一文详解Profinet光纤电缆

1.1 普通电缆与光纤传输方式比较

普通电缆由于线材本身特性的问题，使得传输距离受到限制，在充斥着电磁波的使用环境中，电磁波的干扰更使普通电缆传输的效率降低，若安装地点位于多雷区，两端设备还会因雷击遭到破坏。

1.2 光纤传输的特点

1.2.1 传输损耗低

损耗是传输介质的重要特性，它只决定了传输信号所需中继的距离。光纤作为光信号的传输介质具有低损耗的特点。如使用62.5/125μm的多模光纤，850nm波长的衰减约为3.0dB/km、1300nm波长更低，约为1.0ddB/km。如果使用9/25μm单模光纤，1300nm波长的衰减仅为0.4dB/km、1550nm波长衰减为0.3dB/km，所以一般的激光光源可传输15至20km。目前已经出现传输100公里的产品。

1.2.2 传输频带宽

光纤的频宽可达1GHz以上。一般图像的带宽为6MHz左右，所以用一芯光纤传输一个通道的图像绰绰有余。光纤高频宽的好处不仅仅可以同时传输多通道图像，还可以传输语音、控制信号或节点信号，有的甚至可以用一芯光纤通过特殊的光纤被动元件达到双向传输功能。

1.2.3 抗干扰性强

光纤传输中的载波是光波，它是频率极高的电磁波，远远高于一般电波通讯所使用的频率，所以不受干扰，尤其是强电干扰。同时由于光波受束于光纤之内，因此无辐射、对环境无污染，传送信号无泄露，保密性强。

1.2.4 安全性能高

光纤采用的玻璃材质，不导电，防雷击；光纤传输不像传统电路因短路或接触不良而产生火花，因此在易燃易爆场合下特别适用。光纤无法像电缆一样进行窃听，一旦光缆遭到破坏马上就会发现，因此安全性更强。

1.2.5 重量轻，机械性能好

光纤细小如丝，重量相当轻，即使是多芯光缆，重量也不会因为芯数增加而成倍增长，而电缆的重量一般都与外径成正比。

1.3 光纤结构

典型光纤结构包括五部分：

· 纤芯

· 覆层

· 缓冲层

· 加强材料

· 外套

1. 纤芯是光纤中心供光传输的部分，所有光信号都通过纤芯传送

2. 围绕纤芯的部分是覆层，穿过光纤纤芯的光线在纤芯与覆层的交界处反射回纤芯，从而保证光线延纤芯传播。

3. 围绕覆层的是缓冲层，通常是塑料，用来保护纤芯和覆层不受破坏。

4. 围绕缓冲层的是加强材料，保护光缆在安装时不被拉坏。所用的材料通常是Kevlar, 与防弹背心的材料相同。

5. 最后一部分是线缆外面的外套，用来保护光纤不被磨损、溶解、或受到其它损害。外套根据线缆的用途而有所差别。

不同厂家，不同类型的光纤构成有所不同。下图是西门子玻璃光纤的构成示意图：

1.4光纤分类

1.4.1 按照光传输路径分类

按照光传输路径的不同类型，光纤分为多模光纤及单模光纤。

1. 多模光纤

相对于单模光纤来说，多模光纤允许在同一个纤芯里面同时传送多种模式（路径）的光。根据入射角度的不同，各种模式的光在光纤中实际经过的距离可能不同。入射角的问题会使得不同模式的光到达目的地（线缆接收端）的时间略有差异—这种现象称为模式色散。

由于从光纤中心通过的光线相比在光纤内不断反射传递的光线，所经过的路线更短，所有光线无法同时到达光纤末端。光纤接收端的接收器会收到一个很长很模糊的脉冲。为此，多模光纤采用一种特殊的玻璃，称为渐变折射率玻璃，其朝纤芯外缘方向的折射率更小。这种玻璃使得光在通过纤芯中心时速度放慢，通过纤芯中心以外的区域时速度加快，这就保证了所有模式的光能几乎同时到达终点。这样，光纤接收端的接收器会收到一个强闪的光。

多模光纤的纤芯较粗(50或62.5μm)，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB*KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。

2. 单模光纤

单模光纤只允许在同一个纤芯里面同时传送单一模式（路径）的光。由于单模光纤纤芯直径只有8-10μm，几乎没有空间供光线进行来回反射。而且，单模光纤还是用非常汇聚的红外激光作为光源。激光光源所产生的光线以90度进入纤芯。因此，单模光纤中，承载数据的光线脉冲基本上是沿直线在纤芯中传输。这样大大提高了数据传送的速度和距离。

