今天带大家认识光纤，也就是目前家庭宽带的入户线

也就是目前的FTTH光纤到户的入户线，光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。传输原理是“光的全反射”。因此，光纤不可随意弯折、拉伸，可能会影响家里宽带的使用，插拔时要对应卡槽，插拔牢固即可，目前家庭宽带使用的是单模光纤。

前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。

1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。

后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。

2005 FTTH（Fiber To The Home）光纤直接到家庭

光纤

微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管（light emitting diode,LED）或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。

在日常生活中，由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤被用作长距离的信息传递。

通常光纤与光缆两个名词会被混淆。多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆，包覆后的缆线即被称为光缆。光纤外层的保护层和绝缘层可防止周围环境对光纤的伤害，如水、火、电击等。

光缆分为：缆皮、芳纶丝、缓冲层和光纤。光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。

在多模光纤中，芯的直径是50μm和62.5μm两种， 大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8μm~10μm，常用的是9/125μm。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套， 俗称包层，包层使得光线保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，即涂覆层，用来保护包层。光纤通常被扎成束，外面有外壳保护。 纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆，易断裂，因此需要外加一保护层。

光及其特性：

1.光是一种电磁波

可见光部分波长范围是：390~760nm（纳米）。大于760nm部分是红外光，小于390nm部分是紫外光。光纤中应用的是：850nm，1310nm，1550nm三种。

2.光纤的种类：

光纤的种类很多，根据用途不同，所需要的功能和性能也有所差异。但对于有线电视和通信用的光纤，其设计和制造的原则基本相同，诸如：

①损耗小；

②有一定带宽且色散小；

③接线容易；

④易于成统；

⑤可靠性高；

⑥制造比较简单；

⑦价廉等。光纤的分类主要是从工作波长、折射率分布、传输模式、原材料和制造方法上作一归纳的，兹将各种分类举例如下。

（1）工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤（0.85μm、1.3μm、1.55μm）。

（2）折射率分布：阶跃（SI）型光纤、近阶跃型光纤、渐变（GI）型光纤、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。

（3）传输模式：单模光纤（含偏振保持光纤、非偏振保持光纤）、多模光纤。

（4）原材料：石英光纤、多成分玻璃光纤、塑料光纤、复合材料光纤（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料等。按被覆材料还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料等。

（5）制造方法：预塑有汽相轴向沉积（VAD）、化学汽相沉积（CVD）等，拉丝法有管律法（Rod intube）和双坩锅法等。

单模光纤这是指在工作波长中，只能传输一个传播模式的光纤，通常简称为单模光纤（SMF：Single ModeFiber）。在有线电视和光通信中，是应用最广泛的光纤。由于，光纤的纤芯很细（约10μm）而且折射率呈阶跃状分布，当归一化频率V参数<2.4时，理论上，只能形成单模传输。另外，SMF没有多模色散，不仅传输频带较多模光纤更宽，再加上SMF的材料色散和结构色散的相加抵消，其合成特性恰好形成零色散的特性，使传输频带更加拓宽。SMF中，因掺杂物不同与制造方式的差别有许多类型。凹陷型包层光纤（DePr-essed Clad Fiber），其包层形成两重结构，邻近纤芯的包层，较外倒包层的折射率还低。多模光纤

多模光纤将光纤按工作波长以其传播可能的模式为多个模式的光纤称作多模光纤（MMF：MUlti ModeFiber）。纤芯直径为50μm，由于传输模式可达几百个，与SMF相比传输带宽主要受模式色散支配。在历史上曾用于有线电视和通信系统的短距离传输。自从出现SMF光纤后，似乎形成历史产品。但实际上，由于MMF较SMF的芯径大且与LED等光源结合容易，在众多LAN中更有优势。所以，在短距离通信领域中MMF仍在重新受到重视。MMF按折射率分布进行分类时，有：渐变（GI）型和阶跃（SI）型两种。GI型的折射率以纤芯中心为最高，沿向包层徐徐降低。由于SI型光波在光纤中的反射前进过程中，产生各个光路径的时差，致使射出光波失真，色激较大。其结果是传输带宽变窄，SI型MMF应用较少。

