RS-250C长距离传输标准最早是为通过长距离(或长途)同轴电缆或微波线路将信号由大西洋岸至太平洋岸进行传播的视频传输要求而 建立的。要求信噪比为54到59dB;微分相位最大2.5度;微分增益最大8%。这些技术规范如今被广泛应用于工业安全市场中，特别是用于CCTV监视应用场合，并且能够在较低的设备成本基础上提供非常出色的视频传输品质。 RS-250C中距离传输 RS-250C中距离传输规范是为控制通过电视演播室与远程发射点之间的连接(通常距离为20或30英里)进行传播的视频传输要求而建立的。与长距离传输标准相比，它是一个更加严格的标准，要求信噪比为60至67分贝;微分相位最大为1.3度;微分增益最大为5%。中距离传输标准已经被ITS(智能传输系统)广泛采纳使用，主要是因为传输距 60 离相似，视频传输质量高且传输设备的成本合理。中距离传输设备同时也被用于高保安的CCTV监视应用场合。 RS-250C短距离传输 RS-250C短距离传输标准严格定义了在电视演播室内或生产设施之间进行视频传播的传输要求，这是一个真正的传播质量规范。直到光纤数字编解码视频传输设备出现之前，其要求无法在合理的成本下达到。RS-250C短距离规范提供了最大可能的视频传输性能，要求信噪比大于67dB;微分相位为0.7度或更高，微分增益最大为2%。能够达到这一标准的设备代表着光纤视频传输品质与性能的最高水平。 视频调制技术 通过光纤进行视频传输，通常有以下几种调制技术: , 调幅 , 调频 , 数字解码视频传输系统 调幅:全模拟系统，发光二极管(LED)的亮度或强度随输入视频幅度线性变化。调幅视频传输广泛应用于工业安全市场上中低端CCTV监视及安全应用场合，适用于4公里(2.5英里)或更短距离的传输，且符合RS-250C长距离传输的品质要求。调幅视频传输设备仅可适用多模光纤，这样也限制了最大可用传输距离。 61 调频:也是一个模拟系统，射频载波通过输入的视频信号线性调节频率。调频视频传输广泛应用于ITS机高端工业安全市场，调频视频传输设备通常能够达到RS-250C中距离传输的要求，且成本合理，它可以适用多模或单模光纤，与AM设备相比，它在传输距离方面有更好的性能。 数字解码视频传输:最新一代光纤视频传输设备采用了数字解码视频传输技术。 数字解码是，通过光纤传输单元内部的数字信号编码器(编码/解码器)，将输入的模拟基带视频转换成数字信号。数字信号通过光纤发送到光接收器，再通过另一个内部数字信号编码器(编码/解码器)，将信号重新转换成模拟基带视频信号。与模拟传输不同，数字解码视62 频传输的优势在于，其性能比较稳定，可以预测，且能在整个网络上重复使用。 固定视频摄像机方面的应用 在固定视频摄像机应用方面，艾福斯可以提供一系列的调幅、调频和数字解码光纤发射器和接收器。它采用IFS VT1101M迷你型发射端机， 这种发射器能够与多个接收器兼容。 VT1101M采用AM视频传输系统，这种系统中，发射端输出的光的幅度和密度会因1伏特板极—插头视频信号的输入而发生改变。然后光信号由光纤传输到发射机，在这里信号被转换成模拟基带视频信号。 建议采用的设备: 直接安装摄像机 光纤类型 发射器 接收器 最大传输 距离 多模光纤 VT1101M VR1000,VR1001,VR1100,VR2100 2.5英里(4 63 千米) 单模光纤 VT4025M VR4030 30英里(49 千米) 两用发射器/接收器 光纤类型 发射器 接收器 最大传输 距离 多模光纤 VT1101 VR1000,VR1001,VR1100,VR2100 2.5英里(4 千米) 单模光纤 N/A N/A N/A 值得考虑的几点: , 艾福斯可以提供在较远距离情况下具有较高光功率预算的AM发 射器; , 艾福斯可以为单模和多模光纤提供额外的FM发射器和接收器 (VT/VR400系列); , 艾福斯能够提供采用单模和多模光纤的10字节数字解码视频发射 器和接收器(VT/VR14100系列); , VR1000接收器能够进行人工增益控制，而且在特定的照明条件下 可以用于固定的摄像机。而VR1100接收器则具有自动增益控制功 能，且可用于具有多种照明条件的情况; , VR1101M支持9-12V直流电源，若需要通过摄像机电源为VT1101M 供电，则需要一个24V交流电适配器(PS1101M); 64 , VT1000AC具有一个内置的隔离变压器，能够输入24V交流电，但不 能直接与摄像机连接; 设计中采用VR1001或VR2100两用接收器，能够使R3插件框架的容量增加一倍，在一个插件框架内，视频接收机输入电压可从14增加到28。 视频加单路数据传输的应用 在本例中，该应用需要一个带单路PTZ控制数据的可以传输单个单个 摄像机视频信号的光纤系统。 由摄像机发出的视频信号与通过AM传输的VT1500的视频输出相连接，然后带有该视频信号的光纤信号由一根光纤传输到VR1500，并转换成电子视频输出。 控制器发出的RS-232或RS-422数据信号与VR1500的数据输出连接。在VR1500系统中，控制数据转换成光信号，并由一根光纤由视频信号传输到VT1500的数据输入。而在VT1500系统中，光信号被转换成RS-232或RS-422电子信号，并发送到摄像机的PTZ驱动。 65 建议使用的设备: 光纤类型 发射器 接收器 多模光纤 VT1500 VR1500 单模光纤 VT4530WDM VR4530WDM 以下几点可以考虑: , 如果可用光纤数量有限，那么可以采用VT/VR1500WDM 产品进行由一根光纤视频和数据信号的传输; , 据经验估计，如果光纤的长度超过1000英尺，与使用 两根光纤的方法相比，设计时采用单根光纤(利用WDM 技术)的成本较低。 视频加双路数据应用 本应用需要一个带双路PTZ控制数据的可以传输单个摄像机视频信号的光纤系统。 由摄像机发出的视频信号与通过FM传输的VT1900的视频输出相连接，然后带有该视频信号的光纤信号由一根光纤传输到VR1900，并被重新转换成电子视频输出。 控制器发出的数据信号与VR1900的数据输出相连接，在VR1900系统66 中，控制数据转换成光信号，并由一根光纤由视频信号传输到VT1900的数据输入。而在VT1900系统中，光信号被转换成RS-232，RS-422或RS485(2或4根线)电子信号，并发送到摄像机的PTZ驱动。 建议使用的设备: 光纤类型 发射器 接收器 多模光纤 VT1500 VR1500 单模光纤 VT4530WDM VR4530WDM 以下几点可以考虑: , 如果可用光纤数量有限，VT/VR1910 WDM产品可以用于 单向视频和双向数据信号的传输; , 据经验估计，如果光纤的长度超过1000英尺，与使用 两根光纤的方法相比，设计时采用单根光纤(利用WDM 技术)可以降低成本。 