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1、光纤通信及其在电力系统中的应用徐刚2009.10.1 成都1主要内容光纤通信基础知识电力系统中光纤通信的应用光纤通信常见问题分析和排查方法2光纤通信基础知识光纤传光的基本原理光纤衰耗产生的基本原理光纤通信系统的组成电力系统常用光纤电力系统常用光缆电力系统常用光纤通信的部件3光纤通信发展简史光波光波是波长极短的电磁波。因此，科学家光波是波长极短的电磁波。因此，科学家早已断定利用光波进行通讯在理论上是可早已断定利用光波进行通讯在理论上是可行的，也是人们长期以来梦寐以求的。光行的，也是人们长期以来梦寐以求的。光波的频率在波的频率在3 310101414以上，用这样以上，用这样高频率高频率的的波作为载
2、波，可获得比现有通讯方式大万波作为载波，可获得比现有通讯方式大万倍的通讯容量，又倍的通讯容量，又不受一般的电磁干扰不受一般的电磁干扰，因而是一种理想的传输介质。但是如何使因而是一种理想的传输介质。但是如何使光波沿着光波沿着预定的通道预定的通道长距离传输长距离传输却是一个却是一个极难的问题。只有当激光和光导纤维问世极难的问题。只有当激光和光导纤维问世之后，才使这一难题的解决成为可能之后，才使这一难题的解决成为可能4光纤通信发展简史光纤利用光纤作为光的传输介质的研究工作经历了利用光纤作为光的传输介质的研究工作经历了3030年的时间。年的时间。19501950年国外就有人开始了光在光纤中传输的年国外
3、就有人开始了光在光纤中传输的理论研究理论研究。19511951年出现了用于年出现了用于医疗的光导纤维医疗的光导纤维。但由于那时的光纤中。但由于那时的光纤中光的传输衰耗太大，故不能用于一定距离的光通讯。光的传输衰耗太大，故不能用于一定距离的光通讯。19661966年，英籍华人年，英籍华人高锟博士高锟博士揭示了制成衰耗低于揭示了制成衰耗低于20dB/km20dB/km光纤的光纤的可能性可能性。而当时世界上最优良的光学玻璃衰耗在。而当时世界上最优良的光学玻璃衰耗在1000dB/km1000dB/km左右。因而这个预见未被普遍相信和重视。只左右。因而这个预见未被普遍相信和重视。只有美国贝尔实验室主席有
4、美国贝尔实验室主席Iam RossIam Ross和英国电信研究所（和英国电信研究所（BTRLBTRL，BPOBPO）的领导人对此极感兴趣，遂与美国康宁玻璃公司）的领导人对此极感兴趣，遂与美国康宁玻璃公司合作研制。合作研制。19701970年该公司的年该公司的MaurerMaurer等人首先制成了衰耗为等人首先制成了衰耗为20dB/km20dB/km的的光纤，取得了重大突破。高锟博士指出，降低玻璃内的过光纤，取得了重大突破。高锟博士指出，降低玻璃内的过渡金属杂质离子是降低光纤衰耗的主要途径。渡金属杂质离子是降低光纤衰耗的主要途径。沿此途径，在沿此途径，在19741974年光纤衰耗已降低到年光纤
5、衰耗已降低到2dB/km2dB/km。另外，玻。另外，玻璃内的璃内的OHOH离子也是造成衰耗的重要因素。解决此问题后，离子也是造成衰耗的重要因素。解决此问题后，19801980年用于年用于1.55m1.55m波长的光纤衰耗值已降低到波长的光纤衰耗值已降低到0.2dB/km0.2dB/km 5光纤通信发展简史光源实现光纤通讯的另一重要问题是光源。实现光纤通讯的另一重要问题是光源。6060年代，光纤通讯中光源的研究主要应用波长为年代，光纤通讯中光源的研究主要应用波长为0.85m0.85m附近的近红外区。因此，当时主要研究附近的近红外区。因此，当时主要研究GaAlAsGaAlAs( (镓铝砷镓铝砷)
6、 )半导体激光器。当时制成的这种激光器不能半导体激光器。当时制成的这种激光器不能在室温下运用，寿命很短。在室温下运用，寿命很短。19701970年年HayashiHayashi等人终于制成了能在室温下连续运行的等人终于制成了能在室温下连续运行的GaAlAsGaAlAs激光器（激光器（LDLD）。）。19711971年年BurrusBurrus等人制成了等人制成了GsAlAsGsAlAs发光二极管（发光二极管（LEDLED），），其寿命长、价格低廉，但频谱宽、速率低、功率小。其寿命长、价格低廉，但频谱宽、速率低、功率小。8080年代制成了适用于年代制成了适用于1.3m1.3m、1.55m1.55
7、m的的InGaAsP(InGaAsP(铟镓砷铟镓砷磷磷) )长波长激光器和发光管，现已得到广泛应用。长波长激光器和发光管，现已得到广泛应用。6光纤通信发展简史光接收器光接收器件也是光纤通讯必不可少的重要组成部分。光接收器件也是光纤通讯必不可少的重要组成部分。随着光纤的发展，及时地研制成功适用于短波长的随着光纤的发展，及时地研制成功适用于短波长的Si-Si-PINPIN管和管和Si-APDSi-APD雪崩光电二极管及适用长波长的雪崩光电二极管及适用长波长的InGaAsInGaAs或或InPInP的的PINPIN管和管和APDAPD管，还有管，还有Ge-APDGe-APD管等。管等。7光纤通信的发
8、展19761976年后，美国建成传输速率为年后，美国建成传输速率为44Mbit/s44Mbit/s（每秒传送（每秒传送44M44M位数位数字信号）、传输距离达到字信号）、传输距离达到10km10km的商用光纤通讯线路。的商用光纤通讯线路。8080年代，光纤通讯进入大规模发展阶段。目前世界上光纤通年代，光纤通讯进入大规模发展阶段。目前世界上光纤通讯已被广泛应用，全世界光纤用量每年约讯已被广泛应用，全世界光纤用量每年约6000700060007000万万km km 。国际上国际上565Mbit/s565Mbit/s的高速光纤通讯系统（可传送的高速光纤通讯系统（可传送76807680路双向电路双向电
9、话）已广泛应用，话）已广泛应用，2.4Gbit/s2.4Gbit/s超高速系统也将投入运行。超高速系统也将投入运行。我国早在我国早在7070年代初就开展了光纤通讯的研究，年代初就开展了光纤通讯的研究，7070年代末已经年代末已经能制造用于能制造用于1.3 m1.3 m波长、衰耗为波长、衰耗为4dB/km4dB/km的多模光纤，并能制的多模光纤，并能制造造0.85 m0.85 m波长的发光二极管和激光器。波长的发光二极管和激光器。8080年代初，研制成长年代初，研制成长波长多模光纤、长波长激光器和波长多模光纤、长波长激光器和PIN-FETPIN-FET光电检测组件，在光电检测组件，在武汉建立了市
10、内光纤线路。武汉建立了市内光纤线路。19911991年，建成合肥至芜湖的年，建成合肥至芜湖的150km150km光纤线路。由此可见，我国光纤通讯的发展非常迅速，光纤线路。由此可见，我国光纤通讯的发展非常迅速，在电力系统中也得到广泛应用。在电力系统中也得到广泛应用。最新资料表明，全球的光纤使用量已经是10亿公里。8电力系统光纤通信的发展光纤通道站内复接站间直连监控网络过程层数字化变电站智能电网数据通信智能变电站9光纤通信系统的构成10光端机（发）光端机（发）电端机（发）电端机（发）光纤通信的特点光纤通讯与其他通讯方式比较有很多优点，对应用光纤通讯与其他通讯方式比较有很多优点，对应用于电力系统而言
11、，主要有以下几点。于电力系统而言，主要有以下几点。通讯容量大通讯容量大： 随着电力系统保护、控制、远动技术随着电力系统保护、控制、远动技术的发展，需要愈来愈大的通讯容量。微波通道的通的发展，需要愈来愈大的通讯容量。微波通道的通讯容量一般只有讯容量一般只有960960路，而用光缆构成的光纤通道当路，而用光缆构成的光纤通道当用用0.85m0.85m短波长时通讯容量可达短波长时通讯容量可达19201920路，当用路，当用1.55m1.55m长波长时通讯容量可达长波长时通讯容量可达76807680路。路。工作可靠工作可靠： 载波通道受雷电和电力系统操作产生的载波通道受雷电和电力系统操作产生的电磁干扰很
12、大，信号衰耗受天气变化的影响很大，电磁干扰很大，信号衰耗受天气变化的影响很大，有时甚至不能工作。微波通道受电磁干扰较小，但有时甚至不能工作。微波通道受电磁干扰较小，但在恶劣天气条件下信号衰落很大。光纤通道不受电在恶劣天气条件下信号衰落很大。光纤通道不受电磁干扰，基本上不受天气变化的影响，因此工作可磁干扰，基本上不受天气变化的影响，因此工作可靠性远高于载波和微波通道。这对于电力系统特别靠性远高于载波和微波通道。这对于电力系统特别重要。重要。 11光纤的传光原理l光纤与光缆光纤与光缆光纤的构造光纤的构造光缆的构造光缆的构造l光在光纤中的传播光在光纤中的传播光的反射和折射光的反射和折射光的全反射光的
13、全反射光在光纤中的传播光在光纤中的传播12光纤的构造光纤横截面示意图。光纤横截面示意图。光纤由纤芯、包层、光纤由纤芯、包层、涂敷层和套塑四部分涂敷层和套塑四部分组成。纤芯位于光纤组成。纤芯位于光纤的中心，是光传输的的中心，是光传输的主要途径，其主要成主要途径，其主要成分是高纯度的二氧化分是高纯度的二氧化硅，其纯度要达到硅，其纯度要达到99.9999%99.9999%，其余成分，其余成分为掺入的杂质。为掺入的杂质。13光纤的构造常用的杂质有五氧化二磷（常用的杂质有五氧化二磷（P P2 2O O5 5）和二氧化锗）和二氧化锗（GeOGeO2 2）。掺加此杂质的作用是）。掺加此杂质的作用是提高提高纤
14、芯的纤芯的电介强度和折射率。纤芯的直径电介强度和折射率。纤芯的直径2a2a一般在一般在550m550m之间。包层也是掺加有少量杂质的高之间。包层也是掺加有少量杂质的高纯度二氧化硅。包层所用的杂质为氟或硼，其纯度二氧化硅。包层所用的杂质为氟或硼，其作用是作用是降低降低包层的电介强度和折射率。包层的包层的电介强度和折射率。包层的直径直径2b2b一般为一般为125m125m。包层的外面涂敷一层很。包层的外面涂敷一层很薄的环氧树脂或硅橡胶，其作用是增加光纤的薄的环氧树脂或硅橡胶，其作用是增加光纤的机械强度。涂敷层之外是用尼龙或聚乙烯作成机械强度。涂敷层之外是用尼龙或聚乙烯作成的套塑，其作用也是加强光纤
15、的机械强度。的套塑，其作用也是加强光纤的机械强度。14光纤按折射率分布分根据杂质在纤芯材料中的分布，光纤分根据杂质在纤芯材料中的分布，光纤分阶跃型阶跃型和和渐变型渐变型两种。所谓阶两种。所谓阶跃型光纤是指纤芯材料中杂质的分布是均匀的，因而在纤芯中各处电跃型光纤是指纤芯材料中杂质的分布是均匀的，因而在纤芯中各处电介常数和折射率也是均匀的、相同的，是一介常数和折射率也是均匀的、相同的，是一常数常数。但在纤芯与包层分。但在纤芯与包层分界处，电介常数和折射率阶跃式地突然减少。所谓渐变型光纤是指纤界处，电介常数和折射率阶跃式地突然减少。所谓渐变型光纤是指纤芯中杂质从轴线开始沿着半径方向逐渐变化，因而纤芯
