（计算机应用技术专业论文）塑料光纤接入网动态控制协议的设计与硬件实现.pdf

学位论文数据集 l l l l l i i l l i i l i l l i l 删 y 1810 7 0 9 中图分类号 3 9 学科分类号 5 2 0 6 0 论文编号 10 0 10 2 0 0 a 0 9 0 5 密 级 无 学位授予单位代码 10 0 10 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名刘荣华 学 号 2 0 0 4 0 0 0 9 0 5 获学位专业名称 计算机应用技术获学位专业代码 0 8 12 0 3 课题来源北京市教委项目研究方向现代信号处理及应用 论文题目塑料光纤接入网动态控制协议的设计与硬件实现 关键词塑料光纤 光码分多址 接入网 控制协议 局域网 全双工通信 论文答辩日期2 0 0 7 年6 月7 日 论文类型基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位学科专长 指导教师 张宁教授北京石油化工学院 光纤通信 评阅人1赵英教授北京化工大学计算机 评阅人2 余有明副教授北京石油化工学院计算机 评阅人3 评阅人4 评阅人5 椭员 赵英教授北京化工大学 计算机 答辩委员1杯小竹教授北京石油化工学院图像处理 答辩委员2张国英副教授北京石油化工学院计算机 答辩委员3 蛹b j j 副教授北京石油化工学院 计算机 答辩委员4 答辩委员5 注 一 四 论丈类型 1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在 中国图书资料分类法 查询 学科分类号在中华人民共和国国家标准 g b t13 7 4 5 9 学科分类与代码 中 查询 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 i jlf oi 摘要 塑料光纤接入网动态控制协议的设计与硬件实现 摘要 本文提出了一种基于光码分多址 o c d m a 技术的塑料光纤接入网的 动态传输控制协议 并且在硬件上实现了点对点的通信 构建了一个简单 的光纤通信系统 近年来塑料光纤 p o f 越来越受到世人的瞩目 因为其具有巨大的 带宽资源 同时塑料光纤还具有重量轻 柔韧性好 易于维修等优点 故 在组建接入网时 塑料光纤成为极具魅力的传输媒质 对于采用码分多址 技术的传输系统 系统必须能提供远大于传输信号带宽的带宽 正是这一 性质使得o c d m a 技术与塑料光纤媒质结合成为可能 随着网络覆盖范围的不断扩大 网络中的用户单元也不断增加 为了 解决有限的数据通道与用户数不断增加的矛盾 本论文提出了一种塑料光 纤接入网控制协议 它不但可以有效地支持各类多媒体信号的传输 同时 任何新的网络单元都可以在任何时候加入网络 而无需网络初始化 对于 该网络控制协议 作者进行了大量的计算机仿真模拟实验 在不同的系统 参数下对网络的吞吐量和平均延时时间进行考察 结果证明了这种用于塑 料光纤接入网的动态控制协议的有效性和可行性 本文还提出了一种采用塑料光纤 p o f 作为传输介质的全新局域网 构建方案 搭建了点对点通信系统 整个系统分为时钟部分 m 序列部分 c m i 编码部分 光纤传输部分和c m i 解码部分 系统采用a g il e n t 公司的 h f b r 1 5 0 5 a 和2 5 0 5 a 光收发器模块 实现了信号的传输 并进行了系统 北京化工大学硕士学位论文 仿真实验 最后 设计了具有一个双绞线r j 4 5 和一个光缆端口的光接收 机 发射机电路 在两台计算机之间实现全双工通信 关键词 塑料光纤 光码分多址 接入网 控制协议 马尔科夫链模型 局域网 全双工通信 a b s t r a c t 一一 d e s i g no fd y n a mi cc o n t r o l p r o t o c o l a p p l i e do np l a s t i co p t i c a lf i b e r a c c e s s n e t w o r ka n dh a r d w a r e r e a l i z a t i o n a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ad y n a m i ct r a n s m i tc o n t r o lp r o t o c o la p p l i e do np l a s t i c o p t i c a lf i b e r p o f a c c e s sn e t w o r kb a s e do no p t i c a lc o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s o c d m a t e c h n i q u ei sp r o p o s e d ap o i n t t o p o i n tc o m m u n i c a t i o ni s r e a l i z e da n das i m p l eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e mi sc o n s t r u c