单模光纤中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。后来又发现在1.31μm波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。这就是说在1.31μm波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，1.31μm处正好是光纤的一个低损耗窗口。这样，1.31μm波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。1.31μm常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITU－T在G652建议中确定的，因此这种光纤又称G652光纤。

1.4.2 光纤根据材质不同分类

光纤根据材质不同分类，又分为POF（塑料）光纤， PCF光纤 ，玻璃光纤等。POF（塑料）光纤， PCF光纤对于工艺要求较低，现场施工难度小。玻璃光纤特别是单模玻璃光纤对于工艺要求非常高，现场施工难度大。

1.5 对于多模玻璃光纤，应当优先选择50／125μm光纤

在局域网发展的初期，光功率器件昂贵，网络速度不高。而62.5μm芯径多模光纤比50μm芯径多模光纤芯径大、数值孔径高，能从LED光源耦合入更多的光功率，因此62.5／125μm多模光纤首先被美国采用为多家行业标准。自1997年开始，局域网向1Gb／s发展，以LED作光源的62.5／125μm多模光纤几百兆的带宽显然不能满足要求。与62.5／125μm相比，50／125μm光纤数值孔径和芯径较小，带宽比62.5／125μm光纤高，制作成本也可降低1／3。另一个原因是以前人们看中62.5μm芯径多模光纤的优点，随技术的进步已变得无关紧要。在八十年代初中期，LED光源的输出功率低，发散角大，连接器损耗大，使用芯径和数值孔径大的光纤以使尽多光功率注入是必须考虑的。而当时似乎没人想到局域网速率可能会超过100Mbit／s，即多模光纤的带宽性能并不突出。现在由于LED输出功率和发散角的改进、连接器性能的提高，尤其是使用了VCSEL，光功率注入已不成问题。芯径和数值孔径已不再像以前那么重要，而10Gbit／s的传输速率成了主要矛盾，可以提供更高带宽的50μm芯径多模光纤则倍受青睐

关键点：

1. 50／125μm光纤的 modal bandwidth 在1300 nm时， ≥ 1200 MHz *km

2. 成本低

3. 光器件成本下降

4. 新安装光纤网络推荐

1.6 分贝概念

分贝（decibel）dB 分贝是以美国发明家亚历山大·格雷厄姆·贝尔命名的，他因发明电话而闻名于世。因为贝尔的单位太粗略而不能充分用来描述我们对声音的感觉，因此前面加了“分”字，代表十分之一。一贝尔等于十分贝。分贝的定义是声源功率与基准声功率比值的对数乘以10的数值

在电信技术中一般都是选择某一特定的功率为基准，取另一个信号相对于这一基准的比值的对数来表示信号功率传输变化情况，经常是取以10为底的常用对数和以ｅ=2.718为底的自然对数来表示。其所取的相应单位分别为贝尔（B）和奈培（Np）。贝尔（B）和奈培（Np）都是没有量纲的对数计量单位。分贝（dB）的英文为decibel，它的词冠来源于拉丁文decimus，意思是十分之一，decibel就是十分之一贝尔。分贝一词于1924年首先被应用到电话工程中。

我们知道，测量海拔高低的基准点是位于青岛的黄海水准点，测量温度高低的基准点是纯水在一个大气压时的结冰点，测量电信号（功率、电压、电流）的基准点就是本文前面提到的人为选择的特定基准，这个基准我们暂且把它叫做“零电平”。这个特定的功率基准就是取一毫瓦（mW）功率作为基准值，这里要特别强调的是：这一毫瓦基准值是在600欧姆（Ω）的电阻上耗散一毫瓦功率，此时电阻上的电压有效值为0.775伏(V)，所流过的电流为1.291毫安（mA）。取作基准值的1mW，0.707V，1.291mA分别称为零电平功率，零电平电压和零电平电流。（我们国家不采用电流电平测量基准）。

利用功率关系所确定的电平可以称为功率电平（需要计量的功率值和功率为一毫瓦的零电平功率比较），用数学表达式描述就是：
Ｐm=10 lg(Ｐ/1)dBm
其中：Ｐm代表功率电平。Ｐ代表需要计量的绝对功率值，单位为毫瓦，零电平功率为一毫瓦。dBm表示以一毫瓦为基准的功率电平的分贝值。不同的绝对功率值所对应的以一毫瓦为基准的功率电平值如下：绝对功率用dBm表示