视频加同轴数据应用 本应用需要一个带PTZ控制单路同轴数据的可以传输单个摄像机视频信号的光纤系统。 67 由摄像机发出的视频信号与通过AM传输的VT1505的视频输出相连接，然后带有该视频信号的光纤信号由一根光纤传输到VR1505，并被重新转换成电子视频输出。 在视频消隐脉冲过程中，数据信号通过同轴传输至VR1505，在VR1505系统中，控制数据转换成光信号，并由一根光纤由视频信号传输到VT1505。而在VT1505系统中，光信号通过同轴传输并发送到摄像机的PTZ驱动。 建议使用的设备: 光纤类型 发射器 接收器 多模光纤 VT1505 VR1505 单模光纤 N/A N/A 以下几点可以考虑: , 如果可用光纤数量有限，VT/VR1505 WDM产品可以用于 由一根光纤进行的双向视频和数据信号的传输; , 据经验估计，如果光纤的长度超过1000英尺，与使用 两根光纤的方法相比，设计时采用单根光纤(利用WDM 技术)可以降低成本。 需要注意的是:理论上，以光功率预算的观点来讲，这种产品传输的 68 距离会比数据表列出的远得多，然而，由于同轴系统的运行特性，同轴系统传输的距离只能与铜缆的传输距离相同。这是由于摄像机会在视频消隐脉冲的过程中发送数据信号，数据信号的同步是正确操作的关键，距离越长，传输的延迟时间也越长。从某种角度来讲，在消隐脉冲引起错误的PTZ操作过程中，传输的延迟会增加需要传送信号的时间。如果需要传输比产品规格要长的同轴系统，可以不用同轴电缆传输数据，而采用普通的用于同轴电缆和双线操作的视频/信号传输端机，如艾福斯VT/VR1500系列的产品。 多视频应用 前面我们已经讨论过通过一根光纤采用多路复用器优化、扩展和集成 多路系统，这里我们不再涉及多路复用器。如果你需要有关采用多路复用技术产品的资料，请参阅“高级系统设计理念”部分。 其它视频应用: 我们在这里举的只是一些最常见的通过光纤传输的视频应用的例子，不过只是一个小例子。IFS可以供应多模和单模应用的视频传输的全线产品，而且，这些产品中的大部分能够使用一根或两根光纤进行数据、音频、视频或者3种信号的组合的其它传输方式。 69 若需要IFS视频产品全部资料，请参阅IFS最新产品目录或登录网页www.ifs.com。 第五部分 数据传输及应用 为了设计好光纤系统，在光纤设计实践中，你不仅需要扎实的基础知识，同时也需要了解光纤的多种应用方法。 本部分涉及到主要数据技术规范和参数，并举出很多有价值的应用实例。通过本部分的案例研究，将为你评估系统要求及开发系统做好充分准备。 数据接口 数据接口标准定义了电气、机械和功能特性。电气特征包括电压、电缆阻抗等参数。机械方面的特征包括插脚数分配和插头。 为了确保不同厂家提供的产品的兼容性，并将数据成功地以特定速率传输到一定的距离，这些标准已经得到升级。电子工业协会为用于数 70 据通信的RS-232,RS-422及RS-485制定了标准。经常会有人提出一些解决典型网络中会遇到的实际问题的建议。以前在电子工业协会制定的标准，会在前面加上RS字样，以表示该标准为建议采用的标准，现在则通常在RS前标注上“EIA”标准以区分标准制定的组织。这些标准使数据通信的参数得到了统一，与此同时，也有一些厂商并不遵循这些标准，而这些标准并没有明确涉及到，因此使用者自己发现时(通常在安装时)仍然用“灰色区域”来表示。 RS-232 RS-232-C最初是用来规范终端和主机通过公共电话网络的互联的。调制解调器，如贝尔202调制解调器，用来将计算机设备的数字数据 信号转化成适合电话网络传输的模拟音频信号，并将其在接收终端重新转换成数字信号。 RS-232简单、通用、易于理解且随处都能得到支持，但它作为电接口却有一些严重的不足。 首先，该界面定义了数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)的共同点，这将形成不稳定的串行数据电路。在同一个房间里用较短的电缆将DTE和DCE连接起来是可以接受的，但用较长的电缆将不同的电子公交车上的设备连接起来，却是不现实的。 71 第二，单线信号不能有效地屏蔽噪音。用整线屏蔽可以减少外部噪音的影响，但却产生了内部噪音。随着波特率及线路长度的增加，由于电缆内部的金属丝间的容量的影响，当数据无法读取达到一定程度时，会产生色度亮度干扰。 通过光纤的使用，你可以消除RS-232接口的内在问题。不过，如果噪音产生于传输电缆的铜缆部分，噪音将会通过而无法消除。光纤只能消除产生于传输系统的光纤电缆部分的噪音。因此，缩短铜缆的长度是很重要的。 RS-422 由电子工业协会制定的RS-422接口标准，也用于串行设备的连接。RS-422标准用来取代旧的RS-232标准，因为它能支持更高的数据传输速率，并能更好地抵抗电干扰。 RS-422也适用于多点连接，在设计中可采用中继拓扑协议。而RS-232则只能用于点对点的传输应用。 采用RS-422标准，每个信号由一对双绞线来传输，数据被编码和解码为两线之间的微分电压。两根线交织在一起，受到外界电磁噪声的 72 影响几乎是相同的，因而会产生电缆内部的EMI/RFI信号减弱的情况。所以，这种对称传输线接口能弥补RS-232的不足。 理论上，同样的外来噪声对双绞线的每一根并没有什么影响。而在实践中，过高的噪音引起接收端机的信号饱和，从而导致数据错误。 另外，随着传输速度和距离的增加，信号反射的问题也变得很重要。一定要将电缆适当地连接在电阻器上，这样电缆就好像是无限长的。 再次强调，由于信号是通过光来传输的，因此，设计数据网络时使用光纤可以使这些问题得到最小化，这样能消除基于铜缆的系统的传统 的电子流的问题。 RS-485(2或4线) RS-485(2或4线)是用于多站通信的一个电子工业协会标准，也是一种串行数据接口。RS-485与RS-422相似，但由于采用低电阻收发器，每条线能够承载更多的节点。 RS-485总线最多可连接32个收发器，采用一对或两对双绞线，即可实现双向半双工全双工多站互联。 RS-485支持2线(半双工)或(全双工)网络配置， 由于传输系统采用 73 的微分电压，最大电缆长度可达4000英尺。RS-485可以被认为是一个总线通信系统(访问是通过远程控制实现的)。 虽然与不平衡电路如RS-232相比，RS-485比较有优势，但与RS-422一样，它也存在内在的问题，因此，系统设计中采用光纤传输对这些问题的消除比较有利。 数据编码 为了通过载波传输数据信号，支持PTZ控制的数据传输或CCTV产品，使用不同的编码技术，这些技术本身都各有利弊。 