一文詳解Profinet光纖電纜

1.1 普通電纜與光纖傳輸方式比較

普通電纜由于線材本身特性的問題，使得傳輸距離受到限制，在充斥著電磁波的使用環(huán)境中，電磁波的干擾更使普通電纜傳輸?shù)男式档?，若安裝地點(diǎn)位于多雷區(qū)，兩端設(shè)備還會(huì)因雷擊遭到破壞。

1.2 光纖傳輸?shù)奶攸c(diǎn)

1.2.1 傳輸損耗低

損耗是傳輸介質(zhì)的重要特性，它只決定了傳輸信號(hào)所需中繼的距離。光纖作為光信號(hào)的傳輸介質(zhì)具有低損耗的特點(diǎn)。如使用62.5/125μm的多模光纖，850nm波長的衰減約為3.0dB/km、1300nm波長更低，約為1.0ddB/km。如果使用9/25μm單模光纖，1300nm波長的衰減僅為0.4dB/km、1550nm波長衰減為0.3dB/km，所以一般的激光光源可傳輸15至20km。目前已經(jīng)出現(xiàn)傳輸100公里的產(chǎn)品。

1.2.2 傳輸頻帶寬

光纖的頻寬可達(dá)1GHz以上。一般圖像的帶寬為6MHz左右，所以用一芯光纖傳輸一個(gè)通道的圖像綽綽有余。光纖高頻寬的好處不僅僅可以同時(shí)傳輸多通道圖像，還可以傳輸語音、控制信號(hào)或節(jié)點(diǎn)信號(hào)，有的甚至可以用一芯光纖通過特殊的光纖被動(dòng)元件達(dá)到雙向傳輸功能。

1.2.3 抗干擾性強(qiáng)

光纖傳輸中的載波是光波，它是頻率極高的電磁波，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般電波通訊所使用的頻率，所以不受干擾，尤其是強(qiáng)電干擾。同時(shí)由于光波受束于光纖之內(nèi)，因此無輻射、對(duì)環(huán)境無污染，傳送信號(hào)無泄露，保密性強(qiáng)。

1.2.4 安全性能高

光纖采用的玻璃材質(zhì)，不導(dǎo)電，防雷擊；光纖傳輸不像傳統(tǒng)電路因短路或接觸不良而產(chǎn)生火花，因此在易燃易爆場(chǎng)合下特別適用。光纖無法像電纜一樣進(jìn)行竊聽，一旦光纜遭到破壞馬上就會(huì)發(fā)現(xiàn)，因此安全性更強(qiáng)。

1.2.5 重量輕，機(jī)械性能好

光纖細(xì)小如絲，重量相當(dāng)輕，即使是多芯光纜，重量也不會(huì)因?yàn)樾緮?shù)增加而成倍增長，而電纜的重量一般都與外徑成正比。

1.3 光纖結(jié)構(gòu)

典型光纖結(jié)構(gòu)包括五部分：

· 纖芯

· 覆層

· 緩沖層

· 加強(qiáng)材料

· 外套

1. 纖芯是光纖中心供光傳輸?shù)牟糠?，所有光信?hào)都通過纖芯傳送

2. 圍繞纖芯的部分是覆層，穿過光纖纖芯的光線在纖芯與覆層的交界處反射回纖芯，從而保證光線延纖芯傳播。

3. 圍繞覆層的是緩沖層，通常是塑料，用來保護(hù)纖芯和覆層不受破壞。

4. 圍繞緩沖層的是加強(qiáng)材料，保護(hù)光纜在安裝時(shí)不被拉壞。所用的材料通常是Kevlar, 與防彈背心的材料相同。

5. 最后一部分是線纜外面的外套，用來保護(hù)光纖不被磨損、溶解、或受到其它損害。外套根據(jù)線纜的用途而有所差別。

不同廠家，不同類型的光纖構(gòu)成有所不同。下圖是西門子玻璃光纖的構(gòu)成示意圖：

1.4光纖分類

1.4.1 按照光傳輸路徑分類

按照光傳輸路徑的不同類型，光纖分為多模光纖及單模光纖。

1. 多模光纖

相對(duì)于單模光纖來說，多模光纖允許在同一個(gè)纖芯里面同時(shí)傳送多種模式（路徑）的光。根據(jù)入射角度的不同，各種模式的光在光纖中實(shí)際經(jīng)過的距離可能不同。入射角的問題會(huì)使得不同模式的光到達(dá)目的地（線纜接收端）的時(shí)間略有差異—這種現(xiàn)象稱為模式色散。