传输优点

直到1960年，美国科学家Maiman发明了世界上第一台激光器后，为光通讯提供了良好的光源。随后二十多年，人们对光传输介质进行了攻关，终于制成了低损耗光纤，从而奠定了光通讯的基石。从此，光通讯进入了飞速发展的阶段。

光纤传输有许多突出的优点：

频带宽

频带的宽窄代表传输容量的大小。载波的频率越高，可以传输信号的频带宽度就越大。在VHF频段，载波频率为48．5MHz～300Mhz。带宽约250MHz，只能传输27套电视和几十套调频广播。可见光的频率达100000GHz，比VHF频段高出一百多万倍。尽管由于光纤对不同频率的光有不同的损耗，使频带宽度受到影响，但在最低损耗区的频带宽度也可达30000GHz。单个光源的带宽只占了其中很小的一部分（多模光纤的频带约几百兆赫，好的单模光纤可达10GHz以上），采用先进的相干光通信可以在30000GHz范围内安排2000个光载波，进行波分复用，可以容纳上百万个频道。

损耗低

在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输800MHz信号时，每公里的损耗都在40dB以上。相比之下，光导纤维的损耗则要小得多，传输1.31um的光，每公里损耗在0．35dB以下若传输1.55um的光，每公里损耗更小，可达0．2dB以下。这就比同轴电缆的功率损耗要小一亿倍，使其能传输的距离要远得多。

此外，光纤传输损耗还有两个特点，

一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线那样必须引入均衡器进行均衡；

二是其损耗几乎不随温度而变，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。

重量轻

因为光纤非常细，单模光纤芯线直径一般为4um～10um，外径也只有125um，加上防水层、加强筋、护套等，用4～48根光纤组成的光缆直径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径47mm要小得多，加上光纤是玻璃纤维，比重小，使它具有直径小、重量轻的特点，安装十分方便。

抗干扰能力强

因为光纤的基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，在其中传输的光信号不受电磁场的影响，故光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。也正因为如此，在光纤中传输的信号不易被窃听，因而利于保密。

保真度高

因为光纤传输一般不需要中继放大，不会因为放大引入新的非线性失真。只要激光器的线性好，就可高保真地传输电视信号。实际测试表明，好的调幅光纤系统的载波组合三次差拍比C/CTB在70dB以上，交调指标cM也在60dB以上，远高于一般电缆干线系统的非线性失真指标。

工作性能可靠

我们知道，一个系统的可靠性与组成该系统的设备数量有关。设备越多，发生故障的机会越大。因为光纤系统包含的设备数量少（不像电缆系统那样需要几十个放大器），可靠性自然也就高，加上光纤设备的寿命都很长，无故障工作时间达50万～75万小时，其中寿命最短的是光发射机中的激光器，最低寿命也在10万小时以上。故一个设计良好、正确安装调试的光纤系统的工作性能是非常可靠的。

成本不断下降

有人提出了新摩尔定律，也叫做光学定律（Optical Law）。该定律指出，光纤传输信息的带宽，每6个月增加1倍，而价格降低1倍。光通信技术的发展，为Internet宽带技术的发展奠定了非常好的基础。这就为大型有线电视系统采用光纤传输方式扫清了最后一个障碍。由于制作光纤的材料（石英）来源十分丰富，随着技术的进步，成本还会进一步降低；而电缆所需的铜原料有限，价格会越来越高。显然，今后光纤传输将占绝对优势，成为建立全省、以至全国有线电视网的最主要传输手段。

结构原理

光导纤维是由两层折射率不同的玻璃组成。内层为光内芯，直径在几微米至几十微米，外层的直径0.1～0.2mm。一般内芯玻璃的折射率比外层玻璃大1%。根据光的折射和全反射原理,当光线射到内芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时，光线透不过界面，全部反射。

