电力系统通信技术复习中教学提纲.ppt

电力系统通信技术复习中一、电力线载波通信的特点1.独特的耦合设备 载波信号和工频电流的各自传输和分离GGCCJLJL载波机A载波机BGZGZ耦合装置耦合装置电力线路GLGL变压器变压器发电机发电机一、电力线载波通信的特点（续）2.线路频谱安排的特殊性电力线载波通信能使用的频谱由三个因素决定：（1）电力线路本身的高频特性（500KHz）。（2）避免50Hz工频的干扰。（3）考虑载波信号的辐射对无线电广播及无线通信的影响。（300K3M)Hz我国统一规定电力线载波通信使用的频率范围为40500KHz(实际能使用的频谱更窄）。一、电力线载波通信的特点（续）线路存在强大的电磁干扰n由于电力线路上存在强大的电晕等干扰噪声，要求电力线载波设备具有较高的发信功率，以获得必需的输出信噪比。n另外，由于50Hz基波和低次谐波的强烈干扰，使得0.3-3.4KHz的话音信号不能直接在电力线上传输，只能将信号频谱搬移到40KHz以上，进行载波通信。第二节 电力线载波通信系统一、电力线载波通信系统构成一、电力线载波通信系统构成 电力线载波机、电力线路和耦合设备构成。耦合装置（又称结合设备）包括:线路高频阻波器GZ、耦合电容器C、结合滤波器JL和高频电缆GL/HFC.作用 提供高频信号通路 电力线高频通道,工频通道GGCCJLJL载波机A载波机BGZGZ耦合装置耦合装置电力线路HFCHFC变压器变压器发电机发电机各构成部分的作用n电力载波机：核心 主要实现调制和解调，完成频率搬移，载波机性能好坏直接影响电力线载波通信系统的质量。n耦合电容C和结合滤波器JL组成：高频带通滤波器，其作用：通过高频载波信号，阻止电力线上的工频高压和工频电流进入载波设备，确保人身、设备安全。GGCCJLJL载波机A载波机BGZGZ耦合装置耦合装置电力线路HFCHFC变压器变压器发电机发电机各构成部分的作用n线路阻波器GZ：串接在电力线路和母线之间，是对电力系统一次设备的“加工”，故又称“加工设备”。作用：通过电力电流、阻止高频载波信号 减小变电站和分支线路对高频信号的介入损耗及同一母线不同电力线路上高频通道。n输电线:既传输电能又传输高频信号。GGCCJLJL载波机A载波机BGZGZ耦合装置耦合装置电力线路HFCHFC变压器变压器发电机发电机2耦合方式三种：相地、相相 和相地、相相混合方式。（1）相地耦合方式。载波设备在一根相导线和大地之间，特点：只需一个耦合电容器和一个阻波器，设备使用经济，因而得到了广泛应用。不足：衰减比相相耦合方式大；在相导线发生接地故障时高频衰减增加很多。（2）相相耦合方式需要至少两个耦合电容器和 两个阻波器，特点：n耦合设备费用约为相地耦合方式的两三倍，n高频衰减小，而且当电力线路故障时，由于80%的故障属于单相故障，所以具有较高的安全性，n目前国内外在一些可靠性要求较高的电力线高频通道中已采用了相相耦合方式。四、电力线载波通信方式与转接方式（一）电力线载波通信方式n电力线载波通信的方式主要由电网结构、调度关系和话务量多少等因素决定，n定频通信方式n中央通信方式n变频通信方式 目前我国主要采用定频通信方式和中央通信方式两种。1定频通信方式n 载波机收发频率固定不变。n Af1B1转接 B2f3C n应用最普遍。一对一的定频通信方式又是定点通信，各站相互同时通信，传输稳定，电路工作比较可靠。n 占用频带较多，接通用户时间长。2中央通信 方式nA站中央站，发f1，收f2nB、C两站外围站，发f2，收f1 n更多站间通信可只使用一对频率，节约了载波频谱也节约了设备数量（每站只需一个载波机）n但这种方式只限 一对N 外围站。各外围站间不能通话。n只宜在通话量少的简单通信网中使用，如集中控制站对无人值守变电所的通信。3 变频通 信方式n为克服中央通信方式的不足，使各站间都能通话，仍只使用一对频率，可以采用变频通信方式n平时A、B、C三机不发信号，发送都为f2，接收为f1。n任一站发信号时，将发送改为f1，接收改为f2，其他站频率仍不改变n 发送接收频率需要改变，载波机结构复杂，各站间传输衰减变化较大，使用受到局限。（二）电力线载波通信的转接方式电路转接的常用方式有n话音、远动通路同时转接时，n中频转接n低频转接n话音通路单独转接时，n音频转接本章小结n电力线载波通信使用频段n电力线载波通信耦合装置及主要作用n 电力载波机的结构：n音频汇接n发信支路（二次调制）n 收信支路（最终同步法）n电力线载波通信耦合方式（相相，相地）n电力线载波通信方式（定频，中央，变频）n电力线载波通信的转接方式（中频，低频，音频）n电力线载波通信新技术第第 4 章章 光纤通信技术光纤通信技术第第4章章 光纤通信技术光纤通信技术4.1光纤通信概述光纤通信概述4.1.1光纤通信基本概念光纤通信基本概念 光纤通信是以光光为为载载波波，以以光光纤纤为为传传输输介介质质的通信方式。