t e d r e c e n t l y p o fh a sr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o nd u et oi t sp r o s p e c to f o f f e r i n g h i g hb a n d w i d t h i na d d i t i o n i th a st h ef o l l o w i n gv i r t u e st h a ta r el i g h tw e i g h t f l e x i b i l i t ya n de a s ym a i n t a i n a l la b o v em a k ep o fav e r ya t t r a c t i v ec a n d i d a t e f o rt r a n s m i s s i o nm e d i ai na c c e s sn e t w o r k i tr e q u i r e st h a tt h eb a n d w i d t ho f s y s t e mi sl a r g e rt h a nt h a to fs i g n a lb e i n gt r a n s m i t t e di nc d m a s y s t e m s o p o fa c c e s sn e t w o r kc o m b i n e dw i t hc d m a b e c o m ep o s s i b l e m o r ea n dm o r en e wu n i tj o i n st h en e t w o r ka st h eg r o w i n go fn e t w o r k s c o p e t or e s o l v et h ep r o b l e man o v e lp r o t o c o lo fp o fa c c e s sn e t w o r ki s p r o p o s e di nt h i sp a p e r t h en u m b e ro fd a t ac h a n n e l sd o e sn o tr e s t r i c tt h e n u m b e ro fu n i t si nt h en e t w o r k t h i s p r o t o c o l c a n e f f i c i e n t l ys u p p o r t v a r i a b l e s i z e dm e s s a g e s a n da n yn e wu n i tc a nj o i nt h en e t w o r ka ta n yt i m e w i t h o u tr e q u i r i n gn e t w o r ki n i t i a l i z a t i o n t h en e t w o r kt h r o u g h p u ta n da v e r a g e d e l a yu s i n gv a r i o u ss y s t e mp a r a m e t e r sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yn u m e r i c a l a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s i ti s s h o w e dt h a tt h ed y n a m i cc o n t r o l p r o t o c o l i nt h i sp o fa c c e s sn e t w o r kb a s e do no c d m at e c h n o l o g yi sv a l i d a n de m c i e n t i nt h i sp a p e r an e wm e t h o di sa l s op r o p o s e dw h i c ha d o p t sp o fa s a t r a n s m i t t i n gm e d i u mt os e tu pl o c a la r e an e t w o r k l a n t h ep o i n t t o p o i n t c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i sc o n s t r u c t e dw h i c hi sd i v i d e di n t o f i v e p a r t s i n c l u d i n gt h ep a r to f t h ec l o c k t h ep a r to ft h ema r r a y t h ep a r to ft h ec m i e n c o d e o p t i c a l f i b e rt r a n s m i s s i o np a r ta n dt h ec m id e c o d ep a r t a g i l e n t t e c h n o l o g i