光纤衰减

造成光纤衰减的主要因素有：本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。

本征

是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。

弯曲

光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成的损耗。

挤压

光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。

杂质

光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。

不均匀

光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。

对接

光纤对接时产生的损耗，如：不同轴（单模光纤同轴度要求小于0.8μm），端面与轴心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。

人为衰减

在实际的工作中，有时也有必要进行人为的光纤衰减，如用于光通信系统当中的调试光功率性能、调试光纤仪表的定标校正，光纤信号衰减的光纤衰减器。

施工方法

在实际应用中，光纤与光纤的连接，一般采用热熔接和冷接两种方法来进行施工。

热熔接法

使用光纤熔接机的高压电弧将两根光纤熔化后连接起来，这种方法早期一般用于长距离通讯施工，不过随着国民对网速需求的提高和光纤入户的兴起，热熔接法也用于短距离光纤铺设施工（如小区宽带网和光纤入户等），已成为国际上主流的光纤施工方法。

冷接法

冷接法是相对于热熔接法而言的，指不需要高压电弧放电来融化光纤，而使用光纤冷接子来将光纤连接起来或将光纤接入到光通讯设备中。

光纤分类

根据不同光纤的分类标准的分类方法，同一根光纤将会有不同的名称。

按光纤的材料分类

按照光纤的材料，可以将光纤的种类分为石英光纤和全塑光纤。

按光纤剖面折射率分布分类

按照光纤剖面折射率分布的不同，可以将光纤的种类分为阶跃型光纤和渐变型光纤。

按传输模式分类

按照光纤传输的模式数量，可以将光纤的种类分为多模光纤和单模光纤。

单模光纤是只能传输一种模式的光纤。单模光纤只能传输基模（最低阶模），不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。单模光纤的模场直径仅几微米（μm），其带宽一般比渐变型多模光纤的带宽高一两个数量级。因此，它适用于大容量、长距离通信。

按照国际标准规定分类（按照ITU-T 建议分类）

为了使光纤具有统一的国际标准，国际电信联盟（ITU-T）制定了统一的光纤标准（G 标准）。按照ITU-T 关于光纤的建议，可以将光纤的种类分为：

G.651 光纤（50/125μm 多模渐变型折射率光纤）

G.652 光纤（非色散位移光纤）

G.653 光纤（色散位移光纤DSF）

G.654 光纤（截止波长位移光纤）

G.655 光纤（非零色散位移光纤）。

为了适应新技术的发展需要，G.652 类光纤已进一步分为了G.652A、G.652B、G.652C 三个子类，G.655 类光纤也进一步分为了G.655A、G.655B 两个子类。

按照IEC 标准分类，IEC 标准将光纤的种类分为

A 类多模光纤：

A1a 多模光纤（50/125μm 型多模光纤）

A1b 多模光纤（62.5/125μm 型多模光纤）

A1d 多模光纤（100/140μm 型多模光纤）

B 类单模光纤：

B1.1 对应于G652 光纤，增加了B1.3 光纤以对应于G652C 光纤

B1.2 对应于G654 光纤

B2 光纤对应于G.653 光纤

B4 光纤对应于G.655 光纤

系统运用

高分子光导纤维开发之初，仅用于汽车照明灯的控制和装饰。主要用于医学、装饰、汽车、船舶等方面，以显示元件为主。在通信和图像传输方面，高分子光导纤维的应用日益增多，工业上用于光导向器、显示盘、标识、开关类照明调节、光学传感器等。

通信应用

光纤

光导纤维可以用在通信技术里。1979年9月，一条3．3公里的120路光缆通信系统在北京建成，几年后上海、天津、武汉等地也相继铺设了光缆线路，利用光导纤维进行通信。

