作者：胡庆张德民张颖编著
出版社：高等教育出版分社
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通信光缆与电缆线路工程(工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目)试读：
前言
信息传输是信息社会的重要基础之一，传输线路技术与工程的发展与通信网络的发展密切相关。随着“三网融合”的实施，信息网络进一步高速发展，光缆、电缆和综合布线线路工程设计与施工又将进入新一轮建设高潮。为了适应通信线路工程技术发展的快速性、多样性以及知识更新的强烈需求，作者融合了近十年的教学经验和工程实践编写了本教材。在教材编写过程中，主编人员注重教学与科研相长，力图将科研成果融入教材中，确保教材的前沿性、科学性和系统性。与此同时，还通过定期参与工程实践、知名IT企业培训等方面的活动来保持与行业的紧密合作，并就相关标准充分听取国际电联标准化部门（ITU-T）传输组中我国专家的意见，力求给读者呈献一个比较全面、系统的从理论到实践的通信线路工程设计的完整框架。“通信光缆与电缆线路工程”是通信与信息工程类专业的重要专业课，有很广的适用面，为便于读者掌握“光缆线路工程设计”、“光纤通信系统设计”、“工程概预算”、“光缆线路工程设计文件的编制”、“光缆竣工线路测试与障碍处理”、“通信电缆分类和电气特性参数”、“通信电缆串音和防串音措施”、“通信电缆配线设计”、“电缆线路测试与障碍处理”、“综合布线系统线路工程设计”等专业知识，本书选取了当前通信光缆与电缆工程中的最新应用进行介绍，以形象、直观的图表配合文字叙述，较好地体现了系统性，内容翔实，与工程应用紧密结合。
全书共11章，主要包括光缆、光纤和光器件的结构及特性参数，光缆通信线路工程设计，设计文件的编制和工程概、预算的编制，光缆线路施工、接续及竣工技术文件编制，光缆线路测试、维护常见的障碍及处理，电缆的结构及特性参数，通信电缆串音和防串音措施，电缆线路施工、接续及设备安装，通信电缆配线设计及用户线路设计实例，电缆线路测试、维护常见的障碍及处理，综合布线系统、线路工程设计及系统的测试。
本书第1～4章以及第7～11章由胡庆编写，第5章由张颖编写，第6章由张德民编写。全书由胡庆统稿。在全书编写期间得到张毅、胡敏、余翔、刘鸿、吴坤君等大力协助，在此一并表示感谢。
本书可作为高等学校通信及信息类和电子技术类专业本科生教材，也可作为工程技术人员参考书。
由于编者水平所限，书中难免存在疏漏和错误，恳请广大读者批评指正。编者2010年11月
第1章 绪论
信息传输是信息社会的重要基础之一，“光缆、电缆传输线路工程技术”的发展影响着“整个通信网络”的发展进程。特别是在国家提出“三网融合”发展战略的今天，高速信息传输线路作为“三网融合”的基础，必将促进光缆、电缆和综合布线线路工程设计、施工与建设进入新高潮。在探讨通信光缆与电缆线路工程时，首先应对通信系统、通信网络、传输技术等相关的基本概念、基本原理进行了解，明确光缆与电缆线路工程所处的地位，为后续介绍光缆与电缆线路工程相关内容作一个有效的铺垫。
1.1 通信系统、通信网及传输技术
在人类社会活动中，可以广义地认为各种客观事物的状态及其变化都属于信息。信息可以有多种表现形式，以电话等方式携带的信息通常是实时传送的信息，而书刊、资料、光盘等媒体记录的信息则更多的是非实时传送的信息。
人们经常需要把自己的想法、意见、消息、情报与别人进行交流，这种互通信息的方式或过程就叫通信。广义上说，无论采用何种方法，使用何种传输介质，只要将信息从一地传送到另一地，均可称为通信。再比如，在古代人类利用烽火台、击鼓、驿站快马接力、信鸽、旗语等实现信息传递也都属于简单通信，此类简单通信只能在近距离内进行，受到传送空间、距离的限制。要实现远距离的通信，并达到迅速、有效、准确、可靠的目的，就要借助于电子技术，建立通信系统，把要传递的声音、文字、图像等信息转换成电信号，然后通过介质传送到接收方，再还原成原来的信息。例如，电话通信是把语音信号变成电信号传送到远方去的通信方式；图像通信是把固定的或活动的图像信号变成电信号传送到远方去的通信方式等。下面对通信系统模型及工作原理进行简单介绍。
1.1.1 现代通信系统模型
分处A、B两地的任意两用户（人与人，机器与机器，人与机器）间的信息传递是通过通信系统来实现的。通信系统由发送终端设备、传输信道、接收终端设备组成，如图1-1所示。
图1-1中发送终端置于变换器A的一端，是把来自信源的消息变换成与传输信道相适配的电或光信号，并提供额定的信号功率进入传输信道传输，使其能有效地传送到接收端。接收终端位于反变换器B的一端，是将从信道接收下来的信号进行衰减补偿，并消除或减小畸变和噪声对有用信号的干扰，将接收下来的电或光信号进行反变换，重现信息原貌。图1-1 通信系统的模型示意图
传输信道是信号传输通道的简称，通常包括自由空间、光缆、全塑市话对称电缆、同轴电缆等，其主要功能是尽可能地减小电或光信号在信道中的传输损耗，并尽可能地减少因畸变和噪声造成的对有用信号的干扰，顺利地把电信号自A点（发送终端）迅速且准确无误地输送到B点（接收终端）。
