(3)收发器电缆
用于连接结点和外部收发器,通常称为AUI电缆。
(4)电缆系统
连接粗缆以太网的电缆系统包括:
粗缆(RG-11A/U),直径为10mm,特性阻抗为50Ω的粗同轴电缆,每隔2.5m有一个标记;
N-系列连接器插头,安装在粗缆段的两端;
N-系列桶型连接器,用于连接两段粗缆;
N-系列终端匹配器,N-系列50Ω 的终端匹配器安装在干线电缆段的两端,用于防止电子信号的反射,干线电缆段两端的终端匹配器必须有一个接地。
(5)中继器
对于使用粗缆的以太网,每个干线段的长度不超过500m,可以用中继器连接两个干线段,以延伸主干电缆的长度。每个以太网中最多可以使用4个中继器,连接5段干线段电缆。
2)技术参数
最大干线段长度为500m。
最大网络干线电缆长度为2500m。
每条干线段支持的最大结点数为100。
收发器之间最小距离为2.5m。
收发器电缆的最大长度为50m。
3)特点
具有较高的可靠性,网络抗干扰能力强;具有较大的地理覆盖范围,最长距离可达2500m;
网络安装、维护和扩展比较困难;造价高。
3.粗/细缆混合结构
1)硬件配置
在建立一个粗/细混合缆以太网时,除需要使用与粗缆以太网和细缆以太网相同的硬件外,还必须提供粗缆和细缆之间的连接硬件。连接硬件包括:
N-系列插口到BNC插口连接器;
N-系列插头到BNC插口连接器。
2)技术参数
最大的干线长度大于185m,小于500m。
最大网络干线电缆长度大于925m,小于2500m。
为了降低系统的造价,在保证一条混合干线段所能达到的最大长度的情况下,应尽可能使用细缆。可以用下面的公式计算在一条混合的干线段中能够使用的细缆的最大长度t=(500-L)/3.28,其中:L 为要构造的干线段长度,t为可以使用的细缆最大长度。例如,若要构造一条400m的干线段,能够使用的细缆的最大长度为:(500-400)/3.28=30m。
3)特点
造价合理、网络抗干扰能力强、系统复杂、网络维护和扩展比较困难。
2.4 光纤
2.4.1 光纤
光纤传输的是光波。光的波长范围为:可见光部分波长为390~760nm,大于760nm部分是红外光,小于390nm部分是紫外光。光纤通信中应用的是:850nm,1300nm,1550nm三种。因光在不同物质中的传播速度不同,所以光从一种物质射向另一种物质时,在两种物质的交界面处会产生折射和反射。而且,折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。
当入射光的角度达到或超过某一角度时,折射光会消失,入射光全部被反射回来,这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的(即不同物质有不同的光折射率),相同物质对不同波长光的折射角度也不同。
光纤通信就是基于以上原理而形成的。
1.光纤的物理结构
光纤是光导纤维的简称,光导纤维是一种传输光束的细而柔韧的媒质。光导纤维线缆由一捆光导纤维组成,简称光纤。光能沿光导纤维传播,但若只有这根玻璃纤芯的话,也无法传播光。因为不同角度的入射光会毫无阻挡地直穿过它,而不是沿着光纤传播,就好像一块透明玻璃不会使光线方向发生改变一样。因此,为了使光线的方向发生变化从而使其可以沿光纤传播,在光纤芯外涂上折射率比光纤纤芯材料低的材料,这个涂层材料称为包层。这样,当一定角度之内的入射光射入光纤芯后会在纤芯与包层的交界处发生全反射,经过这样若干次全反射之后,光线就损耗极少地达到了光纤的另一端。包层所引起的作用就如透明玻璃背后所涂的水银一样,此时透明的玻璃就变成了镜子。而光纤加上包层之后才可以正常地传播光。光纤是数据传输中最高效的一种传输介质。
如果在光纤芯外面只涂一层包层的话,光线从不同的角度入射,角度大的(高次模光线)反射次数多从而行程长,角度小的(低次模光线)反射次数少,从而行程短。这样在一端同时发出的光线将不能同时到达另一端,就会造成尖锐的光脉冲经过光纤传播以后变得平缓(这种现象被称为“模态散射”),从而可能使接受端的设备误操作。为了改善光纤的性能,人们一般在光纤纤芯包层的外面再涂上一层涂覆层,内层的折射率高(但比光纤纤芯折射率低),外层的折射率低,形成折射率梯度。当光线在光纤内传播时,减少了入射角大的光线行程,使得不同角度入射的光纤大约可以同时到达端点,就好像利用包层聚焦了一样。