通信系统最终技术目标:可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。通信系统的传输容量取决于:对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。光通信 与 光纤通信 比较 Optical Communication VS.Optical Fiber Communication Optical Communication：运用光为载体来传送信息的所有通信方式的总称，不管传输所使用的媒介是什么Optical Fiber Communication：单纯依靠光纤作为传输媒介的通信方式。光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用通信系统的传传输输容容量量取决于对载波调制的频频带带宽宽度度，载载波波频率越高，频带宽度越宽频率越高，频带宽度越宽。光通信的主要特点光通信的主要特点 载波频率高；频带宽度宽载波频率高；频带宽度宽（图1.1）光光通通信信利利用用的的传传输输媒媒质质-光光纤纤，可可以以在在宽宽波波长长范范围围内内获获得得很小的损耗。很小的损耗。（图1.2）图1.1部分电磁波频谱微波：3300G近红外光300T图1.2各种传输线路的损耗特性 在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低损耗低得多，因此，相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。1.容许频带很宽，传输容量很大容许频带很宽，传输容量很大 目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般为2.5 Gb/s和10Gb/s。2.损耗小，中继距离长损耗小，中继距离长 石英光纤在1.31m和1.55m波长，传输损耗分别为0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低。因此，中继距离长。传输容量大、传输误码率低、中继距离长的优点，使光纤通信系统不仅适合于长途干线网适合于长途干线网而且适合于接适合于接入网入网的使用，这也是降低每公里话路的系统造价的主要原因。3.重量轻、体积小重量轻、体积小 光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。4.抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好 光纤由电绝缘电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。无金属光缆非常适合于存在强电磁场干扰的高压电力线周围和油田、煤矿等易燃易爆环境中使用。光纤(复合)架空地线(OPGW)是光纤与电力输送系统的地线组合而成的通信光缆，已在电力系统的通信中发挥重要作用。5.泄漏小，保密性能好泄漏小，保密性能好 在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非常安全。6.节约金属材料，有利于资源合理使用节约金属材料，有利于资源合理使用 制造同轴电缆和波导管的铜、铝、铅等为金属材料；而制造光纤的石英石英(SiO2)在地球上基本上是取之不尽的材料。总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，而且在经济上具有巨大的竞争能力，因此其在信息社会中将发挥越来越重要的作用。4.1.2光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发发射射、接接收收和作为广义信道的基本光纤传输系统基本光纤传输系统。图 4-1 光纤通信系统的基本组成(单向传输)1.光纤结构光纤结构 光纤（光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。光能量在光纤中传输的必要条件：光能量在光纤中传输的必要条件：n1n2。纤芯纤芯：折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层包层：为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。纤芯和包层的相对折射率差相对折射率差=（n1-n2）/n1的典型值，一般单模光纤为0.3%0.6%，多模光纤为1%2%。4.2光纤和光缆光纤和光缆 图4-2 光纤的外形 2.光纤类型光纤类型 光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石高纯度石英（英（SiO2）制成的光纤。实用光纤的三种基本类型：(a)突变型多模光纤突变型多模光纤（Step-Index Fiber,SIF）图4-3(a)纤芯折射率为n1保持不变，到包层突变突变为n2。