就接收、发送终端设备而言，又可分为用户终端设备和传输终端设备两类。用户终端设备是以用户线（有线或无线）为传输信道的终端设备，它从业务角度可分为电话终端设备、数据终端设备、图像终端设备等。传输终端设备是以有线、无线介质为信道，为用户终端和业务网提供传输服务的电信终端，它主要包括数字收发信机、微波收发信机、光收发信机等各种发送、接收设备和PDH准同步数字系列中的PCM复接设备、SDH同步数字系列中的同步终端复用器等各种复用设备。
噪声会使有用信号发生畸变，使终端设备、传输信道工作在非线性状态。当噪声叠加在有用信号上时，将会降低有用信号的信噪比，进而降低通信质量。
信源提供待传递的原始信号，如电话通信的语音，图像通信中的可视图文、传真和数据通信中的数据等。信宿再现信源的原始信号。图1-2 通信系统的一般结构
下面通过图1-2来进一步介绍实际通信系统的一般结构。一个完整的通信系统除了必须具备传输信道部分外，还需要有用户终端设备、交换机、多路复用设备和传输终端设备（收发信机）等。
图1-2所示的固定电话、移动电话和计算机等都是用户终端设备，用户终端设备的作用是将语音或数据信号转换成电信号，或者进行反变换。交换设备的作用是实现局内或局间用户间的信号交换或转接。复用设备的作用是实现多路信号的复用（汇接），可采用频分、时分、码分多种形式的复用，以提高物理信道的传输容量。传输终端设备（如卫星终端、微波终端等）的主要作用是将待传输的信号转换成适合信道传输的信号或进行反变换等。这里的电缆、光缆、微波、卫星是不同形式的传输介质或信号载体。
当通信系统采用电缆作为传输介质时，此时传输终端设备为电缆通信终端设备，相应的通信系统为电缆通信系统。若采用光缆作为传输介质时，此时的传输终端设备即为光端机，相应的通信系统就称为光缆（光纤）通信系统。若采用微波作为载体，用微波中继站作信号转接，此时传输终端设备就是微波端站，相应的通信系统就称为微波通信系统。若仍采用微波作为载体，用卫星作中继站，此时传输终端设备就是卫星地面站（或地球站），相应的传输系统就称为卫星通信系统。
不管何种通信系统，都离不开传导电磁波的介质，任何两点之间的电磁波传播介质通常被称为“通信线路”或“信道”。由光缆或电缆作为电磁波传播介质的通信线路称为“有线通信线路”；由自由空间或大气层作为电磁波传播介质的通信线路称为“无线通信线路”。
1.1.2 现代通信网概念
如上所述，两用户间的通信是利用通信系统来完成的，也就是说，欲让A、B两地的用户互相通信，必须在他们之间建立一个通信系统。对于离散分布的n个用户，若要让其中任意两用户能互相通信，最简单的方法是用传输线把各用户（如A、B、C、D、E、F）两两连接起来，如图1-3（a）所示，这样就需要建立n(n-1)/2个通信连接。众多传输设备与通信线路纵横交错，构成通信网。图1-3 通信网结构示意图
通信网可以从不同角度的分类，若从通信的业务来分类，可分成电话网（电信网）、电报网、数据网等。无论国内还是国外，目前电话业务仍是整个通信业务的主体，通信网还是以电话网为主体。这里主要介绍电话网的基本结构。
由多个用户构成的通信系统体系就称为通信网。一个完整的通信网是由用户终端设备、传输设备、交换设备和相应的信令、协议、标准等软件构成。用户终端设备和传输设备的功能已在前面介绍，下面介绍交换设备、信令、协议、标准等的功能。
交换设备用于完成用户群内的各个用户终端之间通信线路的会聚、转接和分配，并控制信号的流向。交换设备的种类有：电话通信中的程控电话交换机，数据通信中的分组交换机、ATM交换机、软交换机及光通信中的光交换机等。
信令系统是通信网的神经系统。比如，电话要接通，必须传递和交换必要的信令，完成各种呼叫处理、接续、控制与维护管理等功能。信令系统可使网络作为一个整体而正常运行，有效完成任何用户之间的通信。协议是通信网中用户与用户、用户与网络资源、用户与交换中心间完成通信或服务所必须遵循的规则和约定的共同“语言”。这种语言能使通信网合理运行，正确控制。标准是由权威机构建议的协议，是保证通信网正常运行应遵守的条款。
通信网的基本拓扑结构主要有星形、网状形、环形和树形等，如图1-3（b）所示。将各类拓扑结构结合起来，网络的结构就会合理得多。图1-4所示为我国的电话网的网络等级结构。可以看出，我国电话网由长途电话网和本地电话网组成。长途电话网采用由网形和树形形成的复合型网络结构。我国电话网的等级结构已由原来的5级演变为3级，并向无级的方向发展。在无级动态网中，整个电话网将由一级长途网、本地网和接入网构成。长途网和本地网均可采用动态路由选择，而接入网将采用环形网结构，并实现光纤化和宽带化。图1-4中DC为数字交换中心，TM为数字汇接局，LS为本地交换局。图1-4 目前我国的电话网结构
21世纪电话网的发展方向是全球化、宽带化、数据化、网络化和个人化，电话网逐渐从传统的电话交换网向IP业务化宽带分组网过渡。
1.1.3 现代通信传输技术
通信信号需要在一定的物理介质中传播，这种物理介质称为传输介质。传输介质是提供A、B 两地传递信息的通道。比如，空气（大气层）是传送声音的介质，因而人与人之间能面对面交谈，可以直接听到对方的声音。在月球上是没有空气的，因此，在月球上要完成两个人之间面对面的交谈，要借助于电子技术，把要传递的声音等信息转换成电信号，然后通过介质传送，才能听到对方的声音。电信号的传输以速度快、距离远为优势，是信息传输的一种重要的手段。那么，电信号传输的介质有哪些呢？
