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西门子光纤通信简介 Brief Introduction of Siemens optical communication Getting Started Edition 2008 年年 4 月月 摘摘 要要 本文档主要用于讨论以下相关问题 西门子光纤基础知识 西门子光纤选型 西门子光纤接口设备简介 关键词关键词 光纤；接口；POF; PCF Key Words Optical Fiber; Interface; POF; PCF AD Service Support Page 2-42 目目 录录 西门子光纤通信简介 ..........................................................1西门子光纤通信简介 ..........................................................1 1.1. 光纤基础知识 ............................................................8光纤基础知识 ............................................................8 1.11.1 普通电缆与光纤传输方式比较....................................... 8普通电缆与光纤传输方式比较....................................... 8 1.21.2 光纤传输的特点................................................... 8光纤传输的特点................................................... 8 1.2.1 传输损耗低................................................... 8 1.2.2 传输频带宽................................................... 8 1.2.3 抗干扰性强................................................... 8 1.2.4 安全性能高................................................... 8 1.2.5 重量轻，机械性能好........................................... 9 1.31.3 光纤结构......................................................... 9光纤结构......................................................... 9 1.41.4 光纤分类........................................................ 10光纤分类........................................................ 10 1.4.1 按照光传输路径分类.......................................... 10 1.4.2 光纤根据材质不同分类........................................ 12 1.51.5 对于多模玻璃光纤，应当优先选择 50／125μm光纤.................... 12对于多模玻璃光纤，应当优先选择 50／125μm光纤.................... 12 1.61.6 分贝概念........................................................ 13分贝概念........................................................ 13 1.71.7 衰减及模式带宽.................................................. 14衰减及模式带宽.................................................. 14 1.81.8 西门子光纤收发设备重要参数...................................... 15西门子光纤收发设备重要参数...................................... 15 2 2 西门子光纤分类 .........................................................15西门子光纤分类 .........................................................15 2.12.1 西门子POF（塑料）光纤........................................... 16西门子POF（塑料）光纤........................................... 16 2.1.1 POF（塑料）光纤简介......................................... 16 2.1.2 主要用途.................................................... 16 2.1.3 接头制作.................................................... 16 2.1.4 接头选择.................................................... 16 2.22.2 西门子PCF光纤................................................... 17西门子PCF光纤................................................... 17 2.2.1 PCF光纤简介................................................. 17 2.2.2 主要用途.................................................... 17 2.2.3 接头制作.................................................... 17 2.2.4 接头选择.................................................... 17 2.32.3 西门子多模玻璃光纤.............................................. 18西门子多模玻璃光纤.............................................. 18 AD Service Support Page 3-42 2.3.1 玻璃光纤简介................................................ 18 2.3.2 主要用途.................................................... 18 2.3.3 接头制作.................................................... 19 2.3.4 接头选择.................................................... 19 2.42.4 使用单模玻璃光纤通信的西门子产品................................ 19使用单模玻璃光纤通信的西门子产品................................ 19 2.52.5 SC 接头......................................................... 19SC 接头......................................................... 19 2.62.6 玻璃光纤的熔接................................................ 20玻璃光纤的熔接................................................ 20 2.72.7 影响玻璃光纤通信质量的安装因素................................ 21影响玻璃光纤通信质量的安装因素................................ 21 3 3 西门子光接口模块简介 ...................................................22西门子光接口模块简介 ...................................................22 3.13.1 西门子光接口模块（PROFIBUS部分）简介............................ 22西门子光接口模块（PROFIBUS部分）简介............................ 22 3.1.1 集成光纤接口的通信模块...................................... 