比较分析CATV系统中的光缆与电缆

随着科学技术的突飞猛进，CATV技术也得到了更快的换代与创新自办交互电视的相继开通，以及CATV用户的迅速加，使得CATV系统的传输频带拓宽、服务范围扩大、传输距离延长本文将不面面涉及CATV系统诸多技术问题，而仅就传输线路中所使用的光缆与电缆的构造、传输机理与损耗特性等几方面进行比较与研究，从而找出它们的优缺点，使在实际应用中达到扬长避短、科学选用与灵活使用CATV系统传输线的目的2光缆与电缆的构造、传输机理与损耗特性要比较分析光缆与电缆，就必须首先了解它们彼此的构造、传输机理与损耗特性。
光缆构造与传输机理我们知道，光缆是光纤加上外涂层并成缆的，而光纤则是一种带涂层的透明玻璃细线。光纤按光传输模式不同可分为多模光纤和单模光纤。多模光纤是指允许多种电磁场分布方式同时存在的光纤多模光纤的传输特性与其模截面上的折射率分布有很大关系按其折射率分布，多模光纤又可分为阶跃折射率分布光纤和渐变折射率分布光纤。在阶跃折射率分布光纤中，纤芯和包层折射率均为常数m和m（并且m>n2）在渐变折射率分布光纤中，包层折射率为常数rn，但纤芯折射率不再是常数m，而是自光纤轴沿光纤半径r向外逐渐下降，在光纤轴处（0），折射率zui大（等于m），在光纤壁处，折射率zui小（等于n；而单模光纤则是指只允许一种电磁场分布方式存在的光纤。因此，光纤又可分为阶跃（突变）多模光纤（SI）梯度（渐变）多模光纤（GI）和单模光纤（SM）三种类型。
阶跃多模光纤（SI）芯线直径约为40~ 1（0Fm，光束在芯线与折射层的分界面上以反复全反射的方式传输。由于芯线直径较大，光的入射角不同，光的传输路径也不同，因此存在多种光的传输路径。其模数能达到100以上，各模之间存在着路径的长度差异，导致信号传输在时间上产生差异，各模信号不能同时到达输出端，即存在色散现象，使传输频带变窄，并且随着传输距离的加长，光束路径的差异也在加大，频带变得更窄。一般以传输1km作为衡量光纤带宽的标准阶跃多模光纤的带宽每千米只有几十梯度多模光纤（GI）芯线直径约为40~ 100m，芯线的折射率在径向以平方律分布，中间的折射率大于边缘的折射率，因此中间光束的传输速度较丨慢由于中间光束的路径较短，所以使不同光路的光束以差不多相同的速度传输，减小了色散，拓宽了传输频带。带宽每千米可达几百至几千MHz单模光纤（SM）芯线直径特别细（约4~Wm），只能通过沿轴向的光束，因此它无多模光纤的传输速度差，这样就大大加宽了传输频带单模光纤的带宽每千米可高达一万MHz以1.2光纤的损耗特性光纤的损耗，就是沿光纤传输的光信号的衰减光纤中主要的衰减机理是光能量的吸收损耗、散射损耗和辐射损耗吸收损耗与光纤材料有关；而散射损耗与光纤材料及光波导中的结构缺陷有关；辐射效应所引起的衰减则是由光纤几何形状的扰动（微观与宏观的）产生的。同时人们还发现，不同波长的光在光纤中的传输损耗是不同的，因此，光纤的损耗与光的波长有关光的传输损耗与光波长的对应关系曲线如所示光的传输损耗与光波长的对应关系曲线由可知，光波长在短波长0. 85m和长波长1.3Pm及1. 5ym三个值的附近，光纤的损耗（即衰减）有zui小值，故称这三个波长为光纤通信的三个窗口相比较而言，0.衰减zui大，约为2 1.551波长的衰减zui小，约为0.2dB/km；1.311波长的衰减也很小，约为0.35dB/km这正是目前1. 5ym波长和1.31m波长的光在CATV系统光缆传输中得到普遍应用的主要原因2.2电缆构造、传输机理与损耗特性2.2.1电缆构造与传输机理同轴射频电缆又叫同轴电缆，简称电缆它一般是由轴心重合的铜芯线和屏蔽网这两个导体以及绝缘体、铝复合薄膜和护套五个部分构成的同轴电缆的基本结构如所示。