一般来说，电信号的变化体现在电压或电流的变化上，电压或电流的变化会导致导线周围的电场或磁场的变化。电场与磁场的总称为电磁场。电磁场的传播需要一定的时间过程，其在真空的传播速度可8达为3×10m/s，这种以很高速度传播的电磁场叫做电磁波。所以，电信号的传输实质是电磁波的传播，它的传播方式因传输的介质不同可分为两类：一类是电磁波在自由空间的传播，这种传播方式叫做无线传输，其能量比较分散，传输效率较低；另一类是电磁波沿某种传输线传播，这种传播方式叫做有线传输，其传输的电磁波能量大部分集中在传输线周围，传输效率较高。现代通信传输方式可用图1-5来概括。图1-5 现代通信传输方式
现有的传输线有架空明线、对称电缆、同轴电缆、金属波导管和光纤等。各类传输线结构如图1-6所示。图1-6 有线通信线路
无线电传播的传输介质是对流层、平流层或电离层，传播方式有直射波、反射波、地波和散射波等，如图1-7所示。图1-7 大气层的结构和无线电波的传播
一条无线信道的构成需要有发射机、发射天线、接收天线和接收机。无线信道比有线信道受到更多自然界和人为的干扰，但无线信道也具有有线信道无可比拟的优点，它不受导线的限制，因此收信者可以在范围极其广泛的地域接收信号。无线信道可根据电信号使用频率的不同分为短波、超短波、微波等。
短波（λ=10～100m，f=3～30MHz）经电离层的一次或数次反射，通信距离可达上万公里，主要用于应急、抗灾中的电话及数据通信。
超短波（λ=1～10m，f=30～300MHz）主要以直线视距方式在大气层中传输，传输距离约50km，也可在对流层中作数百公里的超视距通信，主要用于 280MHz 高速寻呼、无绳电话、对讲电话及超短波数字通信等。
微波（λ=0.1～1m，f=300 MHz ～300 GHz）主要用于 900MHz、1 800MHz 和2 000MHz公用陆地移动电话、地面微波接力通信、卫星通信、对流层散射通信、空间通信（即用微波在地球站与人造卫星和航天器之间通信）及特殊地形的通信等。
1.2 光纤通信的发展
1.2.1 光纤通信的发展
光纤通信是以激光作为信息载体，以光纤作为传输介质的通信方式。由于光纤的传光性能优异，传输带宽极大，因此，现在已形成了以光纤通信为主，微波、卫星、电缆通信为辅的通信格局。
光纤通信技术是近30年迅猛发展起来的高新技术。它的诞生和发展给通信技术带来了划时代的革命。为了使读者对光纤通信的发展历程有个基本了解，现将该技术的进程简要介绍如下。
1960年，第一台相干振荡光源——红宝石激光器问世。激光器（Laser）是基于物质原子和分子内能的变化而构成的光波振荡器，它可产生频谱纯度很高的激光。但气体和固体激光器体积大、效率低，不适宜在通信中使用。
1962年，半导体激光器的出现为光通信光源实用化带来了希望。1970年，首次研制出在室温下连续工作的双异质结半导体激光器，这为实用化通信光源奠定了基础。
1966年，华裔科学家高锟（C.K.K90）根据介质波导理论提出了光纤作为光通信传输介质的概念，由此高锟荣获2009年诺贝尔物理学奖。
1970年，美国AT&T公司Bell实验室的Machesney等人和英国南安普顿大学的研究人员研究、发明、改进了化学气相沉积（Modified Chemical Vapour Deposition，MCVD）的光纤制备方法。
1970年，美国康宁公司的 Maurer 等人首次研制出阶跃折射率多模光纤，其在波长为630nm处的衰减系数小于20dB/km；同年美国贝尔实验室的Hayashi等人研制出室温下连续工作的GaALAs双异质结注入式激光器。正是光纤和激光器这两个科研成果的同时问世，拉开了光纤通信的序幕。
1972年，随着光纤制备工艺中的原材料提纯、制棒和拉丝技术水平的不断提高，梯度折射率多模光纤的衰减系数降至4dB/km。
1976年，在进一步设法降低玻璃中的 OH 根含量时，发现光纤的衰减在长波长区有1 310nm 和1550nm 两个窗口。同年，美国西屋电气公司在亚特兰大成功地进行了世界上第一个44.736Mbit/s传输110km的光纤通信系统的现场试验，使光纤通信向实用化迈出第一步。
1980 年，原料提纯和光纤制备工艺不断完善，加快了光纤的传输窗口由 850nm 移至1 310nm和1 550nm的进程。特别是制出了低衰减光纤，其在1 550nm的衰减系数为0.20dB/km，已接近理论值。与此同时，为促进光纤通信系统的实用化，人们又及时开发出适用于长波长的光源（激光器、发光二极管）和光检测器。应运而生的光纤成缆、光无源器件和性能测试及工程应用仪表等技术的日趋成熟，都为光纤光缆作为新的通信传输介质奠定了良好的基础。
1981年以后，世界各发达国家开始将光纤通信技术大规模地推入商用。历经近20年突飞猛进的发展，光纤通信速率已由1978年的45Mbit/s提高到目前的400Gbit/s。
我国自20世纪70年代初就已开始了光纤通信技术的研究，1977年武汉邮电科学研究院研制出中国的第一根阶跃折射率分布多模光纤，其在850nm的衰减系数为3dB/km。
1987年年底，建成了第一个国产的长途光纤通信系统，由武汉至荆州，全长约250km，传输34Mbit/s信号，光缆采用架空方式。
1988年起，国内光纤通信系统的应用由多模光纤转为单模光纤。
1993年，我国与日本、美国三方投资建设的第一条通向世界的大容量海底光缆正式开通。全长1 250 km，传输速率560Mbit/s，可提供7 560条电路，相当于原有的中日海底同轴电缆的15倍。
1999年，我国完成了“八纵八横”通信光缆工程，全长约 80 000 km。它作为全国的主干通信网，使我国光纤通信水平迈上了新台阶。