1.7 衰减及模式带宽

对于任意一种光纤，衰减及模式带宽都是两个非常重要的参数。

衰减： 当光纤中传输某种模式的光信号时，其信号强度在不同介质中与传输距离之间的关系。

模式带宽：当光纤中传输某种模式的光信号时，此信号的可以提供的通信带宽。不严格地说：假设某光纤在传输850 nm的光信号时，其模式带宽为600 MHz *km，当距离为1km 时，其可以提供600 MHz 的带宽，而当传输距离为2 km 时，其提供的带宽则变为300 MHz。

上表中是某两种不同型号的光纤特性的对比，从表中可看出：

当多模光纤与单模光纤同样使用1300nm波长的激光进行信号传输时，假设多模光纤传输距离变为5km, 此时的带宽仅为100 MHz, 已经难以使用。因此：对于多模光纤，通信距离的限制主要为模式带宽

当多模光纤与单模光纤同样使用1300nm波长的激光进行信号传输时，假设单模光纤传输距离变为5km, 此时的带宽仍为1000 MHz, 其模式带宽足够使用。因此：对于单模光纤 ，通信距离的限制主要为衰减

注意：对于光纤的使用者，一般都希望得到小衰减，高模式带宽的光纤

1.8 西门子光纤收发设备重要参数

上表中包含了光纤收发设备的重要参数，解释如下：

1. 可用光纤类型：此设备可以使用的光纤类型，不同设备支持的光纤类型不同，选型时务必注意。

2. 发送功率：此参数越大，说明发送功率越大。

3. 接收灵敏度：此参数越小，说明设备越灵敏。

4. 允许衰减：此参数受发送功率，接收灵敏度，系统保留衰减有关。

5. 传输距离：此参数由光纤衰减系数，及设备允许衰减计算而来。

2： 西门子光纤分类

西门子多模光纤根据材质不同，又分为POF光纤， PCF光纤 ，玻璃光纤。

2.1 西门子POF（塑料）光纤

2.1.1 POF（塑料）光纤简介

POF光纤 (Polymer Optical Fiber，聚合物光纤) ，由于其纤芯为聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) ，典型覆层为氟化合物，所以俗称塑料光纤。PMMA光学特性好, 而且由于具有质轻, 耐冲击和容易成型加工等塑料性能的优点, 因而可替代无机玻璃, 在光学领域获广泛应用。与玻璃光纤相比，塑料光纤易受高温，化学物质和溶剂的影响

2.1.2 主要用途

用于短距离现场通信，减少现场EMC问题，适合现场装配，多用于西门子带集成光纤接口的设备及简单光电转换模块。

2.1.3 接头制作

由于塑料光纤纤芯直径较粗，对于现场装配的要求较低，因此一般人员经过简单培训后即可进行现场接头装配。用户可以参考附表中的介绍订购相应的工具及接头。

2.2 西门子PCF光纤

2.2.1 PCF光纤简介

PCF光纤 (Polymer Cladding Fiber，塑料包层光纤), 其纤芯为石英玻璃（二氧化硅），典型覆层为特殊化合物。所以俗称塑料光纤。PMMA光学特性好, 而且由于具有质轻, 耐冲击和容易成型加工等塑料性能的优点, 因而可替代无机玻璃, 在光学领域获广泛应用。

2.2.2 主要用途

用于短距离现场通信，减少现场EMC问题，适合现场装配，多用于西门子带集成光纤接口的设备及简单光电转换模块。

2.2.3 接头制作

由于PCF光纤纤芯(二氧化硅材质) 直径比塑料光纤要细，对于现场装配的要求稍微高一些，一般人员虽然经过简单培训后即可进行现场接头装配，但是其工艺水平的高低对光通信质量的好坏影响较大。用户可以参考附表中的介绍订购相应的工具及接头。

2.3 西门子玻璃光纤

2.3.1 玻璃光纤简介

玻璃光纤由一束非常细的玻璃纤维丝组成，光缆外部有一层护套保护。光缆的端部有各种尺寸和外形，并且浇注了坚固的透明树脂。检测面经过光学打磨，非常平滑。这道精心的打磨工艺能显著提高光纤束之间的光耦合效率。

2.3.2 主要用途

用于长距离现场通信，减少现场EMC问题，不适合现场装配，多用于西门子长距离光电转换模块及交换机。

2.4 影响玻璃光纤通信质量的安装因素：

在光纤合格的情况下，以下因素会影响光纤通信质量：

玻璃光纤的熔接处同轴度

玻璃光纤的熔接处芯径不匹配

玻璃光纤的熔接处质量

接头端面的平整度

光纤的弯曲及变形

接头处的清洁度对光信号的损耗

接头与通信模块连接处的装配精度

备注：其中的4-7项是对所有不同类型光纤进行通信质量评估时，都需要考虑的因素

审核编辑：汤梓红