光纖傳輸通信系統的建置要訣
張淂福
前言
光纖傳輸通信系統是一門專業的技術領域，但光纖的應用技術難度並不會如大家所想像那樣的艱深困難，從有光纖電纜以來，各種通訊連絡工程應用就不斷的在以光纖做為傳輸的架構與介質，光纖的所有設備及材料更成為大型監控工程必須學習的項目，今天我們就藉由這個篇幅來溫故知新一下光纖傳輸的建置要訣。
光纖傳輸的概說
光纖在通信傳輸上的應用是指一條光纜中的其中一根光蕊即可以取代一上千條以上的實體的通訊線路，光纖傳輸是傳遞信號極為方便的一種工具，憑藉著纖細的光蕊，可以完成大量及長距離的通信工作。過去光纖傳輸鮮少被大量早採用的原因有兩大主因，第一是佈建費用昂貴，第二是長距離傳送損失過大。但目前這兩個問題已經完全克服。光纖電纜及周邊產品癟大量生產上市，佈建成本更不再是遙不可攀，也因為以下幾個現階段的優勢，使得光纖傳輸在一段沉寂之後，重新獲得監控與電信傳輸的大量採用。目前光纖大致上有如下的幾個應用優勢:
1.
靈敏度高，不受電磁雜訊之干擾。
2.
體積小、重量輕、壽命長、價格低廉。
3.
絕緣、耐高壓、耐高溫、耐腐蝕，適於特殊環境之工作。
4.
幾何形狀可依環境要求調整，信號傳輸容易。
5. 高頻寬,通訊量大衰減小,傳輸距離遠
6. 信號串音小,傳輸質量高
7. 保密性高
8. 便於敷設及搬運原料
光纖傳輸通信系統的基本架構是很單純的光發射與光接收轉換單元而已。所以當我們要利用光纖通信進行訊號傳輸時都必須在發射端先轉換成光訊號，再利用光纖來傳輸至接受端，最後再將光訊號還原成原來的電訊號，所以光纖通訊中的光收發模組是非常重要的一部份，而這種通訊方式產生所需要的元件與設備也形成了另一個產業鏈。以光接收模組(Optical Receiver)為例，現在已經有不少的公司開發出傳輸速度達10Gbps 的光接收模組。光纖通訊的應用範圍相當廣泛，大致上可分成電信網路(Telecom)、數據網路(Datacom)、監控網路(CCTV) 與有線電視(CATV)光纖傳輸網路及光纖用戶迴路(FiberIn The Loop，FITL)等五類，而國防與軍事亦可見光纖通訊之應用。在電信網路方面，最終目的是達到光纖到家(Fiber To The Home，FTTH)的技術，也就是將光纖直接連接到每一個用戶家裡，而這也是將影音多媒體推廣至每個用戶的最佳方式。在數據傳輸網路方面，電腦資訊與通訊的結合而產生了Internet，使得網路也形成另一個光纖產業，而區域網路挾其低價彈性、擴充容易、技術成熟等優點，迅速地席捲全球的電腦世界。光纖已經從骨幹網（Backbone)逐漸侵蝕到校園主幹網路，也就是光纖到大樓(FiberTo The Building，FTTB)，而最後的目標是將光纖直接拉至每一台電腦上，也就是光纖到桌上(Fiber To The Desktop，FTTD)。在監控(CCTV)網路部份則是一直都在使用的方式，它可能結合單傳的應像與控制信號轉換為光信號(FOT/FOR)，也有則是透過TCP/IP網路將數位影像信好轉換為光TCP/IP信號進行傳輸與還原的方式。有線電視算是一個新興的產業，最常用的是混合式光纖同軸電纜(HybridFiberCoaxial，HFC)，HFC 網路結合了光纖與同軸的最佳特性，在傳輸影音的性能上備受重視。當今HFC 最普遍的執行方式為光纖饋線(Fiber To The Feeder，
FTTF)網路架構。
光纖傳輸通信系統在監控系統中的架構說明
隨著各種影像狀態及資料監控求越來越多，影像訊號傳輸距離，已不敷需求。
因此，逐漸發展光纖整合影像與控制訊號（WDM或DWDM技術），可傳輸更長距離。除了影像與褲制結合的要求之外，光纖監控傳輸的架構才是整個光纖傳輸建置的主軸，這些架構包含不同的安防項目應用，隨著悟建的方式不同也會有不同的用途與功能，接下來就讓我們來一一探討這些不同架構內容及應用意義；