光纤通信技术的问世与发展给世界通信业带来了革命性的变化，使光纤通信成为信息高速公路的重要传输平台。当今光纤通信技术的发展趋势主要是光纤通信系统的网络化和超高速化。目前光纤通信网络成为各国信息传输的核心网，近年，着力解决全网“瓶颈”——将光纤接入网作为通信接入网的一部分，直接面向用户，提出“光进铜退”，即让光纤引入到千家万户，保证亿万用户的多媒体信息畅通无阻地进入信息高速公路。在网络传输的高速化方面，目前商用系统的速率已从155.520Mbit/s增加到10Gbit/s，不少已达到40Gbit/s，另外， 160Gbit/s速率和640Gbit/s速率的传输试验也获得成功。
新一代光纤的开发趋势朝着通信业务网络功能细分方向发展，如开发核心网、城域网、接入网各自适用的光纤，如现广泛应用的常规单模光纤（ITU-T G.652）在1 310nm为零色散，在1 550nm为最低损耗，其工作波长为1 310nm；色散位移单模光纤（ITU-T G.653）低损耗和零色散均在1 550nm，工作波长为1 550nm；截止波长位移单模光纤（ITU-T G.654）在1 550 nm，衰减系数仅为0.15dB/km；非色散位移单模光纤（ITU-TG.655），其在1 550nm损耗小，色散小，非线性效应小；宽带光传送非零色散光纤（ITU—TG..656），在1460～1 624nm 波长范围色散变化维持在较小范围（2～14ps/(nm·km)），能有效抑制密集波分复用系统的非线性效应。弯曲衰减不敏感单模光纤（ITU—TG.657），其弯曲半径可实现常规的G·652光纤的弯曲半径的1/4～1/2，可以在1 260～1 625nm的宽波长范围内（即O，E，S，C，L5个工作波段）工作。从新一代光纤开发方向可以看出，在传输特性方面，降低了衰减、色散，克服了非线性现象，光纤的工作波长由850nm和1 310nm向1 550nm和2 000nm波长区域扩展。
1.2.2 光纤线路传输特点
光纤通信为什么发展得如此快速？因为与电缆和微波等通信方式相比，以光纤作为传输线路主要有以下的特点。
1.通信频带极宽，通信容量大
由于光纤本征带宽达240GHz，因此传输容量大，一根光纤理论上可以同时传输近100亿路电话和1 000万路电视节目。根据目前实用化的水平，每对光纤单波长传输速率可达40Gbit/s，相当于传483 840路电话信号，比3 600路中同轴电缆的通信容量高约134倍。采用波分复用技术后，通信容量已达到10.932Tbit/s。我国的设备制造商已可以提供1.6Tbit/s (160×10 Gbit/s )，相当于约1 935万路电话信号的传输能力。
2.传输衰减小，传输距离长
由于光纤的传输衰减很低，所以能实现很长的无中继传输距离。在1550nm波长的衰减系数为 0.2～0.25 dB/km，而同轴电缆在频率为 60MHz 时的衰减系数为 19dB/km，全塑对称电缆在频率为 4MHz 时的衰减系数为 20dB/km。3 600 路中同轴载波电话系统的增音段的距离仅为6km，但光纤通信的最大中继距离可达200km，因此，光纤通信不仅可以大大节省工程建设成本，而且对提高可靠性和稳定性具有特别重要的意义。
3.抗电磁干扰，传输质量高
任何信息传输系统都应具有一定的抗干扰能力，否则通信就会变得不稳定。通信的干扰源有许多，如雷电干扰、电离层变化、太阳的黑子活动、电机干扰、高压电力线的影响以及无线电波的干扰等，这些干扰都是现代通信无法回避的问题，所以现有通信设备的研制和通信网络的设计中都注意采用各种措施加以防止，但仍然不能满意地解决以上各种干扰的影响。由于光纤通信使用的光载波频率很高，不受以上干扰的影响，因此，光通信从根本上解决了长期困扰电通信的干扰问题，大大提高了传输质量。
4.信号串扰小，保密性好
对通信系统的另一个重要的要求是保密性。随着科学技术的发展，传统的通信方式很容易被窃听，只要在明线或电缆附近（甚至几千米之外）设置一个特别的接收装置，就可以获得明线或电缆中传输的信息。但是光纤通信与电通信不同，光波被限制在光纤中传播，即使在转弯处弯曲半径很小时，漏出光纤的光波也是十分微弱。实际上，光纤中的光波是不会泄漏出来的，在电通信中常见的线路之间的串音现象，在光纤通信中是不存在的。因此，光纤通信的保密性是非常高的。
5.光纤尺寸小、重量轻，便于施工运输，节省地下空间资源
光纤的直径很小，祼光纤直径只有 125μm ，它只有单管中同轴（内/外导体直径为2.6mm/9.5mm）电缆芯径的百分之一左右。同样，光缆的直径也很小，8 芯的光缆横截面直径约为10mm，而标准的8 管中同轴电缆横截面直径约为47mm。因此，过去敷设一条电缆需占用地下管道的一个管孔，采用光缆后，地下管道的管孔可以复用，一条光缆只占用 1/3个管孔，不仅节省了地下空间资源，也节省了工程建设成本。
光缆的质量比电缆轻得多。例如，18 管中同轴电缆每米的质量是11kg，18 芯光缆每米的质量仅为 90 g，为施工运输带来极大的方便。
1.2.3 光纤（光缆）线路传输方式
光纤线路传输有两种方式，一种是双纤单向传输方式，另一种是单纤双向传输方式。目前最常用的是双纤单向传输方式，如图1-8所示，该方式的光纤传输系统主要用于骨干（长途）网、本地网以及光纤接入网。图1-8 光纤传输系统示意图
