光纤环路工业研究论文
光纤通信技术中的电力系统调度应用论文
【 摘要 】光纤通信的特点体现在可靠高效，在电力行业应用十分广泛，在继电保护、监控调度、自动化方面发挥着重要作用。本文就光纤通信技术在电力系统调度自动化中的应用作简要阐述。
【 关键词 】光纤通信技术；电力系统调度；应用
光纤技术应用于电力企业，对于企业管理水平发挥了巨大作用。与其它的技术相比，光纤通信具有独特的优越性。此种技术以光纤作为传输介质，利用光线进行信息传递。光纤通信技术的组成包括了以下部分，电端机，中继器，光缆，光湍机。此种技术在应用方面组网非常的灵活，可以是星型、网型，也可以是链型等。而电力调度自动化通常是应用环形网络，从而使其连接于计算机局域网络，达到数据共享目的。
1光纤通信
光纤通信是将光作为载波，光纤作为传输媒质，从而实现信息传输。光纤的组成包括了纤芯，包层，涂层。内芯在几微米到几十微米之间，比发丝还细。中间层将其称之为包层，纤芯完成信号的传输，包层与纤芯的折射率不同，将光信号封闭在纤芯中传输并起到保护纤芯的作用，涂层的作用在于保护光纤。光纤的通信原理是，将需要传输的信息在发送端变为电信号，之后将其调制到激光器发射的光束，光的强度会随着信号幅度变化而相应变化，并利用光纤发送。而在接收一端，光信号由检测器接收并且将其变为电信号，通过解调使其恢复到原来信号状态。光纤通信在技术方面的组成包括了信号发射，信号合波，信号放大与传输，信号接收，信号分离。
2光纤通信技术的特点
光纤通信技术的特点体现在以下方面，首先是具有较大的传输容量，传输带宽与调制方式是光纤通信技术具备传输容量的因素。光源具有调制特性，相比于电缆与铜线其通信容量要大许多，并且可以通过其它措施使信息在传递过程中损失程度最大限度的降低，从而避免信息容量导致的限制。光纤通信抗干扰能力比较强，光纤材料的主要成分是石英，此种材料具有良好的绝缘效果，因此使光纤具备了较好的抗干扰能力。石英材料自身的性能比较稳定，具有较强的抗腐蚀能力，并且绝缘效果好，能够抵抗雷电干扰与太阳黑子活动。人为电磁的干扰也能够得以削弱。在具体施工环节，光纤架设如果采用平行架设的方式，同时高压电线也采用平行架设的方式，就能够构成复合型光缆，从而为电力调度自动化工作开展提供支撑，电磁脉冲对通信造成影响就可以有效降低。保密性能较好，电波传输过程中，电磁波泄露情况是无可避免的，而电磁波泄露，就会使信号安全性降低，严重的时候信号可能被窃取。而利用光纤技术可以将信息限制于光线中，即使是出现泄露情况，光纤外包皮也能够将信号吸收，从而避免外界窃取信号。但是在实际施工过程中可能会存在同一条光缆包裹数量不等的光纤，而由于光纤外包皮的作用，彼此之间不会出现信息干扰问题。光缆传输产生的损耗较低，相比于现有的传输介质，光纤产生的损耗是最低的，因此在远距离传输时采用光纤更加的合理。随着社会经济的发展，人们对于信息传输要求也在提升，而信息传输距离在不断增大，由此会导致传输损耗增大，降损已经成为了信息传输过程一项非常重要的工作。
3光纤传输应用于电力调度自动化