一般纤芯直径2a=5080 m，光线以折线形状折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大信号畸变大。(b)渐变型多模光纤渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber,GIF）在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小逐渐变小，直到包层变为n2。一般纤芯直径2a为50m，光线以正弦形状正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播 (离轴近的n，v=v0/n )特点是信号畸变小信号畸变小。(3)单模光纤单模光纤（Single-Mode Fiber,SMF）如图4-3(c)折射率分布和突变型光纤(纤芯直径5080m）相似，纤芯直径只有810m，光线以直线形状直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式，所以称为单模光纤。几何光学方法几何光学方法 几何光学法分析问题的两个出发点几何光学法分析问题的两个出发点 数值孔径数值孔径 时间延迟时间延迟 通过分析光束在光纤中传播的空间分布空间分布和时间分布时间分布 几何光学法分析问题的两个角度几何光学法分析问题的两个角度 突变型多模光纤突变型多模光纤 渐变型多模光纤渐变型多模光纤 图4-4 突变型多模光纤的光线传播原理1.突变型多模光纤突变型多模光纤 设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致，如图4-4所示。空气n0 光线 以小角度小角度从空气入射到纤芯(n0n2)。根据斯奈尔(Snell)定律得到 n0sin=n1sin1=n1cos1 (4-1)改变角度时，如光线2:当=c时，光线将以c入射到交界面，并沿交界面 向前传播(折射角为90);如光线1:当c时，光线在交界面折射进入包层并逐渐消失空气n0只有在半锥角为c的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。根据这个传播条件，定义临界角c的正弦为数值孔径数值孔径。根据定义和斯奈尔定律 （4-2）N0=1，由式（4-2）经简单计算得到 （4-3）数值孔径：数值孔径：(Numerical Aperture,NA)式中：=(n1-n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。NANA表示光纤接收和传输光的能力表示光纤接收和传输光的能力表示光纤接收和传输光的能力表示光纤接收和传输光的能力，NA(或c)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率耦合效率耦合效率耦合效率越高。纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好;对于无损耗光纤，在c内的入射光都能在光纤中传输。但NA越大，经实际光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量限制了信息传输容量限制了信息传输容量限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。时时时时间间间间延延延延迟迟迟迟根据图4.4，入射角为的光线在长度为L(ox)的光纤中传输，所经历的路程为l(oy)，在不大的条件下，最最大大入入射射角角(=c)和最最小小入入射射角角(=0)的光线之间时时时时间间间间延延延延迟迟迟迟差差近似为式中c为真空中的光速。这是因为光线传播速度v(r)=c/n(r)(c为光速)，入射角略大时，光线经历的路程较长，远离中心轴线，n(r)较小，传播速度较快，补偿了较长的路程。入射角小的光线情况正相反，其路程较短，但速度较慢。所以这些光线的时间延迟近似相等。所以渐变型多模光纤渐变型多模光纤渐变型多模光纤渐变型多模光纤信号畸变比突变型多模光纤突变型多模光纤突变型多模光纤突变型多模光纤的信号畸变要小。渐渐渐渐变变变变型型型型多多多多模模模模光光光光纤纤纤纤具有自自自自聚聚聚聚焦焦焦焦效效效效应应应应，不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟时间延迟也近似相等。三三 光纤传输特性光纤传输特性损耗和色散损耗和色散损耗和色散损耗和色散是光纤最重要的传输特性：是光纤最重要的传输特性：损耗损耗损耗损耗Attenuation Attenuation 限制系统的传输距离限制系统的传输距离限制系统的传输距离限制系统的传输距离 色散色散色散色散Dispersion Dispersion 限制系统的传输容量限制系统的传输容量限制系统的传输容量限制系统的传输容量产生产生信号畸变信号畸变信号畸变信号畸变的主要原因是光纤中存在的主要原因是光纤中存在色散色散色散色散 光纤色散光纤色散 DispersionDispersion 1.