曼彻斯特相位编码:电平编码信号发出的数据由主时钟发出的全循环 74 反信号来表示，这些反信号对应相位编码信号的电压跳变来表示 0和1，就是说负电压跳变表示0，而正电压跳变表示1。 每一位的中间有一跳变，它实现了发送端和接收端的同步，下面3种情况涵盖了所有的传输距离:跳变0(-0.85V),跳变1(0.85V)或无跳变(0V)。正态时钟信号和反态时钟信号都能引起正常传输，这意味着即使有一系列的0或1，也能达到时钟同步，这样会产生高可靠性数据传输。曼彻斯特编码的主时钟速率总是与数据传输速率相匹配，这就决定了载波信号的频率。 双相编码:曼彻斯特编码的变形，是Philips CSI用于PTZ控制的一 种数据编码方法。 不归零编码(NRZ):用0伏表示数据位0，正电压表示数据位1，但这种编码方法的不足是，由于时钟异步存在的问题，连续出现很难识别连续出现的1和0。 非归零倒相(NRZI):数据位1用0伏还是正电压表示取决于之前的电平，如果之前的电压是0伏，那么用正电压表示数据位1，但如果之前的电压是正电压，则用0伏表示数据位1。数据位0可以用之前用过的任何电压表示，这就意味着只有1位能够倒转电压，0位则对电压没有影响，之前的任何电压都保持不变。 75 点对点拓扑 典型的点对点光纤通讯信号网络 在此系统中，通讯操作中心的电脑，或街头上的控制器，用光纤转送系统连接到地上很不起眼的当地的控制器上。该系统只用在最基本最简单的网络中，在这个网络中只有单场装置连接到主控制器或电脑上，比如单变量信息信号。在安全应用软件中它可能是从控制面板到在建筑物或校园里的细微的警报盘通信线路。 76 星形拓扑 典型的星状交通信号网络 更普遍的是，当应用到点点拓扑时，我们一般会参照星形网络。在一个星中，交通操作中心的电脑通过端口或挖刨工具穿过传播介质连接到置在野外当地的多倍控制器上。此拓扑容易因一点失败便导致部分网络塌陷或整个网络塌陷。比如，挖刨工具的完全失灵就会导致通操 作中心和场设备之间的通信完全终止。 线性中继拓扑 典型的线性多支路交通信号光纤 线性多支路或下降重复通信体系被广泛用于入口控制和ITS交通指挥网络，特别是铜芯双绞线和光纤网络。 在上面的例子中，TOC的电脑被连接到光纤收发器上以组成电子控制系统，此收发器通过一双光纤连接到场内的多倍光纤收发器上，每个 77 多倍光纤都被设定成当地的装置连接到当地的控制器上。通信是在筛选——响应的基础上进行的，主控制器或电脑通过网络对当地的控制器进行筛选，筛选出来的那个控制器对主控制器做出响应。多支路光纤网络相对来说是较容易创建的，从本质上来说，它是复制著名的典型铜芯双绞线的操作。 然而 ，这种结构还是容易因一些节点的故障而导致整个网络发生故障。 , 控制配置的硬盘失灵(或者初始负载功率低于115/220VAC) , 当地场内光信号收发器硬盘失灵(或者初始负载功率低于 115/220VAC)，使失灵之间的通信终止 , 由场内设备装卸造成的网络内的任何一点破损，都会导致破损点 之外的其他节点的通信失灵。 记住，上面详细说明的两种情况的故障，初始功率降低等，保护起来很简单。通常在通讯操作中心(TOC)内部采用不间断电源(UPS)以提供可靠的经过调节的操作电源。另外，IFS能够为通讯信号应用提供光纤中继数据接收端机，并带有一个内置的可充电镍铁合金电池备件，这一电池能够从交流电线路连续补充充电。当发生初始操作功率降低时，备用电池能够即时自动充电，且最少供电时间为12小时，使网络通讯不被削弱，直到初始功率得以恢复。 78 环形拓扑 在一个典型的自愈式环形拓扑结构中，单个节点接收端机的失灵会导致整个网络全部瘫痪 最近的光纤交通信号网络的发展是利用光的自愈环。线性多路系统是自愈环的一个变量，自愈环主要用于消除单点故障模式，这种单点故障会使前面提到的点点和线性多路系统变得个更加难以控制。TOC中 心的控制电脑，或街头上的控制器被电联到一光学控制收发器上。此收发器通过一双光纤连接到场内多倍光收发器上。每个收发器都被设定成当地的设备并且被连接到当地的收发器上。然而，不像上面提到的线性多路网络，环形场内当地的最后一个收发器被光连到TOC或者通信网络中心的主控制收发器上，以形成一个闭路环。通信也是在筛选并做出反应的基础上进行的 现在用的是双光线，每个光纤能彼此协助对方形成一个反向环形场，特别是当光信号通过每个光纤传输时都会旋转180度，或者更多，A 79 环中的光信号是顺时针前进的，而B环中的光信号是逆时针前进的。每个数字收发器都会发出数字控制信号，并在两个环形场内不断传输，因此即使网络上没有明显的数据传输，网络中的光收发器的光电程序也能通过逻辑控制电路的自恢复被处理。收发器就会自动配置以保证数据不断的自动的传输，没有耽搁进行光机转换，当有故障被检测出来时，就会瞬间转换。原始数据和数字控制信号被按时间分成多元。 传输信号网络的光自愈环形网的基本工作原理被古典的定义成通信网络的可靠性和可用性，主要是通过因某一点失败而导致网络塌陷的最小值来衡量。光收发器网络系统能不断的自我诊断，以保证整个光环路数畅通的，确定两个环路中的光收发器的运行情况。如果当地的 收发器运行失败，或者光纤破损，系统就会检测出故障模式，并对网络进行自动配置，以保证从场到TOC通信不受损坏的继续进行。 至于各种各样的数据布置得信息，请参照IFS出版的技术白皮书:多控制光纤ITS数据信号的自我修补系统。 80 第六部分 音频传输及应用 为了设计好光纤系统，在光纤设计实践中，你不仅需要扎实的基础知识，同时也需要了解光纤的多种应用方法。 本部分涉及到基本的音频技术规范及参数，并举出很多有价值的应用实例。通过本部分的学习，将为你评估系统要求及开发系统做好充分准备。 音频信号的基础知识 音频传输系统的应用有三种基本技术规格，其中的每种参数都会对系统的质和量产生重要影响。 录放幅频响应:传输设备能够传输和接收到的声音从低音到高音的动态变化范围，以赫兹(Hz)为单位; 信噪比:定义系统对抗电子干扰和背景噪声，而保持音频输入的清晰度的能力，单位为分贝(dB)。由于该指标是指音频信号电平与传输 81 线路所产生的电气噪声电平之间的比值，因此，信噪比越高，代表传输系统的性能越佳。 谐波畸变:输出音频信号中不良谐波所占的数量，用百分比来表示，数值越低，性能越好。 音频传输的术语 下面是所有声频系统中都要用到的四个基本参数: 1、两路及四路音频; 2、输入/输出电压电平; 3、输入输出电阻; 4、平衡电压电平及不平衡电压电平。 1. a、两路音频:在电话和对讲系统中比较常见，两路音频支持半双工(如即按即说、即按即听等功能)或双工，在这种系统中，双方一直都能听到对方的声音。任何一种情况下，都必须使用特殊的电路以支持两根电缆双向传输音频信号。 虽然列出的IFS的调制解调器可以兼容音频信号，但却不支持我们现在提到的这种功能。