22 3.1.2 OLM分类..................................................... 22 3.1.3 OLM及OBT使用注意事项........................................ 23 3.1.4 OLM与OBT 的比较............................................. 26 3.1.5 OLM的光通信质量检测......................................... 26 3.23.2 西门子光接口模块（Ethernet部分）简介............................ 27西门子光接口模块（Ethernet部分）简介............................ 27 3.2.1 集成光纤接口的通信模块...................................... 27 3.2.2 OSM系列..................................................... 27 3.2.3 SCALANCE系列................................................ 27 3.2.4 工业以太网光纤接口互连的注意事项............................ 31 3.33.3 西门子光接口模块及光纤选型...................................... 31西门子光接口模块及光纤选型...................................... 31 4 4 西门子光纤及接口订货 ...................................................33西门子光纤及接口订货 ...................................................33 4.14.1 塑料光纤........................................................ 33塑料光纤........................................................ 33 4.24.2 PCF光纤......................................................... 33PCF光纤......................................................... 33 4.34.3 PCF光纤订货规则............................................... 33PCF光纤订货规则............................................... 33 4.44.4 多模玻璃光纤.................................................. 34多模玻璃光纤.................................................. 34 4.54.5 单模玻璃光纤.................................................... 34单模玻璃光纤.................................................... 34 4.64.6 玻璃光纤订货规则.............................................. 34玻璃光纤订货规则.............................................. 34 4.74.7 BFOC 接头....................................................... 35BFOC 接头....................................................... 35 AD Service Support Page 4-42 4.84.8 SC 接头......................................................... 35SC 接头......................................................... 35 AD Service Support Page 5-42 图片列表图片列表 图1 光纤结构............................................................ 9 图2 西门子玻璃光纤的构成............................................... 10 图3多模光纤的光传输.................................................... 10 图4单模光纤的光传输.................................................... 11 图5 西门子光纤收发设备重要参数......................................... 15 图 6 塑料光纤用于 PROFIBUS 时的接头 ..................................... 17 图7 塑料光纤用于 Ethernet 时的 SC RJ 接头 ............................... 17 图8 PCF 光纤用于 PROFIBUS 时的接头 ...................................... 18 图9 PCF 光纤用于 Ethernet 时的 SC RJ PCF 接头 ............................ 18 图10 玻璃光纤用于 PROFIBUS 或 Ethernet 时的接头 ......................... 19 图11 SC/ST 跳线及尾纤 .................................................. 20 图12 玻璃光纤使用的安装的示意图........................................ 21 图13 PROFIBUS 网络设置 ................................................. 24 图14 修改网络设备组成.................................................. 24 图15 网络参数自动改变.................................................. 25 图16 OLM 不监控光纤端口模式 ............................................ 25 图17 OLM 监控光纤端口模式 .............................................. 25 图18 OLM 冗余环网光纤端口模式 .......................................... 26 图19 西门子光接口模块及光纤选型流程图.................................. 31 图20 西门子光接口模块及光纤选型例子 1 .................................. 32 图21 西门子光接口模块及光纤选型例子 2 .................................. 32 图22 PCF 光纤订货规则 .................................................. 34 图23 玻璃光纤订货规则.................................................. 35 AD Service Support Page 6-42 表格列表表格列表 表 1 绝对功率简单对照表................................................ 13 表 2 光纤的衰减与模式带宽.............................................. 14 表 3 OLM通信距离....................................................... 23 表 4 OSM端口类型及数量................................................. 27 表 5 SCALANCE X 005 至 X200 部分交换机端口类型及数量 ................... 29 表 6 部分主要作为网络接口类型转换的100系列交换机端口................... 30 表 7 SCALANCE X300系列交换机端口....................................... 30 表 8 PROFIBUS中塑料光纤/PCF光纤及接头订货信息.......................... 