精品光缆线路工程设计毕业设计.docx

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精品光缆线路工程设计毕业设计

光缆线路工程设计

摘要

当今的通信方式是以光纤通信为主，微波、卫星通信为辅的格局。

也正因如此，光纤通信的发展显得越发重要。

随着国际互连网等信息技术的普及应用，加之由于经济的快速发展，人们对通信的需求更加强烈，这要求光纤通信向着大容量，高速率，远距离方向迅猛发展。

光网络的发展又使得光缆的新结构不断涌现，新一代的全光网络要求光缆提供更宽的带宽、容纳更多的波长、传送更高的速率、便于安装维护、使用寿命更长等。

由此光缆的种类也趋于多样化，对一些特殊环境更有特种光缆来满足特殊的要求。

随着中央政府加大对农村经济的扶持和投资，贵州黔西南州的经济得到快速发展，广大农民的富裕度得到迅速的提高，人们在生活、商贸、工作中对移动通信的需求越来越大，对通信质量要求也越来越高；因此贵州通信服务公司本着回报社会的态度，决定加大对农村的投入，扩大信号覆盖面，为百姓的经济发展服务，于是提出了安龙等村通二期工程。

光缆线路工程设计的研究表明，在同一地区的不同地段，对于光纤和路由的选取、敷设都是不同的，根据具体的现场情况和经济、建设要求做出正确的、合理的选择，是保证光纤通信系统长期、稳定、安全工作的前提。

对于光缆的敷设也有各种具体的要求，同样保证光纤通信的正常工作。

系统的调试开通与验收，后期的维护都是光缆工程必不可少的工作。

【关键词】：

光缆线路，光纤，工程设计，概、预算

ABSTRACT

Today'scommunicationisbasedonopticalfiberecommunications,microwaveandsalitecommunicationssupplementedpattern.Forthisreason,thedevelopmentofopticalcommunicationisbecomingmoreandmoreimportant.

AsinternationalInternetandotherinformationtechnologieswidelyused,Andbecauseoftherapideconomicdevelopment,forthecommunicationsneedsofmoreintense,requirefibercommunicationtowardlarge-capacity,.Thedevelopmentofopticalnetworkcablealsomakesthenewstructurewillcontinuetoemerge.Thenewgenerationofall-opticalcablenetworkrequirementsforwiderbandwidthtoaccommodatemorewavelengthsandrate,easeofinstallationandmaintenance,suchaslongerlifeexpectancy.Thistypeofcableisalsotendingtodiversify,forsomespecialenvironmentmorespecialcabletomeetspecialrequirements.

Alongwiththecentralgovernmenttoincreaseruraleconomicsupportandinvestment,theGuizhouQianxinan’seconomiclife,business,workontheMobileCommunicationgrowingdemandforqualitycommunicationsareincreasinglyreturnsociety'sattitudeanddecidedtoincreasetheirinvestmentinruralareasandexpandsignalcoverage,forthepeopleintheeconomicdevelopmentofservices,andthesecondprojectaboutvillagessuchasAnlong.OpticalCableDesignResearchshowsthatinthesamearealots,andfiberroutingselection,installationisdifferent,accordingtothespecificcircumstancesandtheeconomy,thedemandtomakeacorrectandreasonablechoiceistheguaranteeofopticalfibercommunicationssystemlong-term,stable,safeworkingpremise.Cableinstallationforavarietyofspecificdemands,andalsoassueopticalfibercommunicationsnormalwork.Debuggingsystemopenedandacceptedlater,thecablemaintenanceworksareessentialtothework.

Keywords：

Fiberopticcablecircuit，Fiberoptic，Theengineeringdesign，BudgetaryEstimateandBudget.

绪论

光纤通信技术是近三十几年迅猛发展起来的高新技术，它的诞生和发展，给世界通信技术带来了划时代的革命。

随着国际互连网等信息技术的广泛普及应用，光纤通信技术也取得了很大的发展。

光缆技术的发展，使得光缆的种类更加多样化，通信质量得到了很大的提升，特种光缆的产生更是在很大程度上解决了一些光缆敷设上面的技术难题。

对于我国来说，进几年政府对通信行业的大力支持，特别是西部大开发以后偏远落后地区人们对移动通信的需求，对通信质量的要求，都促进了通信事业的迅猛发展。

因此，光缆工程设计在当今社会也就显得格外重要。

本文详细阐述了光纤光缆技术以及如何进行光缆线路工程设计。

文章总共分为六部分：

第一部分介绍光纤通信概论，包括光纤通信的发展史等；第二部分阐述了光纤，即光纤的分类及光纤的传输特性、光纤的参数及测量等问题；第三部分介绍光缆的分类及特点；第四部分详细介绍了光纤通信系统的相关知识；第五部分详细阐述如何进行光缆线路工程设计，包括需求分析，光缆的敷设，防护等；第六部分为工程设计的概预算。