光纤传输系统是由发送设备、传输线路和接收设备 3 大部分构成。其中电发射机的作用是对来自信息源的信号将进行模/数转换，并做多路复用处理。光发射机（如激光器 LD或发光二极管LED）的作用是实现电/光转换，即把电信号调制成光信号，送入光纤，传输至远方。光接收机（如光电二极管PIN或APD）的作用是实现光/电转换，即把来自光纤的光信号还原成电信号，经放大、整形、复原后，送至电接收机，完成数字信号的分接以及数/模转换。
对于长距离的光纤传输系统，还需要中继器，其作用是将经过长距离光纤衰减和畸变后的微弱光信号放大、整形、再生成具有一定强度的光信号，继续送向前方，以保证良好的通信质量。目前的中继器都采用光—电—光形式，即将接收到的光信号，用光电检测器变换为电信号，经放大、整形、再生后再将电信号变换成光信号重新发出。近年来，适合作为光中继器的光放大器（如掺铒光纤放大器）已投入商用。这就是说，采用光放大器的全光中继及全光网络将为期不远。
1.2.4 通信光纤光缆的应用
光纤光缆传输系统不仅适用于通信骨干网、本地网及接入网，而且也广泛采用于有线电视网、互联网、局域网等信息网络中。光纤除了在公用通信和专用通信中大量使用外，还在军事、航空航天、测量、传感、自动控制、医疗卫生等许多领域得到广泛的应用。
1.光纤在通信骨干网、本地网传输系统中的应用
通信骨干网、本地网传输主要以光纤传输为主，其传输原理如图1-8所示。
2.光纤在用户接入网中的应用
光纤接入网是指在用户接入网中采用光纤作为主要传输介质来实现用户信息传送的应用形式。光纤接入网的主要优点是可以传输宽带业务，即计算机数据业务、IPTV业务和传统电话业务等，且传输质量好，可靠性高，网径一般较小，可不需要中继器等。图1-9所示为一种光纤接入网结构示意图，它将光纤引入千家万户，保证多媒体信息畅通无阻。图1-9 光纤接入网示例
3.光纤在电视、数据传输中的应用
利用光纤作为有线电视（CATV）的干线传输介质，可大大提高信号传输质量，为多功能、大容量的信息传送提供了基础。然而，做到光纤到户成本很高，难于大规模实现，因此，目前CATV网的最佳选择是光纤与同轴电缆混合（HFC）的传输方式。
4.光纤在计算机校园网络中的应用
利用光纤传输1000 Mbit/s 计算机校园网的数据信号，其结构如图 1-10 所示。图1-10 计算机校园网的组成
5.光纤在桥梁工程结构健康监测中的应用
对于桥梁结构的监测，可以通过汇集桥梁结构或材料的局部属性，观测出负荷和使用期限内的属性，用F-P光纤应变传感器埋置在桥梁的不同结构部分，如桥柱、桥梁、桥面等，就可从这些局部传感器中得到桥梁的整个属性。这是一种较理想的桥梁监测方式，如图1-11所示，它是由F-P光纤应变传感器、传输光缆、光纤应变测量仪、光纤配线架和自动光纤多路开关组成，桥梁不同位置的结构应变被敷设在该位置的光纤传感器监测到，并由光缆传到远处的集中监测室，完成实时监测。图1-11 光纤应力/应变测量系统
1.3 电缆通信的发展
1.3.1 电缆通信的发展
电缆通信是以高频率电磁波作为载体，以电缆作为传输介质的通信方式。通信电缆是将电信号从一个地点传送到另一个地点的传输介质。通信电缆的发展大体上经历了架空明线、对称电缆和同轴电缆等主要阶段。从目前来看，光缆还不能完全代替电缆，电缆与光缆还应并存使用，特别是用户对称电缆和射频同轴电缆在中继线、天馈线和用户接入网中应用较为广泛。通信电缆和光缆的结合可满足高质量和大流量的信息传输的需要。
按照通信电缆材质和线径的不同，它可用于用户接入线路、交换机与传输设备间的中继线等。各种通信电缆类型和敷设方式如表1-1和表1-2所示。
人类历史上第一次进行电信联系的电报是在 1837 年，英国人在 1.5km 的距离上作了电报表演。在美国华盛顿与巴尔的摩之间的电报线路是最早的商用架空明线，它于1844年建成，全长40英里（1英里=1609.344米），采用单根铜线传电报。第一条海底电缆是1851年完成的，它实现了英法的电报联系，也是单根铜线的电缆。1876年电话问世，最初的电话是利用电报线通话的，之后在1877年架设了硬双铜线作为电话线路，从此传输线开始传输比电报信号频率高得多的语音信号。为了减少通话串音，又陆续采用明线交叉、在电缆中双线相互扭绞等办法。将多对由两根相同线质、相同线径、相互绝缘的导线相互扭绞而成的芯线组合在一起，构成了电缆，叫做对称电缆。对称电缆通常能传送频率为4MHz以下的电信号。为了传送更高频率的电信号，在20世纪30年代后期，出现了一种新型结构的电缆叫做同轴电缆。在1941年，美国建成了第一条同轴电缆线路，可以同时开通480路电话，后来逐渐发展到一条同轴电缆上可同时开通 10 080 路和13 200 路电话。1955 年完成第一条从纽芬兰到苏格兰的海底越洋同轴电话电缆。1970年，用于通信的激光器和光纤相继研制成功，从而使通信传输的容量进一步扩大。表1-1 各种传输线型和敷设方式表1-2 不同传输线型及各自的占用频带
通信电缆线路于19世纪70年代传入我国，1871年丹麦大北电报公司的业务首先通过海缆进入上海，在上海开办了电报局。丹麦、俄罗斯、英国等相继侵占中国的电信主权。我国自主建设、自己掌管的第一条电信线路，是1887年福建巡抚丁日昌在中国台湾高雄和台南之间建设的明线电报线路，全长95华里（1里（华里）=500米）。1962年，在北京和石家庄之间开通了我国设计制造的60路载波长途高频对称电缆线路。1976年，我国开通了自己设计、制造的1800 路京沪杭同轴电缆线路，同年还建成了中国上海与日本熊本县之间的海底同轴电缆线路，可以开通480路电话。1979年，我国研制成功通信光缆。20世纪80年代以后通信光缆逐渐用于长途通信线路，成为我国的主要通信手段。