同轴电缆的基本结构中的内导体铜芯是一根实芯导体；绝缘体选用介质损耗小、工艺性能好的聚乙烯等材料制成；铝复合薄膜和屏蔽网（镀锡），共同完成屏蔽和外导电的作用。其中铝复合薄膜主要完成屏蔽的作用，镀锡铜丝编织屏蔽网主要起外导电的作用；护套可减缓电缆的老化和避免电缆的损伤，起保护作甩电缆型号命名在CATV系统的不同位置或不同的场合应采用不同种类和规格的电缆，以尽量满足CATV系统的技术指标要求因此，同轴电缆的种类和规格繁多。为了规范同轴电缆的生产与使用，我国对同轴电缆的型号实行了统一的命名，通常由以下四个部分组成如所示*部分是用英文字母表示的，其含义如表2所示表2电缆英文字母含义表电缆代号绝缘材料护套材料派生特性符号含义符号含义符号含义符号含义S同轴射频电缆D稳定聚乙烯一一空气绝缘B玻璃丝编织浸硅有机漆P屏蔽SE对称射频电缆Z综合S强力射频电缆F氟塑料F氟塑料SG高压射频电缆I聚乙烯空气绝缘H橡胶套SY延迟射频电缆M棉纱编织ST特性射频电缆W稳定聚乙烯V聚氯乙烯SS电视射频电缆X橡皮Y聚乙烯Y聚乙烯YK聚乙烯纵孔YW物理发泡聚乙烯第二三、四部分均是用数字表示的这些数字分别代表同轴电缆的特性阻抗P）芯线绝缘的外径（mm）和结构序号。例如：型号为SYWV-75~ 5-1的电缆的含义是：同轴射频电缆、芯线绝缘材料为物理发泡聚乙烯护套材料为聚氯乙烯、特性阻抗为70、芯线绝缘外径为5mm结构序号为1依据对内、外导体间绝缘介质的处理方法不同，同轴电缆的种类可分为如下四种：*种，实芯同轴电缆这种电缆的介电常数高，传输损耗大，属于早期生产的产品，目前已基本淘汰；第二种，藕芯同轴电缆这种电缆的传输损耗比实芯电缆的损耗要小得多，但防水防潮的性能差，过去使用较普遍；第三种，物理发泡同轴电缆这种电缆的传输损耗比藕芯电缆的传输损耗还要小，且不易老化，不易受潮，是现在使用zui广泛的电缆；第四种，竹节电缆这种电缆具有与物理发泡同样或更优的性能，但由于对制造工艺和环境条件的要求高，产品规格受到一定的限制，产品的价格也相对偏高，因此这种电缆一般仅作为主干传输线使用。
CATV系统中的同轴电缆是传输高频电磁波（即电视信号）的传输媒体。通过同轴电缆对高频电磁波的输送，以实现电视信号在CATV系统中的传输2.2电缆的损耗特性电视信号是一种高频电磁波，它在同轴电缆中传输时存在着传输损耗其损耗的大小用衰减常数（3表示，单位为：dB/km（或dB/100m或dB/m）根据微波传输理论：k1la为由内、外导体的材料和形状决定的er为绝缘介质的相对介电常数；tgS为同轴电缆中填空介质损耗角的正切几种常用同轴电缆的衰减频率特性曲线如同轴电缆的衰减频率特性曲线从可见，在CATV系统的工作频带范围内，由于传输频率较低，衰减常数与频率之间的关系近似为线性因此，一般认为衰减常数P与工作频率的平方根1成正比即有：但是要注意这种计算与实际值有一定的偏差，当频率较低时与实际值偏差较小，当频率较高时与实际值的偏差就稍大一些3光缆与电缆的比较分析通过对光缆与电缆的构造传输机理与损耗特性的讨论，我们对光缆与电缆有了一个比较全面的认识从信号传输质量、工程投入成本以及方便信息高速公路的开通等方面进行综合考虑，目前应以光缆与电缆混合传输（即HFC网络）为主，这是基于光缆与电缆在CATV系统中的传输特性而决定的下面就从传输频带与传输容量、传输损耗、工作性能与成本这三个方面对光缆与电缆的特性进行比较分柝3.1传输频带与传输容量频带的宽窄代表了可以传输电视信号及其它信息容量的大小电缆传输电视信号受CATV系统载噪比（CNR）复合三次差拍比（CTB）复合二次差拍比（CSO）等指标要求的制约，致使电缆的传输频带与传输容量受到一定的限制；而光缆则不同，因为光缆的很多指标明显优于电缆譬如：单模光纤的带宽可达1GHz以上，如果用多芯光纤组成的光缆传输不同波长的激光，即采用波分复用（WDM）技术，光缆可容纳的信息容量就更大了，传输的电视频道就更多。