最后是致谢以及参考书籍。

附录是中英文翻译。

1光纤通信概论

1．1光纤通信简史

光纤通信是以激光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。

由于光纤的传光性能优异，传输损耗小、传输距离远、工作频带宽、抗干扰能力强等优点，因此，在当今的通信方式中已经形成了一个以光纤通信为主，微波、卫星通信为辅的格局。

光纤通信技术是近三十几年迅猛发展起来的高新技术。

它的诞生和发展，给世界通信技术带来了划时代的革命。

光纤的发展的历程包括：

1．1966年，英籍华人高锟（C·K·Kao）预见利用玻璃可以制成衰减为20dBkm的通信光导纤维（简称光纤）。

[1]当时，世界上最优秀的光学玻璃衰减达l000dBkm左右。

2．1970年，美国康宁公司首先研制成衰减为20dBkm的光纤。

从此，光纤就进入了实用化的发展阶段，世界各国纷纷开展光纤通信的研究。

3．为了实现长距离的光纤通信，必须减小光纤的衰减。

C·K·Kao早就指出降低玻璃内的过渡金属杂质离子是降低光纤衰减的主要因素。

另一方面，玻璃内的OH离子对衰减也有严重的影响。

到了1976年，人们设法降低OH含量后发现低衰减的长波长窗口有：

1.31μm、1.55μm。

1980年，光纤衰减已降低到0.2dBkm（1.55μm），接近理论值。

这样，使得进行长距离的光纤通信成为可能。

4．1981年以后，世界各发达国家才将光纤通信技术大规模的推入了商用。

历经近20年的突飞猛进的发展，光纤通信速率已经由1978年的45Mbits提高到目前的40Gbits。

1．2光纤通信的特点

与电缆或微波等电通信方式相比，光纤具有自己独特的优点：

传输频带极宽，通信容量很大；由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；串扰小，信号传输质量高；光纤抗电磁干扰，保密性好；光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；耐化学腐蚀；光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大量有色金属。

光纤通信同时也具有一些缺点：

光纤弯曲半径不宜过小；光纤的切断和连接操作技术复杂；分路、耦合麻烦。

由于光纤具备一系列优点，所以广泛应用于公用通信、有线电视图像传输、计算机、航空、航天、船舰内的通信控制、电力及铁道通信交通控制信号、核电站通信、油田、炼油厂、矿井等区域内的通信。

1．3光纤通信发展趋势

光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命。

近几年来，随着技术的进步，电信管理体制的改革以及电信市场的逐步全面开放，光纤通信的发展又一次呈现了蓬勃发展的新局面。

下面列举几点光纤通信的发展趋势：

1．向超高速系统的发展

从过去几十年的电信发展史看，网络容量的需求和传输速率的提高一直是一对主要矛盾。

传统光纤通信的发展始终按照电的时分复用（TDM）方式进行，每当传输速率提高4倍，传输每比特的成本大约下降30％～40％；因而高比特率系统的经济效益大致按指数规律增长，这就是为什么光纤通信系统的传输速率在过去几十年来一直在持续增加的根本原因。

高速系统的出现不仅增加了业务传输容量，而且也为各种各样的新业务，特别是宽带业务和多媒体提供了实现的可能。

在理论上，基于时分复用的高速系统的速率还有望进一步提高，然而，采用电的时分复用来提高传输容量的作法已经接没有太多潜力可挖了，因而更现实的出路是转向光的复用方式。

2．向超大容量WDM系统的演进

采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽，然而光纤的200nm可用带宽99％的资源尚待发掘。

采用波分复用系统的主要好处是：

（1）可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使容量可以迅速扩大几倍至上百倍；

（2）在大容量长途传输时可以节约大量光纤和再生器，从而大大降低了传输成本；（3）与信号速率及电调制方式无关，是引入宽带新业务的方便手段；（4）利用WDM网络实现网络交换和恢复可望实现未来透明的、具有高度生存性的光联网。