e s f i b e ro p t i cc o m p o n e n t s h f b r 一1 5 0 5 a 2 5 0 5 a a r eu s e d t h e s i g n a l sc a nb es e n tf r o mo n ep l a c e t oa n o t h e ra c c u r a t e l ya n dq u i c k l yu s i n gt h e d e s i g n e dc i r c u i t i nt h ep a p e r t h es i m u l a t ee x p e r i m e n to ft h i ss y s t e ma r e f i n i s h e da n di t sr e s u l t sa r es h o wi n t h ep a p e r l a s t o p t i c a lr e c e i v e ra n d t r a n s m i t t e rc i r c u i ti sd e s i g n e dw h i c hc a nm a t c hw i t ht h er j 4 5i n t e r f a c ea n d a l s op o fc o u l db ep l u g g e d af u l ld u p l e xc o m m u n i c a t i o nc a nb er e a l i z e d b e t w e e nt w oc o m p u t e ri nt h ee x p e r i m e n t k e y w o r d s p l a s t i co p t i c a lf i b e r o c d m a a c c e s sn e t w o r k c o n t r o l p r o t o c o l m a r k o vm o d e l l o c a la r e an e t w o r k f u l ld u p l e xc o m m u n i c a t i o n i v 目录 目录 第一章绪论 1 1 1 塑料光纤 1 1 1 1 塑料光纤的材料 1 1 1 2 塑料光纤的种类 2 1 2 塑料光纤的应用 3 1 2 1 塑料光纤的特点 3 1 2 2p o f 在各个领域中的应用 5 1 3 塑料光纤的发展现状 6 1 4 塑料光纤接入网 6 1 5o c d m a 接入网 7 1 5 1 光码分多址概念 7 1 5 2 三种光复用技术比较 8 1 5 3o c d m a 接入网的基本原理及其技术特点 10 1 5 4o c d m a 接入网的控制协议 1 0 1 6 本文主要研究内容 1 2 第二章塑料光纤接入网控制协议的研究 1 3 2 1 协议的基本思想 1 3 2 2 马尔科夫链的数学基础 1 4 2 3 马尔科夫链模型的建立 1 5 2 4 数值结果 1 8 2 4 1 两个优先级情况下网络吞吐量和系统时延的变化情况 1 8 2 4 2 三个优先级情况下网络吞吐量和系统时延的变化情况 2 1 2 5 本章小结 2 5 第三章采用p o f 的点对点通信系统的设计与实验研究 2 7 3 1 系统设计 2 7 3 1 1 时钟部分 2 7 3 1 2 数据源部分 2 7 3 1 3c m i 编码部分 2 7 3 1 4 光纤传输部分 2 8 3 1 5c m i 解码部分 2 9 3 2 系统传输实验 2 9 3 2 1 计算机模拟实验 2 9 3 2 2 系统参数讨论 3 0 3 3 本章小结 3 1 第四章计算机光纤通信系统硬件方案设计 3 2 4 1 系统基本组成 3 2 v 北京化工大学硕士学位论文 4 1 1 光发射机 3 2 4 1 2 光接收机 3 4 4 2 方案验证 3 6 4 3 本章小结 3 7 第五章结论 3 9 参考文献 4 1 附录 4 5 致谢 5 9 研究成果及发表的学术论文 6 l 作者简介 6 3 c o n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1p l a s i t i co p t i c a lf i b e r p o f l 1 1 1t h em a t e r i a lo f p o f 1 1 1 2t h et y p eo fp o f 2 1 2a p p l i c a t i o no f p o f 3 1 2 1t h ea d v a n t a g eo f p o f 3 1 2 2 a p p l i c a t i o no f p o fi nv a r i o u sf i e l d 5 1 3d e v e l o p m e n to fp o f 6 1 4p o f a c c e s sn e t w o r k 6 1 5o c d m aa c c e s sn e t w o r k 7 1 5 1c o n c e p to f o c d m a 7 1 5 2c o m p a r i s o na m o n gt h r e eo p i c a lm u l p l e x i n gt h c h n o l o g y 8 1 5 