IFS可以提供其他的能够传输两路音频的设备。 b、四路音频:通常用于简单的麦克风-扬声器系统，所有的音频发出的形式必须是四路音频。必须采用特殊电路产生两路音频，典型的四路音频系统由麦克风、前置放大器、扩音器及扬声器组成。在这 82 种应用中，可以采用一对专用的电缆来处理各路音频。需要注意的是，如果要求各路音频通路传输，那么只能使用两根实线，不过仍将其视为四路音频。 2(输入/输出电压电平:定义了音频信号的可用电压，电压与声波的幅度或密度直接相关。常用两种术语描述基本音频电压电平，即麦克风电平(简称MIC Level)和线路电平。讨论电压电平之前，需要定义一下各种与音频有关的度量单位，不过，音频行业通用的度量方法至少有五种，分别列举如下: a、正负峰电压(V,pk-pk); b、有效电压(V,rms) c、毫瓦分贝(与某一电阻有关); d、伏特分贝; e、dBµ 由于这些度量单位都只是得出用不同数值表示的结果，它们都是衡量音频电压电平的简单衡量方法。这与用英里或千米表示的距离有关，2英里等于3.2千米。IFS已经将作为音频电压电平度量单位的伏特、峰流量进行了标准化。 为便于查询，下表列出了一些音频电压电平的度量单位，请注意，我们将dBm列在了600欧姆电阻一栏。如果采用的电阻不是600欧姆，将会显示不同的数值。只有电阻是600欧姆时，dBm和dBµ才得出相同的结果。灰色覆盖的行里的音频电压电平是可以用于IFS的音频产品的 83 电压电平。 伏特(峰流伏特(dBm)电阻伏特 伏特(rms) 伏特(dBµ) 量) (欧姆) (dBV) 0.00 0.00 N/A N/A N/A 0.10 0.28 -17.78 -20.00 -17.78 0.20 0.57 -11.76 -13.98 -11.76 0.30 0.85 -8.24 -10.46 -8.24 0.40 1.13 -5.74 -7.96 -5.74 0.50 1.41 -3.80 -6.02 -3.80 0.60 1.70 -2.22 -4.44 -2.22 0.70 1.98 -0.88 -3.10 -0.88 0.80 2.26 0.28 -1.94 0.28 0.90 2.55 1.30 -0.92 1.30 1.00 2.83 2.22 0.00 2.22 a、麦克风电平音频:用正负峰微电压(pk-pk)表示麦克风产品的低电压。麦克风电平音频难以传输到较远的距离，而且容易受电磁干扰EMI/射频干扰RFI噪音的影响; b、线路电平音频:麦克风电平音频通过前置放大器后的音频电压电平。线路电平电压的范围很广，可以从峰流量数十毫伏延伸到正负峰电压25伏或更多。 84 3.输入/输出阻抗:在一个交流电系统中，阻抗指的是阻止电流通过的总的抵抗力。电阻并不只是简单的电阻，电阻只是衡量电子的运动对抗系统的程度。在交流电系统如音频系统中，也必须考虑到另外一种参数电抗。电抗可以是电容性或电感性的，而且只是对交流电子控制系统储存和释放能量的范围的量度。阻抗是电阻和电抗的合称。 设计音频系统时，它会被设计成在一定的阻抗时能够支持一定范围的音频输入电压电平。系统的输出也同样会被设计成将一定的音频电压电平加入特定的负载。无论哪种情况，如果阻抗与预期的设计参数相差较大，系统将不能按照预期的情况正常运行。 4.平衡与不平衡:系统设计中的两种基本技术 a、不平衡(单端输出音频):定义单接地时的音频电压电平; b、平衡(微分音频):通过度量两条低频线路的电压差，定义音频电平，两条低频线路相互之间有180?的相位差; 采用平衡电平音频设计的优点在于，由于共模噪声的排斥，可以增强信号品质。可能进入铜缆的任何电子噪声，都同样会被两根金属丝检测出来。由于两条音频线路的电压差是决定音频电平的唯一参数，而且产生在两根金属丝上的噪声是均衡的，电压差必须保持稳定，且对音频电平影响最小。同样产生于各金属丝(或模)上的噪声都会受到排斥。 5.音频调制技术 85 在音频的光纤传输中，通常采用以下几种传输技术: , 调频; , 数位编码 调频 调频是载波通过音频信号的密度来线形调节载波的一种调制技术。调频传输设备可采用多模和单模光纤，而且与调幅音频系统相比，在传输距离方面有更好的性能。 数位编码 最新一代的高性能光纤音频传输设备采用了数字技术。 数位编码将输入的线路电平音频信号，通过采用管线收发器内置的编解码器，将模拟信号转换成数字信号。然后数字信号以光学的形式传输到光纤接收器，并由另一个内置的便解码器转换成对称线路电平音频信号。与模拟传输不同的是，数位编码音频传输的优势在于性能稳86 定、可预测，而且在整个网络上始终可以重复。 视频传输的标准应用 在将音频信号从麦克风传输到扬声器的标准应用方面，IFS可提供一系列的调频及数位解码光纤收发器。上例(P105图)及采用了IFS AT1000和AR1000，同向传输一个音频通道。 建议使用的设备: 光纤类型 发射器 接收器 最大传输距离 多模光纤 AT1000 AR1000 2.8英里(4.5千 米) 单模光纤 AT1025 AR1030 30英里(49千米) 需要考虑以下几点: , IFS音频设备仅支持线路电平音频，其中有些产品支持平衡电路， 而另外一些产品仅支持平衡或补平衡电路。检查一下你的音频设 备的信号输出，看它是否有你打算使用的IFS光纤音频发射器兼 87 容; , IFS音频设备没有内置的前置放大器，如果你要求使用一个麦克风 作为声源，需要在麦克风和发射器之间安装一个前置放大器(参考 P105图); , IFS音频设备对那些需要通过麦克风线供电的麦克风，不具备虚拟 供电功能; 多音频信号应用 前面我们已经讨论了采用多路复用器来优化、扩展和集成单根光纤多 路系统的方法，这里我们不再涉及多路复用产品。如果你需要与多路复用产品有关的 资料，请查阅本设计指南“高级系统设计理念”部分。尽管那里是用视频多用复用器来讲述多路复用技术的，这种技术也可以应用于视频信号的多路复用。 音频自愈环式应急广播系统(EBS) 本例中，需要一个可以支持应急广播系统远程传播的光纤系统，接收 88 主机发出的警报信号，并将其由环形网络传输到将被广播的远程节点。使用IFS A2300SHR,当有一根光纤断开时，将为音频信号在故障附近重新选择路径，避免任何一个节点与网络的其他部分相隔离。每个节点将能继续从主机上接收音频信号，而且传输也不会受到阻碍。这种应用尤其适用于校园环境，这里公告将被传播到系统的各个节点，而不会因光纤断开而造成通讯失败。 建议使用的设备: 光纤类型 发射端机 接收端机 最大传输距离 多模光纤 A2300SHR A2300SHR 2.8英里(4.5千 米) 单模光纤 A2325SHR A2325SHR 30英里(49千米) 需要考虑以下几点: , 如果说网络可靠性是一个关键，自愈环式结构是最可靠、容错性 最强的系统。 