多模光导纤维做成的光缆可用于通信，它的传导性能良好，传输信息容量大，一条通路可同时容纳数十人通话。可以同时传送数十套电视节目，供自由选看。

利用光导纤维进行的通信叫光纤通信。一对金属电话线至多只能同时传送一千多路电话，而根据理论计算，一对细如蛛丝的光导纤维可以同时通一百亿路电话！铺设1000公里的同轴电缆大约需要500吨铜，改用光纤通信只需几公斤石英就可以了。沙石中就含有石英，几乎是取之不尽的。

医学应用

光导纤维内窥镜可导入心脏和脑室，测量心脏中的血压、血液中氧的饱和度、体温等。用光导纤维连接的激光手术刀已在临床应用，并可用作光敏法治癌。

另外，利用光导纤维制成的内窥镜，可以帮助医生检查胃、食道、十二指肠等的疾病。光导纤维胃镜是由上千根玻璃纤维组成的软管，它有输送光线、传导图像的本领，又有柔软、灵活，可以任意弯曲等优点，可以通过食道插入胃里。光导纤维把胃里的图像传出来，医生就可以窥见胃里的情形，然后根据情况进行诊断和治疗。

传感器应用

光导纤维可以把阳光送到各个角落，还可以进行机械加工。计算机、机器人、汽车配电盘等也已成功地用光导纤维传输光源或图像。如与敏感元件组合或利用本身的特性，则可以做成各种传感器,测量压力、流量、温度、位移、光泽和颜色等。在能量传输和信息传输方面也获得广泛的应用。

艺术应用

由于光纤的良好的物理特性，光纤照明和LED照明已越来越成为艺术装修美化的用途。

井下探测技术

过去，石油工业只能利用现有的技术开采油气储量，常常无法满足快速投资回收和最大化油气采收率的需求，并导致原油采收率平均只有35%左右。井下系统供应商预测，通过利用智能井技术可以使原油采收率提高到50%~60%。

在开发井中传感器之前，收集井下信息的唯一方法是测井。测井方法虽然能提供有价值的数据，但作业成本高，并有可能对井产生损害。因此，需要更好的井下技术提高无干扰流动监测和控制。

光纤作为宽带接入一种主流的方式，有着通信容量大、中继距离长、保密性能好、适应能力强、体积小重量轻、原材料来源广价格低廉等的优点，未来在宽带互联网接入的应用可预料会非常广泛。

根据市场研究与预测公司IDC预计2012年中国光纤接入用户数将超过2660万户，未来5年保持56.4%的年复合增长率，而且中国已成为全球最大的光网络设备市场之一。截至2011年底，中国光纤接入端口数已超过1亿个，同比增长超过100%；中国光纤接入用户数已达1556万户，同比增长超过370%。比起中国1.58亿的宽带用户数，光纤接入用户数还将会有非常广阔的上升空间。根据我国光纤宽带发展计划，到2015年全国互联网出口带宽达到5T，城市家庭带宽接入能力基本达到20M以上，农村家庭带宽能力基本达到4M以上；家庭光纤接入覆盖超过500万户；无线局域网的公共运营热点规模将超过15万个；届时将实现全市公益性机构光纤到达率100%，实现全部科技园区、工业园区、商务楼宇、宾馆酒店等商务类场所的光纤到楼、到办公室。

这些数据都表明，中国的宽带市场蕴藏着巨大的潜力，必将是未来宽带运营商对抗的主战场之一。而光纤宽带的普及也是大势所趋。所以未来宽带市场的斗争很大程度上是光纤宽带的斗争。

中国电信集团副总工程师表示，中国电信光纤宽带用户数量三年后将超过1亿，达到世界领先水平。中国联通也明确了2012年新增光纤到户家庭1000万。中国移动在2010年在三大运营商光纤光缆招标量达40%~50%。可以看出各大运营商对于光纤宽带这项前景看好的业务都给予了很大的重视。

初识物联网无线通信之超宽带UWB高精度定位技术

[本文属原创，转载请附上原文出处链接。]