3p r i n c i p l ea n dt e c h n i q u es p e c i a l i t yo fo c d m aa c c e s sn e t w o r k 10 1 5 4c o n t r o lp r o t o c o lo fo c d m aa c c e s sn e t w o r k 1 0 1 6b f i e f s t u d i e di s s u e s 1 2 c h a p t e r 2s t u d yo f c o n t r o lp r o t o c o lo fp o fa c c e s sn e t w o r k 13 2 1b a s i ci d e ao f c o n t r 0 1p r o t o c 0 1 1 3 2 2m a t h e m a t i cb a s i so fm a r k o vc h a i n 1 4 2 3e s t a b l i s h m e n to f m a r k o vc h a i nm o d e l 1 5 2 4n u m e r i c a lr e s u l t s 1 8 2 4 1s i t u a t i o no ft h r o u g h o u ta n ds y s t e md e l a yi nc a s eo ft w op r i o r i t y 18 2 4 2s i t u a t i o no ft h r o u g h o u ta n ds y s t e md e l a yi nc a s eo ft h r e ep r i o r i t y 21 2 5b r i e f s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 2 5 c h a p t e r 3 d e s i g n a n d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho f p i o n t t o p o i n t c o m m u n i c a t i o ns y s t e mu s i n gp o f 2 7 3 1s y s t e md e s i g n 2 7 3 1 1t h ep a r to f c o c k 2 7 3 1 2t h ep a r to f d a t ar e s o u r c e 2 7 3 1 3t h ep a r to f c m lc o d i n g 2 7 3 1 4t h ep a r to f o p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o n 2 8 3 1 5t h ep a r to f c m id e c o d i n g 2 9 3 2e x p e r i m e n t a t i o no fs y s t e mt r a n s m i s s i o n 2 9 3 2 1e x p e r i m e n t i o no f c o m p u t e rs i m u l m i o n 2 9 3 2 2d i s c u s so f s y s t e mp a r a m e t e r 3 0 3 3b r i e f s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 3 1 v i i c h a p t e r4h a r d w a r ed e s i g n o fc o m p u t e ro p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e m d j 4 1b a s i cc o m p o n e n to f s y s t e m 三 4 1 1o p t i c a lt r a n s m i t t e r 篆 4 1 2o p t i c a lr e c e i v e r 4 2s c h e m e test 一 矗4 3b r i e f s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r c h a p t e r5c o n c l u s i o n s j r e f e r e n c e s 4 l a p p e n d i x 4 b a c k n o w i e d g e m e n t d j r e s e a r c hc h i e v e m e n ta n dp u b l i s h e d s c i e n t i f i cp a p e r 6 l a u t h o rb r i e fi n t r o d u c t i o n b 3 v i i l 第一章绪论 第一章绪论 随着网络技术的飞速发展 i n t e r n e t 可视电话 远程教育 高清晰度电视及视 频点播 电视购物等对通信业务的发展提出了更高的要求 进一步要求实现网络高速 化 宽带化 为了实现这种信息量巨大的多媒体信息传输 光纤通信线路和网络在全 球迅速的普及和发展 