知识链接2 光纤、同轴电缆接入

看一看：认识光纤、同轴电缆

1.光纤

常见光纤及其内部结构如图1-13所示。常用的几种光纤接头如图1-14所示。

2.同轴电缆

常见同轴电缆及其内部结构如图1-15所示。常用的几种同轴电缆接头如图1-16所示。

学一学：光纤的定义、内部结构、分类和特点

1.光纤的定义

定义：光纤是光导纤维的简称，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。

2.光纤的内部结构

光纤的内部结构图如图1-17所示。

纤芯位于光纤中心，其直径2a为5～75μm，作用是传输光波；包层位于纤芯外层，其直径2b为100～150μm，作用是将光波限制在纤芯中。纤芯和包层即组成裸光纤，两者均采用高纯度二氧化硅（SiO2）制成，但为了使光波在纤芯中传送，应对材料进行不同掺杂，使包层材料折射率n2比纤芯材料折射率n1小，即光纤导光的条件是n1＞n2，如图1-18所示。

一次涂敷层（包层）是为了保护裸纤而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙酯或硅酮树脂层，其厚度一般为30～150μm。套层又称为二次涂敷、涂敷层或被覆层，多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龙等材料制成。经过二次涂敷的裸光纤称为光纤芯线。

3.光纤的分类

光纤的分类主要可从组成材料、折射率（一般指纤芯折射率）分布、传输模式方面进行归纳，现将各种分类举例如下。

1）按折射率分布划分

（1）阶跃型光纤：如图1-19所示，光纤纤芯的折射率n1和包层的折射率n2都为一常数，且n1＞n2，在纤芯和包层的交界面处折射率呈阶跃型变化，这种光纤称为阶跃型光纤，又称为均匀光纤，可用SI表示。

（2）渐变光纤：如图1-20所示，光纤纤芯的折射率n随着半径的增加而按一定规律减小，到纤芯与包层交界处为包层的折射率n2，即纤芯中折射率的变化呈近抛物线型，这种光纤称为渐变光纤，又称为非均匀光纤，可用GI表示。

2）按传输模式划分

（1）单模光纤：如图1-21（a）所示，当光纤的纤芯直径很小时，光纤只允许与光纤轴方向一致的光线通过，即只允许通过一个基模，这种只允许传输一种模式光的光纤就称为单模光纤。

（2）多模光纤：如图1-21（b）所示，在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤的纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可称为光的一个传输模式；当光纤的纤芯直径较大时，则在光纤的受光角内，可允许光波以多个特定的角度射入光纤端面，并在光纤中传播，此时就称光纤中有多个模式，这种能传输多个模式的光纤就称为多模光纤。

4.光纤的特点

1）频带宽

频带的宽窄代表传输容量的大小。载波的频率越高，可以传输的信号的频带宽度就越大。在VHF频段，载波频率为48.5～300MHz，带宽约为250MHz，只能传输27套电视和几十套调频广播。可见光的频率达100 000GHz，比VHF频段高出一百多万倍。尽管由于光纤对不同频率的光有不同的损耗，使频带宽度受到影响，但在最低损耗区的频带宽度也可达30 000GHz。目前单个光源的频带宽度只占了其中很小的一部分（多模光纤的频带宽度约为几百兆赫，好的单模光纤的频带宽度可达10GHz以上），采用先进的相干光通信可以在30000GHz范围内安排2000个光载波，进行波分复用，可以容纳上百万个频道。

2）损耗低

在由同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输800MHz信号时，每千米的损耗都在40dB以上。相比之下，光导纤维的损耗则要小得多，传输1.31μm的光，其每千米的损耗在0.35dB以下；若传输1.55μm的光，其每千米的损耗更小，可达0.2dB以下。这就比同轴电缆的功率损耗要少很多（为同轴电缆功率损耗的1亿分之一），使其能传输的距离要远得多。

此外，光纤传输损耗还有两个特点：一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线那样必须引入均衡器进行均衡；二是其损耗几乎不随温度而变，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。

3）质量轻

因为光纤非常细，单模光纤的纤芯直径一般为4～10μm，外径也只有125μm，加上防水层、加强筋、护套等，用4～48根光纤组成的光缆直径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径47mm要小得多，加上光纤是玻璃纤维，比重小，所以使得它具有直径小、质量轻的特点，其安装十分方便。

4）抗干扰能力强

因为光纤的基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，在其中传输的光信号不受电磁场的影响，故光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。也正因为如此，在光纤中传输的信号不易被窃听，因而利于保密。