3．新一代的光纤

近几年来随着IP业务量的爆炸式增长，电信网正开始向下一代可持续发展的方向发展，而构筑具有巨大传输容量的光纤基础设施是下一代网络的物理基础。

目前，为了适应干线网和城域网的不同发展需要，已出现了两种不同的新型光纤，即非零色散光纤（G.655光纤）和无水吸收峰光纤（全波光纤）。

4．IPoverSDH与IPoverOptical

目前，ATM和SDH均能支持IP，分别称为IPoverATM和IPoverSDH。

由于IPoverATM有一些缺点如：

网络体系结构复杂、传输效率低、开销损失大等，而SDH与IP的结合则恰好能弥补IPoverATM的弱点。

IPoverSDH可以省掉ATM方式所不可缺少的信头开销和IPoverATM封装和分段组装功能，减化了层次。

但从长远看，当IP业务量逐渐增加，需要高于2.4Gbps的链路容量时，则最终会省掉中间的SDH层，IP直接在光路上跑，形成十分简单统一的IP网结构（IPoverOptical）。

这种简单直接的体系结构，减化了层次，减少了网络设备；减少了功能重叠，简化了设备，减轻了网管复杂性，特别是网络配置的复杂性；通过业务量工程设计，可以与IP的不对称业务量特性相匹配；还可利用光纤环路的保护光纤吸收突发业务，尽量避免缓存，减少延时。

IPoverOptical将是最具长远生命力的技术。

但在相当长的时期，IPoverATM，IPoverSDH和IPoverOptical将会共存互补，各有其最佳应用场合和领域。

从前面光纤通信的几个方面的发展现状与趋势来看，完全有理由认为光纤通信进入了又一次蓬勃发展的新高潮，这次高潮也势必对整个电信网和信息业产生更加深远的影响。

它的演变和发展结果将在很大程度上决定电信网和信息业的未来大格局，也将对本世纪的社会经济发展产生巨大影响。

2光纤及光纤的测量

2．1光纤的传输特性

2．1.1衰减

衰减是光纤的一个重要的传输参数。

它表明了光纤对光能的传输损耗，对光纤质量的评定和对光纤通信系统的中继距离的确定起着十分重要的作用。

光纤中的传输光能衰减的起因是材料本身、制造缺陷、弯曲、接续等对光能的吸收、散射损耗。

①．吸收损耗

吸收损耗是由于光纤对光能的固有吸收并转换成损耗。

光纤中的损耗主要有：

本征吸收、杂质吸收和结构缺陷吸收。

②．散射损耗

散射损耗是以散射的形式将光能辐射出光纤外的损耗。

散射损耗主要有：

瑞利散射、米氏散射、受激布里渊散射、受激拉曼散射、附加结构缺陷和弯曲散射、泄漏。

2．1.2色散

1．色散

由于光纤中的信号是由不同的频率成分和不同的模式成分来携带的，这些不同的频率成分和不同的模式成分的传输速度不同，从而引起色散。

光纤色散主要有：

模间色散，材料色散，波导色散等。

2．群时延差

在光纤中，不同速度的信号传过的距离所需的时延不同。

时延差越大，色散就越严重。

因此，常用时延差表示色散程度。

3．光纤的色散

单模光纤中只传输基模LP01,总色散由材料色散、波导色散和折射剖面色散组成。

这三个色散都与波长有关，所以单模光纤的总色散也称为波长色散。

公式：

D（λ）＝Dm＋Dw＋Dp（2.1）

4．色散特性

纯石英玻璃材料色散与波长的关系。

2．1.3偏振模色散

偏振是与光的振动方向有关的性能。

光纤中的光传输可描述完全是沿X轴振动和完全是沿Y轴上的振动或一些光在两个轴上的振动。

每个轴代表一个偏振“模”。

两个偏振模的到达时间差称为偏振模色散PMD。

造成单模光纤中的PMD的内在原因是纤芯的椭圆度和残余内应力。

它们改变了光纤折射率分布，引起相互垂直的本征偏振以不同的速度传输，进而造成脉冲展宽；外因则是成缆和敷设时的各种作用力，即压力、弯曲、扭转及光缆连接等都会引起PMD。

2．1.4光纤的非线性效应

1．当光功率增加到一定程度时，光信号与光纤传输媒介间的非线性交互现象将会呈现。

光纤的非线性可分为两类：

受激散射效应和折射率扰动。

2．受激散射效应也分为两种形式：

由于声光子振动而产生的受激布里渊散射（SBS）和由于分子振动而产生的受激拉曼散射。

3．折射率扰动引起的五种非线性效应为：

自相位调制、光孤子形成、交叉相位调制、调制不稳定和四波混频。

[2]

2．2光纤类型

光纤的分类

目前光纤的种类繁多，但根据分类方法的不同可以分为四种，即按光纤剖面折射率分布分类，按传播模式分类、按工作波长分类和按套塑类型分类等。

此外按光纤的组成成份分类，除目前最常应用的石英光纤之外，还有含氟光纤与塑料光纤等。

1.按折射率分布分类──阶跃光纤与渐变光纤

①阶跃光纤

阶跃光纤是指：

在纤芯与包层区域内，其折射率分布分别是均匀的，其值分别为n1与n2，但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的。