色散、色散、带宽和脉冲展宽带宽和脉冲展宽色色色色散散散散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散的种类：色散的种类：原因原因 模式色散模式色散模式色散模式色散:不同模式光的时间延迟不同不同模式光的时间延迟不同 材料色散：材料色散：材料色散：材料色散：光纤的折射率随光纤的折射率随波长波长而改变而改变 波导色散：波导色散：波导色散：波导色散：波导的结构参数与波长有关波导的结构参数与波长有关 模式色散模式色散模式色散模式色散 材料色散材料色散材料色散材料色散 波导色散波导色散波导色散波导色散补充：补充：色散系数：单位线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差，色散系数：单位线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差，ps/kmps/kmnmnm（二）二）光纤损耗光纤损耗 AttenuationAttenuation损损损损耗耗耗耗的存在光信号幅幅幅幅度度度度减小限制系统的传传传传输输输输距距距距离离离离。在最一般的条件下，在光纤内传输的光光光光功功功功率率率率P P随距距距距离离离离z z的变化，可以用下式表示习惯上的单位用dB/km式中，是损耗系数损耗系数损耗系数损耗系数。设长度为L(km)的光纤，输入光 功率为Pi，输出光功率为Po1.损耗的机理损耗的机理后图是单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤的损耗谱，图中示出各种机理产生的损损损损耗耗耗耗与与与与波长波长波长波长的关系，这些机理包括吸收损耗吸收损耗吸收损耗吸收损耗和散射损耗散射损耗散射损耗散射损耗两部分。吸吸吸吸收收收收损损损损耗耗耗耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。散散散散 射射射射 损损损损 耗耗耗耗 主要由材料微观密度不均匀引起的 瑞瑞瑞瑞 利利利利(Rayleigh)Rayleigh)散射散射散射散射和由光纤结构缺陷结构缺陷结构缺陷结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。瑞瑞瑞瑞利利利利散散散散射射射射损损损损耗耗耗耗是光纤的固固固固有有有有损损损损耗耗耗耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。如果=0.2%，在1.55m波长，光纤最低理论极限为0.149 dB/km。2.损耗测量损耗测量 光纤损耗测量有两种基本方法：一种是测量通过光纤的传输光功率，称剪断法和插入法剪断法和插入法；另一种是测量光纤的后向散射光功率，称后向散射法后向散射法。在工程上最实用的是后向散射法。由于瑞利散射光功率与传输光功率成比例。利用与传输光相反方向相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的方法，称为后向散射法。图4-6 后向散射法光纤损耗测量系统 图4-7后向散射功率曲线的示例相对反向散射功率光纤长度EDCBAA 输入端反射区；BC恒定斜率区C连接器、接头或局部缺陷引起损耗；D介质缺陷(例如气泡)引起的反射；E输出端反射区（光纤断点），用以确定光纤长度。（4-6）式中：右边分母中因子2是光经过正向和反向两次传输产生的结果。后向散射法不仅可以测量损耗系数，还可利用光在光纤中传输的时间来确定光纤的长度L。（4-7）式中：c为光速；n1为光纤的纤芯折射率；t 为光脉冲从发出到返回的时间。设在光纤中正向传输光功率为P，经过L1和L2点(L1P2)，从这两点返回输入端(L=0)。光检测器的后向散射光功率分别为Pd(L1)和Pd(L2)，经分析推导得到，正向和反向平均损耗系数 用后向散射法的原理设计的测量仪器称为光时域反射光时域反射仪仪(OTDR)。optical time domain reflectometer 优势：采用单端输入和输出单端输入和输出；不破坏光纤不破坏光纤；使用非常方便。测量用途广测量用途广：OTDR不仅可以测量光纤损耗系数和光纤长度，还可以测量连接器和接头的损耗，观察光纤沿线的均匀性和确定故障点的位置，是光纤通信系统工程现场测量不可缺少的工具。电力系统特种光缆电力系统特种光缆 它将光缆技术和输电线技术相结合，架设在10500kV不同电压等级的电力杆塔上和输电线路上，具有高可靠、长寿命等突出优点，在我国电力通信领域普遍使用。