由于從光纖中心通過的光線相比在光纖內(nèi)不斷反射傳遞的光線，所經(jīng)過的路線更短，所有光線無法同時(shí)到達(dá)光纖末端。光纖接收端的接收器會(huì)收到一個(gè)很長很模糊的脈沖。為此，多模光纖采用一種特殊的玻璃，稱為漸變折射率玻璃，其朝纖芯外緣方向的折射率更小。這種玻璃使得光在通過纖芯中心時(shí)速度放慢，通過纖芯中心以外的區(qū)域時(shí)速度加快，這就保證了所有模式的光能幾乎同時(shí)到達(dá)終點(diǎn)。這樣，光纖接收端的接收器會(huì)收到一個(gè)強(qiáng)閃的光。

多模光纖的纖芯較粗(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(shù)字信號(hào)的頻率，而且隨距離的增加會(huì)更加嚴(yán)重。例如：600MB*KM的光纖在2KM時(shí)則只有300MB的帶寬了。因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近，一般只有幾公里。

2. 單模光纖

單模光纖只允許在同一個(gè)纖芯里面同時(shí)傳送單一模式（路徑）的光。由于單模光纖纖芯直徑只有8-10μm，幾乎沒有空間供光線進(jìn)行來回反射。而且，單模光纖還是用非常匯聚的紅外激光作為光源。激光光源所產(chǎn)生的光線以90度進(jìn)入纖芯。因此，單模光纖中，承載數(shù)據(jù)的光線脈沖基本上是沿直線在纖芯中傳輸。這樣大大提高了數(shù)據(jù)傳送的速度和距離。

單模光纖中心玻璃芯很細(xì)(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(yuǎn)程通訊，但還存在著材料色散和波導(dǎo)色散，這樣單模光纖對(duì)光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。后來又發(fā)現(xiàn)在1.31μm波長處，單模光纖的材料色散和波導(dǎo)色散一為正、一為負(fù)，大小也正好相等。這就是說在1.31μm波長處，單模光纖的總色散為零。從光纖的損耗特性來看，1.31μm處正好是光纖的一個(gè)低損耗窗口。這樣，1.31μm波長區(qū)就成了光纖通信的一個(gè)很理想的工作窗口，也是現(xiàn)在實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的主要工作波段。1.31μm常規(guī)單模光纖的主要參數(shù)是由國際電信聯(lián)盟ITU－T在G652建議中確定的，因此這種光纖又稱G652光纖。

1.4.2 光纖根據(jù)材質(zhì)不同分類

光纖根據(jù)材質(zhì)不同分類，又分為POF（塑料）光纖， PCF光纖 ，玻璃光纖等。POF（塑料）光纖， PCF光纖對(duì)于工藝要求較低，現(xiàn)場(chǎng)施工難度小。玻璃光纖特別是單模玻璃光纖對(duì)于工藝要求非常高，現(xiàn)場(chǎng)施工難度大。

1.5 對(duì)于多模玻璃光纖，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇50／125μm光纖

在局域網(wǎng)發(fā)展的初期，光功率器件昂貴，網(wǎng)絡(luò)速度不高。而62.5μm芯徑多模光纖比50μm芯徑多模光纖芯徑大、數(shù)值孔徑高，能從LED光源耦合入更多的光功率，因此62.5／125μm多模光纖首先被美國采用為多家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。自1997年開始，局域網(wǎng)向1Gb／s發(fā)展，以LED作光源的62.5／125μm多模光纖幾百兆的帶寬顯然不能滿足要求。與62.5／125μm相比，50／125μm光纖數(shù)值孔徑和芯徑較小，帶寬比62.5／125μm光纖高，制作成本也可降低1／3。另一個(gè)原因是以前人們看中62.5μm芯徑多模光纖的優(yōu)點(diǎn)，隨技術(shù)的進(jìn)步已變得無關(guān)緊要。在八十年代初中期，LED光源的輸出功率低，發(fā)散角大，連接器損耗大，使用芯徑和數(shù)值孔徑大的光纖以使盡多光功率注入是必須考慮的。而當(dāng)時(shí)似乎沒人想到局域網(wǎng)速率可能會(huì)超過100Mbit／s，即多模光纖的帶寬性能并不突出?，F(xiàn)在由于LED輸出功率和發(fā)散角的改進(jìn)、連接器性能的提高，尤其是使用了VCSEL，光功率注入已不成問題。芯徑和數(shù)值孔徑已不再像以前那么重要，而10Gbit／s的傳輸速率成了主要矛盾，可以提供更高帶寬的50μm芯徑多模光纖則倍受青睞

關(guān)鍵點(diǎn)：

1. 50／125μm光纖的 modal bandwidth 在1300 nm時(shí)， ≥ 1200 MHz *km

2. 成本低

3. 光器件成本下降

4. 新安裝光纖網(wǎng)絡(luò)推薦

1.6 分貝概念

分貝（decibel）dB 分貝是以美國發(fā)明家亞歷山大·格雷厄姆·貝爾命名的，他因發(fā)明電話而聞名于世。因?yàn)樨悹柕膯挝惶致远荒艹浞钟脕砻枋鑫覀儗?duì)聲音的感覺，因此前面加了“分”字，代表十分之一。一貝爾等于十分貝。分貝的定義是聲源功率與基準(zhǔn)聲功率比值的對(duì)數(shù)乘以10的數(shù)值