通信的总体容量也以空前的速率增长 但是仅仅只有高速大容 量公共通信网的建设 而没有相应的宽带城域网 局域网 甚至接入网的建设 是不 可行的 因此 在公共通信网发展的同时 局域网技术也在突飞猛进地发展 很多单 位内部建立了各种各样的局域网 实现计算机互连 最近有人提出了家庭网络的概念 1 即在家庭内部使各种设备实现联网 构成一个小型的家庭局域网 因此 信息 时代的到来不仅在网络主干线而且在各个小型办公室或者家庭内都需要实现g h z 数量 级的高速信息传输 简单采用金属电缆或无线通信的网络将不能进一步地满足所需求 的容量与质量 而光纤通信的最大优点就在于具有极大的传输容量 极低的传输损耗 和色散特性 因此将来的高速局域网络必须要采用光纤 目前的光纤基本上划分为两种 一种是石英光纤 另一种是塑料光纤 1 9 6 6 年 英国标准电信研究所英籍华裔科学家高馄 k c k a o 博士和g a h o c k h a m 在详细 研究了玻璃的传输损耗后 撰写的文章 用于光频的介质纤维表面波导 发表在伦敦 电气工程师协会会刊上之后 1 光纤技术发展至令已有近四十年的时间 技术已日趋 稳定 石英光纤已广泛地应用在骨干网络方面的建设 然而人们对塑料光纤的研究也 从来没有停止过 q 1 1 1 塑料光纤 塑料光纤也称为聚合物光纤 p o l y m e ro p tic a lfib e r 缩写为p o f 是一种良好 的光学材料 它具有芯径粗 典型值为l m m 对接容易 价格低 弹性模量低 可挠 性好m 1 可承受6 一13 的可恢复性应变 等优点 它在短距离通信和光纤传感方面 具备石英光纤所不具备的优点 有明显的优势 于是各国的学者对塑料光纤进行了一 系列深入的研究 也取得了相当大的进展 目前对塑料光纤的研究主要集中在以下几个方向 降低损耗 提高带宽 提高耐 热性 1 1 1 塑料光纤的材料 自从1 9 6 8 年美国杜邦公司 d u p o n t 首先研制成功p m m a p o ly m e t h y l m e t h a c r y l a t e 聚甲基丙烯酸甲酯 芯塑料光纤以来 对其研究已有近4 0 年的历史 与 石英光纤以二氧化硅为主要原料不同 制造塑料光纤的材料有很多 如聚甲基丙烯酸 北京化工大学硕士学位论文 甲酯 p m m a 俗称为有机玻璃 聚苯乙烯 p o l y s t y r e n e 简称p s 聚碳酸酯 p 0 1 y c a r b o n a t e s 简称p c 全氟化塑料体 p e r f l u o r i n a t e dp o l y m e r s 呻 0 1 等 2 0 世纪7 0 年代初期 主要有美国的杜邦公司 d u p o n t 和日本的三菱公司 m it s u b i s h i 两家公司致力于塑料光纤的研发及商业应用 当时纤芯材料主要是 p m m a 和p s 包层材料主要是各种不同的氟化物 当时制造的塑料光纤的衰减非常的 大 高达3 5 0 0 d b k m 以上 近几年来 塑料光纤材料与制造技术取得了一些显著的进步 尤其是采用全氟化 塑料制造的塑料光纤 已经获得了非常低的损耗 此类材料的渐变形塑料光纤损耗低 至2 0 d b k m 引 这类塑料光纤具有优良的热 电 化学和表面特性 当然其最大的 优点是具有非常宽的光传输窗口 从6 5 0 h m 一直延伸到1 3 0 0 h m 1 1 2 塑料光纤的种类 塑料光纤的研究和开发覆盖了十分广泛的应用领域 特别在传感领域 需要研制 和采用各种不同类型的塑料光纤以适应不同的应用条件 塑料光纤传感器可以大致分为两大类 劬 普通塑料光纤传感器和特殊塑料光纤传 感器 普通塑料光纤传感器包括所有的阶跃型多模塑料光纤 渐变型多模塑料光纤以 及单模塑料光纤 这类光纤与普通石英光纤类似 由纤芯和包层构成 不同的纤芯折 射率分布构成了不同类型的光纤 特殊塑料光纤传感器包括所有具有特殊性能的塑料 光纤 比如激光染料掺杂塑料光纤 闪烁塑料光纤 电光塑料光纤等 还有具有特殊 设计结构的塑料光纤 比如微结构塑料光纤和双芯塑料光纤等 阶跃折射率多模 s t e p i n d e xm u l t i m o d e s i m m 塑料光纤主要是用拉丝的方 法制作的 一般的商用塑料光纤都是此类 直径较大 典型的塑料光纤的外径为l m m 纤芯直径为9 8 0um 如日本的三菱人造丝公司制作的塑料光纤e s k ac k 4 0 7 l 近年 来也有一些小芯径的s i m mp o f 得到开发 也得到了广泛的应用 多模光纤主要用在 强度型传感器的系统中 被测量的物理量直接影响输出光信号的强度 渐变折射率多模 g r a d e d i n d e xm u l t i m o d e g i m m 塑料光纤可以解决s i m mp o f 存在的带宽窄的问题 低损耗 高带宽的g i m mp o f 一直是塑料光纤集中研究的目标 然而g i m mp o f 需要精确控制光纤纵向折射率的分布 在这方面日本庆应大学的研究 者在g i m mp o f 光纤的制造方面进行大量的工作 取得了一定的进展 他们采用光引 发共聚反应过程研制的光纤带宽与长度乘积可高达2 g h z k md t o 单模塑料光纤顾名思义就是只允许一种模式通过的塑料光纤 在石英光纤中 我 们知道单模石英光纤的特点就足带宽非常大 