16、材料中电介常芯中杂质从轴线开始沿着半径方向逐渐变化，因而纤芯材料中电介常数和折射率也沿着半径方向逐渐变化。数和折射率也沿着半径方向逐渐变化。15光缆l在实际应用中，将多根光纤在实际应用中，将多根光纤集中在一起做成类似于电缆集中在一起做成类似于电缆的光缆进行敷设，以保证不的光缆进行敷设，以保证不受外界的影响而损坏。受外界的影响而损坏。l 图图4 4表示一六芯光缆的横截表示一六芯光缆的横截面。光纤围绕一多股钢丝绳面。光纤围绕一多股钢丝绳排列。多股钢丝绳的作用是排列。多股钢丝绳的作用是增强光缆的机械强度。此外，增强光缆的机械强度。此外，为了保证中继站之间的电信为了保证中继站之间的电信号联系，有些情况
17、下也为了号联系，有些情况下也为了给中继站供电，在光缆中通给中继站供电，在光缆中通常还敷设一对塑料包皮的铜常还敷设一对塑料包皮的铜导线。除了六芯光缆外，还导线。除了六芯光缆外，还有四芯，八芯的光缆等。有四芯，八芯的光缆等。16光在光纤中的传播光的反射和折射光的全反射17光的反射和折射当光从一种介质入射到另一种介质时，由于光当光从一种介质入射到另一种介质时，由于光在两种介质中在两种介质中传播的速度传播的速度不同，在两种介质的不同，在两种介质的分界面上要分界面上要反射和折射反射和折射。如果两种介质材料成。如果两种介质材料成份都是均匀的，则其物理常数如导磁率份都是均匀的，则其物理常数如导磁率 和电和电
18、介常数介常数 也必然是均匀的。也必然是均匀的。 设用下标设用下标1 1和下标和下标2 2分别表示两种介质，其导磁分别表示两种介质，其导磁率都等于空气的导磁率，即率都等于空气的导磁率，即其电介常数分别为其电介常数分别为 1 1和和 2 2，光在两种介质中传，光在两种介质中传播速度各为播速度各为其对于光的折射率分别为：其对于光的折射率分别为：18光的反射和折射设光的入射角为设光的入射角为 1 1，反射角为，反射角为 1 1，折射角为折射角为 2 2，则根，则根据斯奈尔（据斯奈尔（SnellSnell）定律：定律：19光的全反射如果上面所举的两种介质的折射率之间的关系为如果上面所举的两种介质的折射率
19、之间的关系为n1n2n1n2，则由式（则由式（1 1）知，）知， 如果如果 则可以发生则可以发生 这是这是没有意义没有意义的，这说明折射角大于的，这说明折射角大于9090，亦即光亦即光不会进入介质不会进入介质2 2 ，而是，而是全部反射回介质全部反射回介质1 1。 这种现象就是光的全反射。从式（这种现象就是光的全反射。从式（1 1）可见，产生全反射）可见，产生全反射与否不但与与否不但与n2/n1 n2/n1 有关有关, ,也与入射角也与入射角 1 1 有关。设产生全有关。设产生全反射的临界入射角为反射的临界入射角为 c c ，则应有，则应有20光在光纤中的传播21光在光纤中的传播所谓阶跃式是指
20、在纤芯中和包层中光的折射率所谓阶跃式是指在纤芯中和包层中光的折射率都是均匀分布的。包层的折射率都是均匀分布的。包层的折射率n n小于纤芯的小于纤芯的折射率折射率n n。从纤芯到包层，在分界面上折射率。从纤芯到包层，在分界面上折射率突然减小。光通过光纤轴线突然减小。光通过光纤轴线斜射斜射入光纤。当入入光纤。当入射角射角大于等于大于等于临界入射角时，产生临界入射角时，产生全反射全反射，光，光线不进入包层，完全在纤芯中沿着轴线方向曲线不进入包层，完全在纤芯中沿着轴线方向曲折前进。实线和虚线代表不同的入射角时的传折前进。实线和虚线代表不同的入射角时的传播情况。播情况。所谓渐变式是指在纤芯中从轴线沿着径
21、向方向所谓渐变式是指在纤芯中从轴线沿着径向方向折射率折射率逐渐减小逐渐减小。由于在渐变型光纤中，纤芯。由于在渐变型光纤中，纤芯中的折射率沿半径方向逐渐变化，故光在行进中的折射率沿半径方向逐渐变化，故光在行进中中连续地产生折射连续地产生折射，行进路径呈曲线形状。，行进路径呈曲线形状。22光纤的类型光纤传输的模式光纤传输的模式多模是指可传送多模是指可传送多束光线多束光线单模则指沿轴线传送单模则指沿轴线传送一束光线一束光线光纤有三种基本型式：光纤有三种基本型式：(1)(1)多模多模( (折射率折射率) )阶跃式，简称多模阶跃式；阶跃式，简称多模阶跃式；(2)(2)多模多模( (折射率折射率) )渐变
22、式，简称多模渐变式；渐变式，简称多模渐变式；(3)(3)单模单模( (折射率折射率) )阶跃式，简称单模阶跃式。阶跃式，简称单模阶跃式。23光纤通信基础知识光纤传光的基本原理光纤衰耗产生的基本原理光纤通信系统的组成电力系统常用光纤电力系统常用光缆电力系统常用光纤通信的部件24光纤的损耗和色散光在光纤中的光在光纤中的吸收损耗吸收损耗光纤材料光纤材料本身本身引起的吸收损耗引起的吸收损耗红外吸收损耗红外吸收损耗紫外吸收损耗紫外吸收损耗杂质杂质引起的吸收损耗引起的吸收损耗金属离子引起的吸收损耗金属离子引起的吸收损耗氢氧根例子引起的吸收损耗氢氧根例子引起的吸收损耗原子缺陷引起的吸收损耗原子缺陷引起的吸收
23、损耗光在光纤中的光在光纤中的散射损耗散射损耗光纤的色散光纤的色散25红外吸收和紫外吸收损耗均属于光纤材料本身引起的吸收损耗均属于光纤材料本身引起的吸收损耗石英玻璃（石英玻璃（SiO2SiO2）是光纤的基础材料。在波长）是光纤的基础材料。在波长9um9um、12.5um12.5um和和21um21um处，其处，其Si-OSi-O键发生振动而吸收一部分键发生振动而吸收一部分光能，从而造成损耗。这几个波长都在红外区域，光能，从而造成损耗。这几个波长都在红外区域，故称故称红外吸收损耗红外吸收损耗。由于目前光纤的工作波长与这。由于目前光纤的工作波长与这几个振动波长的距离较远，故红外吸收损耗对光纤几个振动
24、波长的距离较远，故红外吸收损耗对光纤通讯通讯影响不大影响不大; ;在光纤材料在光纤材料SiOSiO2 2的原子中，一些处于低能级的电子的原子中，一些处于低能级的电子会吸收紫光的一些能量而跃迁到高能级状态，因而会吸收紫光的一些能量而跃迁到高能级状态，因而造成光能的损失。这种由于造成光能的损失。这种由于电子跃迁电子跃迁造成的损耗发造成的损耗发生在波长为生在波长为0.16um0.16um附近的紫外区域。因此，对常用附近的紫外区域。因此，对常用的的0.85um0.85um波长的光纤通讯波长的光纤通讯有一定的影响。有一定的影响。26金属离子、氢氧根离子、源自缺陷造成的损耗均属于光纤材料中均属于光纤材料中
25、杂质杂质造成的吸收损耗造成的吸收损耗在光纤材料杂质中可能有铁、铜、钒、镍、和钴等金属离子。这些金在光纤材料杂质中可能有铁、铜、钒、镍、和钴等金属离子。这些金属离子要吸收一些光能造成损耗，但是现代提纯技术水平大大提高，属离子要吸收一些光能造成损耗，但是现代提纯技术水平大大提高，使得金属离子的吸收损耗已不重要使得金属离子的吸收损耗已不重要; ;在光纤加工过程中，不可避免的要有一些在光纤加工过程中，不可避免的要有一些OH-OH-根离子残留于其中，根离子残留于其中，OH-OH-根离子的振动要产生光能损耗。根离子的振动要产生光能损耗。OH-OH-根振动的基波位于根振动的基波位于2.73um2.73um处
26、，处，在此处吸收损耗量最大。这距离常用的波长较远，无大影响。但其二在此处吸收损耗量最大。这距离常用的波长较远，无大影响。但其二次和三次谐波分别出现在次和三次谐波分别出现在1.38um1.38um和和0.95um0.95um。距常用的波长较近，有一。距常用的波长较近，有一定的影响。三次以上谐波的振动形成的吸收损耗很小，可以忽略不计。定的影响。三次以上谐波的振动形成的吸收损耗很小，可以忽略不计。原子缺陷造成的吸收损耗是在光纤材料受到某种激励，例如热激励或原子缺陷造成的吸收损耗是在光纤材料受到某种激励，例如热激励或强幅射激励时，造成原子缺陷而吸收光能，称为原子缺陷吸收损耗。强幅射激励时，造成原子缺陷
27、而吸收光能，称为原子缺陷吸收损耗。目前在光纤制作时，已选用这种损耗最小的石英玻璃，因而原子缺陷目前在光纤制作时，已选用这种损耗最小的石英玻璃，因而原子缺陷吸收损耗的影响已经很小吸收损耗的影响已经很小27散射损耗太阳光穿过大气时，遇到大气的分子或微粒会发生散射而使天空变成太阳光穿过大气时，遇到大气的分子或微粒会发生散射而使天空变成蔚蓝色。同样，光在光纤中传输时遇到光纤微观结构的不均匀性也会蔚蓝色。同样，光在光纤中传输时遇到光纤微观结构的不均匀性也会产生散射。产生散射。制作光纤时，其玻璃材料在冷却过程中，内部会出现分子级的密度不制作光纤时，其玻璃材料在冷却过程中，内部会出现分子级的密度不均匀性，这
28、种均匀性，这种不均匀不均匀微粒的尺寸比光波波长还要小，光遇到这些不均微粒的尺寸比光波波长还要小，光遇到这些不均匀的微粒就要发生散射，造成散射损耗，称之为瑞利散射损耗。波长匀的微粒就要发生散射，造成散射损耗，称之为瑞利散射损耗。波长增大时，瑞利散射损耗急剧减小。此外，在入射光很强时，还会发生增大时，瑞利散射损耗急剧减小。此外，在入射光很强时，还会发生受激散射，即布里渊受激散射和喇曼受激散射。因为这样产生的散射受激散射，即布里渊受激散射和喇曼受激散射。因为这样产生的散射光与入射光的波长不一样，故称为非线性散射。受激散射是一种受激光与入射光的波长不一样，故称为非线性散射。受激散射是一种受激现象，与其
29、他受激现象一样，它的产生有一定的阈值。研究表明，只现象，与其他受激现象一样，它的产生有一定的阈值。研究表明，只有当入射到光纤中的光功率达到有当入射到光纤中的光功率达到80 mW80 mW时，才会引起严重的非线性散时，才会引起严重的非线性散射而造成非线性散射损耗。但光纤通讯中使用的半导体光源能注入光射而造成非线性散射损耗。但光纤通讯中使用的半导体光源能注入光纤的功率远小于此数值，因此可以不考虑这种散射损耗。纤的功率远小于此数值，因此可以不考虑这种散射损耗。28光纤的辐射损耗以上所讲的吸收损耗和散射损耗都是由于以上所讲的吸收损耗和散射损耗都是由于光纤材料本身的固有性质所引起的，故称光纤材料本身的固
30、有性质所引起的，故称为为本征损耗本征损耗。除此而外，在光纤生产和敷。除此而外，在光纤生产和敷设过程中还会产生一些附加的缺陷而造成设过程中还会产生一些附加的缺陷而造成损耗。例如纤芯的直径和包层的尺寸的不损耗。例如纤芯的直径和包层的尺寸的不均匀性，玻璃中残留的气泡、敷设时过大均匀性，玻璃中残留的气泡、敷设时过大的弯曲等都会产生光的辐射。辐射光的一的弯曲等都会产生光的辐射。辐射光的一部分进入包层而引起辐射损耗。随着现代部分进入包层而引起辐射损耗。随着现代光纤制作水平工艺的提高，辐射损耗已可光纤制作水平工艺的提高，辐射损耗已可减到最低水平。减到最低水平。29光纤中光能总损耗的谱特性与工作窗口上述各种损
31、耗都与入射光的波长有关。总损耗对波长的关系称为总损上述各种损耗都与入射光的波长有关。总损耗对波长的关系称为总损耗的谱特性。如图耗的谱特性。如图8 8所示。可以看到，在短波长范围和长波长范围有所示。可以看到，在短波长范围和长波长范围有三个损耗相对较低的范围：三个损耗相对较低的范围：0.8 0.90.8 0.9umum，1.21.3um1.21.3um，1.441.52um1.441.52um。这。这三个波长范围一般用于光纤通讯，称为三个工作窗口。三个波长范围一般用于光纤通讯，称为三个工作窗口。30光纤的色散所谓色散是指利用光纤进行数字通讯时光脉冲被展宽的现象。所谓色散是指利用光纤进行数字通讯时光