近年来，我国已建起了以城市为中心、光缆为中继线、电缆为用户线的较完整的城乡电话通信线路网、CATV用户网，大、中型厂矿企业也都建有规模不等的专用通信网。
1.3.2 全塑电缆线路的传输特点
全塑市话对称电缆，简称全塑电缆。自1986年以来，国内大量采用全塑市话对称电缆线路，其结构如图1-6（b）所示。全塑电缆具有下列特点。
1.全塑电缆电特性好，传输质量优良
当导线绝缘采用高密度聚稀烃时，其力学、化学特性优良，具备防潮和易于加工等性能，即使接头防潮处理不好，护套进水也不会马上影响通信。导线绝缘电阻较高，对填充型和非填充型电缆，原信息产业部标准分别要求其电阻不低于 3 000MΩ·km 和 10 000MΩ·km。此种电缆的串音防卫度高，由于基本单位（10对或25对）内各线对扭绞长度不同，相当于线对间作了交叉。对于内屏蔽电缆，可传输PCM信号，线对利用率接近100%。
2.便于机械化、自动化施工
全塑电缆重量轻，电缆盘长较长（200～300m)，电缆接头少，护套光滑，便于运输和施工；芯线绝缘和单位间扎带的颜色采用全色谱，便于线对的编号、对号、接续、成端和配线等操作；芯线接续采用卡接法，接续可靠，可以传输模拟信号和数字信号。
3.维护方便、故障少、使用寿命长
卡接法接续不用剥除芯线绝缘，导线不受损伤，断线故障少；电缆接头封合采用热缩套管等方法，不易进水，即使进水后也不会漫延；塑料护套是绝缘体，不会产生化学腐蚀和电化学腐蚀，所以全塑电缆使用寿命较长；自承式架空不用挂电缆挂钩，所以施工方便。
4.投资经济
芯线采用细线径、护套以塑代铅，节省有色金属铜和铅；全塑电缆制造简单，自动化程度高；全塑电缆重量轻，运输费用低，杆路负荷小；管道电缆小对数时可多条全塑电缆占用一个管孔，小线径时单条电缆可提高到 4 800～6 000 对。
1.3.3 电缆线路传输方式
利用电缆做通信传输线路，其费用占通信系统总投资费用的50%～89%，可见，降低通信电缆系统的投资费用的有效方法在于提高通信线路的复用率。复用就是把多组信号设法叠加在同一个信道上。
现已应用在电缆传输系统中的多路复用制式有空分制、频分制和时分制三种，可按实际需要和技术条件组合在同一信道中实现多路复用。
对于使用对称电缆和同轴电缆的传输系统，传输制式有二线制和四线制之分，对于四线制又有单电缆制和双电缆制之分。
1.二线制与四线制的传输方式
利用一对金属传输线完成来、去两个方向的信号传输，称为二线制通信。在本地网中的用户线路，图1-12所示为二线制频分传输方式，图1-13所示为二线制时分传输方式。单管中同轴电缆线路也是采用二线制传输方式，来、去话路（或信息）分别占用不同的高、低频带，因此又称为双频带二线制。图1-12 二线制频分传输方式图1-13 二线制时分传输方式
当来、去信号传输各在一对线传输时，称为四线制通信。在这种传输方式中，来、去方向的语音信号（或信息）分别使用不同的线对，但占用的频带或码速相同。图1-14所示为电缆数字传输系统，使用四线制线路。图1-14 电缆数字传输方式
2.四线制的单电缆制和双电缆制
对于高频通信电缆线路，无论采用TDM或FDM方式，大多应用四线制。在四线制中，如果用同一条电缆传输两个方向的信号称为单电缆制。在单电缆制中，回路间近端串音衰减较低，必须选择近端串音衰减较高的两对线传输两个方向的信号。如果所有的来话线对都在一根电缆内，而所有的去话线对在另一根电缆内，则称为双电缆制。采用双电缆制可提高两对芯线间的近端串音衰减。
1.3.4 通信电缆的应用
通信电缆主要有架空明线、全塑对称电缆和同轴电缆。目前全塑对称电缆和同轴电缆大量用于智能大楼综合布线（局域网）、市话用户接入网、有线电视的用户接入线、移动通信的基站发射机与天线间的馈线等场合。
1.架空明线及应用
架空明线是将金属裸导线架设在电线杆上的一种常用通信线路，它主要由导线（金属裸导线）、电杆、线担、隔电子和拉线等组成，如图1-6（a）所示。
架空明线暴露在大自然环境中，容易受外界电磁场的干扰。当传输信号频率较高时，具有一定的辐射性，使线路衰耗和串音增大，所以它的复用程度较低，一般早期用来开通 12路载波电话，传输频率为150kHz，现今多用于专网通信，如利用高压输电线实现载波通信，利用铁路电气机车输电线实现载波通信等。
2.全塑对称电缆的应用
目前全塑对称电缆在用户接入网中应用最广泛，它是用多股芯线按一定规则扭绞而成。典型的用户接入网结构如图1-15所示。图1-15 用户接入网结构
将全塑对称电缆线对通过扭绞构成双绞线，一般来说，扭绞长度在3.81～14cm内，铜导线的直径为0.4～1mm，扭绞越密，其支持的传输速度越高。
双绞线3、4、5类线主要应用于计算机局域网和智能大楼的综合布线。
3.同轴电缆的应用
同轴电缆又称为同轴线对，属于不对称的结构，它是由内、外导体，内、外导体之间的绝缘介质和外护层四部分组成，如图1-6（c）所示。
目前同轴电缆应用最多的是射频同轴型，常用于有线电视CATV入户线、移动通信网中基站到发射天线之间数据线和交换机到传输设备电接口的数据线等场合。