阶跃光纤是早期光纤的结构方式，后来在多模光纤中逐渐被渐变光纤所取代（因渐变光纤能大大降低多模光纤所特有的模式色散），但用它来解释光波在光纤中的传播还是比较形象的。

而现在当单模光纤逐渐取代多模光纤成为当前光纤的主流产品时，阶跃光纤结构又作为单模光纤的结构形式之一。

②渐变光纤

渐变光纤是指：

光纤轴心处的折射率最大（n1），而沿剖面径向的增加而逐渐变小，其变化规律一般符合抛物线规律，到了纤芯与包层的分界处，正好降到与包层区域的折射率n2相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是均匀的即为n2。

2.按传播模式分类──多模光纤与单模光纤

多模光纤是指能够同时传输多种模式的光纤，而单模光纤则只能传输单一的基模模式。

3.按工作波长分类──短波长光纤与长波长光纤

①短波长光纤

在光纤通信发展的初期，人们使用的光波波长在0.6～0.9微米范围内（典型值为0.85微米），习惯上把在此波长范围内呈现低衰耗的光纤称作短波长光纤。

②长波长光纤

把工作在1.0～2.0微米波长范围的光纤称之为长波长光纤。

长波长光纤因具有衰耗低、带宽宽等优点，特别适用于长距离、大容量的光纤通信。

4.按套塑类型分类──紧套光纤与松套光纤

2．3光纤的基本参数

光纤的各种参数很多，最重要的参数有：

光纤芯径、光纤数值孔径NA以及归一化频率。

1．光纤芯径：

这是光波导的几何尺寸，一般说芯径越大，集光效应越好，越有利于远距离传输。

然而，过大的芯径也会带来一些不利的影响，如增加成本，模式不容易控制等。

2．光纤的数值孔径：

为了保证在光纤的芯包界面上能发生全反射，在光纤端面上的入射角必须小于孔径角，即小于光纤的最大光接收角。

这个最大的光接收角记作。

光纤的数值孔径NA定义为：

（2.2）

NA的物理意义表示光纤接收入射光的能力，NA越大，表示接收有用光的本领越大。

3．光纤中传播的模式及归一化频率：

光纤中传播的模式就是光纤中存在的电磁场场形，或者说是光纤中存在的光场场形。

因为光波是一种频率很高的电磁波。

各种场形都是光波导中经过许许多多次的反射和干涉的结果。

而且各种模式是不连续的离散的。

光纤中能够存在（即能够传播）的模式不是无限多的，只能是既满足全反射条件又能够满足相位一致条件的模式才能存在，而其它模式则被截止。

设Nmax为光纤中最大的模式数，它可表示为：

（2.3）

其中参数V定义为：

（2.4）

这里的V是光纤的重要参数之一，它一方面与波导宽度a成正比，被称为归一化波导宽度；另一方面又与（C为光速）成正比，因而又称为归一化频率。

2．4光纤传输参数的测量

2．4．1光纤衰减特性的测量

光纤衰减与波长密切相关。

光纤衰减是表示光信号在光纤中传输时能量损失的一个重要的传输参数。

可用下列三种方法来测量损耗：

截断法、插入法、向后散射法（OTDR）。

截断法是根据光纤衰减定义的测试方法。

在稳态注入条件下，首先测量整根光纤的输出光功率。

然后保持注入条件不变，在离注入端约2m处剪断光纤，测量此段光纤输出的光功率。

由于2m光纤的衰减很小，可以忽略不计，因此就是被测光纤的始端注入光功率，被测光纤的衰减可按下式计算：

（2.5）

插入法与截断法的不同之处在于，插入法用带活动接头的连接软线代替短光纤进行参考测量。

插入法测量过程如下：

首先将注入系统的光纤与接收系统的光纤连接，测出光功率。

然后将待测光纤连接注入系统和接收系统之间，测出光功率。

被测光纤段的总衰减可由下式计算：

（2.6）

其中c0、c1、c2是连接器0、连接器1、连接器2的标称平均损耗值（dB）。

不同的活动连接器，标称平均损耗值不同。

向后散射法是通过光时域反射仪OTDR（OpticalTimeDomainReflectometer）不剪断光纤来测试光纤衰减的方法，此法测试重复性和精确度比剪断法差。

采用后向散射法测试某段光纤衰减，通常应对光纤分别进行双方向测试，然后取平均值作为被测光纤的衰减，如图2.1所示[1]