就目前来看，电力特种光缆主要包括：全介质自承式光缆ADSS、架空地线复合光缆OPGW、缠绕式光缆GWWOP、捆绑式光缆AL-Lash、相线复合光缆OPPC。但主要使用的是ADSS、OPGW。1.ADSS光缆光缆 目前世界上ADSS光缆的结构主要有4种类型：A型：中心束管式ADSS光缆；B型：层绞式ADSS光缆；C型：分布式增强型ADSS光缆；D型：带状式ADSS光缆。其中A型与B型在电力系统中应用较广泛。图4-9几种无金属自承式架空光缆（ADSS）的结构图GYXTS(中心束管式光缆中心束管式光缆)GYTA层绞式光缆层绞式光缆 ADSS光缆主要特点光缆主要特点:n采用了的高强度芳纶纱作为抗张元件。重量轻、光缆几何尺寸小，缆重仅为普通光缆的三分之一，可直接架挂在电力杆塔的适当位置上，对杆塔增加的额外负荷很小；n外护套经过中性离子化浸渍处理，使光缆具有极强的抗电腐蚀能力；n光缆采用无金属材料，绝缘性能好，能避免雷击，电力线出故障时，不会影响光缆的正常运行；n利用现有电力杆塔，可以不停电施工，与电力线同杆架设，可降低工程造价；n运行温度范围宽：4070；n使用跨距范围：501200m。2.OPGW光缆的的结构和特点光缆的的结构和特点 OPGW光缆是将光纤媒体复合复合在输电线路的架空地线架空地线里,地线和通信功能合二为一合二为一。OPGW光缆主要是由铝包钢线或铝合金线组成的外部绞线包裹着光纤缆、中心加强件等组成的。OPGW按光纤与其外层束管的“紧密”程度分为“松套”和“紧套”两种类型,大多数厂家都采用松套结构。(A)(B)（C）图图4-10几种几种OPGW光缆结构示意图光缆结构示意图1：光纤；：光纤；2：不锈钢钢管：不锈钢钢管(铝管塑管铝管塑管)；3：铝包钢线铝包钢线；4：铝合金线铝合金线；5：螺旋型带槽铝合金骨架；：螺旋型带槽铝合金骨架；6：镀锌钢管：镀锌钢管A型：中心束管式；型：中心束管式；B型：偏管层绞式；型：偏管层绞式；C型：骨架式型：骨架式OPGW光缆光缆目前电力系统主要使用如图4-10所示几种结构的OPGW光缆(1)OPGW既可避雷既可避雷,又可用于通信又可用于通信,不需要另外加挂光缆。(2)光缆位于OPGW中,外层有铝包钢线或铝合金线包裹,光缆受到保护,可靠性较高可靠性较高。(3)OPGW是随着电力线架设的,因而节省了施工费。(4)OPGW是架设在输电线路铁塔上的,这种铁塔比起邮电部门的通信电杆可靠、安全,且不易被盗窃。OPGW主要特点是:3.缠绕式光缆GWWOP GWWOP光缆是将无金属的介质光缆缠绕缠绕在已运行的输电线路地线上。它是由松套缓冲管与小强度件或填充件绞绕在一起以形成圆形光纤单元,光纤单元是用交联聚乙烯护套加以保护。这个护套提供了机械和环境保护,并且抗电弧和雷击。其主要特点是:(1)抗干扰能力强、耐高温、抗老化,且不易被盗窃。(2)由于GWWOP光缆重量很轻,而且是使用专用的机械缠绕在输电线路地线上,所以,在光缆架设时不需对原杆塔作复核与改动即可施工。(3)光缆可在任何自承塔上熔接熔接。GWWOP光缆的缺点是易受外界损坏。4.全介质捆绑捆绑光缆AD-LASHAD-LASH光缆是将非金属光缆采用捆绑式架设方法,通过捆绑机用捆绑带把光缆与架空地线或相线捆绑在一起。AD-LASH光缆的特点是：(1)光缆直径小、重量轻,将它捆绑在送电线路上,基本不会产生垂直的重力荷载,不会对原有杆塔造成明显的影响。(2)光缆全介质设计减轻了光缆的重量。避免了送电线路短路或者雷击影响。捆绑光缆光缆和地线缠绕光缆光缆示意图(3)可以在地线或者相线上简单快捷地安装。AD-LASH光缆的设计使得其外护套具有耐高温及防电腐蚀等特点,因此,AD-LASH光缆不但可以在地线上安装,也可以在35kV及以下的相线上安装。(4)光缆由粘性捆绑带固定,不会在地线或者相线上移动。光缆的捆绑带表面有粘性物质,它可以使光缆、捆绑带及送电线路牢固地粘连在一起,光缆不能左右移动,不会对光缆的外护套造成摩擦损伤。(5)光缆安装完成后,由捆绑带承受重量,光缆不会受永久性张力,不会由于张力而产生应力衰减。(6)光缆与地线或相线被平行地捆绑在一起,不会有环形状态产生。其缺点是易受外界损坏,且高压送电线路档距较大,杆塔较高,捆绑机施工比较困难。5.光缆结构类型的选择光缆结构类型的选择电力特种光缆的选型主要是由它要架设的输电线路的情况决定的。ADSS光缆是目前使用较多的类型，可在现有的输电线路上附挂，不停电施工，但在500KV超高压输电线路上有抗电腐蚀能力较弱的缺点，且需验算铁塔的承受能力。ADSS适合于在已运行的220KV及以下输电线路上使用。其安全性能稍次于OPGW光缆，但施工周期较OPGW短，工程造价也比OPGW低。OPGW光缆适合于新建新建的220500KV线路。若使用在已经运行的线路上，则必须对承挂的杆塔结构进行复核验算，必要时还需对已有线路杆塔结构进行加强或改造，同时还要更换原有线路地线。工程量大，施工要求比较高，施工周期和故障恢复周期均较长。GWWOP光缆适合于在已运行的电力线路上使用。