有线电视CATV系统的网络结构一般采用星形/树形混合结构，如图1-16所示。在CATV系统中，干线电缆、配线电缆和用户电缆都可以使用同轴电缆，其特性阻抗标称值均为75Ω。这种电缆的使用频率为300MHz～1GHz。图1-16 CATV 系统结构
干线电缆的直径一般为12.7～22.0mm，屏蔽衰减不低于80dB，反射衰减不低于26dB。干线电缆的长度一般为几公里到十几公里。
配线电缆的直径一般为 9.5～11.5mm，其他技术特性与干线电缆相同。配线电缆的长度一般为1～3km。
用户电缆的直径一般不超过7mm，外导体通常是铜丝编织层，外护套通常由阻燃聚乙烯或耐光聚乙烯制成。用户电缆屏蔽衰减一般为 35dB～80dB。与配线电缆不同，对用户电缆而言，有一个柔软性要求，以便于灵活敷设电缆。用户电缆的长度一般为十几米到几十米。
复习题和思考题
1.简述通信系统的基本组成及各部分的功能。
2.简述光缆传输系统结构及各部分的功能。
3.为什么要发展光纤作为传输线？
4.二线制与四线制的传输方式含义是什么？
5.简述通信电缆、光纤光缆的特点。
6.光纤通信应用领域及发展趋势是什么？
7.通信电缆的应用领域有哪些？
8.通信电缆的传输方式有哪些？目前主要采用哪种方式？
9.光缆能否能代替金属电缆？
10.架空明线的传输方式是否还可以在当今进一步应用？
第2章 光纤、光缆和光器件
光纤、光缆和光器件是提供光信号的传输信道及信道所需功能的器件，是构成光纤通信系统的重要组成部分。本章围绕光纤、光缆和光器件结构、类型及特性等进行介绍。
2.1 光纤
在光纤通信中，实现光信号长距离传输的光波导是一种称为光导纤维（简称光纤）的圆柱体介质波导。光纤是工作在光频下的一种介质波导，它引导光能沿着轴线平行方向传输。
2.1.1 光纤的结构
光纤是由两层或多层透明介质（即不同折射率的玻璃材料）拉制而成，其基本结构如图2-1 所示。内层为纤芯，是一个透明的圆柱形介质，其作用是以极小的能量损耗传输载有信息的光信号。多模光纤纤芯的标称直径2a为50μm或62.5μm，单模光纤纤芯的标称直径为9～10μm。紧靠纤芯的外面一层称为包层，从结构上看，它是一个空心的、与纤芯共轴的圆柱体介质，其作用是保证光全反射只发生在纤芯内，使光信号封闭在纤芯中传输。通信光纤的包层标称直径2b为125μm。为了实现光信号的传输，要求纤芯折射率n1比包层折射率n2稍大些，这是光纤结构的关键。另外还有一个涂覆层，其作用是为了进一步确保光纤不受外界的机械作用的影响。图2-1 光纤的结构
有关光纤的导光原理一般可以采用射线理论（几何光学）和波动理论来解释，本书不进行论述。这里主要从光纤结构、制造工艺、特性等方面研究和认识光纤。
2.1.2 光纤的制造过程
光纤的制造主要考虑光纤材料的选择和制造工艺。在光纤原材料的选择过程中，考虑的主要因素有：高纯度、高透明度、光传输损耗小、折射率径向分布控制易于调整等，材料自身有高的机械强度和良好的化学稳定性。制造光纤主要原材料为人造石英（SiO），其特点2是：没有“熔点”，在较高温度下变得比较柔软，且能直接气化，软化点在1730℃以内，它是各向同性的介质，即n=n=n。xyz
超纯的熔融石英玻璃SiO提取，所用原料为SiCl，化学反应式24为：
熔融石英玻璃的折射率约为1.458，线性热膨胀系数约为5.5×−710km/K。为了使纤芯的折射率高于包层的折射率，在制作光纤时必须将某些物质掺入石英中，如GeO、PO、BO等。GeO、225232PO、TiO、AlO和BO、F等掺杂剂的提取所用的主要原料为2522323GeCl、POCl、BC1和SF等。化学反应式为：4336
常用的GeO、PO、TiO、AlO和BO、F等掺杂剂的浓度对22522323折射率分布的影响如图2-2所示。掺杂剂除对折射率、线膨胀系数及材料提纯具有影响外，对光纤的传输性能及光纤的设计制作也都会产生作用，如图2-3所示。光纤材料掺杂方案设计如表2-1所示。图2-2 掺杂变更SiO2玻璃的折射率图2-3 掺杂变更SiO2玻璃线膨胀系数表2-1 单模光纤掺杂方案
采用方案1时，其散射损耗将是最小的。包层直径与纤芯直径的比值（2b/2a）大于6。目前常用的G.652单模光纤，纤芯材料是SiO+GeO，包层材料是SiO。222
制造光纤时，先进行原材料制备、原材料提纯和纯度分析，然后用气相沉积法或非气相沉积法制作高质量的预制棒，即熔制出一根合适的玻璃棒，如图2-4所示。以制造阶跃光纤为例，预制棒的包层和纤芯的主体材料都是石英玻璃SiO，折射率为1.458。欲使光在光纤2的纤芯中传输，必须使纤芯的折射率稍高于包层的折射率。为此，在制造纤芯玻璃时均匀地掺入少量的比石英折射率稍高的材料，而制造包层玻璃时则均匀地掺入少量的比石英折射率稍低的材料，这样就制成了拉制纤维的原始棒体材料，通常把它叫做光纤的预制棒。然后将预制棒放入高温拉丝炉中加温软化，再利用拉丝工艺制成尺寸合适、强度较好的玻璃丝，即裸光纤。在裸光纤上加预涂覆层，经性能测试筛选后就是合格的光纤，这就是光纤制备的过程。下面只介绍改进的化学气相沉积法MCVD。图2-4 光纤预制棒及拉丝示意图
MCVD法是首先在石英管内壁上沉积光纤的包层玻璃，其次在包层内沉积纤芯玻璃，最后则是“烧缩成预制棒”，其工艺流程如图2-5所示。图2-5 管内 MCVD法预制棒制备