包层的外径一般为125μm(一根头发平均100μm),在包层外面是5~40μm涂覆层,涂覆层的材料是环氧树脂或硅橡胶。常用的62.5/125μm多模光纤,指的就是纤芯外径是62.5μm,加上包层后外径是125μm。50/125μm规格的光纤,也就是光纤外径是50μm,加上包层后的外径是125μm。而单模光纤的纤芯是4~10μm,外径也是125μm。需要注意的是,纤芯和包层是不可分离的,纤芯与包层合起来组成裸光纤,光纤的光学及传输特性主要由它决定。用光纤工具剥去外皮(Jacket)和塑料层(Coating)后,暴露在外面的是涂有包层的纤芯。实际上,很难看到真正的纤芯。
光纤有以下几个优点。
光纤通信的频带很宽,理论可达30亿兆赫兹。
电磁绝缘性能好。光纤电缆中传输的是光束,而光束是不受外界电磁干扰影响的,并且本身也不向外辐射信号,因此它适用于长距离的信息传输及要求高度安全的场合。
当然,光纤的抽头困难是它固有的难题,因为割开光缆需要再生和重发信号。
衰减较小,在较大范围内基本上是一个常数值。
需要增设光中继器的间隔距离较大,因此整个通道中中继器的数目可以减少,降低成本。根据贝尔实验室的测试,当数据传输速率为420Mbps,且距离为119km无中继器时,其误码率为10-8,传输质量很好。而同轴电缆和双绞线在长距离使用时都需要续接中继器。
重量轻,体积小,适用的环境温度范围宽,使用寿命长。
光纤通信不带电,使用安全,可用于易燃、易爆场所。
抗化学腐蚀能力强,适用于一些特殊环境下的布线。
当然,光纤也存在着一些缺点:如质地脆,机械强度低;切断和连接中技术要求较高等,这些缺点也限制了目前光纤的普及。
2.光纤的分类
光纤的种类很多,可从不同的角度对光纤进行分类,比如可从构成光纤的材料成分、光纤的制造方法、光纤的传输点模数、光纤横截面上的折射率分布和工作波长等方面来分类。
1)从材料成分分类
按照制造光纤所用的材料一般可分为以下3类。
玻璃光纤:纤芯与包层都是玻璃,损耗小,传输距离长,成本高。
胶套硅光纤:纤芯是玻璃,包层为塑料,特性同玻璃光纤差不多,成本较低。
塑料光纤:纤芯与包层都是塑料,损耗大,传输距离很短,价格很低。多用于家电、音响,以及短距的图像传输。
计算机通信中常用的是玻璃光纤。
2)按传输模式分类
按光在光纤中的传输模式可分为:单模光纤和多模光纤。
光纤中传播的模式就是光纤中存在的电磁波场场型,或者说是光场场形(HE)。各种场形都是光波导中经过多次的反射和干涉的结果。各种模式是不连续的离散的。由于驻波才能在光纤中稳定地存在,它的存在反映在光纤横截面上就是各种形状的光场,即各种光斑。若是一个光斑,称为单模光纤,若为两个以上光斑,称为多模光纤。单模光纤采用固体激光器做光源,多模光纤则采用发光二极管做光源。
(1)单模光纤
单模光纤(Single-Mode Fiber,SMF)只传输主模,也就是说光线只沿光纤的内芯进行传输。单模光纤的纤芯直径很小,芯径在8~10μm之间,包括外包层的直径为125μm。由于完全避免了模式射散使得单模光纤的传输频带很宽因而适用于大容量、长距离的光纤通信,但成本较高,通常在建筑物之间或地域分散时使用,单模光纤使用的光波长为1310nm或1550nm。
(2)多模光纤
多模光纤(Multi-Mode Fiber,MMF)在一定的工作波长下(850nm/1300nm),有多个模式在光纤中传输,从而形成模分散,模分散技术限制了多模光纤的带宽和距离,因此,多模光纤的芯线粗(50或62.5μm),传输速度低、传输容量较小、传输距离短,整体的传输性能差,但其成本比较低,一般用于建筑物内或地理位置相邻的环境下。
3)按折射率分类
按折射率分类光纤可分为跳变式光纤和渐变式光纤两种。
跳变式光纤纤芯的折射率和保护层的折射率都是常数。在纤芯和保护层的交界面折射率呈阶梯型变化。渐变式光纤纤芯的折射率随着光纤半径的增加而按一定规律减小,到纤芯与保护层交界处减小为保护层的折射率。纤芯的折射率的变化是近似抛物线型的。