该型光缆虽然工程造价最低，但易受外界损害。根据目前电力系统使用光缆的情况,一般在220kv及以下老线路采用抗电腐蚀的ADSS光缆；在新建的220kv及以上输电线路上采用OPGW光缆；对ADSS抗拉强度不能满足要求的特大跨越档距可考虑采用GWWOP光缆；对35kv及以下运行时间较长的送电线路可考虑采用AD-LASH光缆。另外,随着电力系统光纤通信的发展,出现了ADSS、OPGW与普通光缆交替使用的情况。位于城镇地区的电业局、供电局及调度大楼等,由于高压输电线路很少伸入到城市中心,因而需在部分10KV配电线路上附挂普通光缆,或沿城市规划的电缆沟进入市区以便于电力调度、供电自动化及行政管理工作。6.光缆应用中出现的问题和主要解决措施光缆应用中出现的问题和主要解决措施 随着电力通信网建设的加快，运行中ADSS和OPGW暴露出来许多问题，主要集中在ADSS外护套电腐蚀和OPGW雷击问题。第第 3 节节 光源与光检测器光源与光检测器通信用光器件可以分为有源器件有源器件和无源器件无源器件两种类型。有源器件有源器件包括光源光源、光检测器光检测器和和光放大器光放大器。光光无无源源器器件件主要有连连接接器器、耦耦合合器器、波波分分复复用用器器、调调制制器器、光开关光开关和和隔离器隔离器等。3.1 光源光源光光源源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有:半导体激光二极管或称半导体激光二极管或称激光器激光器(LD：Laser Diode)发光二极管或称发光二极管或称发光管发光管(LED：Light-Emitting Diode)。本节首先介绍半半导导体体激激光光器器(LD)的工作原理、基本结构和主要特性，然后进一步介绍性能更优良的分分布布反反馈馈激激光光器器(DFB-LD)，最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管发光管(LED)。3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构半半导导体体激激光光器器是向半导体PN结注入电流，实现粒粒子子数数反反转转分分布布，产生受受激激辐辐射射，再利用谐振腔的正正反反馈馈，实现光光放放大大而产生激光振荡激光振荡的。半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构LASER:Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的光放大受激辐射的光放大)的缩写。的缩写。首先，向半导体PN结注入电流，实现粒粒子子数数反反转转分分布布populationinversion.(moreatomsatE2thanatE1:N2N1，ifE2E1)产生受受激激辐辐射射，Stimulatedemissionisthebasisforobtainingphotonamplification再利用谐振腔的正反馈正反馈，positive feedback实现光放大光放大而产生激光振荡激光振荡的。Light Amplification（二）发光二极管发光二极管LEDLED 激光器激光器激光器激光器LD LD 和发光二极管和发光二极管和发光二极管和发光二极管LEDLED的区别：的区别：的区别：的区别：LD发射的是受激辐射光（相干光）受激辐射光（相干光）LED发射的是自发辐射光（非相干光）自发辐射光（非相干光）LED的结构和LD相似，大多是采用双双异异质质结结(DH)芯芯片片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。二二 光检测器光检测器在耗尽层形成漂移电流。内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动（一）（一）光电二极管工作原理光电二极管工作原理光光光光电电电电二二二二极极极极管管管管把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应光电效应光电效应光电效应实现的。电子和空穴的扩散运动PN结界面内部电场漂移运动能带倾斜如果光子的能量大于或等于带隙(hf Eg)当入射光作用在PN结时发生受激吸收受激吸收（二）PIN 光电二极管光电二极管PIN光电二极管的产生光电二极管的产生 由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率光电转换效率低低，响应速度响应速度慢慢。为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体本征半导体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管光电二极管。