初次接触超宽带（UWB）无线通信技术，先了解和认识一下。准备做机器人室内定位，没拿到模块之前，先啃英文数据手册，好像还没有中文版本的，做个笔记。定位考虑过ZigBee和BLE，最后还是选择了UWB技术，抗干扰性能更强，定位精度高（±10cm），低成本、低功耗，数据传输速度快，UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率,可达到6.8Mb/s。

1.背景及相关技术

（Ultra Wide Band，超宽带）是一种以极低功率在短距离内高速传输数据的无线通信技术，UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，主要应用于室内通信、、位置测定、检测等领域。系统容量大发送功率非常小，其对人体的影响也会很小，应用面就广。

2.芯片选择

选择DecaWave公司的DW1000芯片。符合IEEE802.15.4-2011超宽带标准。按照数据手册上应该最小误差在10厘米以内。DW1000的最远传输距离为450米（直视距离，非直视距离为45米）。芯片功耗低，可双向测距和定位，可作为目前室内定位（还有说法是地下定位也可以）技术RFID及WiFi的补充。参数如下：

单电源电压:2.8 V至3.6 V

数据传输速率：110 kbit/s，850 kbit/s和6.8 Mbit/s；

6频段：从3.5 GHz至6.5 GHz

发射功率：-14 dBm/-10 dBm

发射功率密度:<-41.3dBm / MHz

支持数据包大小:1023字节

调制方式：BPM（二相调制）与BPSK（二进制相位调制）

FDMA：6通道

CDMA：12种不同的信道编码

工业级温度范围：-40°C至+ 85°C

读数据手册的摘录及心得：

DW1000需接外部38.4MHz的晶振，支持SPI通信。

引脚说明：

图 MCU引脚说明

DW1000有8个通道需要配置，最大接收带宽为900MHz，编程会用到。

比如：模式1

Channel_Config[8]={

/*模式1*/

2,//选择通道

DW1000_PRF_16M,//脉冲频率

DW1000_BR_110K,//波特率

3,//前导码

DW1000_PLEN_1024, //前导码数据长度

DW1000_PAC32,//指定PAC前导长度

1,//非标SFD

(1025 + 64 - 32) //SFD超时

}

图 MCU支持的通道数及带宽

支持的波特率为：

DW1000有两个频率合成器，本地时钟即外部和系统时钟。带宽设置有两种模式：500MHz和900MHz。由相关寄存器设置特定的带宽模式。带宽设置的增加范围大了，相应功耗也就增加。因此该TX脉冲宽度允许传输的带宽应该合理控制。DW1000寄存器是不可编程的，需要写相关值来控制。

看完数据手册，接下来就好好啃两百多页的英文用户手册，看看SPI读写操作和各个寄存器值的读写操作。大概有四十多个寄存器。DW1000对于寄存器的操作十分严格，尤其是时间同步控制。两种定位方法：到达时间差（TDOA）和双向测距（TOF）定位。时间控制不合适会导致定位误差。

湿度大也会衰减发射信号的强度，影响距离，比如阴雨天时，收音机的信号就明显差很多。因为无线电波的传播介质发生了变化，介质的性质（介电常数）发生变化，电磁波波速就会产生变化。

3.软件流程

（1）使能DW1000软件操作流程：

a.设备初始化（时钟初始化、GPIO初始化、中断优先级配置、串口及SPI初始化等）；

b.关中断(若开启了外部中断)；

c.复位；

d.读取芯片32位ID号（如果读取设备寄存器成功，返回设备号0xDECA0130 ，说明硬件初始化正常）；

e.指定角色（Tag/Anchor）

f.配置信道参数（通道数、频率、数据速率、引导码、PAC、SFD等）

g.使能芯片寄存器操作；

h. 使能中断；

i. Tag/Anchor发送（Poll message）接收（Response message）消息帧，记录时间戳（timestamp）。

（2）双向测距TWR流程（如图）:

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