在電信技術(shù)中一般都是選擇某一特定的功率為基準(zhǔn)，取另一個(gè)信號(hào)相對(duì)于這一基準(zhǔn)的比值的對(duì)數(shù)來表示信號(hào)功率傳輸變化情況，經(jīng)常是取以10為底的常用對(duì)數(shù)和以ｅ=2.718為底的自然對(duì)數(shù)來表示。其所取的相應(yīng)單位分別為貝爾（B）和奈培（Np）。貝爾（B）和奈培（Np）都是沒有量綱的對(duì)數(shù)計(jì)量單位。分貝（dB）的英文為decibel，它的詞冠來源于拉丁文decimus，意思是十分之一，decibel就是十分之一貝爾。分貝一詞于1924年首先被應(yīng)用到電話工程中。

我們知道，測(cè)量海拔高低的基準(zhǔn)點(diǎn)是位于青島的黃海水準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)量溫度高低的基準(zhǔn)點(diǎn)是純水在一個(gè)大氣壓時(shí)的結(jié)冰點(diǎn)，測(cè)量電信號(hào)（功率、電壓、電流）的基準(zhǔn)點(diǎn)就是本文前面提到的人為選擇的特定基準(zhǔn)，這個(gè)基準(zhǔn)我們暫且把它叫做“零電平”。這個(gè)特定的功率基準(zhǔn)就是取一毫瓦（mW）功率作為基準(zhǔn)值，這里要特別強(qiáng)調(diào)的是：這一毫瓦基準(zhǔn)值是在600歐姆（Ω）的電阻上耗散一毫瓦功率，此時(shí)電阻上的電壓有效值為0.775伏(V)，所流過的電流為1.291毫安（mA）。取作基準(zhǔn)值的1mW，0.707V，1.291mA分別稱為零電平功率，零電平電壓和零電平電流。（我們國家不采用電流電平測(cè)量基準(zhǔn)）。

利用功率關(guān)系所確定的電平可以稱為功率電平（需要計(jì)量的功率值和功率為一毫瓦的零電平功率比較），用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述就是：
Ｐm=10 lg(Ｐ/1)dBm
其中：Ｐm代表功率電平。Ｐ代表需要計(jì)量的絕對(duì)功率值，單位為毫瓦，零電平功率為一毫瓦。dBm表示以一毫瓦為基準(zhǔn)的功率電平的分貝值。不同的絕對(duì)功率值所對(duì)應(yīng)的以一毫瓦為基準(zhǔn)的功率電平值如下：絕對(duì)功率用dBm表示

1.7 衰減及模式帶寬

對(duì)于任意一種光纖，衰減及模式帶寬都是兩個(gè)非常重要的參數(shù)。

衰減： 當(dāng)光纖中傳輸某種模式的光信號(hào)時(shí)，其信號(hào)強(qiáng)度在不同介質(zhì)中與傳輸距離之間的關(guān)系。

模式帶寬：當(dāng)光纖中傳輸某種模式的光信號(hào)時(shí)，此信號(hào)的可以提供的通信帶寬。不嚴(yán)格地說：假設(shè)某光纖在傳輸850 nm的光信號(hào)時(shí)，其模式帶寬為600 MHz *km，當(dāng)距離為1km 時(shí)，其可以提供600 MHz 的帶寬，而當(dāng)傳輸距離為2 km 時(shí)，其提供的帶寬則變?yōu)?00 MHz。

上表中是某兩種不同型號(hào)的光纖特性的對(duì)比，從表中可看出：

當(dāng)多模光纖與單模光纖同樣使用1300nm波長的激光進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)，假設(shè)多模光纖傳輸距離變?yōu)?km, 此時(shí)的帶寬僅為100 MHz, 已經(jīng)難以使用。因此：對(duì)于多模光纖，通信距離的限制主要為模式帶寬

當(dāng)多模光纖與單模光纖同樣使用1300nm波長的激光進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)，假設(shè)單模光纖傳輸距離變?yōu)?km, 此時(shí)的帶寬仍為1000 MHz, 其模式帶寬足夠使用。因此：對(duì)于單模光纖 ，通信距離的限制主要為衰減

注意：對(duì)于光纖的使用者，一般都希望得到小衰減，高模式帶寬的光纖

1.8 西門子光纖收發(fā)設(shè)備重要參數(shù)