内部音频通讯系统 内部通讯系统包含标准的对讲式或电话式设备。有些电话式内部通讯系统的设计采用模拟POTS(老式简易电话系统)技术。通常，所有的这些系统都是要求其他信号的双缆音频系统。以上所指的其他信号包 89 括数据信号、接合闭点、各传播方向的不同音频电平及混合直流电压电平，这里仅仅列举几种。 而在内部通信行业并没有一个标准，因此，内部通信产品不可能有真正的光纤调制解调器，光纤调制解调器设计和生产必须与特定的内部通信产品兼容。甚至一个内部通信产品厂家的产品线内部的不同产品也需要不同的光纤调制解调器。 事实上，内部通讯光纤调制解调器的特性，也简化了选择正确的光纤调制解调器的程序。另一方面，如果找到光纤调制解调器的货源前，明确内部通信的要求，也会使工程复杂化。如果内部通信系统所需的光纤调制解调器并没有任何厂家生产，就使得集成商到最后时刻仍然 不能确定是应该试图寻找一个并不存在的光纤调制解调器，还是应该采用不同型号或品牌的产品。 一般情况下，一个很好的经验法则是，设计出能够采用铜缆的光纤系统。一旦完成系统集成，把铜缆换成光纤和光纤调制解调器将会变得非常简单。而采用光纤的内部通信系统则是一个例外。首先需要确定所需的调制解调器是否存在，然后再明确内部通信系统的要求。 Aiphone LEM/LEF内部通讯系统 90 建议使用的设备: 光纤类型 发射端机 接收端机 最大传输距离 多模光纤 VIC5211M VIC5211R 2.5英里(4千米) 单模光纤 N/A N/A N/A 需要考虑以下几点: , 与LED系列分站同时使用时，IFS VIC5211系列内部通讯系统同 Airphone LEM、LEF和NEM设备完全兼容。通常它们与其他任何 Aiphone产品或内部通讯厂商的产品都不兼容。 按键电话扩展 音频传输的另一种类型是普通电话或2路音频通信工具的扩展，以及扩展电话公司到手机的传输距离。 现在，扩展模拟POTS(简易老式电话)的传输能力，及用一根或两根光纤的24伏PBX(专用分组交换机)音频系统的远程传输能力，是可能的，而且仍然支持电话公司提供的很多服务，如呼叫识别、调用等待和三方呼叫等。 91 建议使用的设备: 光纤类型 发射端机 接收端机 最大传输距离 多模光纤 TT2010 TR2010 2英里(3.5千米) 单模光纤 TT2030WDM TR2030WDM 41英里(66千米) 需要考虑以下几点: , 用户可选的48伏和24伏系统可用于模拟POTS或PBX系统; , 最大支持90伏环形电压; , 据经验判断，如果光纤长度超过1000英尺，与双光纤设计方法相 比，单光纤设计的成本更低(采用WDM技术)。 音频的其他应用: 这里举出的只是一些最常见的单光纤音频应用方法，不过这些只是一些简单的例子。IFS能够提供整个全系列应用单模及多模光纤的音频传输产品。另外，IFS的很多音频产品可支持单光纤或双光纤数据传输、视频传输或三种传输的组合等附加功能。 要查阅IFS的全部音频产品，请参照IFS最新产品目录。 92 第七部分 电缆的安装及测试 电缆的作用是保护光纤。在不同的结构中都要用到光纤电缆，而其性能取决于光纤的数量、长度及安装环境。选择合适的光纤电缆是设计成功的关键，这将影响到安装、终端连接及焊接的难易程度。 电缆线路的构成 本部分将集中讲解建设一个理想的光纤系统的基本布线设计理念。另外，也会设计基本的安装、测试及维护方法，以确保按要求安装布线 设备。这些基本原理可以帮你开发系统设计评估能力，及形成正确的系统理念。 , 电缆:作用是保护光纤，它是所有布线设备的核心。光纤电缆用 于各种室内及室外配置。 , 连接器:用来将光纤连接到传输设备及插线面板，连接器有很多 种，用于各种终端系统。 , 焊接:用于维修光纤和/或连接两根光纤，以将损失降到最小，焊 接可以是熔解式或机械式。 , 插线面板:增强系统的适应性，用于移动、增加或改变布线设备。 93 选择合适的电缆 作为设计人员，你要选择适合安装环境的电缆构造。 光纤电缆的类型主要有两种，中心束管式电缆用于室内环境，松套层绞电缆用于户外环境。 所有的电缆都有一些共同的特征。用于为室内环境设计的电缆光纤有密封缓存镀层，以增加电缆的张力，起到保护作用并减缓终端压力。户外用的电缆被设计成与松套层绞光纤电缆一起使用，电缆内填充有防水胶体，以防止进水。 另外，光纤电缆有几种类型的加强件，比如，聚芳基酰胺线，如杜邦公司生产的凯夫拉尔光纤，在拉线时能增加电缆的强度。随着电缆长 度的增加，可以加入更多的结实的强力构件如玻璃纤维或钢条，使强度更高。 室内电缆 在建筑物内安装的电缆不需要防止光纤受严寒气候的袭击，因为它们会被安装在一个可控的环境中。不过，电缆的铺设必须符合消防规范，如美国国家电气规程规定的消防规范或当地的城市消防条例。 最常用的室内电缆铺设有以下三种: , 单工/双工; , 分支; 94 , 主干光缆 单工/双工电缆 单工电缆是与单根光纤同时使用，这种光纤有一个紧紧积压在光纤上的PVC缓冲器。这种电缆也采用凯夫拉尔光纤强力构件，而且有一个PVC套，其标准直径为3毫米(1/8英尺)。双工设计只是以双芯光缆的形式简单地使用两根单工电缆，这种电缆主要用于转接线及一些短程传输应用。 分支光缆 分支光缆主要由两个或两个以上的单工光缆子单元组成并护套，光缆子单元能从主缆中分出，到达不同的光纤，每种光线都有自己的分套。这种光缆能够更好地保护光纤，并能减缓终端压力。这种类型的光缆主要用于高压环境，而且当光纤数量较少及距离不远时，比较经济。不过当光纤数量较多时，由于每根光纤都有它自己的分套，分支电缆的成本就会增加。 主干光缆: 95 主干光缆包含有独立的没有内护套层的缓冲光纤。这考虑到了更小的光缆尺寸，以便每个光纤能够直接被终止。它是用于室内光缆安装的目前最为流行的方式。尽管如此，因各光纤没有各自独立的内护套层，这些光纤需要用一个终端盒分开来，也可用在配电板或分配板内终止。这种光缆亦可用于高压环境。 室外光缆 室外安装的光缆，即是用熟知的室外安装法，可能是装在粗陋儿不加保护的环境中，比如直接埋于地下，填置于管道中，在楼宇之间如电线般连接。;类似环境下的光缆安装需要额外考虑到其他因素， 诸如机械应力，温度变化，湿度和紫外辐射。 松管层绞电缆 这种电缆安装根据同在小塑料管内的一个或几个光纤来设计。它典型地适合这样的户外环境:在通常有一个钢或者玻璃环氧材料中心加强件，有时另加芳香族尼龙材料加强件以适合更大压力的情况下， 光缆可长距离伸展。 这些光纤松散地安置于多个小管内，每个管(tube)都用一个水封凝96 胶体填满。