MCVD法制备光纤预制棒的具体步骤如下。原料供应系统向制造系统提供高纯度的氧气和SiCl、GeCl等生产预制棒所需要的各种原44料，输入量由控制系统按设计要求进行监控。把一根外径 18～25 mm，壁厚 1.4～2 mm的石英管夹在车床上，原料进入石英管内、车床启动后，石英管将围绕管轴不停地旋转。石英管下是一个加热装置，产生的热量受制于控制系统，加热装置将沿管轴来回往返移动。用1400℃～1 600℃的高温氢氧火焰加热石英管外壁，使管内产生化学2反应。反应生成物是烟灰状的玻璃粒子（SiO），它们沉积在火焰上方的冷管壁上，未沉积物和废气通过右侧排放装置离开石英管。由于石英管以每分钟几十转的速度绕管轴旋转，玻璃粒子将均匀地沉积在管壁上，并随即绕结成一个纯度很高的薄玻璃层，逐层累积至预定厚度后，由控制系统发出指令，让原料供给系统转换为向石英管输送纤芯原料。当纤芯达到设计所规定的厚度时，原料供给停止。此时，中心还留有一个小孔，为了使其收缩成棒状，通常的做法是：把管外温度提高到1800℃，或降低加热装置来回移动的速度，使石英棒在高温下软化、收缩成预制棒。要注意的是，因为该石英管将成为包层的一部分，所以对它的纯度也有一定的要求。从图2-5来看，左侧为进料装置，用来将各种原料输送到石英管中，右侧为排放装置，用来排除废物。
将光纤预制棒拉制成光纤的制作要求有以下4点：一是光纤纤芯直径、包层直径应与设计相一致，且在整个长度上保持均匀不变，以使光纤的传输衰减、传输带宽符合设计要求；二是纤芯的横截面应呈圆形，且与包层保持同心，以减少接续损耗；三是光纤表面上应没有裂痕，光纤内部不存在残余应力，以保证光纤的使用年限足够长；四是最好让光纤表面不与水接触，即使与其他物体相碰，也不会使光纤表面受到摩擦，使光纤的稳定性得到保证。
拉丝机由预制棒输送装置、电阻加热炉、线径测量仪、线径控制电路、炉温控制系统、预涂覆装置、固化设备、筛选试验设备和牵引辊收线系统等构成，部分装置如图2-6所示。
预制棒由输送装置按照某个速度连续地送往管状加热炉中，加热炉用来提供使石英玻璃软化所必需的温度，当预制棒尖端热到一定温度时，棒体尖端的黏度变低，自身因重力逐渐下垂变细而成纤维。线径测量仪用来监测光纤的直径，并根据反馈信息控制炉温和拉丝牵引辊速度。
预涂覆装置的作用是在裸光纤外表面上涂覆一层紫外固化涂料或热固化聚合物，以增强光纤抗拉能力。直接拉出的裸光纤的抗拉能力只有 100 克/根左右，无法使用。因此，为保护光纤表面，提高抗拉强度和抗弯曲强度，还要对光纤进行涂覆和套塑处理。光纤的涂覆是与拉丝工艺同时进行的。当光纤向下拉制时，光纤表面的微裂纹尚没与空气中水分等发生反应或扩大，就迅速地进行涂覆来保护光纤的表面。涂覆材料一般是硅酮树脂和丙烯酸脂类材料。图2-7所示为光纤的硅酮树脂涂覆工艺。若光纤只涂覆了一层，可作为多芯光缆的芯线用。若涂覆两层以上，里面的一层用折射率比石英玻璃稍大的变性硅酮树脂，可以用来吸收透过包层的光，涂覆厚度一般为 30～150μm；外面的第二层是普通的硅酮树脂，而且涂层较厚，两次涂覆后的外径为 0.8～0.9mm，有利于提高光纤的低温性能和抗微弯性能。这种光纤可作为室内单芯光缆的缆芯使用或作为设备内软光纤直接使用。图2-6 光纤拉丝过程示意图图2-7 光纤涂覆工艺
经涂覆之后的每根光纤可承受几百克的拉力，欲要光纤达到通信工程的实际要求，必须要经过加强芯和外护套等成缆工艺，进一步增加光纤的机械强度。此处不再详细介绍其他成缆工艺。
2.2 光纤的主要参数、特性及类型
2.2.1 光纤的主要参数
光纤的结构参数主要有光纤的几何参数、折射率分布、数值孔径（NA）、模场直径和截止波长等，这些参数与光纤横截面径向r有关，与光纤的长度及传输状态无关。下面从工程角度简单介绍主要结构参数。
1.几何参数
光纤的几何参数与施工有紧密的联系，为了使光缆线路实现光纤的低损耗连接，光纤制造厂商对光纤的几何参数要进行严格的控制和筛选。光纤的几何参数是制造光纤时的重要依据，除了对光纤的传输特性和机械特性有影响外，对光纤的接续损耗也产生较大影响。
按照 ITU-T（国际电信联盟）及 IEC（国际电工委员会）的建议，对多模光纤的几何参数，即纤芯直径、包层直径、纤芯不圆度、包层不圆度、纤芯与包层的同心度等提出了严格的要求。对单模光纤的几何参数，即包层直径、包层不圆度、纤芯与包层的同心度误差（模场与包层的同心度误差）等要求也很严格。
纤芯直径主要是对多模光纤而言。阶跃型光纤，芯、包层界限分明，而梯度型光纤则边界不明显。
包层直径又称光纤的外径，它是指裸纤的直径。无论是多模光纤还是单模光纤，必须保证外径尺寸合格才能保证连接质量。ITU-T规定：通信光纤的外径均要求为125±3μm。
同心度是指纤芯中心和包层中心之间距离与芯径2a之比。不圆度包括芯径的不圆度和包层的不圆度，用式（2.1）表示：
其中，D和D是纤芯（包层）的最大和最小直径；D是纤maxminco芯（包层）的标准直径。
光纤的不圆度较高时将影响连接时对准效果，增大接头损耗。因此，ITU规定：光纤同心度小于 6%，单模光纤的模场/包层同心度误差在1310nm波长的情况下不大于 1μm，纤芯不圆度小于6%，包层不圆度（包括单模）小于2%。
2.数值孔径（NA）
数值孔径是多模光纤的重要参数之一，它表征了多模光纤接收光的能力，同时和光源耦合效率、光纤微弯损耗的敏感性和带宽有着密切的关系，数值孔径（NA）大，容易耦合，微弯敏感小，带宽较窄。ITU-T对单模光纤没有将数值孔径作为正式参数进行规定。
阶跃型光纤数值孔径的定义为：
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