电力系统组成包括了配电系统、输变电系统、发电厂等，而对于通信系统而言，信息传输的通畅性是确保系统能够有效运行的关键所在，因此光纤技术对电力系统的作用日益重要。光纤通信的组网方式非常的灵活，可以将其分为星型、树型、网状、环状等。考虑到电力调度自动化特点通常采用的是树形与环型结合，或者是单纯的环型网络，通过连接计算机实现数据共享。通信网络节点较多，为避免在工作过程中出现通信中断等故障，企业可以考虑双光纤环路自愈型网络，其中配置具备自动切换功能光纤收发器。一旦光纤通信出现了问题，切换器能够及时构成新的光纤路径，从而实现通信系统自愈，确保继电工作正常，电力调度工作能够正常进行。光纤通信技术应用于电力调度自动化，由于供电部门工作特殊，因此要求电网运行可靠，对于继电保护工作的要求也在日益提升。当电力系统出现问题的时候，工作人员需要及时准确的判定故障的位置及原因，并且快速解决问题，从而将系统故障产生的影响控制在一定范围内。对于调度侧的远程遥控而言，不能出现非正常的拒动现象，光纤通信的稳定性直接影响到电网运行的稳定性。光纤系统通信容量大，具有较强的抗干扰性，为电力调度工作正常开展提供了有力的支持。电力调度自动化建设既体现在信息自动化传输，同时也需要其它系统为其提供辅助，从而使调度自动化的工作目标得以达成。其它辅助系统包括了、视频监控、调度电话、五防系统等。光纤通信的作用在于使相关系统能够正常有效运行，因此光纤通信如果不参与系统建设，电力调度自动化工作的效果就会受到极大影响。
4光纤技术应用于电力调度自动化发展前景
随着我国社会经济的发展，光纤技术应用的范围也在逐渐增大，在电力系统中应用光纤技术是社会发展的趋势，通过智能化的方式进行信号传递，而金属电缆则被光纤取代从而成为信息传输的新媒介，并且以此形成了二次通信系统，而二次系统则会成为电力系统发展的趋势。数字化技术发展作为电力调度系统发展的基础，自动化系统需要实现信息传输数字化，对于光纤通信技术而言有一定的挑战性。光纤技术发展需要随着社会变化不断的变化，从而更好的适应社会发展需要，在应用于电力调度自动化系统中使其能够正常发展，对于其中运用的重要技术难点存在的'问题需要加大科研力度，从而使系统在应用的过程中持续完善。电力调度系统在发展过程中向着自动化与智能化的方向发展，从而使工作人员的劳动强度降低，同时工作安全性也得到了提升，调度自动化系统应用能够对现有的配电网络进一步优化，从而使电力网络供电可靠性与供电质量得到提升。作为一种性能稳定的通信传输介质，在电力调度系统中应用光纤，工作人员需要结合到电力企业自身的特点与光纤自身的特点，从而使组成电力调度各个部分能够有效运行，同时也确保电力通信能够更加有效与安全。随着我国电力通信技术的发展，光纤技术应用于电力通信系统也将会发挥更大的作用。
5结束语
电力调度工作向着自动化方向发展是电网发展的趋势，而自动化系统中，光纤通信优势十分的明显，抗干扰能力强、保密性好、低损耗、较大的通信容量等，能够提升电力工作效率水平。而从另一方面来看，电力企业规模扩大，新的技术应用于电网运行，光纤技术应用于电力企业也会面临着来自某些方面的挑战，需要工作人员在技术应用的过程中持续的优化。
参考文献
[1]韩亚男.光纤通信技术在电力系统调度自动化中的应用[J].电子技术与软件工程，2015（7）：41.
[2]施俊国.浅谈光纤通信技术在电力系统调度自动化中的应用[J].数字技术与应用，2010（7）：45~46.
[3]杜鹏锐.综述光纤通信技术在电力系统调度自动化中的应用[J].通讯世界，2015（22）：188.
[4]赵晓娜，赵洪丽，张镇，等.浅谈光纤通信技术在电力系统调度自动化中的应用[J].工程技术：文摘版：00269.
[5]魏悦，吴迪.浅谈光纤通信技术在电力系统调度自动化中的应用[J].工业，2016（11）：00292.