这顾及到了当保持光缆总直径小，使它成为能在管道所经之处通常到处是水的户外地下环境下的理想选择。 松管层绞电缆也可在用厚甲包被后直接埋于地下使用，也可以连一信使线在空中连接使用。 NEC代码 光纤电缆适用国家电子代码(National Electrical Code,NEC) 的770条款.NEC推荐专业设计人员使用最新的代码簿，并能接受关于每个代码可允许做什么的指导。 值得注意的是，NEC代码簿是全国性的，而各个地方有权使用更严格的标准超越它。在某些如高压管道和槽盘内的环境下设定光纤 前，首先进行当地规则检测以便知晓在他们的权限下允许做什么，不允许做什么。 光缆等级(rating)和标记 所有的光缆必须携带根据每个NEC770条款的身份鉴定和等级。没有标记的光缆永不会安装，因为他们不能通过检测。 这些等级如下: OFN光纤非传导性 OFC光纤传导性 适合垂直走向的OFNR或OFCR更高级光缆 适合空气调节高压的安装的OFNP或OFCP高压级光缆 97 OFN-LS低烟雾密度 770条款中的重要部分: (770-50)非NEC列出的光缆从建筑物出口的长限为50英尺; (770-5)只有非传导性光纤才被允许用于raceway(水沟,) (770-52)只有非传导性光纤才被允许用在600伏的tray(盘，碟) 基于每个250条款(Grounding per Article 250) 光缆安装设计的注意事项 在展开光缆安装设计时，有几点需要专业设计人员务必牢记心头。 下面几项可能是你在自己的设计规范里要考虑到的。 光缆长度 设计一个系统时，总有些问题不期而遇。光缆被损坏或者切断，你的客户可能想做些对这个系统的移动、增删或其他改变。增加额外的光缆使你在遇到这些出乎预料的事情时受益良多。光缆断了却发现没有足够的剩余线可以用来补充维修整个系统，你肯定不想这样。仅需要一个连接口的光缆断裂将要求额外长度的光缆和两个连接口去修复一个断裂口，增加了本来用于设计的不必要的额外损坏。 一直增加光缆长度，以便工程技术人员能动用这些长度宽裕的光缆从而迅速轻易地恢复系统运行。 98 经验法则:考虑多使用30--40英尺的光缆，以便用最小量的接口修复光缆并做到设备的重新布置。 光纤用量: 当设计一定用量的光纤时，提前计划好将来扩容和传输容量总对一个工程实践大有裨益。 没有一个死规则。尽管这样，按经验来说设计师应多用比需要量多50%的光纤。为把握更大保险，你可以使用达需要量两倍的光纤量。 让我们回顾如何考虑使用多量的光纤。假设你有一个需要两个光 纤的带PTZ控制设备的CCTV。尽管双光纤光缆能搞定它的本职工作，但如果你的客户稍后来想增加一个接入控制器或者对讲机系统，你怎么办,有技术可以让你把单光纤上不止一个信号连接起来，如我们早些讨论的第三部分，高级系统设计概念;尽管这样，将设计多使用些富余光纤能更容易地满足要求。 经验之谈:确认满足当前设计所需的光纤量。再确定用户对将来系统的改变和扩容的计划。把现实需要和远景需要相加，然后将这个数增加50%作为一个缓冲。 一旦客户看到使用光纤的优越之处，他们将会更多地利用这种系 99 统。 最大拉应力 对光纤的误解之一是光纤很脆弱易折断。光纤光缆的生产商们在过去数年里对发展改进粗糙的光纤取得了很大的进步并且能提供优良的光纤保护手段。 大多数单芯和双芯光缆有大约77--154磅的拉应力，而典型的多芯光缆有可达600磅的拉应力。 当拉光纤时要遵循一些规则，比如以下: 不要超过最大拉伸应力或光缆的加载力量级别; 在光缆上施加扭曲力会压迫光纤。要一直从斜拉孔中拉伸电缆，因为拉力会导致扭曲力施加在光纤上。 总是把光缆从线轴上滚动开来，而不是从线轴结尾处旋转它。这会在每个弯头处的光缆上的扭曲力施加在线轴上。如果你要用长长的拉力铺开光缆，采用8字形将光缆放在地上以阻止其扭曲(8字形会在 8的半侧施加一半的扭曲力，在另一侧拿起它不让他扭曲) 在长程铺展时(On long runs)，使用合适的润滑油，确信它们和光缆外护套兼容。 100 将电缆拉紧时，要使用中心拉力技术。进入光缆中部，把光缆从卷轴半路拉开，然后从卷轴处松开电缆，并拿起另一端往另一个方向拉伸。如果可能，可使用可控制张力的自动拉线器。 拉伸技术: 不要直接拉光纤。用聚芳香族尼龙纱线或者玻璃钢中心加固件作为附着点。任何其他拉伸光纤的方法只会给光纤不适当的应力，导致安装时光纤破裂。不要拉外套层，除非光纤生产商特意说明可以这样做和你使用经许可的方法。 附着点 中心元件 凯夫拉尔—拉孔 拉伸套—受光纤生产商许可 机械拉力 监视器 最小弯曲半径 要记住的重要一点是，不要超过光缆的最小弯曲半径。事实上当被拉直时光纤有着比钢还要强的耐拉力，尽管如此，在弯曲半径变得太小时它仍然容易折断。 101 安装过程中负载力的光缆受更易危机的弯曲半径，故有两条关于弯曲半径的准则。不要超过最小弯曲半径，否则你将增加外光缆的衰减，甚至更坏的是，永久性地破坏光缆的一部分和内部的光纤。 在光缆被拉伸好后，就是说在光缆盘里，应力舒缓下来，接着弯曲紧固到生产商设定的误加载力情况下的规格状态。 典型的最小弯曲半径准则 负载-短期(安装) 无负载-长期 紧固缓冲器 负载-15X 光缆外半径(OD) 无负载-10X 光缆外半径 松管(loose tube) 负载-20X 光缆外半径 无负载-15X 光缆外半径 电缆沟及内部管道的使用 在没有线路的环境中布线时，通常把电缆埋起来或装在电缆沟里以起保护作用。在不同的环境中，采用正确的线路铺设方法是很关键的。 102 采购电缆时可同时购买充气式护套，不过，很多情况下要求将电缆安装在内部管道中。采用内部管道可以加速安装过程，有时也可降低成本，因为购买时已经安装了牵引线。它通常是明亮的黄色，并且能够很容易识别光纤。这种管道能提供额外的保护功能，而且以后可以安装其他的电缆，而不需要传统的捆绑即产生摩擦，而将新的电缆装入已经安装了电缆的电缆沟时，很容易发生摩擦。 引线盒 以90度弯曲拉一根铜缆或光缆，与将一根电缆拉到384英尺长，具有同等的意义。因此，需要特别注意保护光纤，并在安装的过程中尽量 减少将电缆拉断的机率。 经验法则:至少在每两个90度弯曲的地方放一个引线盒，而且要在安装时用手帮助电缆穿过引线盒，从而使电缆的损坏降到最低。 垂直拉升电缆 作用在光纤电缆上的压力会引起更大的光衰减，且可能引起光纤的损坏。 经验法则: 当垂直安装电缆时，至少要在每两层楼高度时对电缆采取保护措施，以阻止电缆重量的增加，并防止电缆的损坏。 布线所需硬件 103 各家厂商生产的硬件各种各样，这里就不一一介绍了，不过，我们在这里会涉及几种最常用的基本部件。如果能收集到不同的硬件厂商及代理商的产品目录，并察看所能用到的部件，是一个很好的方法。 