可用在干涉型传感器当中 然而单模石 英光纤的缺点是纤芯芯径非常细 只有5 一l o u m 众所周知塑料光纤较石英光纤一个重 要的特点就是芯径较粗 是石英光纤的5 0 1 0 0 倍 对接容易 成本低 然而塑料光 2 第一章绪论 纤还有可挠性好 韧性高的特点 如果它又具备单模的特点 那么它在干涉型光纤传 感器中将具备更为出众的特点 一般的光纤光栅都是在单模光纤的基础上制作的 如 果能够制作出基于单模塑料光纤的光纤光栅 那么它的调谐范围可以达到上百纳米 这是普通石英光纤光栅的上百倍 所以各国的学者对塑料光纤光栅的研究正在深入的 进行当中 闪烁塑料光纤是有源材料如荧光材料 激光染料掺杂的塑料光纤 主要用在高能 辐射的测量 闪烁塑料光纤现在已经实际应用在核物理中监测核辐射和跟踪带电高能 粒子 帆旧1 电光塑料光纤是在纤芯中掺杂有很高的光学非线性并且响应速度非常快的有机 物 使得塑料光纤具备很高的光学非线性 很多有机物都具备光学非线性高和响应速 度快的特点 特别是塑料光纤有相对较低的加工制造温度 典型的拉丝温度低于2 5 0 度 这使得有很大范围的功能材料可以掺入塑料光纤当中 由于石英光纤的拉丝温 度非常的高 典型的温度为1 8 0 0 2 0 0 0 度 任何的有机物都不可能掺入石英光纤中而 不遭到破坏 电光塑料光纤在电压和电场传感器方面具有巨大的 潜在的应用前景 2 0 一2 i o 微结构塑料光纤是近年来人们研究的一种新型的特殊塑料光纤 它是在纤芯中分 布有规律的空气孔 它具备新的传输特性 这些新的传输特性包括宽波长范围的单模 工作 具有大的有效纤芯和模面积 在空气中而不是在光纤材料中导光等 这些新的 传输特性对于光纤传感器的应用来说是非常有意义的 1 2 塑料光纤的应用 1 2 1 塑料光纤的特点 l 塑料光纤较石英光纤具有非常低的弹性模量 见表卜l 从表中可以看出 石 英光纤的弹性模量比塑料光纤高出3 0 多倍 这个特点在传感器的应用方面非常重要 应变e 与应力 的关系为 占 竽 要 1 1 占 一 1 le j 其中e 是材料的弹性 杨氏 模量 在一定的应力条件下 弹性模量越低 意味着 产生相应的应变越大 也就具备较高的灵敏度 也就是说 塑料光纤应用在传感方面 它可以获得比石英光纤高3 0 多倍的传感灵敏度 北京化工大学硕士学位论文 表卜1 石英光纤与塑料光纤相关特性参数的比较 1 t a b l e l 一1t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nq u a r t zf i b e r o p t i c a la n dp l a s t i cf i b e r o p t i c a lo nr e l e v a n c e c h a r a c t e r i s t i cp r o p e r t i e s 特性 石英光纤塑料光纤 损耗 d b k m 0 2 31 0 1 0 0 弹性模量g p a 1 0 0 3 拉伸强度 1 25 1 0 热光系数 1 05 c 一1 1 0 热膨胀系数 1 03 c 0 0 5 5 2 塑料光纤较石英光纤有较大的拉伸强度 一般的石英光纤的拉伸强度约为 1 一2 于是限制了其在某些方面的应用 而塑料光纤最大的拉伸强度可以达到1 0 左右 见表1 1 大的拉伸强度意味着较大的动态工作范围 可以在工程断裂分析 结构安全检测等方面得到应用 3 塑料光纤可以在很大的范围内选择材料 可以在许多的光学塑料材料中选择具 有所需的特定性能 如弹性模量 弹性常数 的材料 用以开发有特定材料特性和相容 性的塑料光纤或塑料光纤光栅 从而使塑料光纤和塑料光纤光栅适合于在各种不同的 气体 液体和弹性 柔性固体材料环境中进行传感 4 塑料光纤可以充分利用现代有机材料合成技术对塑料光纤的材料进行改性 获得所需的弹性模量 正因为塑料光纤具备上述所说的特点 所以在某些传感系统中非常具有竞争力 目前从已报道的文章当中可以看出塑料光纤可以用于测量和传感一系列重要的物理 参数 包括温度心5 应力 风速 旋转 转动 辐射 液面高度 放电强度 磁场 折射率 位移 粒子浓度等 然而绝大多数的塑料光纤传感器都是基于多模塑料光纤 并且这些塑料光纤传感 器都是属于强度型的 强度型的塑料光纤传感系统较简单 十分经济 但是它们的应 用一般受限于它们的灵敏度和分辨率 近年来 单模塑料光纤的研究和开发得到了相当大的发展汹 7 l 在此基础上塑料 光纤布拉格光栅的研究和开发也得到了相当大的发展雎斛加3 单模塑料光纤在干涉型传 感器以及光纤光栅传感方面的应用中相对于石英光纤有显著的优越性 塑料光纤由于具有芯径粗 典型值为i m m 对接容易 价格低 可挠性好 可承 受6 一1 3 的可恢复性应变 等优点 非常适合作为短距离通信的传输媒质 目前由 于石英光纤的安装成本问题 使得从光纤到路边至光纤到用户这 最后一公里 的问 题迟迟没有办法解决 而塑料光纤的带宽和损耗已经达到可以实用化的水平 有望解 决这 最后一公里 的瓶颈问题 4 第一章绪论 1 2 2p o f 在各个领域中的应用 近年来随着多媒体高速传送的发展 不少国家投入了大量人力 物力 财力 为 迎接信息社会的到来而进行了各种准备 p o f 就成为了局域网及大的电信系统与计算 机之间互连等场合首选的传输介质 如汽车 飞机 办公室 住宅 工业控制等网络 