光纤通信光源技术论文篇二 我国光纤通信技术综述 光纤通信的发展依赖于光纤通信技术的进步。近年来,光纤通信技术得到了长足的发展,新技术不断涌现,这大幅提高了通信能力,并使光纤通信的应用范围不断扩大。 1. 我国光纤光缆发展的现状 普通光纤 普通单模光纤是最常用的一种光纤。随着光通信系统的发展,光中继距离和单一波长信道容量增大,光纤的性能还有可能进一步优化,表现在1550rim区的低衰减系数没有得到充分的利用和光纤的最低衰减系数和零色散点不在同一区域。符合规定的截止波长位移单模光纤和符合规定的色散位移单模光纤实现了这样的改进。 核心网光缆 我国已在干线(包括国家干线、省内干线和区内干线)上全面采用光缆,其中多模光纤已被淘汰,全部采用单模光纤,包括光纤和光纤。光纤虽然在我国曾经采用过,但今后不会再发展。光纤因其不能很大幅度地增加光纤系统容量,它在我国的陆地光缆中没有使用过。干线光缆中采用分立的光纤,不采用光纤带。干线光缆主要用于室外,在这些光缆中,曾经使用过的紧套层绞式和骨架式结构,目前已停止使用。 接入网光缆 接入网中的光缆距离短,分支多,分插频繁,为了增加网的容量,通常是增加光纤芯数。特别是在市内管道中,由于管道内径有限,在增加光纤芯数的同时增加光缆的光纤集装密度、减小光缆直径和重量,是很重要的。接入网使用普通单模光纤和低水峰单模光纤。低水峰单模光纤适合于密集波分复用,目前在我国已有少量的使用。 室内光缆 室内光缆往往需要同时用于话音、数据和视频信号的传输。并目还可能用于遥测与传感器。国际电工委员会(IEC)在光缆分类中所指的室内光缆,笔者认为至少应包括局内光缆和综合布线用光缆两大部分。局用光缆布放在中心局或其他电信机房内,布放紧密有序和位置相对固定。综合布线光缆布放在用户端的室内,主要由用户使用,因此对其易损性应比局用光缆有更严格的考虑。 电力线路中的通信光缆 光纤是介电质,光缆也可作成全介质,完全无金属。这样的全介质光缆将是电力系统最理想的通信线路。用于电力线杆路敷设的全介质光缆有两种结构:即全介质自承式(ADSS)结构和用于架空地线上的缠绕式结构。ADSS光缆因其可以单独布放,适应范围广,在当前我国电力输电系统改造中得到了广泛的应用。国内已能生产多种ADSS光缆满足市场需要。但在产品结构和性能方面,例如大志数光缆结构、光缆蠕变和耐电弧性能等方面,还有待进一步完善。ADSS光缆在国内的近期需求量较大,是目前的一种热门产品。 2. 光纤通信技术的发展趋势 对光纤通信而言,超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标,而全光网络也是人们不懈追求的梦想。 超大容量、超长距离传输技术波分复用技术极大地提高了光纤传输系统的传输容量,在未来跨海光传输系统中有广阔的应用前景。近年来波分复用系统发展迅猛,目前的WDM系统已经大量商用,同时全光传输距离也在大幅扩展。提高传输容量的另一种途径是采用光时分复用(OTDM)技术,与WDM通过增加单根光纤中传输的信道数来提高其传输容量不同,OTDM技术是通过提高单信道速率来提高传输容量,其实现的单信道最高速率达640Gbit/s。 仅靠OTDM和WDM来提高光通信系统的容量毕竟有限,可以把多个OTDM信号进行波分复用,从而大幅提高传输容量。偏振复用(PDM)技术可以明显减弱相邻信道的相互作用。由于归零(RZ)编码信号在超高速通信系统中占空较小,降低了对色散管理分布的要求,且RZ编码方式对光纤的非线性和偏振模色散(PMD)的适应能力较强,因此现在的超大容量WDM/OTDM通信系统基本上都采用RZ编码传输方式。WDM/OTDM混合传输系统需要解决的关键技术基本上都包括在OTDM和WDM通信系统的关键技术中。 光孤子通信 光孤子是一种特殊的ps数量级的超短光脉冲,由于它在光纤的反常色散区,群速度色散和非线性效应相互平衡,因而经过光纤长距离传输后,波形和速度都保持不变。