A. 匯流排(Bus)架構：
這是一種過去常用的光纖佈建架構，比較常應用於系統特殊需求之架構；結構亦較複雜，應用時，須注意其連線的擴充性。
應用之系統：CCTV監控系統、資料傳輸系統。
B. 星狀(Star)架構
這是一種由中心點向四方佈放光纖欲達之點，以做系統連結。在光纖傳輸架構裡，星狀為最常應用之架構；結構簡單、易於佈放施工為它的優點。
應用之系統：CCTV監控系統、電腦網路系統。
C. 環狀(Loop)架構：
這是一種在資訊系統上最常用的架構,在光纖傳輸架構裡，環狀常應用於系統自動備援需求之架構。
最常應用之系統：電腦網路系統。
D. 樹狀(Branch)架構:
這種方式為星形的連結的延伸，因佈線的形態極像樹枝形狀，因而得名。在光纖傳輸架構裡，樹狀常應用於大系統之架構；結構較複雜，設計時，最須注意其光纖特性。
應用之系統：CCTV監控系統。
E. 串列(Series)式架構：
這種通常為符合系統的連線方式而採的傳輸架構。結構較單純，亦易於佈放施工。
常應用之系統：門禁系統、PLC控制系統。
光纖傳輸通信系統主要設備規格特性介紹
目前光纖在安全監控領域的主要設備中，首要就屬視頻光電轉換器。其基本的工作原理就是將影像信號轉為光信號，利用光纖傳輸後再轉回為原始的影像信號。有些產品除了影像信號之外，還能利用同一條光纖傳輸聲音或控制信號，或同時傳輸多路信號，提供許多方便的選擇。由於國內光纖相關產品的起步較晚，所以現今台灣的視頻光電轉換器市場還是以國外廠牌為主。國外的產品品質相對穩定，不過價格也居高不下。由於台灣許多光纖應用的案子都是屬於標案性質，規格特殊，需求量也不定。在這樣的情形下，國外廠商的支援常常無法即時滿足業主的需求，也不太可能爭取到具有競爭力的價格。再加上對於光纖工程的不了解，常常碰到安裝與使用上的困難。這些因素都阻礙了安全監控系統光纖化的發展。針對這些部份；我們截錄一些基本的傳輸設備及光纖特性說明如后，但讀者可以更清楚於工程上的光纖規格特性瞭解;
光纖監控傳輸(光電轉換器)設備部份:
針對不同光信號的調變方法，市面上視頻光電轉換器可分為三類：
基帶調變（baseband modulation）:
將原始的電信號直接轉換成光信號，保留原有的波形。原本的信號表現在電壓的變化上，轉換後則表現在光功率的變化上。這種方式是最直覺的，技術上也相對簡單。不過這樣的調變方式直接考驗著光電元件與調變解調電路的線性度，只要轉換不是完全線性，就會造成或多或少的失真。由於信號經過傳輸必定也會造衰減，信號的振幅也隨之改變，因此通常在接收器端設計有增益控制電路，藉以補償衰減的信號振幅。另外，基帶信號本身不耐傳輸，對失真及干擾的容忍度低，同時也不能整合多路信號傳輸。市售許多只支援一路視頻信號的平價光電影像轉換器都屬於這一類。
頻率調變（frequency modulation, FM）:
如同FM廣播的調變方式，將原本以振幅變化描述的信號轉為以頻率變化描述的信號。再將調變後的電信號轉為光信號傳輸，之後再以相反的過程解調變成原始的信號。經由頻率調變之後，實際信號的頻率會增加，但對於可接受高速調變的光元件來說不成問題。由於頻率成分在傳輸過程中不易變化，因此FM信號也較能避免傳輸過程中產生的失真。頻率調變的另一好處是可以將不同信號調變至不同載波頻率上以實現信號的多工傳輸。但是，除了成本增加之外，頻率調變仍有頻率調整的問題，如果發射機和接收機頻率不能搭配，系統即無法工作。而且，如果多工的頻道數目增加，整個電路的複雜度將大幅增加，當然也會反應在成本上。
數位調變（digital modulation）:
這是一種最近出現較先進的通信方式，但是整個過程也比較複雜。原始信號進過取樣、編碼等過程，變成數位信號之後，再透過光纖傳輸，最後再由數位類比傳換器轉回原始的信號。數位信號最大的好處就是可以容忍的失真和干擾極大，原本評斷類比通信系統的指標如信號雜訊比和波形失真等不再重要，只要能控制好誤碼率（bit-error rate），就可讓信號經由長距離的傳輸之後仍然維持完全一樣的信號品質。