连接器 • 光功率损耗 • 可重复性/可靠性 • 安装的简易程度 • 安装套件/单位成本 • 市场趋势 接续 接续是将两根光纤连接在一起的方法，在较长的电缆敷设路径中需要 对电缆进行接续。维修系统过程中使系统尽快恢复运行时，接续也是 非常重要的。 两种类型 • 熔解接续 • 机械接续 接续注意事项 • 设备成本/接续部件成本 • 每项接续工作/培训/人工成本 104 • 工程/规格要求 • 可靠性 所需其他硬件 拼接盘 • 转换点(室外/室内) 插线面板 • 焊补、测试监测及恢复服务的中心位置 配电盘 • 连接拼接和焊补功能 存储柜 • 控制额外电缆松弛 接头套管 • 周围密封以保护接合点。检查一下建筑物，选择放置这一硬件的位置，并选择适合这一位置的终端转接盒或插线面板。如果可能，选择锁着的门后有连接线的面板，因为最大的问题是人们在通讯室里会将连接线器后面搞坏。光纤不需要维护和检查，只要将其锁起来就可以了，只能在你需要移动什么东西的时候才将锁打开。 检测设备 用于检测光纤系统的设备有很多种，功率表和OTDR是两种主要设备。设计时需要提供对系统所有光纤的测试结果，不管光纤是新的还是已有的。功率表能对光线的测试提供端对端的光程损耗的总体读 105 数，而且能够与在设计的早期阶段测出的光程损耗进行比较。 功率表需要考虑的事项 • 总体测试端对端损耗 • 不能指出问题所在 • 与多模光纤同时使用时为850/1300纳米 • 与单模光纤使用时为1300/1550纳米 • 比OTDR设备的成本低 OTDR能对系统的各个部分得出更精确的测试结果，但与功率表相比，其成本较高。 OTDR • 即光时域反射计，能对光纤性能提供图解表示法。这种设备适用于 确定光纤的长度，并在显示光缆护套没有断点时，能够确定光纤断点的位置。 不管哪种测试设备，只是提供基本的光纤合格测试，不过，在高端系统测试中，可能要求用 系统测试 为保证系统的无故障安装、长期的可靠性及优越的性能，任何光纤系统都要进行三种基本的测试。 电缆合格性检测—安装电缆前，建议用OTDR进行测试，这样能确定电缆的长度及其性能特性。另外，任何光线内部的损坏都能在安装电缆前发现光线的被发现。所有的测试结果都要编成文件，以备查阅。 106 端对端损耗检测—安装电缆后，要用功率表或OTDR对光纤进行全面的端对端的检测。这种测试应该对要检测的光纤采用两种波长分别测试，以保证系统使用多种波长的设备如WDM时有较好的性能。 系统性能检测—连接到光纤传输设备后，应该用一个功率表检测光纤发射机的输出功率及接收端机的输入功率，以确保符合设计规格。所有测试结果都要载入文件，以便查阅。 注意:使用激光时不要看光缆的末端部分，随时有可能伤到眼睛 系统文件编制 系统安装和维护的最重要的一点是合理地编制文件。要求安装工程师对系统中使用的每根光纤编制文件。要对三种有关电缆线路性能的测 试适当地编制文件，分别是: , 端对端损耗测试 , 焊接损耗记录 , OTDR合格性测试 系统维护 以下资料可作为系统维护时检测设备和实施计划的文件编制指导。 , 编制文件 • 初始电缆测试结果 • 电缆布线记录 , 检测设备 107 • 功率表 • 初始光衰减以将故障隔离 , 光时域反射计(OTDR) • 找出电缆线路的确切故障所在 , 故障消除计划 • 起草故障隔离计划 • 使用已经编制的文件 系统恢复计划 建议采用以下四个步骤排除系统故障并使其尽快恢复正常运行，这只是一些基本步骤，建议每个安装工程师基于其公司经历、技巧及现有 设备，做出自己的系统恢复计划。 , 运行轨迹特征 , 与安装时记录的原始轨迹做对比 避免服务中断 70%的光纤问题是由于连接/焊接不好或者是电缆故障: , 保证正确的连接及清洁; , 检查系统按线电缆电路; , 检查系统按线电缆保护 1(功率表检测; , 将电缆从发射端机和接收端机接到面板上 108 2(测量接收到的功率电平 , 合格——检测发射端机 , 过低——检测所有的按线电缆 3(测量传输设备输出功率 , 合格——电缆损耗过多 , 过低——检查按线电缆和传输设备 4(用光时域反射计(OTDR)进行测试 需要注意的安全问题: , 分解光缆、连接终端及焊接光缆时要带上护眼罩; , 使用激光时不要看光缆的末端部分，随时有可能伤到眼睛; , 刮擦所有的光纤时要适当地处理，光纤碎片很难清除; , 连接中断及焊接光缆时严格按照说明，正确操作。 最后的建议 本设计指南的这一部分包括了光纤布线及测试方面的基本资料，由于IFS是一个光纤传输设备制造商，我们不太可能在这一部分对涉及到电缆线路的所有资料做出非常详细的分析的描述。 当你在设计时需要确定所需光纤电缆时，最好联系两到三家厂商或代理，并告诉他们你的需求。他们会对你的需求及应用环境做出评估，并帮你选择适合你的安装环境的电缆。 109 第八部分 系统设计评审 系统描述: 系统应用: ________________________________________________________ 信号类型: ________________________________________________________ 性能需求: ________________________________________________________ 系统总性能: 信噪比________________________误码率 _____________________ 电缆数量: 110 ________________________________________________________ 传输距离: ________________________________________________________ 光纤的选择: 光纤数量: ________________________________________________________ 光纤类型: _____________________________________________________ ___ 工作波长: ________________________________________________________ 光衰减: ____________________分贝/千米 _______________________端对端 带宽/离差: ________________________________________________________ 光缆的选择: 光缆配置: 111 ________________________________________________________ 连接器: ________________________________________________________ 