光纤与电缆及其应用技术.doc

安徽建筑工业学院现代通信技术论文光纤与电缆及其应用技术目录光纤与电缆及其应用技术11、引言22、典型的总线型局域网络22.1、Omninet 局域网络22.2、Ethernet局域网络32.3、其它网络33、Ethernet网络的工作原理43.1、Ethernet网络的拓扑结构43.2、工作过程43.2.1、分布式控制43.2.2、广播和应答式传输方式43.2.3、竞争发送和无冲突接收54、光纤Ethernet网络54.1、无源光纤Ethernet网络54.1.1、无源网络光端机的技术要求54.1.2、无源网络光端机的技术关64.2、有源光纤Ethernet网络65、美国军用标准(MIL-STD-1553B)光纤计算机网络75.1、1553B的工作原理75.2.1、码型变换75.2.2、收发控制75.2.3、AGC控制76、结束语8光纤计算机局域网络技术是当前计算机与光纤通信这两门高伎术学科迅速发展的产物，只有将计算机联机组网，才能充分发挥计算机在生产和管理上的效益。本文讨论了光纤计算机局域网络的发展慨况，系统介绍各种网络的构成与原理，介绍光纤以太网及美国军用标准(MIL-STD-1553B)光纤计算机网。1、引言光纤计算机局域网的发展概况计算机工业的发展很快，从1971年第一块微处理机Intel4004问世以来，大规模和超大规模集成电路技术得到了迅速发展，微处理器的性能和集成度几乎每两年增加一倍，产量急剧增加，成本反而下降，导致微型计算机和微型计算机系统大量涌入市场。在这种情况下，计算机局域网络于是便应运而生。计算机局域网络是当今计算机科学中正在迅速发展的新兴技术之一，是计算机应用中一个空前活跃的重要领域，同时也是计算机技术、通信技术和自动化技术相互发展渗透而形成的一门新兴学科分支，目前已广泛应用于政府机关和企事业的办公室自动化、工厂管理、军事指挥系统及其他科学实验中，引起了社会的重视和关注。鉴于这门技术是一项新兴的高技术学科，其理论、方法和实现手段尚处于不断发展和逐步完善之中。在计算机网络中为了解决计算机间的通信，需要寻找一种性能优良的传输介质，它能传输高速率的计算机信号，具有良好的杭干扰特性，能够传输较长的距离(即网径)，而光纤具有频带宽、衰减小、抗干扰性好等特点，恰好满足上述要求，是计算机通信的理想通道，所以光纤计算机局域网络就成为一门最为先进的科学技术。2、典型的总线型局域网络我们先从电缆网络来了解其工作原理，然后再探入到光纤网络。目前计算机网络的确类繁多，较常用的有以下几种。2.1、Omninet 局域网络Omninet局域网了络是由美国Corvus system公司于1980年研制成功的，它的通用性较强，价格便宜，不仅可以连接计算机，也可连接计算机的外部设备，例如终端、打印机等，使这些设备成为网络的共享资源。外部设备通过设备服务器与网络传输器连接而并入网络。Omninet网采用总线祝置，以Rs-433规格的双纹线作为传输介质，以应答式CSMA/CA作为网络的存取控制方式，通过网络接口部件传输器，可将多达64个微机组成工作姑或外部设备。传输速率为IMb/s，最大网径为1.2km。Omninet网采用边发送边接收信息的方法，将它们进行比较，若不同则说明产生了冲突，此时发送亦立即夭折，需等待一个随机延迟时间再重新发送，这就是CSMA/CA传输方式的基本原理。2.2、Ethernet局域网络以太网是1975年由美国XEROX公司的ALTO研究中心研制成功的。它采用无源介质(如同轴电缆)作为总线来传播信息，故以历史上传输电磁波的以太来命名这种局部网络。它具有工作可靠，易于扩充等一系列优点，所以被广泛采用。后来出现的一些局部网，在技术、配置和协议等方面都尽量向其靠拢。1980年9月由DEC、IN了EL和XEROX三家公司联合公布了Ethernet技术规范，使之成为世界范围内第一个局部网络技术规范。以太网的数据传输速率为10Mb/s，最大网径2.skm，最多工作站数1024个，传输介质为同轴电缆，拓扑结构为总线型，链路控制方式为CSMA/CD。