32、脉冲被展宽的现象。31光纤的色散由于色散现象存在，使得用在数字通讯时脉冲之间的间隔不能由于色散现象存在，使得用在数字通讯时脉冲之间的间隔不能太小，亦即传送速率不能太高，这限制了通讯容量的提高。此太小，亦即传送速率不能太高，这限制了通讯容量的提高。此外，因色散造成的脉冲展宽程度与传送距离有关，因此色散也外，因色散造成的脉冲展宽程度与传送距离有关，因此色散也限制了光纤通讯的距离。限制了光纤通讯的距离。多模阶跃式光纤的多模阶跃式光纤的数据传输速率较低数据传输速率较低，只能用于短距离数据传，只能用于短距离数据传输，也常用于图像传输。这种光纤的优点是直径较大，机械强输，也常用于图像传输。这种光纤的优点是
33、直径较大，机械强度较大，度较大，光源和光纤的对准比较容易光源和光纤的对准比较容易。多模渐变式光纤中，纤芯的折射率从轴线沿着径向方向逐渐减多模渐变式光纤中，纤芯的折射率从轴线沿着径向方向逐渐减小。光束沿着轴线传输的距离虽短，但速度较慢，距中心线越小。光束沿着轴线传输的距离虽短，但速度较慢，距中心线越远处光束的传输距离虽长但速度较快，这就部分地远处光束的传输距离虽长但速度较快，这就部分地补偿补偿了由于了由于路程不同而产生的时间差异，使光脉冲的变形减小。这种光纤路程不同而产生的时间差异，使光脉冲的变形减小。这种光纤用于用于中等距离中等距离、中等信号速率的数据传输。、中等信号速率的数据传输。单模阶跃式
34、光纤的纤芯半径较小，只传输沿中心线射入的一种单模阶跃式光纤的纤芯半径较小，只传输沿中心线射入的一种光束，消除了色散现象，可用于远距离高数据速率的传输。其光束，消除了色散现象，可用于远距离高数据速率的传输。其缺点是缺点是光纤太细光纤太细，机械强度较小，需要，机械强度较小，需要非常精密的光源与光纤非常精密的光源与光纤的对准工具，这些问题目前都已圆满解决。的对准工具，这些问题目前都已圆满解决。32光纤的色散33光纤通信基础知识光纤传光的基本原理光纤衰耗产生的基本原理光纤通信系统的组成电力系统常用光纤电力系统常用光缆电力系统常用光纤通信的部件34光纤通信系统光发信机光收信机数字通信的原理多路复用技术3
35、5光发信机概述与高频通道和微波通道相似，光纤通道是要将代表话音、控制与高频通道和微波通道相似，光纤通道是要将代表话音、控制命令、遥测数据或信息的音频信号或脉冲调制在一种光源上，命令、遥测数据或信息的音频信号或脉冲调制在一种光源上，通过光纤传送到远端。这就需要有光源、调制或编码电路和相通过光纤传送到远端。这就需要有光源、调制或编码电路和相应的控制电路。这些电路构成光发信机，其主要器件是光源。应的控制电路。这些电路构成光发信机，其主要器件是光源。36光源的基本要求由于光纤芯径很小，要求光源要有较小的发光由于光纤芯径很小，要求光源要有较小的发光面积，并且与光纤之间能够很好耦合。面积，并且与光纤之间能
36、够很好耦合。光源发光的波长应在光纤通讯的三个低耗的工光源发光的波长应在光纤通讯的三个低耗的工作窗口内，即作窗口内，即0.80.90.80.9、1.21.31.21.3、1.451.55um1.451.55um。由于光纤通道要传送许多路高速脉冲信号，因由于光纤通道要传送许多路高速脉冲信号，因此要求光源有足够大的功率和很快的响应速度此要求光源有足够大的功率和很快的响应速度作为电力系统的主要通讯系统，要求光源具有作为电力系统的主要通讯系统，要求光源具有很高的可靠性，对温度等外界条件的变化不敏很高的可靠性，对温度等外界条件的变化不敏感感37激光发生的原理光纤通道的光源主要是半导体激光器光纤通道的光源主
37、要是半导体激光器（LDLD）和发光二极管（）和发光二极管（LEDLED）。为了解释）。为了解释这种光源的工作原理，首先要了解半导体这种光源的工作原理，首先要了解半导体发光的机理，亦即光的发光的机理，亦即光的受激吸收受激吸收、自发辐自发辐射射和和受激辐射受激辐射的过程。的过程。38能级和能带物质中的原子由原子核和围绕其旋转的很多电子组成。每个电子都沿着一定物质中的原子由原子核和围绕其旋转的很多电子组成。每个电子都沿着一定的轨道旋转，每个轨道代表着沿其旋转的电子所具有的一定能量。根据量子的轨道旋转，每个轨道代表着沿其旋转的电子所具有的一定能量。根据量子力学的理论，电子的轨道不能是连续的，任意的，因
38、此每个电子只能具有对力学的理论，电子的轨道不能是连续的，任意的，因此每个电子只能具有对应于所在轨道的能量，其值也是不连续的，任意的，故称为应于所在轨道的能量，其值也是不连续的，任意的，故称为能级（级别）能级（级别）39能级和能带一个电子要从一个轨道跃迁到另一轨道，必须吸收或释放两个轨道一个电子要从一个轨道跃迁到另一轨道，必须吸收或释放两个轨道能级之差能级之差的能的能量。其放出的能量常以光的形式辐射出来。图中（量。其放出的能量常以光的形式辐射出来。图中（a a）（）（b b）表示一个孤立原）表示一个孤立原子中电子的轨道和能级。最外层的电子称为子中电子的轨道和能级。最外层的电子称为价电子价电子，其
39、数目决定了物质的原，其数目决定了物质的原子价。子价。 半导体中的原子按一定的规则排列，构成晶体。原子的最外层电子常为多半导体中的原子按一定的规则排列，构成晶体。原子的最外层电子常为多个原子所个原子所共有共有，成为，成为共价电子共价电子。由于各原子的互相影响。共价电子不可能只。由于各原子的互相影响。共价电子不可能只具有一个能级，而是可具有相差很小的许多能级，称为能带（在各个原子中具有一个能级，而是可具有相差很小的许多能级，称为能带（在各个原子中兼职，而在所兼职的各原子中，所处能级不同）。价电子所具有的能带称为兼职，而在所兼职的各原子中，所处能级不同）。价电子所具有的能带称为价带价带，其最高能级用
40、，其最高能级用E1E1表示表示( (电子带负电荷其能量是负的电子带负电荷其能量是负的, E1, E1是的最大是的最大) )，价带，价带中的电子受到外界能源，例如光或热的激发，可以吸收一定的能量而脱离原中的电子受到外界能源，例如光或热的激发，可以吸收一定的能量而脱离原子核的束缚而自由移动，亦即从价带跃迁到导电带，简称子核的束缚而自由移动，亦即从价带跃迁到导电带，简称导带导带。导带中的电。导带中的电子在外加电场的作用下移动形成电流。子在外加电场的作用下移动形成电流。 导带的最小能级用导带的最小能级用E2E2或或E E表示，价带的最高能级用表示，价带的最高能级用E1E1或或E E表示表示. .电子不
41、能具有电子不能具有E1E1到到E2E2之间的能级。此区域代表的能带称为禁带。（之间的能级。此区域代表的能带称为禁带。（受刺激大了，吸收的能受刺激大了，吸收的能量多了才有可能从价带到导带量多了才有可能从价带到导带）禁带的能量用禁带的能量用E EF F表示，因此，要使电子从价带跃迁到导带必须吸收等于表示，因此，要使电子从价带跃迁到导带必须吸收等于E EF F的能量。的能量。 在在稳稳定定状状态态下下，能能级级较较低低的的电电子子有有一一定定的的概概率率跃跃迁迁到到较较高高的的能能级级。能能级级较较高高的的电电子子也也有有一一定定的的概概率率跃跃迁迁到到较较低低的的能能级级。在在某某个个能能级级之之
42、下下，被被电电子子占占据据的的概率大于概率大于1/21/2，此能级称为，此能级称为“费米能级费米能级” E Ef f如图中（如图中（c c）中虚线所示。）中虚线所示。40受激吸收和自发辐射当低能级当低能级E E1 1上的一个电子受到一个具有上的一个电子受到一个具有 能量能量e=Ee=E1 1-E-E2 2的光子照射的光子照射时，可能吸收此能量而跃迁到高能级时，可能吸收此能量而跃迁到高能级E E2 2上去。这个过程称为光上去。这个过程称为光的受激吸收。光的受激吸收有一定的概率。同时与温度和照射的受激吸收。光的受激吸收有一定的概率。同时与温度和照射光的频率等因素有关。光的频率等因素有关。 电子总是
43、力图占据较低的能级（电子总是力图占据较低的能级（越低越稳定越低越稳定），因而在高能级），因而在高能级E2E2上的电子是不稳定的，总是力图向低能级上的电子是不稳定的，总是力图向低能级E1E1跃迁。这种跃迁跃迁。这种跃迁是自发的（非受激的）。电子在自发跃迁时以光的形式释放出是自发的（非受激的）。电子在自发跃迁时以光的形式释放出其多余的能量其多余的能量E2-E1E2-E1，称为自发辐射。自发幅射也有一定的概率。，称为自发辐射。自发幅射也有一定的概率。41受激辐射除了自发跃迁外，处于高能级除了自发跃迁外，处于高能级E2E2上的电子受到光子照射时，上的电子受到光子照射时，也可以从也可以从E2E2跃迁到低
44、能跃迁到低能 级级E1E1，同时辐射出频率为，同时辐射出频率为f12f12的光的光子。这种辐射称为受激辐射。受激辐射也有一定的概率。子。这种辐射称为受激辐射。受激辐射也有一定的概率。受激辐射与自发辐射不同之处在于：自发辐射是电子独立受激辐射与自发辐射不同之处在于：自发辐射是电子独立的从高能级的从高能级E2E2向低能级向低能级E1E1跃迁时辐射的光。各电子自发辐跃迁时辐射的光。各电子自发辐射发出的光虽然频率相同，但彼此无关，可以有不同的相射发出的光虽然频率相同，但彼此无关，可以有不同的相位，并且可向所有方向传播。而受激辐射的光子和激励源位，并且可向所有方向传播。而受激辐射的光子和激励源的光子不仅
45、频率相同，而且相位和传播方向也相同，亦即的光子不仅频率相同，而且相位和传播方向也相同，亦即受激辐射的光是一种和入射光相干的光。受激辐射的光是一种和入射光相干的光。在受激辐射过程中，如果激励源光子的频率在受激辐射过程中，如果激励源光子的频率 f f与正好满足与正好满足 hf=E2-E1 hf=E2-E1 则处于高能级则处于高能级E2E2电子发生受激辐射，由电子发生受激辐射，由E2E2跃迁跃迁到到E1E1，又激励，又激励E1E1上的电子发生受激吸收，由上的电子发生受激吸收，由E1E1跃迁到跃迁到E2E2。亦即受激吸收和受激辐射两个过程同时发生，而且发生的亦即受激吸收和受激辐射两个过程同时发生，而且
46、发生的概率相同。概率相同。42光的放大对于一般的物质，在热平衡状态下处于低能级对于一般的物质，在热平衡状态下处于低能级E1E1的电子数的电子数N1N1总总是大于处于高能级是大于处于高能级E2E2的电子数的电子数N2N2，因而受激吸收占主导地位，因而受激吸收占主导地位，称为吸收媒质。光经过吸收媒质时，其能量逐渐被吸收而光强称为吸收媒质。光经过吸收媒质时，其能量逐渐被吸收而光强减弱。减弱。在一定的条件下，可使某些物质的高能级在一定的条件下，可使某些物质的高能级E2E2上的电子数上的电子数N2N2大于大于低能级低能级E1E1上的电子数上的电子数N1N1。在这种情况下，光的受激辐射将占主。在这种情况下
47、，光的受激辐射将占主导地位。在一个光子的激发下可使导地位。在一个光子的激发下可使E2E2上的一个电子受激辐射，上的一个电子受激辐射，产生另一个与入射光子的频率、相位、传播方向完全相同的光产生另一个与入射光子的频率、相位、传播方向完全相同的光子。一个光子变成两个光子。亦即光被放大。如果子。一个光子变成两个光子。亦即光被放大。如果E2E2的电子数的电子数能从外界能源不断供给，则这种放大可继续维持下去。产生光能从外界能源不断供给，则这种放大可继续维持下去。产生光放大的条件是使高能级上的电子数放大的条件是使高能级上的电子数N2N2大于低能级上的电子数大于低能级上的电子数N1N1，这称为电子数的反转分布