布局技术: ________________________________________________________ 链路损耗预算: 最大链路损耗: _____________________________________________________ ___ 预测链路损耗: ________________________________________________________ 链路容限: ________________________________________________________ 带宽/离差: ________________________________________________________ 最大数据传输速率: 112 _______________________________________________________ 最大传输距离: _______________________________________________________ 链路描述 物理/环境要求: 系统配置: 系统电缆总长:_______________________________英尺; ____________________千米 系统拓扑图: 点对点拓扑 ____________________________环形拓扑 ___________________ 一级星形拓扑 ____________________________二级星形拓 扑________________ 总线型拓扑 ____________________________ 无源星形拓扑 ____________________________网状拓扑 ___________________ 光纤数量/长度 (千米_____________英尺________英里) 连接到 /从„„连接 113 (1) _______________/_______________________ /_________________ (2) _______________/_______________________ /_________________ (3) _______________/_______________________ /_________________ (4) _______________/_______________________ /_________________ (5) _______________/_______________________ /_________________ (6) _______________/_______________________ /_________________ 画出建议采用的物理结构的草图 光纤的选择 光纤数量:单模光纤__________多模光纤___________ 光纤类型: 单模 9/125微米 多模 50/125微米 62.6/125微米 100/140微米 114 特殊光纤 200/230 GI-POF 工作波长: 单模 1210纳米 多模 850纳米 1550纳米 1300纳米 1310/1550纳米 850/1300纳米 670纳米 光衰减 1310纳米______________分贝/千米 850纳米____________分贝/千米 1550纳米______________分贝/千米1300纳米____________ 分贝/千米 1625纳米______________分贝/千米 670纳米____________ 分贝/千米 光色散 1310纳米______________每秒/纳米/千米 1550纳米______________每秒/纳米/千米 1625纳米______________每秒/纳米/千米 倾斜 ______________纳米2-千米 零度色散______________纳米? __________纳米 截止波长______________纳米? __________纳米 带宽: 115 670纳米 ______________兆赫-千米 850纳米 ______________兆赫-千米 1300纳米______________兆赫-千米 多模光纤损耗预算工作表 光纤类型:多模_____________________ 核心/覆层: _________________________ 工作波长:_________________________ 1. 工作要求: 850纳米 <<<<<波长>>>>> 1300纳米 2(TX减去RX 传输功率 接收端机敏感度 光功率预算 3(在电缆线路中加入损耗 千米电缆(分贝/千米 @ 纳米) 接合度 @ 分贝每 插线插板(2每插板@ 分贝 116 每) 光程损耗 4。检查安全容限 光功率预算 光程损耗 超额容限(安全容限) 单模光纤损耗预算工作表 光纤类型:多模_____________________ 核心/覆层: _________________________ 工作波长:_________________________ 1. 工作要求: 1310纳米 <<<<<波长>>>>> 1550纳米 2(TX减去RX 传输功率 接收端机敏感度 光功率预算 117 3(在电缆线路中加入损耗 千米电缆(分贝/千米 @ 纳米) 接合度 @ 分贝每 插线插板(2每插板@ 分贝 每) 光程损耗 4。检查安全容限 光功率预算 光程损耗 超额容限(安全容限) 可选电缆 松套层绞电缆___________________ ? 束管电缆 _____________毫米 主干电缆 _____________________ ? 束管尺寸_____________微米 分支电缆 _____________________ ? 次级单位 _____________毫米 合成电缆 _____________________ ? 铜对 _____________规格 118 特殊电缆 ____________________________________________________ 绝缘中心件 ____________ 钢中心件 ____________ 充有凝胶的 ____________ 未充凝胶的 ____________ POWDER Tape 最大负荷: 列表/美国国家电器规程 _____________依次标记 米制 长度 单层护套 ______________ 材料 双层护套 ______________ 材料 三层护套 ______________ 材料 119