以太网是介于低速的远程网络和极高速的专用网络(仅限于数十米距离的连接)之间的一种局部网络，已广泛应用于办公室自动化、分布数据处理，以及终端访问网络等领域。2.3、其它网络王安公司于1981年宣布了有较强文字处理能力的Wang-Net(王安网络)，主要用于办公室自动化。王安网采用树状拓扑结构，使用宽带同轴电缆，能够同时传输语言、数据与图像信息，数据传输速率与Ethernet相同，总的带宽为10352MHz，网络波及范围为15km，其主要特点是使用宽带技术。PC-Net网络是1982年由美国Orchid Technology公司推出的，是世界上第一个用于IBM-PC、PC/XT、PC/AT和兼容机的局部网络，PC-Net的拓扑结构是总线型，介质存取方式是CSMA/CD，传输介质是750CATV同轴电缆，最大覆盖距离为16Km，理论最多工作站数2娜台(不降低性能的实用工作站10台)，网络传输速率为1Mb/s。综合比较以上各种网络的性能特点，由于以太网络具有较高的传输速率，工作可靠，易于扩充，更主要是由于以太网络具有较强的通用性，是世界上应用最广泛的一种网络，所以我们课题组迭择研究的方向是Ethernet。3、Ethernet网络的工作原理3.1、Ethernet网络的拓扑结构以太网络的拓扑结构是以一根同轴电缆作为传输介质的总线型结构，采用分布控制方式，每个工作站上的设备可以是一个独立的计算机或其他设备，如磁盘、打印机等，这些设备通过Ethernet接口和收发器与电缆相连。3.2、工作过程Ethernet网络的基本工作过程包括:分布式控制，广播和应答式传输，多地址访问，竞争式发送，无冲突接收等。3.2.1、分布式控制整个Ethernet网络中没有一个集中控制设备，控制功能分布在各个工作站，由各个工作站的Ethernet接口竞争发送数据，独立地进行传输控制。3.2.2、广播和应答式传输方式每个站所发送的信息，沿同轴电缆传输，但只有站地址和信息帧中所指定的目的地址相一致的站，才能从同轴电缆上接收信息。一个信息帧中的目的地址，可以是一个站地址，也可以是多个站地址，还可以是全体地址(即广播地址)。当目的地址是多个站地址或广播地址时，则目的地址指定的多个站或全体站，都要同时接收该信息帧的数据，这就是多地址并行访问。当接收方收到一个信息帧，经检验正确无误后，则向发送站发送一个ACK确认信息帧，告知发送站信息帧已被正确接收;如果经检验发现所接收的信息帧有错误，则向发送站发一个NAK否认信息帧，要求发送站重发出错的信息帧。当每一个文件都发送完后，发送站发送一个结束信息帧至接收站，表示本报文发送全部结束，接收站接收到结束信息帧后，再向发送站发送一个应答信息帧，表示已经知道。3.2.3、竞争发送和无冲突接收竞争发送是指Ethernet的每个工作站都主动争取发送信息，因此势必会在同一时间内有许多工作站都企图争用总线而产生冲突。为了防止冲突，规定每个工作站在发遗信息前，应先对总线进行载波检测。如果总线上无信号传输方可发送，否则要等待总线空闲再发送。当某个工作站开始发送后，为了防止其他站的冲突干扰，要随时时总线监视，迸行冲突检测。如无冲突则继续发送，否则就对总线进行人为千预，发送一种人为的干扰信号，使其他所有的站都发现冲突存在而使冲突停止。发送人为干扰的站按一定的算法计算一个随机时间Tw，经过该随机时间延迟后再继续发送信息帧。在Ethernet网络中最小信息长度为6个字节，而人为干扰信号的长度规定为4个字节，以便使接收站能区别所接收到的信号。规定接收站每当接收信息时，都要进行信息帧过短的判断。当接收到的信息帧小于6个字节时，则说明是人为干扰信号，总线上有干扰存在，此时接收到的信息帧肯定是错误的。只有无冲突存在时方可接收信息帧，这就是无冲突接收原理。上述Ethernet网络的工作原理，称为带冲突检测的载波听侦多路存取的工作方法，简称为CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)。