另外，使用數位傳輸的技術時，信號的多工也相對容易，不需因為頻道數的增加而大幅變更硬體的架構，也不會增加許多需要人為調整的工作，對於系統整體成本的控制有很大的幫助。
光纖電纜設備部份:
光纖特性
光纖是一種傳輸用的媒介，它可以像一般用的銅纜、電纜、雙絞線，傳送音頻、警報、電腦數據等資料，與一般傳輸不同的是，光纖所傳送的訊號是”光訊號”而不是電訊號，因此，光纖具有非常多獨特的優點，如：頻寬大、通訊量大，低損耗、屏蔽電磁輻射、重量輕、安全性高、隱密性高等等的優點。
光纖的優點
I：光纖的通訊頻道很寬，理論值可達30億兆赫。
II：無中繼時通訊長度可達數公里以上，而銅纜、電纜、雙絞線僅能達到幾百公尺。
III：因本身材質關係，不會受到電磁場及電磁輻射的影響。
IV：光纖通訊本身不帶電，因此使用上更加安全，可以用於易燃、易爆之場所。
V：使用環境溫度範圍廣依外包覆不同承受溫度有所不同，一般約為-30℃~70℃。
VI：不受化學物質腐蝕，使用壽命長。
VII：重量輕、體積小。
光纖芯數判別
光纖的色碼：使用國際標準的全色譜來標示，並要求在高溫環境下不退色、不剝落。
芯數 | 顏色排列(1~12芯) | 國際標準 |
12芯 | 1藍、2黃、3綠、4紅、5紫、6白、7棕、8黑、9淺藍、10橙、11粉紅、12灰 | TIA/EIA589A |
光纖與光纜
光纖是一種將訊號從A端傳送到B端的傳輸媒介，材質是高純度玻璃或是塑膠纖維，作為讓光訊號通過的傳輸媒介。「光纖」與「光纜」這兩個名詞經常被混淆，光纖在使用前必須經過幾層的保護結構包覆，而包覆後的纜線即稱之為「光纜」，光纖外層的保護結構可以防止週遭環境對於光纖纜線的傷害，例如：水、火、電擊等，光纜的總成大致為：光纖(中心)、緩衝層(膏狀)及被覆(最外層)。
光纜的組成
光纜中心主要是由光導纖維(以二氧化矽抽絲而成的玻璃絲)和塑料保護套管及塑料外皮組成，光纜內基本上只含微量的金屬，所以大多無回收價值。光纜是將光纖集結成束後加上防水、被覆以及支撐介質，已達到維持原有光纖的傳輸特性，使其纜線利於施工，更可達到保護光纖的功能。一般光纖纜線的組成結構可大致分為：1.光纖，2.緩衝層，3.纜心，4.抗張力體、5.被覆、6防水層等部份。而依照纜線組成構造不同，可大致略分為(1)鬆帶型光纜、(2)溝槽型光纜、(3)溝槽型帶狀光纜、(4)帶狀光纖光纜、(5)光、電混合光纜、(6)室內光纜、(7)通訊光纜等七大類。
目前在國內真正可自製光纖的光纖廠還不多，多半的國內光纖生產商都是由國外買進光纖後，在國內工廠自行封管加工製成光纜。
光纖結構
光纖裸纖的構成主要分為三層：
中心：高折射率玻璃芯(芯徑一般為單模9μm，多模50或62.5μm) 。
夾層：低折射率硅玻璃包層(直徑為125μm) 。
外層：加強用樹脂塗層(直徑為250μm)。
光纖的種類
3.1一般依光波長在光纖中的傳輸模式可分為：單模態光纖和多模態光纖。
多模態光纖：中心玻璃芯(纖核)較粗(50或62.5μm)，外層纖殼為125μm可傳輸多種模代的光波長。但其模間色散較大，因而限制了傳輸信號的頻率，而隨著距離的增加會更加嚴重。例如：600MB/KM的光纖再2KM時則只有300MB的頻寬了。因此，多模光纖傳輸的距離就比較近，一般只有幾公里的距離。
單模態光纖：中心玻璃芯較細(纖核一般為9或10μm)，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用於遠距離通訊，但其色度色散起了主要作用，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩定性要好。
3.2