5）保真度高

因为光纤传输一般不需要中继放大，所以不会因为放大引入新的非线性失真。只要激光器的线性好，就可高保真地传输电视信号，因此光纤传输系统的非线性失真指标远高于一般电缆干线系统的非线性失真指标。

6）工作性能可靠

我们知道，一个系统的可靠性与组成该系统的设备数量有关。设备越多，发生故障的机会越大。因为光纤系统包含的设备数量少（不像电缆系统那样需要几十个放大器），可靠性自然也就高，加上光纤设备的寿命都很长，无故障工作时间达50万～75万小时，其中寿命最短的光发射机中的激光器，其最低寿命也在10万小时以上，故一个设计良好、正确安装调试的光纤系统的工作性能是非常可靠的。

7）成本不断下降

目前，有人提出了新摩尔定律，也叫做光学定律（Optical Law）。该定律指出，光纤传输信息的带宽，每6个月增加1倍，而价格降低一半。光通信技术的发展，为Internet宽带技术的发展奠定了非常好的基础，这也为大型有线电视系统采用光纤传输方式扫清了最后一个障碍。由于制作光纤的材料（石英）来源十分丰富，随着技术的进步，成本还会进一步降低；而电缆所需的铜原料有限，价格会越来越高。显然，今后光纤传输将占绝对优势，成为建立全省乃至全国有线电视网的最主要的传输手段。

学一学：同轴电缆的定义、内部结构、分类和特点

1.同轴电缆的定义

同轴电缆是先由两根同轴心、相互绝缘的圆柱形金属导体构成基本单元（同轴对），再由单个或多个同轴对组成的电缆。

2.同轴电缆的内部结构

同轴电缆的内部结构图如图1-22所示，其内部只有一根用于传输信号的铜导线，在铜导线和外部保护套中间还有屏蔽层。不同的同轴电缆，屏蔽层不尽相同，如在基带同轴电缆中，屏蔽层通常都为铜制材料的网状，而宽带同轴电缆则使用铝质的冲压技术材料，这使得同轴电缆具有更高的屏蔽性能，其抗干扰能力也优于双绞线。

3.同轴电缆的分类

同轴电缆从用途上分可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆（即网络同轴电缆和视频同轴电缆）。按特性阻抗，同轴电缆分为50Ω基带电缆和75Ω宽带电缆两类。基带电缆又分为细同轴电缆和粗同轴电缆。基带电缆仅仅用于数字传输，其数据率可达10Mbps。

75Ω同轴电缆常用于CATV网，因此常称为CATV电缆，其传输带宽可达1GHz。目前常用CATV电缆的传输带宽为750MHz。50Ω同轴电缆主要用于基带信号传输，其传输带宽为1～20MHz，总线型以太网使用的就是50Ω同轴电缆。在以太网中，50Ω细同轴电缆的最大传输距离为185m，粗同轴电缆的最大传输距离可达1000m。

粗缆适用于比较大型的局部网络，它的标准距离长，可靠性高，且由于安装时不需要切断电缆，所以可以根据需要灵活调整计算机的入网位置，但粗缆网络必须安装收发器电缆，安装难度大，因此其总体造价高。相反，细缆的安装则比较简单，且其造价低，但由于在安装过程中要切断电缆，两头须装上基本网络连接头（BNC），然后接在T型连接器两端，所以当接头多时容易产生不良的隐患，这是目前运行中的以太网的最常见故障之一。

4.同轴电缆的特点

同轴电缆的优点是可以在相对长的无中继器的线路上支持高带宽通信，而其缺点也是显而易见的：一是体积大，细缆的直径就有3/8英寸粗，要占用电缆管道的大量空间；二是不能承受缠结、压力和严重的弯曲，这些都会损坏电缆结构，阻止信号的传输；三是成本高。所有这些缺点正是双绞线能克服的，因此在现在的局域网环境中，同轴电缆基本已被基于双绞线的以太网物理层规范所取代。

看一看：光纤与同轴电缆混合接入网络结构

传统有线电视系统的主要业务是进行电视节目的传送，这种传送的信号是从有线电视头端流向用户端的，这是一种单向的传送。要想借助光纤与同轴电缆混合有线电视网实现接入业务，就必须将网络线路改变为双向的传送，既要实现传统的有线电视业务，将互联网服务器端的数据信号传送到用户端，又要将用户提交的数据信号反向传送到互联网的服务器。如图1-23所示为光纤与同轴电缆混合接入网络结构。