48、。，这称为电子数的反转分布。43光的谐振与电子学中的振荡器一样，如果将被放大光的一部分作为正反馈来进行进一与电子学中的振荡器一样，如果将被放大光的一部分作为正反馈来进行进一步放大，则可产生光的振荡。图步放大，则可产生光的振荡。图1313为光振荡器示意图，是由光的放大媒质与为光振荡器示意图，是由光的放大媒质与两个反射镜构成。后面的反射镜对光进行全部反射，反射率为两个反射镜构成。后面的反射镜对光进行全部反射，反射率为100%100%。前面的。前面的反射镜有一小孔，可使被放大光的一部分通过小孔射出，形成激光光束。其反射镜有一小孔，可使被放大光的一部分通过小孔射出，形成激光光束。其余被反射回去的部分光
49、因而产生光的振荡。从图中可看出能够被放大和产生余被反射回去的部分光因而产生光的振荡。从图中可看出能够被放大和产生振荡的光只能是与谐振腔轴线平行的光。不平行的光将穿过谐振腔两侧面而振荡的光只能是与谐振腔轴线平行的光。不平行的光将穿过谐振腔两侧面而逸出。逸出。因此经过放大和振荡而输出的激光具有很强的方向性，能量非常集中，因此经过放大和振荡而输出的激光具有很强的方向性，能量非常集中，这是激光最大的特点。这是激光最大的特点。44半导体激光器在在N型半导体中，多数载流子型半导体中，多数载流子电子电子的数目极多；而在的数目极多；而在P型半导体中，型半导体中，多数载流子多数载流子空穴空穴的数目极多。当将这两
50、种不同的半导体结合在一起时，的数目极多。当将这两种不同的半导体结合在一起时，N型半导体中的电子向型半导体中的电子向P型半导体中扩散，型半导体中扩散，P型半导体中的空穴向型半导体中的空穴向N 型型半导体中扩散，因而在两种半导体结合处形成半导体中扩散，因而在两种半导体结合处形成 了一个只有空间电荷了一个只有空间电荷没有自由电荷的区域，叫做没有自由电荷的区域，叫做P-N结结，两种空间电荷之间出现一个静电，两种空间电荷之间出现一个静电场，称为场，称为自建电场。自建电场。自建电场阻止了电子和空穴的进一步扩散，而达自建电场阻止了电子和空穴的进一步扩散，而达到了一种平衡状态。在平衡状态下，由于自建电场的存在
51、，到了一种平衡状态。在平衡状态下，由于自建电场的存在，PN两种两种半导体之间出现了一个电位差半导体之间出现了一个电位差VD，称为势垒，因而，称为势垒，因而P型半导体中电子型半导体中电子的能带都比相应的的能带都比相应的N型半导体中电子的能带高一个型半导体中电子的能带高一个eVD值，如图所示。值，如图所示。 e为电子的电荷。为电子的电荷。 45半导体激光器势垒的大小与半导体材料中所掺的杂质的浓度有关。在杂质浓度很大的情况下，势垒很大，使得N型半导体中导带最低能级EC甚至于低于P型材料价带的最高能级EV。在杂质浓度足够大时，N材料的EC低于费米能级EF。而P材料中的 EV高于EF，低于费米能级的区域
52、容易被电子占据，故N材料中EC到 EF之间聚集着很多电子，而在P材料之中 EF到EV 之间容易被空穴占据，故聚集着很多空穴。当给PN结加以正向电压（正加在P，负加压N）时，此电压抵消了一部分自建电场，使势垒减小，如图15所示。这样就造成了P-N结区域的电子数反转分布，即导带EC上的电子数多于价带EV 上的电子数。因此在外加电压的激发下，电子产生受激辐射，发生激光。只要外加电源产生的电流足够大，足以补充导带中的电子，激光将会连续发射出去。46半导体激光器砷化镓激光器采用砷化镓（GaAs）作为激活媒质，掺杂的浓度很大。GaAs是III-V族化合物，当掺入IV族元素如Te（锑,音：Ti）时，就形成N
53、型半导体，其载流子浓度可达（13）1018/cm3；当掺入II族元素如Zn（锌）时，就形成P型半导体，其载流子浓度约为（24）1019 / cm3；。用这种半导体构成的P-N结就是激光器的的发光源区，称为有源区。在PN结两端，按照晶体的天然晶面切成相互平行并且光滑的平面，称为解理面。这两个解理面就构成两个反射镜，其间形成激光器的谐振腔。其侧面不要磨光，使不与谐振腔轴线平行的光发散出去，不要反射回来进行放大。在P-N结上下底面上，接上电极，与外电源相连，N接负极，P接正极。47半导体激光器在发光源区内，产生电子数的反转分布，在接通外电源，而且电流超过一定的门坎值时，就会在自发辐射的激发下，使受激
54、辐射大于受激吸收。一个光子就会激发出很多频率、相位、传播方向完全相同的光子，产生光的放大。此外，由于谐振腔的存在，放大的光被进一步放大因而产生振荡，从一端反射镜的小孔向外发射激光。为了使激光能连续的稳定的发射，必须由外电源供给一定的电流，维持有源区粒子数的反转分布。使激光器刚开始产生激光 的注入电流称为激光器的阈值电流。其值愈小时激光器效率就愈高。阈值电流密度一般在（10100）kA/cm2范围内。48半导体激光器输出特性半导体激光器的输出光功率P与注入电流I之间的函数关系曲线称为激光器的输出特性，半导体激光器的输出光功率与有源区的电子密度、光子密度、注入电流、有源区厚度以及材料的杂质密度等因
55、素有关，可以通过理论计算得到，也可用实验方法得到。49输出特性曲线a是理论计算得到的输出特性，b是用实验方法得到的输出特性。可见两者非常接近。图中Ith代表阈值电流。IIth区称为激光区，是电子受激辐射而产生激光的区域，在此区域所发的光不但强度很大，而且频率、相位、传播方向都相同，是相干激光。50半导体激光器的温度特性向半导体激光器P-N 结注入的电功率大部分变成光能发射出去，但也有一部分电功率转化为热消耗掉，P-N结的温度升高。 这将引起阈值电流的变化，从而引起输出光功率的变化。右图是镓铝砷一镓砷激光器输出光功率随温度变化的关系。51半导体发光二极管半导体发光二极管（LED）所用的材料和半导
56、体激光器（LD）所用的材料一样，主要是用镓铝砷（GaAlAs）和铟镓砷磷（InGaAsP）。其发光原理也和激光器一样，但是利用自发辐射，而不是受激辐射，没有谐振腔，不经过放大。因此所发的光是荧光而不是激光。它不需要太大的电流注入PN结、不需要形成电子数的反转分布。因此，就没有阈值电流问题。由于发光二极管发光输出特性线性度较好，使用简单、成本低廉、寿命长，因而在对性能要求不高的场合使用的很多，故也是光纤通讯中的重要光源。按照光的输出方向，半导体发光二极管可分为表面发光型和侧面发光型两种。52驱动和调制电路为了使激光器或发光二极管发光都需要注入电流，即进行驱动。为了用光信号传送信息需要对光信号进行
57、调制。通常可将此二任务合并，用驱动调制电路来完成。与电信号相同，对光信号也可用调幅、调频、调相的方法进行调制。但由于目前采用的光源的频谱不纯，中心频率不稳定，因而用调频和调相的方法进行调制比较困难。故在当前实用的光纤通讯系统中几乎都采用调幅的方法，即使光源输出的光强度跟随调制信号按线性关系变化。一般采用改变半导体光源器件的激励电流而得到光调幅的方法。53驱动电路例子54调制数字信号一般采用脉冲编码（数字信号一般采用脉冲编码（PCM）方式）方式传送信息。通过通道传送的是脉冲。因此传送信息。通过通道传送的是脉冲。因此光源光源P-I特性的非线性不再是考虑的主要问特性的非线性不再是考虑的主要问题，而电
58、路的题，而电路的开关工作速度开关工作速度，即调制速度，即调制速度将成为首要问题（将成为首要问题（开关速度的大小直接营开关速度的大小直接营销通信带宽、通信容量等销通信带宽、通信容量等）。）。LED光源的光源的调制速度较慢（调制速度较慢（荧光区荧光区），只能用于较低），只能用于较低速度的数字光发讯机中。速度的数字光发讯机中。在较高速度的数在较高速度的数字发讯机中，多采用字发讯机中，多采用LD（激光区）作光源（激光区）作光源。55调制电路右图表示一种共发射右图表示一种共发射极单管数字式驱动调极单管数字式驱动调制电路。三极管导通制电路。三极管导通时工作于饱和状态。时工作于饱和状态。由于三极管工作于饱由
59、于三极管工作于饱和工作状态，在饱和和工作状态，在饱和期间集电极期间集电极-集极集极PN结中贮存了大量的少结中贮存了大量的少数载流子，在截止时数载流子，在截止时需要一定的时间来消需要一定的时间来消除这些载流子，除这些载流子，因此因此导通关断的频率不能导通关断的频率不能太高太高56光接收机光电检测器光电检测器:能够将光功率转变成电功率的能够将光功率转变成电功率的器件称为光电检测器。凡是能够产生光电器件称为光电检测器。凡是能够产生光电效应的物质都可作成光电检测器。过去曾效应的物质都可作成光电检测器。过去曾用光电效应物质作成阴极的光电管作为光用光电效应物质作成阴极的光电管作为光检测器。现代的光电检测器
60、一般用半导体检测器。现代的光电检测器一般用半导体材料作成，光纤通讯中最常用的光电检测材料作成，光纤通讯中最常用的光电检测器是器是PIN光电二极管光电二极管和和APD雪崩二极管雪崩二极管。57PIN光电二极管首先介绍PN结的光电效应。如果给半导体PN结加上与自建电场方向相同电压，使势垒加强、PN结的耗尽区将变宽，其能带结构如下图所示。58PIN光电二极管PN结区内已无自由载流子。如果用光照射此PN结，并且当光子的能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，那么价带的电子可以吸收一个光子的能量而跃迁到导带，产生一对光生电子和空穴，则在外加电场作用下，电子将向N区漂移，而空穴向P区漂移，形成光生电流。这样，
61、光信号就变成了电信号。但是光生电子和空穴在PN结区向两极漂移途中也会发生复合而失去电荷，造成光的吸收，降低了光电转换效率。为了解决这个问题，一方面选择对光的吸收较少的物质作光电二极管。另一方面，延长光生电子-空穴对在PN结区的寿命，即减小复合的概率，应使PN结较宽、杂质浓度较低。PN结宽可产生较多的光生电子空穴对，杂质浓度低可减少复合的概率。由此出发作成了PIN光电二极管，如图26所示。将PN 结改变成PIN三层结构。P层和N层都很薄，中间为掺杂较轻的N型半导体，称为I 层。I 层很宽。因而使整个PN结区变宽。提高光电转换效率。59光纤通信系统光发信机光收信机数字通信的原理多路复用技术60数字
62、通信原理模拟采样：信号的数字化编码的基本规则传递码型的选择HDB3编码61模拟采样：信号的数字化p世界是模拟的。p数字通信是将电话语音，电视图像或电流电压等连续的模拟量经过采样变成离散的模拟量如图29所示，(a)表示连续的模拟量。(b)为采样脉冲，(c)是经采样后得到的离散模拟量，称为PAM，其包络线与原连续的模拟量一致62编码规则u将离散化的模拟量用相对应的二进制码表示，变成PCM信号称为编码。u编码有几种规则，比如折叠二进制编码。以八位二进制码为例，这种码的最高位即第7位为符号位，或符号码，以“0”表示正数，以“1”表示负数。其余7位从最低位（第0位）到第6位代表数的绝对值。称为幅度码。例