光孤子通信就是利用光孤子作为载体实现长距离无畸变的通信,在零误码的情况下信息传递可达万里之遥。 光孤子技术未来的前景是:在传输速度方面采用超长距离的高速通信,时域和频域的超短脉冲控制技术以及超短脉冲的产生和应用技术使现行速率10~20Gbit/s提高到100Gbit/s以上;在增大传输距离方面采用重定时、整形、再生技术和减少ASE,光学滤波使传输距离提高到100000km以上;在高性能EDFA方面是获得低噪声高输出EDFA。当然实际的光孤子通信仍然存在许多技术难题,但目前已取得的突破性进展使人们相信,光孤子通信在超长距离、高速、大容量的全光通信中,尤其在海底光通信系统中,有着光明的发展前景。 全光网络 未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发展的最高阶段,也是理想阶段。传统的光网络实现了节点间的全光化,但在网络结点处仍采用电器件,限制了目前通信网干线总容量的进一步提高,因此真正的全光网已成为一个非常重要的课题。 全光网络以光节点代替电节点,节点之间也是全光化,信息始终以光的形式进行传输与交换,交换机对用户信息的处理不再按比特进行,而是根据其波长来决定路由。 目前,全光网络的发展仍处于初期阶段,但它已显示出了良好的发展前景。从发展趋势上看,形成一个真正的、以WDM技术与光交换技术为主的光网络层,建立纯粹的全光网络,消除电光瓶颈已成为未来光通信发展的必然趋势,更是未来信息网络的核心,也是通信技术发展的最高级别,更是理想级别。 结语 光通信技术作为信息技术的重要支撑平台,在未来信息社会中将起到重要作用。虽然经历了全球光通信的"冬天"但今后光通信市场仍然将呈现上升趋势。从现代通信的发展趋势来看,光纤通信也将成为未来通信发展的主流。人们期望的真正的全光网络的时代也会在不远的将来如愿到来。 看了“光纤通信光源技术论文”的人还看： 1. 光通信技术论文 2. 光纤技术论文 3. 光纤传感技术论文 4. 光通信技术论文(2) 5. 电力系统光纤通信技术论文
发一篇给你，结合你自己的实际情况适当加工一下即可。光通信从一开始就是为传送基于电路交换的信息的，所以客户信号一般是TDM的连续码流，如PDH、SDH等。随着计算机网络，特别是互联网的发展，数据信息的传送量越来越大，客户信号中基于分组交换的分组信号的比例逐步增加。分组信号与连续码流的特点完全不同，它具有随机性、突发性，因此如何传送这一类信号，就成为光通信技术要解决的重点。 另外，传送数据信号的光收发模块及设备系统与传统的传送连续码流的光收发模块及设备系统是有很大区别的。在接入网中，所实现的系统即为ATM-PON、EPON或GPON等。在核心网，实现IP等数据信号在光层（包括在波分复用系统）的直接承载，就是大家熟知的IP over Optical的技术。 由于SDH系统的良好特性及已有的大量资源，可充分利用原有的SDH系统来传送数据信号。起初只考虑了对ATM的承载，后来，通过SDH网络承载的数据信号的类型越来越多，例如FR、ATM、IP、10M-baseT、FE、GE、10GE、DDN、FDDI、Fiber Channel、FICON、ESCON等。 于是，人们提出了许多将IP等信号送进SDH虚容器VC的方法，起初是先将IP或Ethernet装进ATM，然后再映射进SDH传输，即IP/Ethernet over ATM，再over SDH。后来，又把中间过程省去，直接将IP或Ethernet送到SDH，如PPP、LAPS、SDL、GFP等，即IP over SDH、POS或EOS。 不断增加的信道容量 光通信系统能从PDH发展到SDH，从155Mb/s发展到10Gb/s，近来，40GB/s已实现商品化。同时，还正在探讨更大容量的系统，如160Gb/s（单波道）系统已在实验室研制开发成功，正在考虑为其制定标准。此外，利用波分复用等信道复用技术，还可以将系统容量进一步提高。