37 表 9 PROFIBUS多模玻璃光纤及接头订货信息................................ 38 表 10 ETHERNET中塑料光纤/PCF光纤及接头订货信息......................... 39 表 11 ETHERNET多模玻璃光纤及接头订货信息............................... 40 重要提示本文为技术交流文档，不能作为订货、选型等重要事宜的唯一依据，建议您参 考 Siemens 的标准产品样本和技术手册进行产品的选型和订货。 重要提示本文为技术交流文档，不能作为订货、选型等重要事宜的唯一依据，建议您参 考 Siemens 的标准产品样本和技术手册进行产品的选型和订货。 AD Service Support Page 7-42 1.1. 光纤基础知识 光纤基础知识 1.11.1 普通电缆与光纤传输方式比较 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。 1.21.2 光纤传输的特点 光纤传输的特点 1.2.1 传输损耗低传输损耗低 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。 AD Service Support Page 8-42 1.2.5 重量轻，机械性能好重量轻，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。 1.31.3 光纤结构 光纤结构 图 1 光纤结构 典型光纤结构包括五部分 纤芯 覆层 外套 加强材料 缓冲层 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。 AD Service Support Page 9-42 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 加强材料 纤芯 覆层 单芯外套 外套 图 2 西门子玻璃光纤的构成 1.41.4 光纤分类 光纤分类 1.4.1 按照光传输路径分类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。 1.1. 多模光纤 多模光纤 纤芯 在纤芯外套及覆层边界处的反射 光源 （LED 或 Laser） 覆层 光线 图 3多模光纤的光传输 AD Service Support Page 10-42 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）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 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 纤芯 光源 （LED 或 Laser） 覆层 光线 图 4单模光纤的光传输 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）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 AD Service Support Page 11-42 的谱宽 一 1.4.2 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 1.51.5 对于多模玻璃光纤，应当优先选择 50／125μm 光纤 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 62.5／ .5 1. 50／125μm 光纤的 modal bandwidth 在 1300 nm 时， ≥ 1200 MHz *km 低 纤网络推荐 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 1.31 μm 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 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。 光纤根据材质不同分类光纤根据材质不同分类 光纤根据材质不同分类，又分为 （ 于工艺要求非常高，现场施工难度大。 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 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 ／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 2. 成本 3. 光器件成本下降 4. 新安装光 AD Service Support Page 12-42 分贝概念 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 情况，经常是取以 10 为底的常用对数和以ｅ2.718 为底的 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 Ｐm1 功率值，单位为毫瓦，零电平功率为一 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 绝对功率 dBm 1.61.6 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 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 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 0 lgＰ/1dBm 其中Ｐm 代表功率电平。Ｐ代表需要计量的绝对 毫瓦。dBm 表示以一毫 瓦为基准的功率电平值如下绝对功率用 dBm 表示 简单对照表格 100μW -10 1mW 0 2mW 3 10 10mW 表 1 绝对功率简单对照表 AD Service Support Page 13-42 1.71.7 衰减及模式带宽 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。 在不同介质中与传输距 离之间的关系。 850 nm 的光信号时，其模式带宽为 600 光纤类型 参数 多模 50/125μm 单模 9/125μm 衰减 衰减 当光纤中传输某种模式的光信号时，其信号强度 模式带宽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 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。 衰减1300nm ≤ 1.0 dB/km ≤ 0.35dB/Km 模式带宽1300nm ≥ 500 MHz *km ≥25000MHz*km 表 2 光纤的衰减与模式带宽 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 1.1. 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 对于多模 式 2. 对于多模 式 2. 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 注意 对 注意 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 光纤，通信距离的限制主要为模带宽 光纤，通信距离的限制主要为模带宽 当多模光纤与单模光纤同样使用 1300nm 波长的激 于单模光纤 ，通信距离的限制主要为衰减 于单模光纤 ，通信距离的限制主要为衰减 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 AD Service Support Page 14-42 1.81.8 西门子光纤收发设备重要参数 西门子光纤收发设备重要参数 可用光纤类型 激光波长 发射功率 接收灵敏度 允许衰减 传输距离 图 5 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. 发送功率发送功率此参数越大，说明发送功率越大。 3. 接收灵敏度接收灵敏度此参数越小，说明设备越灵敏。 4. 允许衰减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，具体计算方法请 参考资料 3．2 章节 5. 传输距离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，具体计算方法请参 考资料 3．2 章节 2 2 西门子光纤分类 西门子光纤分类 1. 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，西门子仅提供多模光 纤。 2. 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。 AD Service Support Page 15-42 2.12.1 西门子 POF（塑料）光纤 西门子 POF（塑料）光纤 2.1.1 POF（塑料）光纤简介（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