4、光纤Ethernet网络由于光纤具有宽带、低衰减、抗干扰性等特点，现在已广泛应用于计算机网络之中作为高性能的传输介质，使计算机网络的性能、网径等都有了明显的提高。4.1、无源光纤Ethernet网络4.1.1、无源网络光端机的技术要求传输速率:20Mb/s(以太网10Mb/s，数据Manchester);网络协议:CSMA/CD;光发送机入纤光功率一16dBm;光接收机灵敏度15dB;碰撞检测动态范围10dB，接口:符合IEEE802.3标准;误码率10-9。;网径: 10个工作站时，35km。4.1.2、无源网络光端机的技术关键4.1.2.1、快速AGC由于网络中各工作站的远近不同，距离可能相差很大，接收到的信号大小相差亦很大，所以要求光接收机具有较强的AGC(自动增益控制)能力，即要有15dB的动态范围，计算机的信号是突发性的，两个站间信号的间隔最小为9.6us，要求一个强的信号帧过去9.6us之内对弱的信号帧AGC即能响应，控制放大器输出基本不变。一般的光端机所用的检波AGC方法，时间常数很大，不能适用，必须研制具有快速炯应AGC的光端机来满足要求。4.1.2.2、碰撞检测接收光端机除了具有一般光端机的放大、AGC、判决再生等功能外，还应对接收到的信号进行判断，区分是正常的信号帧还是有两个以上的帧发生碰撞。判断的方法可以用直流电平法、宽度检测法等。当检测到有碰撞发生时，光端机应产生一个JAM信号送给计算机以示网上已有信号碰撞，已发的工作站停发信号。另外碰撞检测也应有一定的动态范围，以适应远近不同信号的碰撞。4.1.2.3、收发控制由于使用星形藕合器，计算机自己发出去的信号经过星形耦合器会返回接收，重新传给自己，这样信号就会在总线中来回产生振荡，破坏网的正常工作。实行收发控制后发出去的信号自己不会收到，即发送时自己不收，保证正常工作。这一点在光-电中继器中必须注意。4.2、有源光纤Ethernet网络无源光纤Ethernet网络的光端机结构复杂，技术难度较高。为了使动态范围、碰撞检测等问题简化，可以采用一种用有源藕合器的有源光纤Ethernet网络。系统中使用了型和型两种光端机，光路的长短是固定的，不像无源网中光端机收到的光功率大小相差很多，所以在有源网中光端机不需要很大的动态范围，可以免去快速AGC的功能要求，另外碰撞检测是在有源藕合器中进行的，光端机不带碰撞检测功能;有源网中一般距离较短，且免去光辐合器，故衰减较小，对发光功率、接收灵敏度的要求大大降低。由于上述种种原因，无论是型还是型光端机，其技术难度相对来说是较低的。型光端机用DB15插头与计算机相连，计算机的输入输出信号按接口规定都是ECL电平，在型光端机中必须经电平臀为TTL电平，才能用一般的数字电路处理，所以型光端机中都需设有电平转换电路。有源网络存在的一个问题是有源部分因为引进了220v电源，所以干扰源增加，为了增强抗干扰性，必须对电源干扰问题采取必要的措施。5、美国军用标准(MIL-STD-1553B)光纤计算机网络按照美国军用标准(MIL-STD-1553B)研制了一个网络，这是一种在飞机、军舰等军事领域中非常有用的计算机网络。5.1、1553B的工作原理按照1553B标准，在各计算机站中有一个站作为总线控制器(BC)，整个网络由它发布命令进行调度，其他的站均作为远程终端(RT)。数据传输系统以指令/响应方式异步运行，且以半双工方式传输。5.2.1、码型变换RT或是BC送出的码为Manchester双极性码，不发信号时为零电平，而光纤中仅能传送有光或无光，不能传负光功率，所以必须变换码型。5.2.2、收发控制计算机收发信号都在一条总线上，发送信号的站经星形祸合器后本身也会接收到信号，造成来回振荡，影响正常传输。所以必须在光端机中加收发控制，当有信号发送时接收通道立即自动关闭，相反，当接收信号时发送通道也立即自动关闭。5.2.3、AGC控制由于工作站间路程的长短可能相差很大，而且星形祸合器存在不均匀