63、如二进制数 01111111代表+127，11111111代表-127，即8位二进制数代表的数字范围为-127+127。63折叠二进制编码 因为这种码以因为这种码以零为界，正、零为界，正、负数的码是负数的码是对对称称的，故称为的，故称为折叠二进制码，折叠二进制码，这种码编码比这种码编码比较方便，因为较方便，因为幅值相同时幅幅值相同时幅度码相同度码相同。64传送码型的选择（1）线路码流不应含有直流分量。码流在传输过程中要经过多次电流电压变换，亦即要通过多个小电压变换器，直流分量难以通过这些变换器，折迭二进制码的脉冲都是同一极性，平均值不为零，亦即有直流分量，因此必须进行码型变换。65不归零码和归
64、零码不归零码：如图所示，码元“1”用正脉冲表示，码元“0”用空隙表示，称为不归零码，用NRZ表示。显然这种码的直流分量很大。归零码。如果将码元“1”的脉冲宽度减小一半，亦即变成“10”，并且将代表“1”的脉冲交替变号（某个“1”变成“10”，其后面再出现“1”则变成“-10”，继续下去，在某个特定的时间段，直流分量基本等于0），（这称为AMI码），如图（b）所示也就是归零码，用RZ表示。这种码由正、负脉冲和零实现，是一种双极性（+1，-1，0）码。显然这种码的直流分量很小。66归零码和不归零码归零码和不归零码67传送码型的选择2）在线路码流中要易于提取发送端的时钟信号由发送端送出的双极性归零码
65、，经过线路传输，码的幅度不断减小和失真如图（b）所示。因此经过一般传输距离要进行再生中继。一般规律是脉冲上升沿和下降沿处衰减最大，脉冲的中央衰减最小，因此在中继站必须知道发送端发送的码中央的时刻，亦即要从码流中提发送端的时钟信号如图33C图所示。在此时刻读取脉冲值，如果其值大于正的门栏值即为正脉冲，将其形状于以恢复，低于负的门限值即为负脉冲，将其恢复或负脉冲，如图d图所示。为此所用码型必须有利于时钟信号的提取，为了正确提取时钟信号，码流中就不能有多个连续的“0”。比如为此所采取措施使连续的“0”不多于3个的方法，这种码就叫HDB3码。68再生中继69传递码型的选择（3）在线路码流中应尽量使高频
66、分量少。电缆中分布电容较大，因而高频信号在电缆线路中的衰耗较大，失真也较大，对同一电缆中其他导线的互感串音也较大，因此应该使高频分量尽量少。（4）抗干扰能力强。（5）具有一定的检测误码的能力（6）编码设备简单易于实现70例子：HDB3编码目前应用最广的满足上述要求的是HDB3码，其含义是高密度双极性连续的“0”码个数不超过3的码。国际电报电话咨询委员会ITU-T规定了HDB3的编码规则为：（1）HDB3码型信号是一种伪三进制信号，对应三种状态，B+、B-、0。B表示二进制“1”；（2）二进制码流信号中的空号“0”在HDB3中的仍编为“0”（无脉冲），但对4个及以上的连续“0”，采取特殊处理；（
67、3）信号中的码元“1”在HDB3中被编码为正、负交替的脉冲。当4个连续的“0”码出现时，引入打乱“1”正、负交替反相规则的代换码；而按下述规则编码：1）凡出现4个及以上的连续“0”码时，从第1个“0”码起，每4个连“0”码为一组，称为4连“0”组；2）将每个4连“0”组的第4个“0”用代换码V=+1或-1代换，与前一个V极性相反，即成为000V；3）要保证两个相邻V码之间脉冲（+1和-1）为奇数，当为奇数时，4连“0”组用000V代换，当两个V码之间的脉冲（+1和-1）为偶数时，4连“0”组用00V代换。人为加入脉冲（+1或-1）可保证相邻两个V码之间的脉冲数为奇数。4）V码的极性与相邻的前一
68、个码元“1”（包括）的极性相同。相邻两个V码的极性正、负交替，相邻两个码的极性也正、负交替71编码设有一单极性码0110011101，变成正、负交替的AMI码为00、+10、-10、00、00、+10、-10、+10、00、-10。当连“0”的个数达到4以上时，就将0000码的第四个“0”用代换码V代换，变成000V。V=+1或-1，也按正、负交替进行。如果码流中两个V之间的二进制“1”和“1”为偶数时，需要将0000变成000V，也是代换码，=+1或-1。为了便于区别代换码的极性，用+、-、V+、V-表示。72编码73HDB3编码按以上规则按以上规则 1）和）和2）可保证连续）可保证连续“0
69、”的的个数不会超过个数不会超过3，便于，便于提取时钟提取时钟。第。第3）和）和4）规则可保证正脉冲的总个数与负脉冲的）规则可保证正脉冲的总个数与负脉冲的总个数相等，从而保证总个数相等，从而保证无直流分量无直流分量。同时。同时4连连“0”的相邻两个脉冲极性相同，打乱了的相邻两个脉冲极性相同，打乱了正、负交替的规则。因而在译码时遇到相正、负交替的规则。因而在译码时遇到相邻两个脉冲极性相同，则知道是四连邻两个脉冲极性相同，则知道是四连“0，可将其从第二个脉冲可将其从第二个脉冲V起向前恢复为起向前恢复为4个连个连“0”，即，即“0000”。74光纤通信系统光发信机光收信机数字通信的原理多路复用技术75
70、多路复用技术概述：原因频分制多路复用通道时分制多路复用通道30/32路PCM基群帧结构76概述除了市内电话线之外，各种远程通道都有很大的通信容量,可同时供给多个用户独立地进行通信且互不干扰，但需要有一定的技术和设备的支持，这种技术和设备就是多路复用技术和“数据传输设备”，这种通信通道就是“多路复用通道”。多路复用有两种基本的模式；一是“频分制”多路复用，另一种是“时分制”多路复用。77频分制多路复用频分制多路复用是以划分频带为基础，使不同的话路（用户）在载波频率的范围内占据不同的频带而实现的。例如输电线载波通道的载波频率范围为40400kHz，给每一用户（通信、保护、远动等）规定为04kHz的
71、频率，并将其相继安排（调制）到载波频率范围内的不同位置，如果各用户的带通滤波的频带边缘有足够的防卫度，则各用户可同时通信，互不干扰。对输电线载波和微波通道都可用频分制多路通信，已在前面提到。78时分制多路复用时分制多路复用是以给不同用户划分不同的使用时间为基础实现的。因为用户的数据传输速率远低于“数据传输设备”的数据传输速率，因而“数据传输设备”可依次快速采集各用户的数据，统一编码传送。在接收端同步地依次接收和分离各用户的数据，发送给不同的用户。在这里发送端发送和接收端读取的同步是极为重要的。因而需要能够从接收到的数据码流中提取发送端的时钟信号，按此时钟信号读取数据。79时分制多路复用原理后图
72、示时分制多路复用原理框图。设该通信通道能同时传 送n个用户的话路（电话、数据或保护信息），在发送时钟的控制下依次使各路的采样开关闭合进行采样，每路的采样时刻相互错开。80时分制多路采样原理如图所示。所有n个话路都采完一遍后，再重新从第1路开始进行采样。把n路的采样值合在一起进行编码和传输。在接收端，反过来在码流中提取发端的时钟信号，在此同步的时钟控制下依次读取各路的采样值，再分送给各路的接收机。这就要求数据传输设备的数据传输速率（每秒钟传输的二进制位数）至少是各话路传输速率的n倍。由于硬件水平的提高，目前已能作到各路自行采样和编码，而依次将自己对每个采样值所编的码送到，亦即调制到数据传输设备进
73、行传送。8130/32路PCM基群帧结构多路复用系统中，习惯将多路复用中最小容量的话路的集合称为基群。在时分复用的PCM通信系统中，可组成数千路的复用。国际电报电话咨询委员会（ITU-T）建议以24路或30/32路两种制式为基础， 我国推广采用的是30/32路制式作为基础群，简称基群或一次群。PCM30/32路制式是指一帧内有32个信道“时隙”，时隙用TS（Time Slot的缩写）表示，但只有30个信道时隙（TS1TS15和TS17TS31）传送30个话路信号，而空余的两个信道时隙，一个作为传送各话路信令信号的“信令时隙”（TS16），一个用于传送“帧同步码”的“同步时隙”。因此称为30/3
74、2路PCM。在这里，每个时隙宽为12532=3.91s。8230/32路PCM基群的帧、复帧结构图83信道时隙每个话路的每个采样值都用每个话路的每个采样值都用8位（位（bit）码编制，）码编制，即每个时隙即每个时隙8bit。而每个位码（即。而每个位码（即bit）的宽度为）的宽度为（12532）8=0.488s=488ns。而每个话路的第。而每个话路的第一位码一位码X1定为极性码，其余定为极性码，其余7位码位码X2X8分别为分别为幅度码。如果每个话路占幅度码。如果每个话路占16位（如微机保护），位（如微机保护），则所能传送的话路减少一倍，原理相同。则所能传送的话路减少一倍，原理相同。TS31时隙
75、可作为话路时隙也可供数据传输用。时隙可作为话路时隙也可供数据传输用。84信令时隙在完成通话的过程中，除了传递话音外，还要传递各种信令信号（如摘机、拨号、应答、挂机、空闲等），以保证局间交换设备正常接续或用户呼叫。30/32路PCM系统中，TS16作为信令时隙，就是完成上述信令信息码的传递工作。因每个话路信令规定为4位（4bit），用abcd表示，而每个T16时隙有8位码（8bit），所以一个TS16可同时传送两个话路的信令，这样30个话路信令就需要15个TS16来传输。考虑到同步等问题，ITU-T规定16个连续帧为一复帧，分别用F0，F1，F2F15表示。一个复帧可以完整表示所有信息。85同步
76、时隙ITU-T规定每个偶数帧的TS0时隙用于传送帧同步码组，PCM 30/32制式一次群帧同步信号长度为7位，固定结构为X2X8=0011011。X1保留给国际通信使用，目前暂定为1。每个奇数帧的TS0时隙用于传送帧同步监视对告码组，规定X2=1为监视码，第3位A1=0时，表示系统同步，A1=1时表示失步，其余各位码均为1。 所以A1称帧失步对告码，简称对告码。需要注意的是：当我方机收信支路与对方发信支路不同步时（即我方机收信支路不能准确收到对方送来的同步监视码组），我方将在发信支路奇数帧的TS0时隙送出X3=A1=1码，告诉对方，我方已经失步。反之，当我方在奇数帧TS0时隙收到X3=A1=1
77、时，说明对方收信支路与我方发x信支路不同步。 86同步的含义对于时分制多路通信，同步有两个含义，一是要保证时钟速率相同，即发信端采样的速率和收信端读数的速率要相同，二是发信端采样和收信端读数的起止时间必须一致，只有同时具备上述两个条件，才能保证发信端用户1的信号能准确送至收信端的用户1。如果只保证采样和读数的速度相同而不考虑起始时间，就有可能造成发送端用户1的信号误传给接收端的用户2（错位）；如果只注意两者的起始时间相同，而不保证速度相同，也将造成发送端用户1的信号被接收端用户2或3所接收，上述两种情况均不能正确完成通信任务。为了解决此问题，可以采用隔一段时间较对一次时钟的方法，对PCM的速率
78、及起始时间加以定位。87同步的含义30/32路PCM是每隔125s校对一次。当每某个偶数帧的TS0时隙收到帧同步码组10011011后，就将下一个时隙（TS1）的话音信号送给用户1，（TS1）的话音信号送给用户2，依次顺延，直至将30路话音信号传送一遍。而每个奇数帧TS0时隙再进行依次校对，如若第2位码X2=1，第3位码X3=A1=0说明目前仍处于同步状态，可继续通信。否则说明现已不完全同步，必要时发出失步告警信号，并在奇帧的TS0时隙的第3位码送出X3=A1=1，告知对方机现已失步。88帧同步信号码加入帧同步信号码的目的，是为了使接收端更为便捷地区分出各信道时隙及其包含的信码。如果没有帧同步