都可以应用到它 尽管现有的有线传输介质中 长距离大容量系统无疑属于石英单模 光纤的应用领域 而在短距离 中小容量系统中目前主要是应用铜线电缆 但是由于 铜线电缆带宽低 损耗大等缺点 而p o f 连接和对准方便 柔软而便于弯曲 对现有 局域网的基础结构不必进行昂贵的拆修便可以实现对带宽的增加 因此它的应用前景 很广阔 并且随着p o f 的发展及其相关元器件成本的下降 加之用户对带宽需求的增 长 p o f 会成为适合短距离 中小容量通信系统应用最主要的传输介质 1 p o f 在局域网中的应用 p o f 在局域网内的应用前景很可观 尽管由于有机分子本征吸收造成相对较大 的衰减 2 0 3 0 0d b k m 但是在1 0 0m 或2 0 0m 内短距离通信中实现光纤到大楼 光纤到家 f i b e rt ot h eh o m e 简称f t t h 成本低廉的p o f 很适宜 过去及现在的 很多网络布线使用电话线 无屏蔽双绞线缆和同轴电缆等 而随着诸如在线医疗咨询 远程教育 家庭网上购物 高清晰度彩色电视等业务量需求的增长 这些传输介质将 被大容量的光纤所取代 从实际的布线施上成本考虑 据估计日本现在玻璃光纤的布 线施上总成本中 布线和连接器的安装费用占6 0 7 0 光缆占1 0 其它元器件占 2 0 一3 0 由于家庭布线有许多连接点 所以降低布线施上费用需要采用廉价且便于 连接的连接器 这恰好是大芯径p o f 能实现的途径 p o f 柔软良好的力学性能 对室 内应用也很适宜 因此 为给用户提供更大方便 降低布线的总成本 办公大楼和家 庭等的布线将实现用一根p o f 取代 且传输速率由目前的每秒几十至几百兆比特上升 到千兆比特速率以上的进步 尤其对于g i p o f 在带宽性能方面优于s i p o f 它是 今后办公和家庭大楼网络布线的首选光缆 甚至小数值孔径的p m m a 基s 卜p o f 目前也 能适应一般用户的需求 2 p o f 在汽车等运输网络中的应用 p o f 最初的应用领域是作为照明用光传输媒质应用于汽车上 随着汽车功能的发 展 需要在汽车内部形成能传输视频和音频信号的多媒体局域网络 例如电视 移动 电话 传真 c d 播放机 语音控制设备等 对带宽的需求不断增大 数据传输速率不 断提高 需传输的实时信息量越来越大 因此发展拥有宽带高速多媒体通信网的汽车 是未来汽车工业的一个发展趋势 p o f 不仅作为汽车网络中的通信媒质 而且在飞机等运输系统中也占有重要地位 波音航空公司等正在积极开展p o f 在飞机中的应用 因为一方面可以通过p o f 组成的 通信网络 接入公共网络和国际互联网中 为旅客提供个人所需的电影 视频游戏 北京化工大学硕士学位论文 购物等服务 同时由于塑料光纤重量轻 可以大大降低飞机自身的重量 这具有重要 的意义 3 p o f 在其他领域的应用 p o f 还应用于工业控制网络中 c a n c o n t r o la r e an e t w o r k 1 可以避免使用 铜线电缆时所受到的电磁干扰 在恶劣的工业环境中提供可靠的通信线路 并通过p o f 网络对控制信号和指令的快速传输来提高生产率 其应用前景非常广阔 由于p o f 可 以高速传送大量安全信息 它在军事和互连通信领域有广泛的应用 除此之外 p o f 还应用于光纤传感器 感光探测器 照明 灯光装饰 医用光纤 及数字化音响系统 危盘f 1 5 一 1 9 口o 3 塑料光纤的发展现状 国外 特别是日本及欧美对塑料光纤的进行了深入的研究 已形成一种研究的 热潮 美国和日本在塑料光纤及其接入网方面投入了巨额资金 上世纪8 0 年代以来 国内有许多单位对塑料光纤做了一些研究和生产h o 川 如 西安光机所以p m m a 为纤芯研究和生产塑料光纤 武汉邮电科学研究院以p s 为纤芯 p m i a 为包层 对p o f 也做了大量的研究 南京玻璃纤维研究院也是国内最早从事p o f 研究和制品开发的单位之一 以广告和装潢为主要方向 中国科技大学开展了塑料 光纤及器件的研究 研究了各种掺杂塑料光纤的特征参数 谱损和折射率分布等参数 的测试仪器 由于国内生产的塑料光纤大部分难以克服损耗较大 柔韧性不够好的问 题 因而大多数塑料光纤被应用到广告 装潢 工艺美术品等方面 只有少量应用到 要求不太高的强度型传感器上面 目前国内只有少数几个研究所对p o f 的研究投入少量的物力和人力 这与国际上 近年来p o f 的研究热潮形成鲜明的对比 这种局面需要改变 1 4 塑料光纤接入网 随着网络技术的飞速发展 i n t e r n e t 可视电话 远程教育 高清晰度电视及视 频点播 电视购物等对通信业务的发展提出了更高的要求 进一步要求实现网络高速 化 宽带化 接入网是整个电信网的重要组成部分 它直接面向用户 服务质量和内 容直接影响通信网的发展 所以它将在以后通信网中扮演极其重要的角色 人们一直 在不断地开发各种类型的接入网 包括铜线接入网 光纤接入网 无线接入网等 从 发展的角度来看 随着许多宽带业务的出现 要真正解决宽带多媒体业务的接入问题 就必须使用光纤接入网 而塑料光纤接入网代表着新一代的接入网类型 光接入网是未来接入网的发展趋势 现在制约光接入网发展的已经不是技术问题 而是成本问题 目前世界各国争相发展光纤到户 日本的光纤到户普及率最高 到2 0 0 5 6 