分析有線電視系統(tǒng)中的光纜與電纜
2019-11-03 10:07:48
供稿：網(wǎng)友
李育林
摘 要：本文對(duì)有線電視系統(tǒng)中使用的光纜與電纜進(jìn)行了多方面的比較與分析，并得出了在目前的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)條件下，光纜作為主干傳輸線和電纜作為分支與用戶分配傳輸線的布城方案是有線電視系統(tǒng)最佳的布城方案的結(jié)論。
1引言
隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，有線電視事業(yè)得到了蓬勃發(fā)展。自辦節(jié)目、衛(wèi)星電視、交互電視的相繼開通，以及有線電視的用戶迅速增加，使得有線電視系統(tǒng)的傳輸頻帶拓寬，服務(wù)范圍擴(kuò)大，傳輸距離延長(zhǎng)。本文不想涉及有線電視系統(tǒng)的方方面面，而僅就有線電視系統(tǒng)信號(hào)傳輸線路中所用到的光纜與電纜的構(gòu)造、傳輸機(jī)理與損耗特性等方面進(jìn)行比較與研究，從中找出它們之間的異同點(diǎn)與優(yōu)缺點(diǎn)，以便在實(shí)際應(yīng)用中揚(yáng)長(zhǎng)避短、靈活運(yùn)用。
2光纜與電纜的構(gòu)造、傳輸機(jī)理與損耗特性
要比較光纜與電纜這兩種不同的傳輸線，就必須首先了解它們彼此的構(gòu)造、傳輸機(jī)理與損耗特性。下面就分別展開討論。
2.1 光纜構(gòu)造、傳輸機(jī)理與損耗特性
2.1.1 光纜構(gòu)造與傳輸機(jī)理
我們知道，光纜是光纖加上外涂層而形成的。而光纖則是一種帶涂層的透明細(xì)絲。光纖按光傳輸模式不同可分為多模光纖和單模光纖兩大類。多模光纖是指允許多種電磁場(chǎng)分布方式同時(shí)存在的光纖。多模光纖的傳輸特性與其模截面上的折射率分布有很大的關(guān)系，按其折射率分布多模光纖又可分為兩類：一類是階躍折射率分布光纖；另一類是漸變折射率分布光纖。在階躍折射率分布光纖中，纖芯和包層折射率均為常數(shù)n1和n2且n1＞n2。在漸變折射率分布光纖中，包層折射率為常數(shù)n2，但纖芯折射率不再是常數(shù)n1，而是目光纖軸沿光纖半徑r向外逐漸下降，在光纖軸處（r=0），折射率最大（等于n1），在光纖壁處，折射率最小（等于n2）；單模光纖則是指只允許一種電磁場(chǎng)分布方式存在的光纖。因此，光纖又可分為階躍多模光纖（SI）、梯度多模光纖（GI）和單模光纖（SM）三種類型。
階躍多模光纖（SI），芯線直徑約為40～100μm，光束在芯線與折射層的分界面上以反復(fù)全反射的方式傳輸。由于芯線直徑較大，光的人射角不同，光的傳輸路徑也不同，因此，存在多種光的傳輸路徑。其模數(shù)能達(dá)到100以上，各模之間存在路徑的長(zhǎng)度差異，導(dǎo)致信號(hào)傳輸在時(shí)間上產(chǎn)生差異，各模信號(hào)不能同時(shí)到達(dá)輸出瑞，即存在色散現(xiàn)象，使傳輸頻帶變窄，并且隨著傳輸距離的加長(zhǎng)，光束路徑的差異也加大，頻帶變得更窄。一般以傳輸讓1Km作為衡量光纖帶寬的標(biāo)準(zhǔn)。階躍多模光纖的帶寬1km只有幾十MHZ。
梯度多模光纖（GI），芯線直徑約為40～100μm，芯線的折射率在徑向以平方律分布，中間的折射率大于邊緣。因此中間光束的傳輸速度較慢。由于中間光束的路徑較短，所以使不同光路的光束以差不多相同的速度傳輸，減小了色散，拓寬了傳輸頻帶。梯度多模光纖的帶寬1km可達(dá)幾百至幾千MHz。