79、信号码，而是一帧都纯粹是各路信号码的组合，则信号码流将无法分辨首尾，即无法辨认哪几位码属于一个信码及某个信码占用的是哪个信道时隙，接收端也将无法进行分路和复接。所以，只有在信号码流中的固定位置上周期性地插入一些具有一定长度和固定结构的码组（帧同步信号码），接收端才能通过对帧同步信号码的识别，区分出信道时隙及其包含的信号码。89复帧每个复帧长为16125=2000s=2ms。其中F0的TS16时隙为复帧同步时隙，复帧同步信号为“0000”，被集中插在F0中TS16的14bit上，而58bit用来传送复帧失步对告码，F1F15帧的TS16时隙分别传送30个话路的信令信息码，具体的分配方法是：F1F
80、15中的TS16的14bit分别为CH1CH15信令占用，58bit则分别为CH16CH30信令占用，同时建议CH1CH15信令中不准采用“0000”组合状态。综合上述，PCM帧结构图中，每个复帧包含有16个子帧，每个子帧包括32个时隙，每个时隙为8bit，则每帧宽为328=256bit。如果以时间计算，每比特宽为0.488s。则每时隙宽为80.488=3.91s，而每帧长为323.91=125s。每125s传送256bit，可算得30/32路PCM基群的数码率为256（12510-6）=2048kbit/s，即每秒钟可传送2048000个二进制码。90光纤通信基础知识光纤传光的基本原理光纤衰
81、耗产生的基本原理光纤通信系统的组成电力系统常用光纤电力系统常用光缆电力系统常用光纤通信的部件91电力系统常用光纤光纤的模式光纤波长光纤的率耗92光纤的模式单模传输单一模式色散低传输距离远光纤芯细成本高多模传输多种模式色散高传输距离近光纤芯粗成本低93光纤的波长850nm1310nm1550nm94光纤的种类G.652光纤：目前广泛应用的常规单模光纤，称为1310nm波长性能最佳的单模光纤，又称为色散未移位单模光纤。这种光纤均可适用于1310nm和1550nm窗口工作。在1310nm波长工作时，理论色散为零；在1550nm波长工作时，传输损耗最低，但色散系数较大。G.653光纤：这种光纤是指15
82、50nm波长性能最佳的单模光纤，又称为色散移位光纤。G.654光纤：这种光纤称为截止波长移位的单模光纤，它的设计重点是如何降低1550nm波长处的衰减，其零色散点仍位于1310nm波长处，而在1550nm波长的色散值仍然较高。它主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通信。G.655光纤：这种光纤称为非零色散移位单模光纤，其零色散点不在1550，而是移至1510-1520附近，从而使1550处具有一定的色散值。这种光纤主要应用于1550工作波长区，它的色散系数不大，适用于开波分复用系统。95光纤的衰耗发射功率光纤率耗连接器率耗（多个）适配器率耗（多个）熔接点率耗（多个）接收灵敏度96光纤通信基础
83、知识光纤传光的基本原理光纤衰耗产生的基本原理光纤通信系统的组成电力系统常用光纤电力系统常用光缆电力系统常用光纤通信的部件97电力系统常用光缆电力系统光纤通信的业务语音、数据、宽带业务、 IP等常规电信业务 电力生产专业业务有保护、安全自动装置数据电力市场化所需的宽带数据等 方式沿用电信部门传统的地埋、管道、架空等方法敷设普通光缆，构成电力光纤通信系统 电力系统特种电缆：附加于电力线和加挂于电力杆塔上的光电复合式光缆 特点：电力特种光缆受外力破坏的可能性小，可靠性高，虽然其本身造价相对较高，但施工建设成本较低。 98常见光缆光纤复合地线OPGW(Optical Ground Wire) 光纤复合
84、相线OPPC(Optical Phase Conductor) 金属自承光缆MASS(Metal Aerial Self Supporting) 全介质自承光缆ADSS(All Dielectric Self Supporting) 附加型光缆OPAC 99光纤复合地线(1)又称：复合光缆、光纤架空地线。常用类型。作用数电线路的防雷屏蔽光纤通信常见分类铝管型铝骨架型（不锈）钢管型 100光纤复合地线(2)特点高压超过110kv的线路，档距较大（一般都在250M以上）；易于维护，对于线路跨越问题易解决，其机械特性可满足线路大跨越；OPGW外层为金属铠装，对高压电蚀及降解无影响；OPGW在施工时必
85、须停电，停电损失较大，所以在新建110kv以上高压线路中应该使用OPGW；OPGW的性能指标中，短路电流越大，越需要用良导体做铠装，则相应降低了抗拉强度，而在抗拉强度一定的情况下，要提高短路电流容量，只有增大金属截面积，从而导致缆径和缆重增加，这样就对线路杆塔强度提出了安全问题。101光纤复合相线型与 OPGW技术相类似，但是是在传统的相线结构中以合适的方法加入光纤，就成为光纤复合相线(OPPC)。与OPGW结构相同，但由于其是相线缆，因此其从设计到安装和运行，二者还是又很大区别的。应用较少 102金属自承光缆从结构上看，MASS与中心管单层绞线的OPGW相一致，如没有特殊要求，金属绞线通常用
86、镀锌钢线，因此结构简单，价格低廉。MASS是介于OPGW和ADSS之间的产品。MASS作为自承光缆应用时，主要考虑强度和弧垂以及与相邻导/地线和对地的安全间距。它不必像OPGW要考虑短路电流和热容量，也不需要像OPPC那样要考虑绝缘、载流量和阻抗，更不需要像ADSS要考虑安装点场强，其外层金属绞线的作用仅是容纳和保护光纤。在破断力相近的情况下，虽然MASS比ADSS重，但外直径比中心管ADSS约小1/4，比层绞ADSS 约小1/3。在直径相近情况下，ADSS的破断力和允许张力却要比MASS小得多。 103全介质自承光缆ADSS光缆在220KV 、110KV 、35KV电压等级输电线路上广泛使用
87、，特别是在已建线路上使用较多。 它能满足电力输电线跨度大、垂度大的要求。标准的 ADSS设计可达144芯。特点ADSS内光纤张力理论值为零；ADSS光缆为全绝缘结构，安装及线路维护时可带电作业，这样可大大减少停电损失；ADSS的伸缩率在温差很大的范围内可保持不变，而且其在极限温度下，具有稳定的光学特性；耐电蚀ADSS光缆可减少高压感应电场对光缆的电腐蚀；ADSS光缆直径小、质量轻，可以减少冰和风对光缆的影响，其对杆塔强度的影响也很小；ADSS采用了新型材料及光滑外形设计，使其具有优越的空气动力特性。属于常用类型 104附加型光缆无金属捆绑式架空光缆 (AD-Lash)和无金属缠绕式光缆GWWO
88、P（Ground Wire Wrapped Optical Fiber Cable） 光缆有时被统称为附加型光缆 OPAC， 是在电力线路上建设光纤通信网络的一种既经济又快捷的方式。它们用自动捆绑机和缠绕机将光缆捆绑和缠绕在地线或相线上，其共同的优点是：光缆重量轻、造价低、安装迅速。在地线或 10 kV/35 kV相线上可不停电安装；共同的缺点是：由于都采用了有机合成材料做外护套，因此都不能承受线路短路时相线或地线上产生的高温，都有外护套材料老化问题，施工时都需要专用机械，在施工作业性、安全性等方面问题较多，而且其容易受到外界损害，如鸟害、枪击等，因此在电力系统中都未能得到广泛的应用。 但在国
89、际上，这类技术并没有被淘汰或放弃，仍在相当的范围内应用105光纤通信基础知识光纤传光的基本原理光纤衰耗产生的基本原理光纤通信系统的组成电力系统常用光纤电力系统常用光缆电力系统常用光纤通信的部件106电力系统常用光纤通信的部件光纤跳线光纤尾缆光纤熔接盒光纤的接头（连接器）光纤适配器光电转换器107光纤跳线108光纤尾纤109光纤熔接盒光纤配线箱/熔接盒适用于光缆与光通信设备的配线连接，通过配线箱内的适配器，用光跳线引出光信号，实现光配线功能。也适用于光缆和配线尾纤的保护性连接。 110光纤接头(连接器)ST：卡接式圆形光纤接头SC：接头是标准方型接头，采用工程塑料，具有耐高温，不容易氧化优点。传
90、输设备侧光接口一般用SC接头 FC：圆形带螺纹光纤接头；金属接头，一般在ODF侧采用，金属接头的可插拔次数比塑料要多 LC：接头与SC接头形状相似，较SC接头小一些。 111ST-扭转式拔插装置，方便快捷-低插入损耗，高回波损耗-单芯或双芯 -单模或多模-PC、UPC、APC多种研磨方式112SC-推拉式结构保证高密度和重复连接性-螺纹连接-低插入损耗，高回波损耗-单芯或双芯-单模或多模-PC、UPC、APC多种研磨方式-符合3D要求-可作尾纤使用-符合GR-326-CORE要求 113FC特性-螺纹连接-低插入损耗，高回波损耗-单芯或双芯 -单模或多模-PC、UPC、APC多种研磨方式-符合
91、3D要求-按需求可制作转接跳线-按需求可多芯生产连接头-可作尾纤使用-符合GR-326-CORE要求114LC-体积小、重量轻-高精密安装-单芯或双芯 -单模或多模-PC、UPC、APC多种研磨方式115光纤适配器光纤适配器（Fiber Adapter）是实现光纤活动连接的重要器件之一，它通过尺寸精密的开口套管在适配器内部实现了光纤连接器（Fiber Connector）的精密对准连接。注意两端接口形式注意插入率耗，注意有固定率耗适配器注意套筒材料（陶瓷、金属）116光纤适配器图片1FC；2SC；3LC；4转接适配器；5固定率耗适配器117本章小结光纤传光的基本原理光纤衰耗产生的基本原理光纤通
92、信系统的组成电力系统常用光纤电力系统常用光缆电力系统常用光纤通信的部件118主要内容光纤通信基础知识电力系统中光纤通信的应用光纤通信常见问题分析和排查方法119电力系统中光纤通信的应用光纤保护中光纤通道的构成光纤通道各组成部分的原理和设计方法光纤以太网在变电站中的应用变电站/发电厂内光纤的其他应用120光纤保护中光纤通道的构成差动保护需要传送的信息保护装置对通信速率的要求数据通信的帧格式通道方式及其实现同步通信和异步通信121差动保护通道构成122差动保护需要传送的信息采样值。如前所述继电保护装置一般需要对被保护对象（元件或线路的电流电压）进行模拟采样和A/D转模，变成二进制表示的瞬时值；矢量
93、。也可传送每相电流的矢量，包含其实部和虚部两部分；开关量。包括远方跳闸开入、母差保护开入、TA断线和TV断线等信息；控制命令。包含帧性质，即说明本帧报文的类型或属性。还包含保护和起动元件逻辑状态、数据窗选择、三跳位置等开关量信息；时刻信息。时刻信息一般标识当前帧报文和采样时刻的相应信息，比如当前报文中所包含的模拟量或者数字量的采样时刻或采样标号。123保护对通信速率的要求采用数字通信时，单位时间内能够传送的信息量，用二进制数的位数表示成为通信速率，是传输继电保护信息所需要的通道应该具备的能力。 比如，需要传送的数据1个字节的控制码、1个字节的采样标号、12个字节的三相电流的矢量、2字节的开关量