按最佳傳輸頻率窗口分： 常規型單模光纖和色散位移型單模光纖。
常規型：光纖生產廠將光纖傳輸頻率最佳化在單一波長的光上，如1300μm。
色散位移型：光纖生產廠將光纖傳輸頻率最佳兩個波長的光上，如1300μm和1550μm。
3.3 按折射率分佈情況分：突變型和漸變型光纖。
常用光纖規格
單模態光纖：8/125μm、9/125μm 、10/125μm，多模態光纖：50/125，歐洲標準62.5/125μm，美國標準工業、醫療和低速網路：100/140μm、200/230μm，塑料光纖：98/1000μm，用於汽車控制。
以上是大致上光纖電纜及傳輸設備的規格特性說明，希望有助於工程商對於採用光纖傳輸設備與電纜的選型參考。
光纖傳輸通信系統在工程施作上應注意問題
光纖傳輸通信系統在工程施作上一般會出現設備與管道佈線二大問題，在設備及纜線佈放安裝施工上我們必須要注意以下幾點問題;
所有光電轉換器必須注意供電設備的電壓及電流量的足夠與否，若電壓與電流不足經常會產生傳輸信號有光信號但卻無法接收信號的情況發生。
光電轉換器必須注意散熱及排列空間問題，很多時後光電轉換器會因會過熱而產生信號傳送中斷的情況。
要做好信號線接埠的排列合理化，常常看到影像同軸線與光纖跳線交錯佈放的情況，這會始故障查修發生無法快速查修的問題。
光電轉換設備盡量要在較高的位置，設備接頭要避面在空調出口以免江常產生髒污情況。
設被應避開變壓器等容易產生熱源的部份以免造成光纖接續端子損壞。
電纜管道配置時，管壁內側應平滑避免尖銳之突出物割傷電纜外皮，破壞電纜脂肪水性。
電纜管道轉彎時，及彎曲半徑至少為六倍的管道直徑，並視現場狀況於90度彎角處增設接線箱(Pull Box)以利拉線。
電纜佈放時，應作適當之人員及交通管制，以確保佈纜時免除人員及車輛之輾壓。
光纜管路所配置之導線管，管壁內側應儘量平滑，避免尖銳之突出物割傷光纜外被，並確認管道內通暢，並有佈放尼龍繩。
光纜管道轉彎時，其管道彎曲半徑應大於光纜外徑25 倍，於90 度彎角處增設拉線盒，拉線盒之外徑應大於光纜外徑20 以上。
光纜管道轉彎變化處多時，應於轉彎處較靠近之端點間開始佈放，或管道距離較長時1-2 KM ，亦應從路徑的中間往二邊的端點佈放。
人手孔內之管道為多孔配置時，應選擇較大幅度管配置。
光纜於地下管佈放，裸露部份應加裝PE 捲繞管保護，其應深入管道內。
管道之管口應以止水材或管塞處理以防止管道進水。
彎道幅度較大之人．手孔，如為共同管溝應加設光纜警示標誌以資區別，一般人．手孔視需要裝設。
工程光纖佈放行經手人孔內，恐有沼氣及蛇類等隱藏危險性，工程廠商應於施工前必需先排除危險情況，才能讓人員下入孔內施工，確保人員安全。
光纖佈放時，如須整線，應以〝8〞字型盤整，切記光纖彎曲半徑不得小於光纖外徑之25倍，彎折及剪接絕對禁止。
2.拉引光纜應以細尼龍繩綁住光纜拉線部份以尼龍繩拉送，切記不得以鐵絲接引。光纜牽引至定點後，依規定尺寸預留適當長度之光纜後，以剪刀截斷，接頭部份並以防水膠布綁緊。
光纜之最小轉彎半徑須符合:150mm(拉線時).300mm(使用時)
光纜之最大拉力須符合:在管道中:600磅(拉線時；200磅(使用時
.光纖佈放後，除垂直部份需承載其重量之拉力外，其餘部份不應有拉力出現。因轉彎會造成拉力之增加，所以單一光纜在沒有設拉線箱時，其90度轉彎不得超過光纜之支撐距離為3M。
結論
隨著監控傳輸應用的快速成長，光纖傳輸通信系統應用在各種行業中也廣泛的大量採用。這其中包括各種行業監控系統及主要的交通控制系統，大多數大型公共監控系統都採用光纖網路作長距離的影像，數據與音頻傳輸。其功能包括：影像遠端監控、從控制室直接控制旋轉式攝影機(PTZ)、緊急電話或公共廣播等(Public Address)透過音頻訊號傳送、統讓監控傳得更遠，更容易管理、操作及控制，減少線路傳輸上的干擾與距離障曖，讓光纖傳輸有更好的市場未來。