（三）雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)光电二极管输出电流输出电流I和反偏压反偏压U的关系如图随着反向偏压反向偏压的增加，开始光电流光电流基本保持不变。当反反向向偏偏压压增加到一定数值时，光光电电流流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压击穿电压UB。APDAPD就是根据这种特性设计的器件。根据光电效应光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子电子-空穴对空穴对。光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系 第第 4 节节 光端机光端机一一 光发射机光发射机 二二 光接收机光接收机 一一 光发射机光发射机数字光发射机数字光发射机的功能功能:电端机输出的数字基带电电电电信号转换为光光光光信号(常简称为电/光或E/O转换)是通过电信号对光的调制调制而实现的 用耦合技术注入注入注入注入光纤线路 受受受受调制调制调制调制的光源特性参数有：的光源特性参数有：的光源特性参数有：的光源特性参数有：功率、功率、功率、功率、幅度、频率和相位幅度、频率和相位幅度、频率和相位幅度、频率和相位直接调制直接调制外外调调制制（间间接接调调制制;如如电电光光调调制制器器-电电信信号号改改变变电电光光晶晶体体的折射率）的折射率）图 4-20 两种调制方案(a)直接调制；(b)间接调制(外调制)1直接调制直接调制电信号直接调制LD激光器或LED发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。2.外调制外调制外调制是把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。如图（b）所示。目前最常用：电光调制器电光调制器。这种调制器是利用电信号改变电光晶体的折射率折射率，使通过调制器的光参数随电信号变化而实现调制的。外调制方式虽然技术复杂，但是传输速率和接收灵敏度很高，在大容量的波分复用和相干光通信波分复用和相干光通信系统中使用，是很有发展前途的通信方式。(二）二）光发射机基本组成光发射机基本组成数数字字光光发发射射机机的方框图如图4-22所示，主要有光光源源和电电路路两部分。电路的设计应以光光光光源源源源（关关关关键键键键）为依据，使输输输输出出出出光光光光信信信信号号号号准确反映输入电信号。输入电信号。输入电信号。输入电信号。电信号光信号输入电路驱动电路光源保护、报警自动偏置/控制及温控电路编码电路图4-22 直接调制的数字光发送机框图线路编码电路线路编码电路电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，要变换为适合于光纤传输的单极性码单极性码单极性码单极性码调制电路和控制电路：调制电路和控制电路：(1)输出光脉冲的通通断断比比(全“1”码平均光功率和全“0”码平均光功率的比值，或消消光光比比的的倒倒数数)应应大大于于10，以保证足够的光接收信噪比(2)对对激激光光器器应应施施加加足足够够的的偏偏置置电电流流，以便抑制在较高速率调制下保证发射机正常工作(3)应采用自动功率控制自动功率控制(APC)和自动温度控制自动温度控制(ATC)，以保证输出光功率有足够的稳定性二二 光接收机光接收机 （一）（一）光接收机基本组成光接收机基本组成强度调制直接检测方式的数字光接收机方框图示于图4.23。主要包括：光光检检测测器器、前前置置放放大大器器、主主放放大大器器、均均衡衡器器、时时钟钟提提取电路、取样判决器取电路、取样判决器以及自动增益控制自动增益控制(AGC)电路电路。光检测器偏压控制前置放大器AGC电路均衡器判决器时钟提取再生码流主放大器光信号1.光检测器光检测器光光检检测测器器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。对光检测器的要求如下：对光检测器的要求如下：(1)波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85m、1.31m和1.55m)兼容；(2)响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流；(3)噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；(4)性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光光电电二二极极管管和雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)。