94、、2个字节的CRC，共计18个字节等于144位信息。如果在3.2ms之内要将上述信息传送出去，则需要的速率（也称带宽）就是：124 式中，BW表示带宽（Bandwith），bps指每秒传送的位信息（bit/s）。所以用64kbps的通道传送上述信息是可以的。 因此所需要的通信速率决定于保护需要传送的数据量。要传送采样值就需要更高的通信速率。 帧格式在同步串行通讯中，传送上述信息一般采用帧的方式进行。每帧表示一个具有一定含义的数据串，在通讯双方规定了这串数据中每个数据的具体含义，也就是帧格式。控制字 表示该帧报文的用途：是数据、对时、还是测试报文。采样标号表示当前这帧报文中的数据所对应的采样时刻
95、。IA、IB、IC为三相电流的采样值/矢量，每个矢量分别用实部和虚部来表示。开关量表示状态信息如TA断线、保护退出、远跳命令等数字量（“0”或“1”）。CRC为本帧报文的校验码。下面就是一个帧格式的例子：125通道方式及其实现2Mbps专用通道方式2Mbps复接通道方式64kbps复接通道方式1262Mbps专用通道方式2Mbps专用通道方式采取的是两端的保护装置直接通过光纤连接，不经过任何复接设备的通道方式，通信速率为2Mbps，如下图所示。在图中，M和N侧保护装置上都具有同步通讯的功能插件和光电转换器件，在图中，M和N侧保护装置上都具有同步通讯的功能插件和光电转换器， 在装置上就实现了通讯
96、功能和光电转换功能。1272Mbps复接通道方式2Mbps复接通道方式如图所示。在这种方式中，两侧保护装置一般设计在相应变电站的继电保护小室内，而数字传输（复接）设备一般设在通讯机房，所以在通讯机房内又设计了一种通讯接口装置用来连接保护装置和数字传输设备。为了提高抗干扰能力，在保护装置和通讯接口装置之间一般采用光纤传输，而在通讯接口装置和数字传输设备之间一般为电连接方式，如同轴电缆。图中的数字传输设备一般为PDH或SDH设备，其提供给保护装置的通道是2Mbps的同步通讯通道。12864kbps复接通道方式64kbps复接通道方式如图43 所示。这种通讯方式在网络拓朴结构上和2Mbps复接方式类
97、似。但在这种方式下，数字传输设备一般是PDH设备如PCM机，其提供给保护的通道是64kbps的复接通道。同样保护装置和通讯接口的连接方式也是光纤连接，但通讯接口装置和数字传输设备之间的连接一般为两对差分双绞线。129三端系统 在电力系统中还有很多接线方式并不是两端的，比如T型接线的方式，这就要求保护装置能够两两通讯。因此保护装置提供两个通讯接口就是必须的，图44就是一个三端系统的光纤通讯示意图，在这个图中省去了通道设备。每台保护装置提供了两个光纤同步接口，或称为光纤通道A、B。这样就可以实现三台装置两两互连。当然，在同步采样的过程中，需要设置某一台装置为参考端（主机），其余两台装置为同步端（从
98、机）。130电力系统中光纤通信的应用光纤保护中光纤通道的构成光纤通道各组成部分的原理和设计方法光纤以太网在变电站中的应用变电站/发电厂内光纤的其他应用131光纤通道组成64k接口技术接口技术2M接口技术接口技术通信接口装置的实现通信接口装置的实现13264k接口技术G.703标准的1-5步G.703标准规定了64kbps信号复接时必须的5个步骤如图所示：第一步：将一个64Kbit/s数据信息比特周期分成四个相等的单位间隔；第二步：将64Kbit/s数据信号中的二进制“1”编成如下四比特的码组：“1100”；第三步：将64Kbit/s数据信号中的二进制“0”编成如下四比特的码组：“1010”；第
99、四步：通过交替变换相邻四比特码组的极性，把二电平信号转换成三电平信号；第五步：每第8个四比特码组破坏组间的极性交替。被破坏的码组标志了64Kbit/s数据信号的8个比特码组的最后一比特。上述5步执行完后，原来64kbps的两极信号码流被转换为256kbps的三极性码。133G.703标准的1-5步示意图13464k接口实现方案根据上述要求设计接口装置，配合保护装置的通讯板完成1-5步的转换，如图所示。1352M接口技术136结构解析根据前面的分析，无论64kbps复接方式，还是2Mbps复接（专用通道）方式，保护的通道都由三部分构成：保护装置的通讯部分（通讯板）、接口装置（2M专用通道方式不需
100、要）、数据传输设备(2M专用通道方式不需要)。137保护装置通讯组件保护装置上通讯功能主要是实现将同步通讯信号转换为光信号发送出去，由于光传输信号只有2根光纤，所以在这里需要把同步串行通讯所用的时钟信息编进码流中。保护装置的通讯板逻辑框图如图所示。138微控制器功能图中，微控制器的功能是进行报文功能的处理，串口控制器实现同步串行通讯。有些微控制器也带有同步串口，但其同步串行通信功能有很大的局限性，表现在：1）微控制器的发送和接收是分开进行的，但时钟线通常为一根，使得收发必须为同一时钟源，在复接时，给时钟源的选择造成困难；2）接收到的是位信息，单片机必须保证每一位都能准确收到；3）需要寻找同步字
101、，需要微控制器编写程序寻找每帧报文的头和尾，增大了软件的工作量；4）需要微控制器编写相应的软件进行报文校验，尤其是CRC校验，需要很长的软件执行时间。这些特点使得微控制器编程复杂，同时也限制了同步通讯口的速率不能太高。139串行控制器当采用专用的串口控制器时，上述问题均不存在，通常串口控制器具备下述特点：1）通讯速率高，可达10Mbps ；2）收、发时钟分开，片内、片外时钟可选；3）支持多种通讯模式，可同步通讯也可以异步通讯。可以字节同步也可以位同步。支持HDLC（SDLC）协议。4）支持透明传输。在所传输的信息中，若出现了每个帧的开头、结尾标志字符和控制字符的序列，要插入指定的比特或字符，以
102、区别以上各种标志和控制字符 ，这样来保障信息的透明传输，即信息不受限制。5）支持多种编码方式：NRZ、NRZI、FM、曼彻斯特编码；6）支持硬件CRC校验：对于HDLC/SDLC，支持CRC-CCITT 或者 CRC-32；对于BISYNC，支持CRC-16或者CRC-CCITT；7）多路独立的串行通道。方便扩展多通道，以实现保护装置的双通道冗余通讯和三端系统。隔通道的通讯速率、时钟源选择、波特率发生器、缓冲区等都是独立的。140FPGA功能FPGA的功能是进行编解码，工作在64kbps时：将从串口控制器上接收到的64k的NRZ码数据经过G.703标准的1至3步，编码成256k的码流（“1”编
103、码成1100, “0”编码成1010），然后经过进一步的编码形成4M的码流，发送到光口。从光口收到的4M的编码经过解码后变成256k 的NRZ码，经过256k到64k的解码（1100解码成1，1010解码成0）成为64k的NRZ码，送给串口控制器。其功能框图如图所示。图中，由于光电转换模块可能不在通讯板上，所以这里将信号转换为差分信号电平进行传输，以提高抗干扰能力。141通信接口装置的实现用于连接保护装置和通信装置的接口装置142接口装置功能通讯接口装置中的主要功能是在其中的FPGA中实现的。当工作在64kbps时，将从光口上接收到的4M码流解码成NRZ码，数据经过G.703标准的3至1步，还
104、原成64K，然后完成G.703标准的1至5步代码变换规则，发送到PCM机上。从PCM机收到的256KHz信号，经过进一步编码行成4M码流后直接发送给光口。当工作在2Mbps时将4MHz码流解码成2M的NRZ码，发送给LX332芯片，将从LX332上收到的2MHz的NRZ信号编码成4M编码，发送给光口。143FPGA功能144同步通信和异步通信串行通讯分为同步串行通讯和异步串行通讯，同步串行通讯指的是数据和时钟信号同步传送，通讯双方的连接中有时钟线。而异步串行通讯不需要传送时钟信号，这种通讯需要两端预先设好通讯速率（波特率），通讯时发送端按照这个时钟信息发送，同样接收端按照这个时钟频率接收。1
105、同步串行通讯的特点有：（1）效率高，不需要起始位和结束位；（2）需要传输时钟信息；（3）需要传输同步字符；（4）两端时钟同步（5）硬件复杂；（6）以帧为单位；145同步通信和异步通信2 异步串行通讯的特点1）效率低，每字节都需要起始位和结束位，甚至需要校验位；2）不需要传输时钟信息；3）不需要传输同步字符；4）两端时钟可以不同步；5）硬件简单；6）以字节（字）为单位。 根据上述分析，由于异步串行通讯方式最高效率仅为80%。146电力系统中光纤通信的应用光纤保护中光纤通道的构成光纤通道各组成部分的原理和设计方法光纤以太网在变电站中的应用变电站/发电厂内光纤的其他应用147光纤以太网在变电站的应用
106、光纤以太网指利用在光纤上运行以太网LAN数据包接入SP网络或在SP网络中进行接入。底层连接可以以任何标准的以太网速度运行，包括10Mbps、100Mbps、1Gbps或10Gbps，但在此情况下，这些连接必须以全双工速度(例如双向10Mbps)运行。光纤以太网业务能够应用交换机的速率限制功能，以非标准的以太网速度运行。光纤以太网中使用的光纤链路可以是光纤全带宽(即所谓的“暗光纤”)、一个SONET连接或者是DWDM。光纤以太网可以在交换式LAN的基础上运行，尽管它们可以互联共享的LAN。148使用场合站控层过程层交换机光电转换器149站控层装置光纤以太网接口交换机后台光电转换器授时系统150过
107、程层装置（保护、测控等）过程层接口合并单元授时系统151网络技术10、100、1000M以太网技术光纤自愈环网技术星形单/双网光纤接口152光纤交换机站控层和过程层交换机的不同光纤接口接口速率交换机本身特点153光电转换器以太网光电转换器485光电转换器232光电转换器CAN光电转换器LON光电转换器154电力系统中光纤通信的应用光纤保护中光纤通道的构成光纤通道各组成部分的原理和设计方法光纤以太网在变电站中的应用变电站/发电厂内光纤的其他应用155光纤的其他应用光纤测温光互感器传输能量156本章小结光纤保护中光纤通道的构成光纤通道各组成部分的原理和设计方法光纤以太网在变电站中的应用变电站/发电
108、厂内光纤的其他应用157主要内容光纤通信基础知识电力系统中光纤通信的应用光纤通信常见问题分析和排查方法158光接口特性测试常用仪表、工具光源光功率计光衰耗器光时域反射仪误码分析仪光接口的基本指标测量平均发送功率消光比测量光接收灵敏度测量动态范围测试误码性能测试159常用仪表和工具光源、光功率计、光衰耗器、光时或域反射仪、误码仪、示波器、PCM特性测试仪等。160光源（1）可见光光源。它采用发光波长稳定的可见光气体激光器，如氦氖气体激光光源，其光波长为0.6328m。（2）宽谱线光源（白色光源）。它是一种宽带光源，其发光波长为0.61.6m，配以适当的滤光片或与单色仪等仪器配套使用，可得到所要求
109、的单色光。（3）稳定光源。所谓稳定光源，其输出光功率、波长及波谱宽度等特性应是稳定不变的，但稳定是相对的（如在某一稳定的温度下或一定的时间范围内）。这种光源使用最为普遍，它采用半导体激光器（LD）或发光二极管（LED），可产生0.85、1.3、1.55m等波长的光，正好和光纤的三个低损耗窗口相吻合。为提高其稳定性，LD光源中还没有自动功率控制（APC）和自动温度控制（ATC）装置，其框如后图所示。161LD光源原理图162光功率计光功率计是维护和测试工作中最基本的、光功率计是维护和测试工作中最基本的、重要的测量仪器，其功能是测量各种光信重要的测量仪器，其功能是测量各种光信号的功率值，其内部框图