上表中包含了光纖收發(fā)設(shè)備的重要參數(shù)，解釋如下：

1. 可用光纖類型：此設(shè)備可以使用的光纖類型，不同設(shè)備支持的光纖類型不同，選型時(shí)務(wù)必注意。

2. 發(fā)送功率：此參數(shù)越大，說明發(fā)送功率越大。

3. 接收靈敏度：此參數(shù)越小，說明設(shè)備越靈敏。

4. 允許衰減：此參數(shù)受發(fā)送功率，接收靈敏度，系統(tǒng)保留衰減有關(guān)。

5. 傳輸距離：此參數(shù)由光纖衰減系數(shù)，及設(shè)備允許衰減計(jì)算而來。

2： 西門子光纖分類

西門子多模光纖根據(jù)材質(zhì)不同，又分為POF光纖， PCF光纖 ，玻璃光纖。

2.1 西門子POF（塑料）光纖

2.1.1 POF（塑料）光纖簡介

POF光纖 (Polymer Optical Fiber，聚合物光纖) ，由于其纖芯為聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) ，典型覆層為氟化合物，所以俗稱塑料光纖。PMMA光學(xué)特性好, 而且由于具有質(zhì)輕, 耐沖擊和容易成型加工等塑料性能的優(yōu)點(diǎn), 因而可替代無機(jī)玻璃, 在光學(xué)領(lǐng)域獲廣泛應(yīng)用。與玻璃光纖相比，塑料光纖易受高溫，化學(xué)物質(zhì)和溶劑的影響

2.1.2 主要用途

用于短距離現(xiàn)場(chǎng)通信，減少現(xiàn)場(chǎng)EMC問題，適合現(xiàn)場(chǎng)裝配，多用于西門子帶集成光纖接口的設(shè)備及簡單光電轉(zhuǎn)換模塊。

2.1.3 接頭制作

由于塑料光纖纖芯直徑較粗，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)裝配的要求較低，因此一般人員經(jīng)過簡單培訓(xùn)后即可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)接頭裝配。用戶可以參考附表中的介紹訂購相應(yīng)的工具及接頭。

2.2 西門子PCF光纖

2.2.1 PCF光纖簡介

PCF光纖 (Polymer Cladding Fiber，塑料包層光纖), 其纖芯為石英玻璃（二氧化硅），典型覆層為特殊化合物。所以俗稱塑料光纖。PMMA光學(xué)特性好, 而且由于具有質(zhì)輕, 耐沖擊和容易成型加工等塑料性能的優(yōu)點(diǎn), 因而可替代無機(jī)玻璃, 在光學(xué)領(lǐng)域獲廣泛應(yīng)用。

2.2.2 主要用途

用于短距離現(xiàn)場(chǎng)通信，減少現(xiàn)場(chǎng)EMC問題，適合現(xiàn)場(chǎng)裝配，多用于西門子帶集成光纖接口的設(shè)備及簡單光電轉(zhuǎn)換模塊。

2.2.3 接頭制作

由于PCF光纖纖芯(二氧化硅材質(zhì)) 直徑比塑料光纖要細(xì)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)裝配的要求稍微高一些，一般人員雖然經(jīng)過簡單培訓(xùn)后即可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)接頭裝配，但是其工藝水平的高低對(duì)光通信質(zhì)量的好壞影響較大。用戶可以參考附表中的介紹訂購相應(yīng)的工具及接頭。

2.3 西門子玻璃光纖

2.3.1 玻璃光纖簡介

玻璃光纖由一束非常細(xì)的玻璃纖維絲組成，光纜外部有一層護(hù)套保護(hù)。光纜的端部有各種尺寸和外形，并且澆注了堅(jiān)固的透明樹脂。檢測(cè)面經(jīng)過光學(xué)打磨，非常平滑。這道精心的打磨工藝能顯著提高光纖束之間的光耦合效率。

2.3.2 主要用途

用于長距離現(xiàn)場(chǎng)通信，減少現(xiàn)場(chǎng)EMC問題，不適合現(xiàn)場(chǎng)裝配，多用于西門子長距離光電轉(zhuǎn)換模塊及交換機(jī)。

2.4 影響玻璃光纖通信質(zhì)量的安裝因素：

在光纖合格的情況下，以下因素會(huì)影響光纖通信質(zhì)量：

玻璃光纖的熔接處同軸度

玻璃光纖的熔接處芯徑不匹配

玻璃光纖的熔接處質(zhì)量

接頭端面的平整度

光纖的彎曲及變形

接頭處的清潔度對(duì)光信號(hào)的損耗

接頭與通信模塊連接處的裝配精度

備注：其中的4-7項(xiàng)是對(duì)所有不同類型光纖進(jìn)行通信質(zhì)量評(píng)估時(shí)，都需要考慮的因素

審核編輯：湯梓紅