（二）（二）光电集成接收机光电集成接收机图4.23中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件，很容易用标准的集成电路(IC)技术将它们集成在同一芯片上。不论是硅(Si)还是砷化镓(GaAs)IC技术都能够使集成电路的工作带宽超过2GHz，甚至达到10GHz。为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光接收机，即用“光光电电集集成成电电路路(OEIC)技技术术”在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。系统结构系统结构 光纤通信系统：双向系统 由发射端机(电/光)、接收端机(光/电)、光中继器、监控系统、备用系统等组成。光接收机光发射机光中继器光接收机光发射机图4-24 光纤通信系统示意图 光中继器光中继器 传统传统光中继器：光光电电光光的转换形式，即先将受到的微弱光信号用光检测器转换成电信号后进行放大、整形和再生后，恢复出原来的数字信号，然后再对光源进行调制，变换为光脉冲信号后送入光纤继续传输。现代光纤放大器实用化：光纤放大器光纤放大器能直接放大光信号，对信号的格式和速率具有高度的透明性，使得整个系统更加简单、灵活。光接收机光发射机光中继器光接收机光发射机光纤通信系统接口指标光纤通信系统接口指标光接口光接口:光纤通信系统特有的接口S点:平均发送光功率和消光比 R点:接收机灵敏度和动态范围 光中继器两侧均与光纤相连，两侧的接口均为光接口。电接口电接口:A输入口、B输出口。输入口和输出口：比特率及容差、反射损耗。输入口:输入口允许衰减和抗干扰能力、输入抖动容限；输出口:输出口脉冲波形、无输入抖动时的输出抖动容限。三、光纤传输系统的设计三、光纤传输系统的设计对数字光纤通信系统而言，系统设计的主要任务是对数字光纤通信系统而言，系统设计的主要任务是:根据用户对传输距离和传输容量(话路数或比特率)及其分布的要求，按照国家相关的技术标准和当前设备的技术水平，经过综合考虑和反复计算。选选择择最最佳佳路路由由和和局局站站设设置置、传传输输体体制制和和传传输输速速率率以以及及光光纤纤光光缆缆和和光光端端机机的的基基本本参参数数和和性性能能指指标标，以以使使系系统统的的实实施施达达到到最佳的性能价格比。最佳的性能价格比。在技术上，系统设计的主要问题是确定中继距离，尤其对长途光纤通信系统，中继距离设计是否合理，对系统的性能和经济效益影响很大。中继距离的设计有三种方法：中继距离的设计有三种方法：最坏情况法(参数完全已知)统计法(所有参数都是统计定义)半统计法(只有某些参数是统计定义)这里我们采用最坏情况设计法，用这种方法得到的结果，设计的可靠性为100%，但要牺牲可能达到的最大长度。中中继继距距离离受受光光纤纤线线路路损损耗耗和和色色散散(带带宽宽)的的限限制制，明明显显随随传传输输速速率率的的增增加加而而减减小小。中继距离和传输速率反映着光纤通信系统的技术水平。三、光纤传输系统的设计三、光纤传输系统的设计 从前面的性能讨论知道，最大中继距离最大中继距离的4个影响因素：发射机耦合入光纤的功率PT、光接收机灵敏度Pmin、光纤的衰减系数、光纤的色散。下面我们分两种情况讨论：1.中继距离主要受中继距离主要受光纤衰减限制光纤衰减限制的情况的情况 如果在光纤通信系统中，信号的码速不是很高，带宽足够宽，则光纤的色散对传输距离的影响不大，可认为光纤传输系统的最大中继距离主要仅受光纤衰减的影响。在这种情况下，要求S和R两点之间光纤线路总损耗必须不超过系统的总功率衰减 （4-12）PT为平均发射光功率(dBm)；Pmin为接收灵敏度(dBm)；c 为连接器损耗（dB/对）；Me为系统余量(dB)；f:光纤损耗系数(dB/km)；s:每km光纤平均接头损耗(dB/km)；m:每km光纤线路损耗余量(dB/km)；L为中继距离(km)。2.色散色散对中继距离的影响对中继距离的影响 当光纤系统的码速大于140Mb/s时，如果中继距离过长，由于色散的影响，会造成数字信号脉冲过大的展宽，引起码间干扰，从而降低光接收机的灵敏度。就目前的速率系统而言，仅考虑色散影响的中继距离的计算公式为 （4-13）式中：LD为传输距离，km；fb为线路码线路码速率，Mb/s；D为色散系数，ps/kmnm；为光源谱线宽度；为与色散代价有关的系数。由所选用的光源类型来决定，若采用多纵模激光器，取为0.115；若采用单纵模激光器和半导体发光二极管，则取为0.306。对于某一传输速率的系统而言，在考虑上述两个因素的同时，分别算出两个中继距离L和LD，然后取距离短的为该传输速率的实际中继距离。以140Mb/s单模光纤通信系统为例计算中继距离。设系统平均发射功率PT=-3dBm,接收灵敏度Pmin=-42dBm，设备余量Me=3dB，连接器损耗c=0.3dB/对，光纤损耗系数f=0.35 dB/km,光纤余量m=0.1 dB/km，每km光纤平均接头损耗s=0.03 dB/km。按中