單模光纖（SM），芯線特別細(xì)（約4～10μm），只能通過沿軸向的光束，因此它無多模光纖的傳輸速度差，大大加寬了傳輸頻帶。單模光纖的帶寬1km可達(dá)一萬MHz以上。
2.1.2光纜的損耗特性
光纜的損耗，就是指沿光纜中的光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)的衰減。光纖中的衰減機(jī)理主要是光能量的吸收損耗、散射損耗和幅射損耗。吸收損耗是與光纖材料有關(guān)的。而散射損耗則與光纖材料及光波導(dǎo)中的結(jié)構(gòu)缺陷有關(guān)。輻射效應(yīng)所引起的衰減則是由光纖幾何形狀的擾動(dòng)（微觀和宏觀）產(chǎn)生的。人們還發(fā)現(xiàn)，不同波長(zhǎng)的光在光纖中的傳輸損耗是不同的。因此光纖的損耗與光的波長(zhǎng)有關(guān)。
光波長(zhǎng)在短波長(zhǎng)0.85μm和長(zhǎng)波長(zhǎng)1.31μm與 1.55μm三個(gè)值的附近，普通光纖的損耗有最小值，故稱這三個(gè)波長(zhǎng)為光纖通信的三個(gè)窗口。相比較而言，0.85μm波長(zhǎng)的光的損耗最大，約為2.5dB／km；1.55μm波長(zhǎng)的光的損耗最小，約為0.2dB／km；而1.31μm波長(zhǎng)的光的損耗也很小，約為0.35dB／km。這也是目前1.55μm和 1.31μm波長(zhǎng)的光在有線電視系統(tǒng)中的光纜傳輸中得到普遍應(yīng)用的主要因素。
2.2電纜構(gòu)造、傳輸機(jī)理與損耗特性
2.2.1電纜構(gòu)造與傳輸機(jī)理
同軸射頻電纜，又叫同軸電纜，簡(jiǎn)稱電纜。它一般是由軸心重合的銅芯線和金屬屏蔽網(wǎng)這兩根導(dǎo)體以及絕緣體、鋁復(fù)合薄膜和護(hù)套五個(gè)部分構(gòu)成的。
內(nèi)導(dǎo)體銅芯是一根實(shí)芯導(dǎo)體；絕緣體選用介質(zhì)損耗小、工藝性能好的聚乙烯等材料制成；鋁復(fù)合薄膜和鍍錫屏蔽網(wǎng)，共同完成屏蔽與外導(dǎo)電的作用，其中鋁復(fù)合薄膜主要完成屏蔽的作用，而鍍錫屏蔽網(wǎng)則完成屏蔽與外導(dǎo)電雙重作用；護(hù)套是減緩電纜的老化和避免損傷。
在有線電視系統(tǒng)的不同位置或不同的場(chǎng)合應(yīng)采用不同種類和規(guī)格的電纜，以盡量滿足有線電視系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求。因此，電纜的種類和規(guī)格繁多。為了規(guī)范電纜的生產(chǎn)與使用，我國對(duì)同軸電纜的型號(hào)實(shí)行了統(tǒng)一的命名，通常它由如下四個(gè)部分組成。
第二、三、四部分均用數(shù)字表示，這些數(shù)字分別代表同軸電纜的特性阻抗（Ω）、芯線絕緣的外徑（mm）和結(jié)構(gòu)序號(hào)。例如：型號(hào)為SYWV－75—5一1的同軸電纜的含義是：同軸射頻電纜、絕緣材料為物理發(fā)泡聚乙烯、護(hù)套材料為聚氯乙烯、特性阻抗為75Ω、芯線絕緣外徑為5mm，結(jié)構(gòu)序號(hào)為1。