议一议：光纤与同轴电缆混合接入网络结构的改进

与传统的光纤与同轴电缆混合有线电视网相比，如图1-23所示的光纤与同轴电缆混合接入网络结构做了如下改进。

（1）传输线路中除有传统的有线电视信号外还有双向的数据信号，这种数据信号采用适当的调制方法，将数据信号转变为频带信号在线路中传送，数据信号经调制后得到的载波频率与有线电视节目的频率进行合理的分配，这样保证了数据信号的传送与传统有线电视信号互不影响。

（2）传输线路为一种双向传送的线路，同轴电缆可以方便地进行双向的传送，而分路器（图中对应的是光节点）、分支器（图中对应的是分配器）和同轴电缆的线路放大器需要进行改造，以适应于双向信号传送的需要；光纤部分使用波分技术或双向光纤技术来实现光纤线路的双向传送。

随着光纤及光端设备的价格不断降低、光纤传输和技术的不断普及，光纤与同轴电缆混合接入网络的结构将从现在的光纤到路边，向光纤到小区、到楼宇甚至到家庭发展。在一些发达的城市，已经实现光纤到楼宇的工程。

学一学：光纤与同轴电缆混合接入网络的频谱结构

如图1-24所示为HFC网络中频谱的分配情况。

图中，低频端的5～30MHz共25MHz的频率范围安排为上行信道，也称为回传信道，主要用来回传用户上传的信号，如互联网的请求信号、视频点播的点播信令等。这个频段与无线频段的短波频段一致。粗看这个频率的选择会对短波通信产生影响，但由于有线电视信号是通过电缆传输的，所以这种上传信号不会对短波通信产生实际上的影响。现在随着滤波器技术质量的提高和采用减小服务区的方法，减少了服务区用户数，从而减少了实际的频率带宽的需求，但由于点播电视的信令、监视信号及数据和电话等要求，所以现在一般的上行频率扩展到5～42MHz共37MHz的带宽内。

48.5～1000MHz频段用于下行信道，其中：

（1）48.5～550MHz频段用来传输现在的模拟CATV信号，每一个通路带宽为6～8MHz，因此可以传输各种制式的电视信号60～80路；

（2）550～750MHz频段信道用来传输附加的模拟CATV信号或数字CATV信号，或用于传输双向交互式通信业务。假设采用64QAM（正交幅度调制）调制方式和MPEG-2图像信号，则频谱效率可达5bit/（s·Hz），从而允许在一个6～8MHz的模拟信道内传输30～40Mbps速度的数字信号，若扣除必要的前向纠错等辅助码位后，则相当于6～8路4Mbps速率的MPEG-2图像信号。因此，这200MHz的带宽总共至少可传输约200路采用MPEG-2编码的电视信号，当然这些频率资源也可以用来传输数据或多媒体及电话信号。若采用QPSK调制方式，每3.5MHz的带宽可以传输90路64Kbps速率的语音信号和128Kbps速率的信令及控制信号，这样便可以拿出一定的带宽来传输电话信号了。

（3）高端750～1000MHz频段已经明确仅用于各种双向通信业务，其中2×50MHz频带可用于个人通信业务，其他未分配的频段用来应付未来可能出现的新业务。表1-3列出了HFC系统的频段划分。

表1-3 HFC系统的频段划分

记一记：上行信道的调制与复用方式

在HFC网络中所提供的可用于双向交互式通信的频带中，上行信道的频带宽度非常有限，因此必须选用合适的调制方式和多址接入技术来满足多用户的接入需求。

HFC网络系统提供的上行信道的频率带宽W为35MHz（5～42MHz，近似看成35MHz），根据香农（Shannon）公式可求得最高的极限传输速率R为

R=Wlog2(1+S/N) bps （1-1）

假设信噪比S/N为28dB，带宽W为35MHz，则该带宽可以传输的信息速率R可达325Mbps。在实际的应用系统中传输的速率远低于这个值，且与使用的调制方式和多址接入方式有关，一般将35MHz带宽信道传输码元的速率限制在35Mbaud（兆波特），因此信息速率将取决于不同的调制方式。若采用16QAM调制，则上行信息速率为140Mbps；而采用64QAM调制方式时，传输速率可达到210Mbps。为了适应宽频业务的需要，在16QAM调制系统中，通常要求每个用户上传信息的传送速率达到2.8Mbps，这样每个光节点可承载的用户数仅为50个。为了使更多的用户可以接入，可以通过增加光节点的方法来实现。

HFC中采用的是同轴电缆树形结构的形式，各用户在不同的物理空间接入网络，这些用户必须选用合适的信道复用的方式。通常使用的多址接入方式有FDMA（频分多址）、TDMA（时分多址）、CDMA（码分多址）等，其中FDMA实现简单，有利于降低成本和提高HFC网络系统的可靠性，且各用户的相互影响较小。