图2.1后向散射法测试光纤衰减装置图

后向散射法可以测量光纤的全程总衰减，也可以用来检查中继段光纤全程的光学连续性，测量光纤任何两点间的衰减和光纤接头损耗及光纤故障点定位。

向后散射法是光缆施工和维护中经常使用的一种测试手段，但向后散射法测试光纤衰减也有不足之处，主要是测量结果受光纤均匀性和光纤反射系数影响，还与操作者对OTDR的游标的正确定位密切相关。

2．4．2光纤的基带响应与带宽

1.光纤的基带响应

在光纤通信中，一般来说是利用信息的信号来调制光的强度来传输的。

光纤对调制信号的响应称为基带响应，它是决定光纤传输容量的一个重要特性，基带响应既可用时域表示，也可用频域表示。

前者是测脉冲响应经过数学换算得出光纤带宽值；后者也称为扫频法，适合于中继站间测试且精度较高。

时域法采用很窄的电脉冲调制光源，从而产生很窄的光脉冲。

当满足注入条件时，将此窄光脉冲耦合到被测多模光纤中。

由于光纤的模间和模内存在时延，使得输出光脉冲产生变形，展宽即可得到多模光纤的带宽。

这种方法又称为脉冲变形法。

采用时域法时，将被调制的窄光脉冲输入光纤，该脉冲在光纤中传输时被展宽。

也就是说，用被调制光脉冲展宽的情况来描述光纤传输光脉冲的“能力”。

显然，在理想情况下，被传输的光脉冲应保持原来宽度。

采用频域测量法时，用频率连续变化的正弦信号调制激光器来研究光纤对不同频率调制的光信号的传输能力。

具体地说，就是先测出光纤传输已调制光波的频率响应特性，然后，按一般方法求出光纤的带宽。

2.光纤的带宽

带宽测量方法分为频域法和时域法。

使用时域测量法可以同时测得幅度和相位响应。

用频域法只能测得幅度响应。

2．4．3单模光纤的色散及测量

单模光纤色散测量有三类方法：

相移法（正弦信号调制）、脉冲时延法（脉冲调制）和干涉法。

其中相移法和脉冲时延法也分别称为频域法和时域法。

相移法是通过测量不同波长下同一正弦调制信号的相移得出群时延与波长的关系，进而算出色散系数的一种方法。

相移法的本质是通过比较光纤基带调制信号在不同波长下的相位来确定色散特性。

测定不同波长的窄光脉冲经光纤传输后的时延差，可直接由定义式得出光纤的色散系数，这种方法称为脉冲时延法。

相移法属于频域测量，而脉冲时延法则属时域测量。

脉冲时延法的关键是极窄光脉冲的产生、探测和测量。

为此，要求具有产生很窄脉冲的电脉冲发生器、高速响应探测器和高速取样示波器。

用干涉法测单模光纤色散已经被ITU-T确认为色散测量的一种替代方法。

这种方法的优点是只需对几米长的光纤进行测量。

如果整根光纤的色散是均匀的，则短光纤的测试结果可代表整根光纤；如果被测试光纤的色散沿轴向不均匀，则可以对短光纤的两端分别测试，两次测试结果的平均值就是整根光纤的色散值。

由于光学干涉法测量很精密，因此它还可以用来分析和考察温度变化及微弯损耗对色散的影响。

干涉法实际上就是采用迈克尔逊干涉仪的原理进行测量的。

2．4．4偏振模色散测量

随着光纤通信技术的发展，人们对光纤偏振模色散的研究工作越来越深入，这些都是因为光纤的偏振模色散对超高速光纤数字系统的传输性能有着不可忽视的影响。

目前广大光纤、光缆生产厂家和电信用户都对光纤PMD作了较为深入的研究，同时参照ITU-T制定了相应的企业标准，纳入了光纤性能指标的控制范围。

国际电信联盟电信标准化部门ITU-TG650（2000）和国际电工委员会标准IEC61941（1999）中介绍了单模光纤偏振模色散的定义和测量方法，规定了PMD的基准测试方法即斯托克斯参数测定法，还有替代测试方法即偏振态法与干涉法。

①.托克斯参数测定法

斯托克斯参数测定法是测量单模光纤PMD值的基准试验方法，它的测试原理是在一波长范围内以一定的波长间隔测量出输出偏振态随波长的变化，通过琼斯矩阵本征分析和计算，得到PMD的系数值。

②.偏振态法

偏振态法是测量单模光纤PMD的第1替代试验方法，其测量原理是：

对于固定的输入偏振态，当注入光波长（频率）变化时，在斯托克斯参数空间里邦加