依據(jù)對(duì)內(nèi)、外導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的處理方法不同，同軸電纜可分為如下四種：第一種是實(shí)芯同軸電纜。這種電纜的介電常數(shù)高，傳輸損耗大，屬于早期生產(chǎn)的產(chǎn)品，目前已淘汰不用；第二種是藕芯同軸電纜。這種電纜的傳輸損耗比實(shí)芯電纜的要小得多，但防潮防水性能差，以前使用較普遍；第三種是物理發(fā)泡同軸電纜。這種電纜的傳輸損耗比藕芯電纜的還要小，且不易老化和受潮，是目前使用最廣泛的電纜；第四種是竹節(jié)電纜。這種電纜具有物理發(fā)泡電線同樣或更優(yōu)的性能，但由于制造工藝和環(huán)境條件要求高，產(chǎn)品的價(jià)格也偏高，因此一般僅作為主干傳輸線用。
同軸電纜是傳輸高頻電磁波的傳輸媒體，而電視信號(hào)是一種高頻電磁波，通過同軸電纜對(duì)高頻電磁波的傳送，以實(shí)現(xiàn)電視信號(hào)在有線電視系統(tǒng)中的傳輸。
2.2.2電纜的損耗特性
電視信號(hào)是一種高頻電磁波，它在同軸電纜中傳輸時(shí)存在著傳輸損耗。其損耗的大小用衰減常數(shù)β表示。單位為：dB／km（或dB／100m、dB／m）。
3光纜與電纜的比較分析
通過對(duì)有線電視系統(tǒng)中使用的光纜與電纜的構(gòu)造、傳輸機(jī)理與損耗特性的討論，我們對(duì)光纜與電瞞了比較全面的認(rèn)識(shí)與了解。從信號(hào)傳輸質(zhì)量、工程投入成本以及方便信息高速公路的開通等方面進(jìn)行綜合分析，目前應(yīng)以光纜與電纜混合網(wǎng)絡(luò)（即HFC網(wǎng)絡(luò)）為主，這是基于光纜與電纜在有線電視系統(tǒng)中的傳輸特性與價(jià)值工程等因素而決定的。下面分別從傳輸頻帶與傳輸容量、傳輸損耗、工作性能與成本（即價(jià)值工程）這三個(gè)方面對(duì)光纜與電纜進(jìn)行比較分析。
3.1 傳輸頻帶與傳輸容量
頻帶的寬窄代表了可以傳輸電視信號(hào)及其它信息容量的大小。電纜傳輸電視等信號(hào)受有線電視系統(tǒng)載噪比（CNR）、復(fù)合三次差拍比（CTB）、復(fù)合二次差拍比（CSO）等指標(biāo)要求的限制，致使傳輸頻帶與傳輸容量受到一定的制約；而光纜則不同，光纜的很多指標(biāo)明顯地優(yōu)于電纜。譬如：好的單模光纖的帶寬可達(dá)到一萬MHZ以上，如果用多芯光纖組成的光纜傳輸不同波長(zhǎng)的激光，即采用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，光纜可容納的信息容量就更大了，傳輸?shù)碾娨曨l道就更多。從理論上來講，一對(duì)光纖可同時(shí)傳輸一百五十萬路電話或二千套電視節(jié)目。
3.2傳輸損耗
電纜的傳輸損耗不僅隨傳輸信號(hào)頻率的提高而加大（即電纜的斜度），而且還隨信號(hào)傳輸距離的延長(zhǎng)而顯著增大。傳輸干線上為了補(bǔ)償電纜的衰減頻率特性，就要在干線傳輸線路中（如放大器前）加入不同均衡量的均衡器。為了延長(zhǎng)電視信號(hào)在電纜中的傳輸距離，就必須在線路中的適當(dāng)位置加入一定數(shù)量的干線放大器，以彌補(bǔ)電纜線對(duì)電視信號(hào)的衰減。另外，電纜的傳輸損耗還與溫度有關(guān)系，即電纜的衰減量隨溫度的變化而變化，電纜的溫度系數(shù)約為0.2%（dB）／℃。光纜的傳輸損耗與電纜的傳輸損耗相比極小。HFC網(wǎng)絡(luò)正是利用光纜來實(shí)現(xiàn)有線電視信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。譬如：1.31μm波長(zhǎng)的光信號(hào)，不加中繼站，單程可傳輸30km；而1.55μm波長(zhǎng)的光信號(hào)，不加中繼站，單程可傳輸70km。此外，光纜在有線電視系統(tǒng)傳輸?shù)娜款l道內(nèi)具有相同的損耗（即頻率特性好），并且光纜的傳輸損耗幾乎不隨溫度的變化而改變。