4)按工作波长分
按光纤的工作波长分类,有短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。多模光纤的工作波长为短波长850nm和长波长1300nm,单模光纤的工作波长为长波长1310nm和超长波长1550nm。
3.光纤通信系统组成
光纤通信的核心是利用光在优质玻璃中传输时衰减很小,特别是在具有特定纤芯尺寸的优质光纤中,光的传输性能大大提高,从而可将信号进行远距离有效传输。另一方面,光是高频波,具有极高的传输速度和很大的频带宽度,可进行大容量实时信息传输。光纤虽然有着如此巨大的传输光信号的能力,却不能直接将信号送至常用终端设备(如计算机、电视机、电话等),也不能直接从这些设备得到要传输的信号,因这些设备内部只能收发电子信号,而且,光信号和电信号的调制方式也不同。电子信号可以按频率、幅度、相位或混合等多种调制方式调制,并可构成频分、时分等多路复用系统。光信号只能按光的强度进行调制,并以此组成时分、频分或波分复用系统。
光纤通信系统是以光波为载体、光导纤维为传输介质的通信方式。这种通信方式起主导作用的是光源、光纤、光发送机和光接收机。
光源——光波产生的根源。
光纤——传输光波的导体。
光发送机——负责产生光束,将电信号转变成光信号,再把光信号导入光纤。
光接收机——负责接收从光纤上传输过来的光信号,并将它转变成电信号,经解码后再作相应的处理。
实际通信时,光路是成对出现的,形成双向光纤通信系统。通常一根光缆由多根光纤组成,每根光纤称为一芯。每个光纤端接设备都同时具有光发射机和光接收机的功能。光纤端接设备与光缆之间通过光跳接线相连。
4.光纤的衰减
造成光纤衰减的主要因素有:本征、弯曲、挤压、杂质、不均匀和对接等。
本征:是光纤的固有损耗,包括瑞利散射、固有吸收等。
弯曲:光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉,造成损耗。
挤压:光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成损耗。
杂质:光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光造成损失。
不均匀:光纤材料的折射率不均匀造成损耗。
对接:光纤对接时产生损耗,如:不同轴(单模光纤同轴度要求小于0.8μm),端面与轴心不垂直,端面不平,对接心径不匹配和熔接质量差等。
2.4.2 光缆
光纤传输系统中直接使用的是光缆而不是光纤。光纤最外面常有100μm厚的缓冲层或套塑层,套塑层的材料大都采用尼龙、聚乙烯或聚丙烯等塑料。套塑后的光纤(称为芯线)还不能在工程中使用,必须把若干根光纤疏松地置于特制的塑料绑带或铝皮内,再被涂覆塑料或用钢带铠装,加上外护套后才成光缆。一根光缆由一根至多根光纤组成,外面再加上保护层。光缆中的光纤数有1根(单芯)、2根(双芯)、4根、6根、甚至更多(48根、1000根)等多种,一般单芯光缆和双芯光缆用于光纤跳线,多芯光缆用于室内室外的综合布线。
值得注意的是缓冲层分为松缓冲层和紧缓冲层两种。松缓冲层的内径比光纤的外层(涂覆层)直径大得多。这种设计有两个主要优点:对机械力的完好隔离(当然在一定范围内)和防止受潮。第一个优点来自于所谓的机械失效区,强加于缓冲器的外力并不影响光纤,直到这一外力足够大以至拉直缓冲器内的光纤。松缓冲层可以非常容易地由隔水凝胶填充,因此也提供了第二个优点。另外,松缓冲层可以容纳几根光纤,减少光缆的成本。另一方面,这一类型的光缆不能垂直安装而且连接(接合和端接)的端准备很费力。因此,光缆的松缓冲层类型大多用在户外安装,因为它在很大的温度、机械压力范围和其他环境条件下,能够提供稳定可靠的传输。
紧缓冲层的内径和光纤涂覆层外径相等,它的主要优点是尽管光纤有断裂,仍有能力保持光缆可操作。紧缓冲层是粗糙的,允许较小的曲率半径。因为每个缓冲层仅包含一根光纤而且没有凝胶要去除,准备这类光缆的连接很容易。具有紧缓冲层的光缆可垂直安装。一般来说,紧缓冲层光缆比松缓冲层光缆对温度、机械压力和水更敏感,因此它们大多用于室内。