110、如下所示。号的功率值，其内部框图如下所示。163光功率计检测器（光电二极管）将输入的光信号转变电信号，通过I/U变换器后得到电压信号，经放大并显示出对应的功率数值。根据接收光功率的不同，光功率计可分成：（1）高光平型：范围+10-40dBm；（2）中光平型：范围0-50dBm；（3）低光平型：范围0-90dBm。根据信号波长的不同可分成：（1）短波长型：范围0.41.1m；（2）长波长型：范围1.11.7m；（3）全波长型：范围0.71.6m。光功率计的显示部分根据使用目的的不同，可分为模拟和数字二种。164光衰减器在实际工作中，经常遇到光信号过强或人为进行性能测试需减小光功率等问题，这时就需
111、要使用光衰减器，它分为固定光衰减器和可变光衰减器两种，如后图所示。固定光衰减器的衰减量是固定的，如5dB、10dB等。其原理是在衰减板上利用金属蒸发镀膜技术形成衰减膜，其结构往往采用与活动连接器相同的形式，以便于使用。可变衰减器的衰减量是可调的，并分成粗、细调节，即有分档衰减也有连续衰减，只需旋转开关即可实现衰减。165光衰减器（a）器件原理；（b）分档衰减器；（c）连续衰减器166光时域反射仪（OTDR）光时域反射仪，又称作背向散射仪，它是通过被测光纤中产生的背向信号来工作的。主要用于测量光纤长度、光纤故障点、光纤衰耗及光纤接头损耗等。是光纤通信线路施工、维护中不可缺少的重要仪表。167OT
112、DR光时域反射仪的框图如前图所示。光源在脉冲发器的控制下产生光脉冲，经光耦合器和面板上的活动连接器注入被测光纤。光脉冲在光纤中传输时，沿途受到直径比光波长还小的散射粒子的散射，散射光向各方向传播，其中向光纤输出端方向散射的光将在光纤中继续向前传播。而向入射方向传播的一部分光称为背向散射光。向前传播的光遇到光纤端面或断裂面将产生反射，这些反射光和散射光将返回仪表，利用光耦合器可将这些返回的光信号送入光接收机，将其变成电信号并进行放大，通过处理以改善信噪比，最后由显示器显示。168OTDR显示实例169OTDR功能（1）确定光纤损耗。根据图中显示的背向散射功率数值，即可确定光纤损耗: 式中P1光纤
113、输入端进入光纤的功率；P2从光纤末端返回的背向散射光功率；L光纤长度；Af 单位长度的光纤损耗（dB/km）。170OTDR功能（2）确定光纤长度。光纤长度可由下式确定。 式中n1光纤纤芯的折射率；C光在真空中的传播 3108m/s）；T利用OTDR中的定时装置测得光信号从始端到某点再反向传回始端的时间。171OTDR功能（3）确定故障点：如果光纤中存在有断裂点，则脉冲在该处发生衰减和反射。测量时，由显示波形可读出散射信号消失或损耗突然变大的时间，根据计算光纤长度的方法就可算出故障点的位置，将测定的故障点位置和实际故障点的位置之间的差距称为“盲区”，一般的OTDR盲区均可做到10m以下。（4）
114、确定光纤接头损耗：两根光纤的接头处并蒂针产生接头损耗，在背向散射波形上损耗发生突变的位置即为接头点，如图62所示中的B、C两点。其垂直落差值即为该接头的衰耗（可以在显示波形上直接读出）。172OTDR功能（5）测定沿光纤长度的损耗分布。根据背向散射曲线（见前图）即可测定沿光纤长度的损耗分布。斜率大的曲线线段段表示该段光纤损耗大，反之光纤损耗小。使用时要注意：1）折射率n设置要准确。仪表所显示的光纤长度和故障点位置是仪表内部的微机根据所设置的折射率n自动计算和显示的。所设置的n的正确性直接影响测试的精度；2）测试时在被测光源与仪表之间要加一段0 .52M的过渡光纤，以消除前端面反射脉冲产生的盲区
115、。173误码分析仪 在系统研制、验收以及日常维护中，误码分析仪是重要的测量仪表。它可对整个系统进行不中断的测量，定量地确定出系统运行质量的优劣。误码分析仪可进行长期平均误码率、误码秒、严重误码秒，劣化分等项目测试，进而形成对误码进行分析和判别的一系列指标。由于其全部功能的实现和对测试结果的分析处理均由微理机承担，因而操作简单，功能性强，显示及打印清晰直观，仪表稳定性能好。误码分析仪由发送、误码检测和计数三个部分组成（图62）发送部分主要是产生伪随机序列。误码检测部分包括本地伪随机序列发生器，同步电路及误码检测器，本地伪随机序列发生器与发送部分的序列完全相同并通过同步设备与接收到码序列同步。误码
116、检测器将本地码序列与接收码序列进行对比，不一样的即为误码。计数器统计误码数量，最后按照要求显示出误码测量结果。174误码分析仪框图175光接口的测试指标发送光功率消光比光接收机灵敏度动态范围误码性能抖动典型图形。176平均光功率在正常工作条件下，光端机输出的平均光功率，称为光端机的平均发送光功率，即光源尾纤输出的平均光功率。其指标ITUT没有明确的规定，而是与光纤线路的长度有关。如两端站的光纤传输距离较长，就要求有较大的平均发送光功率，如两端站的光纤传输距离较短，则只需要较小的平均发送光功率，光功率并不是越大越好。测试方法如下：1）给光端设备输入伪随机码。2）用光功率计连接光源输出尾纤连接器，
117、此时从光功率计上读出的功率即为光发射 机的输出平均光功率。177消光比消光比（EX）即为光源发出全“1”码和全“0”码时的平均光功率之比。它是光端机发送部分的质量指标之一。由于一般码型发生器发出的是伪随机码，可以认为“1”码和“0”码的出现概率相等。因此，全“1”码时的光功率等于平均光功率的两倍，所以，消光比可以表示为178式中P0全“0”码时的输出光功率； Pa输出伪随机码时的平均光功率。消光比的测量测试方法如下。1）误码仪发送出伪随机码，测出此时的平均光功率Pa；2）将光发送机的输入信号断开，此时测出的光功率即为P0 3）按式（9-3）计算，即可得到消光比值。例如：分别测得P050W，Pa
118、500W则EX13dB一般情况下，要求消光比要大于10dB。179光接收机灵敏度测试灵敏度是光接口的重要特性指标之一，表示了光接收机接收微弱信号的能力。灵敏度的定义：在保证一定的误码率下，光接收机所能接收的最小平均光功率，即为光接收机的灵敏度。灵敏度的表示方法一般用“dBm”表示。180由式（9-4）可知：Pmin越小接收机的灵敏度就越高，即接收机在很小的接收光功率条件下，就能保证系统所要求的误码率。光接收机的灵敏度指的是平均光功率，因此它与传输信号的码型有关。码型不同占空比不同，平均光功率也不同，即灵敏度不同，因此，测试时必须选用正确的码型。灵敏度的测试测试方法如下：测试方法如下：1）误码仪
119、的发送部分向光端机送入伪随机码测试信号，同时误码仪监视误码；）误码仪的发送部分向光端机送入伪随机码测试信号，同时误码仪监视误码；2）调整光衰减器，逐步增大其衰减量，观察误码仪指示，直到误码率将为某一要）调整光衰减器，逐步增大其衰减量，观察误码仪指示，直到误码率将为某一要求值（如求值（如10-10），此时用光功率计测得的信号即为光接收机的最小接收光功率），此时用光功率计测得的信号即为光接收机的最小接收光功率Pmin，也就是光接收机的灵敏度。，也就是光接收机的灵敏度。181动态范围测试动态范围的定义：在保证一定的误码率下所允许的最大和最小输入光功率之比，即为光接收的动态范围。它所表示的意义是：在输
120、入信号变化时，光接收机的适应能力。动态范围的测试：测试方法与灵敏度的测试方法基本相同，只是增加一项测量最大输入光功率。逐渐减小衰减器的衰减量，直至误码仪指示误码率将为某一要求值（如10-10），此时的接收光功率即为最大输入光功率Pmax。应该指出：光功率只要在它的动态范围内变化，就能保证系统要求的误码率。但灵敏度只有一个，即接收机所能接收的最小光功率。动态范围的表示方法为：182误码性能测试误码是光纤通信系统的重要指标之一。在数字传输系统中，当在发送端发送“1”或“0”码时，而在接收端收到的却为“0”或“1”码，这种收、发信码的不一致就是误码。误码不仅影响数字传输系统的传输质量，使音频信号产生
121、失真，而且还将丢失数据信号信息、产生不准确信息或减少信息通过量等。误码率是衡量光纤通信系统在正常工作状态下传输质量优劣的一个非常重要的指标，它反映了数字信息在传输过程中受到损害的程度。183误码率1. 误码率：在一个较长的时间间隔内，传输码流中出现误码的概率即为误码率。显然误码率越大，说明发生误码的机会越多，信号失真程度亦越大，一旦误码率超过一定值，则通信将不能正常进行。2. 误码率计算1843. 误码率指标：误码率优于110-9正常通信110-5或110-6通信质量受到较严重影响110-3通信中断误码率测试在现场实际测试中，限于仪表条件及为测试方便，经常采用将对端作环回，在本端测量的方法进行
122、测试。利用误码仪自动记录打印测试时间和测试时间内的误码个数，即可算出平均误码率，以及劣化分、严重误码秒、误码秒等。这些工作均由计算机完成。185光纤通信常见问题分析和排查方法常见现象常见问题排查方法186常见现象通信中断误码187常见问题光纤错通信距离问题光纤连接器问题珐兰盘（光纤适配器错）光纤曲率不满足要求光电转换器问题188光纤错多模、单模光缆错单模/多模光电转换器错单模、多模尾纤熔接错中间光纤跳线错。换成正确的光缆、光电转换器、尾纤和跳线189通信距离问题多模光纤和单模光纤通信距离大不一样!长距离通信要充分考虑光纤率耗问题长距离通信时，在不同通信档距经常使用不同的光电转换器，有发射功率和
123、接收灵敏度的问题长距离通信要考虑中间转接环节的功率率耗问题超长距离通信时，要考虑是否使用光纤中继的问题190光纤连接器问题光纤连接器接口形式错更换尾纤或者光纤跳线光纤接口脏清洁光纤接口更换尾纤或者光纤跳线光线连接器破损更换尾纤或者跳线191光纤适配器问题形式通信中断率耗大适配器形式错更换光纤适配器套管破损、有裂纹更换光纤适配器有应力，导致光纤对接精度不够更换光纤适配器192光纤曲率不满足要求光纤尾纤、光纤跳线对盘绕、拉力造成弯曲等有要求更换或者重绕增加尾纤支架缩短垂直距离，减少尾纤拉力193光电转换器问题发射功率不够更换装置、插件、元器件、电路原理发射功率太高，造成饱和更换装置、插件、元器件、
124、电路原理增加中间率耗，如换成固定率耗适配器等接收灵敏度太低更换装置、插件、元器件、电路原理光电转换器接口形式错更换成正确的光电转换器194排查方法了解通道结构专用光纤通道复接通道制定排查方法准备排查工具、手段说明书、光功率计、尾纤跳线逐个环节排查195排查方法(1)主从设置搞清楚在整个系统中的时钟源；64k：装置均为从。PCM视SDH设备映射方式，同步：从从；异步：主从。2M：专用光纤通道。接收端用接收的时钟解码，发送的用发送的时钟。复接通道：和映射方式有关。同步映射：从。异步映射：主环回试验远端环回近端环回备用通道法光缆备用芯装置备用通道通信设备备用通道196排查方法(2)接口器件检查直观法：接口形式错误、器件破损光功率检查发射功率接收灵敏度插件、通信装置替换其他振动测试：连接不牢或者破损无线干扰：光电模块有问题元器件失效：元器件有问题197本章小结常见现象通信中断误码常见问题装置、插件、光纤排查方法如何排查光纤通道问题198谢谢！199