3.3工作性能與成本（即價(jià)值工程）
電纜的組成結(jié)構(gòu)與傳輸機(jī)理，決定了它的工作性能要受到本身與外界的影響。電纜傳輸?shù)氖请姶挪ㄐ盘?hào)，盡管電纜有較好的外金屬網(wǎng)屏蔽層，但很難完全避免外界電磁波通過各種途徑對(duì)電視信號(hào)電磁波的干擾。而光纜則不同，因?yàn)楣饫|中的光纖的基本成份是石英（即SiO，絕緣物），它只導(dǎo)光，不導(dǎo)電。因此，光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)不受外界電磁波的干擾。正因光纖中傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)，所以光纖中傳輸?shù)男盘?hào)不會(huì)泄漏，光纖之間不會(huì)出現(xiàn)串育現(xiàn)象。又因光纜是電絕緣體，無感應(yīng)電壓產(chǎn)生，又可免遭雷擊。一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的光纜系統(tǒng)的工作性能是高可靠的，無故障工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)50～75萬個(gè)小時(shí)。光纜傳輸通常不需要中繼放大，因此不會(huì)引入非線性失真，只要激光器的線性良好，就可傳輸高保真信號(hào)。
敷設(shè)光纜與電纜投入成本的比較，要根據(jù)電視信號(hào)傳輸距離的遠(yuǎn)近來討論。當(dāng)電視信號(hào)傳輸距離較遠(yuǎn)（2km以上）時(shí)，敷設(shè)光纜的投入成本比電纜的低，因此建議遠(yuǎn)距離傳輸用光纜；當(dāng)電視信號(hào)傳輸距離較近（只有幾百米）時(shí)，敷設(shè)電纜的投入成本比光纜的低。因此在有線電視系統(tǒng)的分支線路與用戶分配部分，都采用同軸電纜來傳輸電視信號(hào)。這樣做既降低投入成本，又方便施工接線。
4總結(jié)
光纜與電纜均是有線電視系統(tǒng)的主要傳輸線，通過光纜與電纜的比較分析，可以看出它們均有優(yōu)缺點(diǎn)。光纜雖然具有頻帶寬、損耗小、可靠性高、不受電磁波干擾等優(yōu)點(diǎn)。但光纜存在設(shè)備價(jià)格昂貴，光纖之間的連接困難（要用光纖自動(dòng)熔接機(jī)進(jìn)行熔接），光纜在敷設(shè)過程中其曲率半徑又有嚴(yán)格的要求（即盡量大弧形轉(zhuǎn)彎，不允許直角直轉(zhuǎn)彎曲）等缺點(diǎn)；電纜卻具有近距離傳輸成本低，電纜之間接線容易，且布線方便等優(yōu)點(diǎn)。電纜最突出的缺點(diǎn)是傳輸損耗大。因此，綜合考慮有線電視傳輸線（即光纜與電纜）的具體特性，并進(jìn)行價(jià)值工程分析，全光纜有線電視系統(tǒng)（即：前端--光纜干線傳輸--光纜分配系統(tǒng)），由于設(shè)備器材價(jià)格高和技術(shù)難度大等因素，目前很少采用。光纜與電纜混合傳輸有線電視系統(tǒng)（即：前端一光纜干線傳輸一同軸電纜分配系統(tǒng)），由于該系統(tǒng)（即HFC網(wǎng)絡(luò)）既發(fā)揮了光纜遠(yuǎn)距離傳輸損耗小的優(yōu)點(diǎn)，又發(fā)揮了電纜便于分配與接線的優(yōu)點(diǎn)，因而得到普遍使用。
摘自 北極星電技術(shù)網(wǎng)