从理论上来讲，一对光纤可同时传输150万路或2000套电视节目。
2传输损耗传输损耗的大小直接影响着传输距离的远近电缆的传输损耗，不仅随传输信号频率的提高而加大（即电缆的斜度），而且还随信号传输距离的延长而大传输干线上为了补偿电缆的频率衰减特性，就要在干线传输线路中（如放大器前）加入不同均衡量的均衡器。工程上为了延长电视信号在电缆中的传输距离，就必须在线路中的适当位置加入一定数量的干线放大器，以弥补电缆对电视信号的衰减另外，电缆的传输损耗还与温度有关系，即电缆的衰减量随温度的升降而变化，电缆的温度系数约为0. /0.光缆的传输损耗与电缆的传输损耗相比之下极小。
这样利用光缆可实现电视信号的远距离传输譬如：1.31波长的光，不加中继站，单程可传输30km；而1.5ym波长的光，不加中继站，单程可传输70km此外，光缆在CATV系统传输的全部频道内具有相同的损耗（即频率特性好），且光缆的传输损耗几乎不随温度的变化而改变3工作性能与成本电缆的组成结构与传输机理，决定了电缆的工作性能要受到本身与外界的影响电缆传输的是电磁波信号，尽管电缆有较好的外金属网屏蔽层，但很难避免外界电磁波通过各种途径产生对电视信号电磁波的干扰而光缆则不同，因为光缆中的光纤的基本成分是石英（即Si2绝缘物），它只是导光，不导电。因此，光纤中传输的光信号不受外界电磁波干扰正因为光纤中传输的是光信号，所以光纤中传输的信号不会泄露，光纤之间不会出现串音现象这样既便于保密，又能够确保信号传输质量。另外，由于光缆是电绝缘体，无感应电压产生，所以不会遭雷击一个设计优良的光缆系统它的工作性能是非常可靠的，*工作时间长达5075万个小时。光缆传输通常不需要中继放大，因此不会引入非线性失真，只要激光器的线性良好，就可传输高保真信号。这样光缆干线系统的性能指标要远远高于一般电缆干线系统敷设光缆与电缆投入成本的比较，要根据电视信号传输距离的远近来讨论当传输距离较远（2km以上）时，敷设光缆的投入成本比电缆要低。因此建议远距离传输用光缆当传输距离较近（仅几百米）时，敷设电缆的投入成本比光缆的低。因此在CATV系统的分支线路或用户分配部分，往往都采用同轴电缆来传输电视信号或其它信号。
光缆与电缆均是CATV系统的主要传输线。通过对光缆与电缆的比较分析，可以看出它们均有优缺点。光缆虽然具有频带宽、损耗小可靠性高、不受电磁波干扰等优点，但光缆存在设备价格昂贵，光纤之间的连接困难（要用光纤自动熔接机进行熔接），光缆在敷设过程中其曲率半径又有严格的要求（即应尽量大弧形转弯，不允许直角弯曲）等缺点；电缆却具有近距离传输成本较低，电缆之间接线容易，且布线方便等优点电缆zui突出的缺点是传输损耗大因此，综合考虑CATV系统的大小以及光缆与电缆的具体特性，全光缆CATV系统（即：前端一一光缆干线传输一一光缆分配系统），由于设备价格高和技术难度大等因素，目前很少采用；光缆与电缆混合传输CATV系统（即：前端一一光缆干线传输一一同轴电缆分配系统），由于该系统（即HFC网络）既发挥了光缆远距离传输损耗小的优点，又发挥了电缆便于分配与接线的优点，因而得到普遍使甩。