第一章绪论 底用户已达到4 0 0 万 美国从2 0 0 5 年3 月线路建设覆盖用户1 6 0 万 实际开通业务 接近2 0 万户 欧洲的英国 德国 瑞典等都在加快发展光纤到户 我国近年来也将 光纤到用户作为建设信息高速公路的一部份在加快研究和运用 作为试点城市的武汉 市已在2 0 0 4 年1 1 月成功搭建了中国首个 光纤到户 试点平台 2 0 0 5 年8 月湖北网 就通经过全方位的综合评定 决定选择烽火通信 6 0 0 4 9 8 作为合作伙伴 共同建设 武汉市南湖都市桃源f t t h 工程 该工程容量7 0 0 余户 已建成可为用户综合提供数 字语音 高速上网 c a t v i p 7 f v 等多种服务 不仅大大增强了湖北网通的业务提供能 力和服务质量 同时也进一步加快了武汉家庭数字化建设的进程 推动了f t r h 产业 的快速发展 由于塑料光纤在短距离通信中所显示出来的优势 使得关于塑料光纤接入网的问 题引起了各国学者的注意 美国和日本在塑料光纤及其接入网的研发计划中投入了巨额资金 想要在国际日 趋激烈的知识经济竞争中占据有利的位置 2 0 0 3 年1 月在香港举行的第二届亚太塑料 光纤会议上 日本方面提出了用梯度型塑料光纤实现千兆岛的概念 2 通过各国学者对塑料光纤及其接入网的进一步深入研究 相信塑料光纤接入网可i 一 以使人们实现光纤到用户的梦想 1 5 1 光码分多址概念 传统局域网的媒体访问技术都是基于时间片将整个信道划分给各个站点的 这种 方式不能够保证多媒体通信所要求的连续的稳定的信道 而光码分多址技术具有异步 接入 连续通信的巨大优点 非常适合多媒体信息的传输n 3 1 光码分多址技术是将c d m a 技术与光纤通信技术结合而产生的一种光域的扩频通 信技术 o c d m a 通信系统给每个用户分配一个唯一的互相正交 或准正交 的码字作为 该用户的地址码 在发送端 对要传输数据的地址码进行光正交编码 然后实现多个 用户共享同一光纤信道 在接收端 用与发送端相同的地址码进行光正交解码 恢复 原用户数据h 们 o c d m a 技术以光纤作为传输信道 利用高速光信息处理技术进行扩频 和解扩 实现了多址接入 信道共享 光码分多址技术可以为一个用户提供连续的高 带宽信道 并且用户可以随时加入网络 比较适合未来局域网的通信需求 典型的 o c d m a 系统框图如图卜l 所示 7 北京化工大学硕士学位论文 图卜l典型的o c d m a 系统 f i g 1 1r e p r e s e n t a t i v eo c d m as y s t e m 在发送端 从超短光脉冲发生器发射的超短光脉冲与数据源的数据进行模2 相加 后 变成一个代表一位信息的超短脉冲 然后送到光编码器进行光编码 编码后的光 脉冲经由传输介质光纤传送到光解码器 光解码器再进行相关解码 后面的光门限装 置用来通过正确解码的高强度脉冲 拒绝不正确解码的低强度伪噪声信号脉冲 从而 正确识别解码信号 恢复原始数据h 别 1 5 2 三种光复用技术比较 在光纤通信系统中 还有其它两种常用的复用技术o t d m 和w d m 其中 特别是 w d m 等技术已得到大量的应用 是一种成熟的技术 0 t d m o c d m a 和w d m 三种系统的 原理和实用性比较如下 l 0 t d m 系统 o t d m 系统采用超短脉冲光源产生高重复频率为时钟频率的超短光脉冲 经掺铒光 纤放大器 e d f a 放大后分成n 路 每路光脉冲由各支路信号单独调制 调制后的信 号经过不同的时延后用合路器合并成一路高速o t d m 信号 经光纤传输到接收端后首 先进行时钟提取 提取的时钟作为控制信号送到解复用器解出各个支路信号 在对各 个支路信号单独接收旧 2 w d m 系统 w 1 m 系统是采用波分复用器在发送端将不同波长的光信号复用 耦合到光缆线路 上的同一根光纤中传输 在接收端由分波器将组合波长的光信号解复用 处理后恢复 出原始信号送入不同终端 w d m 采用8 1 6 或更多的波长 且一般系统应用所采用的 信道波长是等间隔的 w d m 是目前较为成熟 应用较多的技术 但它仍然存在以下几 个主要问题 1 光源的波长稳定性问题 在w d m 系统中 必须对光源的波长进行精确的设定和 控制 否则由于各种原因引起的波长漂移必然造成系统无法实现稳定 可靠地工作 2 光纤的色散和非线性效应问题 掺铒光纤放大器 e d f a 的增益平坦问题 由于 e d f a 的使用 w d m 系统的增益偏差经过多级放大之后 偏差积累使得信道恶化 影响 系统正常工作 8 第一章绪论 3 o c d m a 系统与前两者的比较 作为光纤通信的三种主要复用技术 o c d i a o t d m 和w d m 有着各自的特点 详细 的比较如表卜2 所示 表1 2三种光复用技术比较表 t a b l e1 2t h ec o m p a r i n gt a b l eo fo p t i c a lm u l t i p l e xt e c h n o l o g y 类别主要优点 局限性 经济性 o c d m a 显著降低网络成本 技术尚朱完全成熟 系统所需器件少 成 简化网络管理 实现一些关键技术如超短本低 网络构建简单 异步接入 信道共享 光脉冲光源 光编 灵活 具有很好的经 提高了网络的容量和解码技术的