目前32×10Gb/s（即320Gb/s）的DWDM系统已普遍应用，160×10Gb/s（即）的系统也投入了商用，实验室中超过10Tb/s的系统已在多家公司开发出来。光时分复用OTDM、孤子技术等已有很大进展。毫无疑问，这些对于骨干网的传输是非常有利的。 信号超长距离的传输 从宏观来说，对光纤传输的要求当然是传输距离越远越好，所有研究光纤通信技术的机构，都在这方面下了很大工夫。特别是在光纤放大器出现以后，这方面的记录接连不断。不仅每个跨距的长度不断增加，例如，由当初的20km、40km，最多为80km，增加到120km、160km。而且，总的无再生中继距离也在不断增加，如从600km左右增加到3000km、4000km。 从技术的角度看，光纤放大器其在拉曼光纤放大器的出现，为增大无再生中继距离创造了条件。同时，采用有利于长距离传送的线路编码，如RZ或CS-RZ码；采用FEC、EFEC或SFEC等技术提高接收灵敏度；用色散补偿和PMD补偿技术解决光通道代价和选用合适的光纤及光器件等措施，已经可以实现超过STM-64或基于10Gb/s的DWDM系统，4000km无电再生中继器的超长距离传输。 光传输与交换技术的融合 随着对光通信的需求由骨干网逐步向城域网转移，光传输逐渐靠近业务节点。在应用中人们觉得光通信仅仅作为一种传输手段尚未能完全适应城域网的需要。作为业务节点，比较靠近用户，特别对于数据业务的用户，希望光通信既能提供传输功能，又能提供多种业务的接入功能。这样的光通信技术实际上可以看作是传输与交换的融合。目前已广泛使用的基于SDH的多业务传送平台MSTP，就是一个典型的实例。 基于SDH的MSTP是指在SDH的平台上，同时实现TDM、ATM、以太网等业务的接入处理和传送，提供统一网管的多业务节点设备。实际上，有些MSTP设备除了提供上述业务外，还可以提供FR、FDDI、Fiber Channel、FICON、ESCON等众多类型的业务。 除了基于SDH的MSTP之外，还可以有基于WDM的MSTP。实际上是将WDM的每个波道分别用作各个业务的通道，即可以用透传的方式，也可以支持各种业务的接入处理，如在FE、GE等端口中嵌入以太网2层甚至3层交换功能等，使WDM系统不仅仅具有传送能力，而且具有业务提供能力。 进一步在光层网络中，将传输与交换功能相结合的结果，则导出了自动交换光网络ASON的概念。ASON除了原有的光传送平面和管理平面之外，还增加了控制平面，除了能实现原来光传送网的固定型连接（硬连接）外，在信令的控制下，还可以实现交换的连接（软连接）和混合连接。即除了传送功能外，还有交换功能。 互联网发展需求与下一代全光网络发展趋势 近年来，随着互联网的迅猛发展，IP业务呈现爆炸式增长。预测表明，IP将承载包括语音、图像、数据等在内的多种业务，构成未来信息网络的基础；同时以WDM为核心、以智能化光网络（ION）为目标的光传送网进一步将控制信令引入光层，满足未来网络对多粒度信息交换的需求，提高资源利用率和组网应用的灵活性。因此如何构建能够有效支持IP业务的下一代光网络已成为人们广泛关注的热点之一。 对承载业务的光网络而言，下一步面临的主要问题不仅仅是要求超大容量和宽带接入等明显需求，还需要光层能够提供更高的智能性和在光节点上实现光交换，其目的是通过光层和IP层的适配与融合，建立一个经济高效、灵活扩展和支持业务QoS等的光网络，满足IP业务对信息传输与交换系统的要求。 智能化光网络吸取了IP网的智能化特点，在现有的光传送网上增加了一层控制平面，这层控制平面不仅用来为用户建立连接、提供服务和对底层网络进行控制，而且具有高可靠性、可扩展性和高有效性等突出特点，并支持不同的技术方案和不同的业务需求，代表了下一代光网络建设的发展方向。 研究表明，随着IP业务的爆发性增长，电信业和IT业正处于融合与冲突的“洗牌”阶段，新技术呼之欲出。尤其是随着软件控制（“软光”技术）的使用，使得今天的光网络将逐步演进为智能化的光网络，它允许运营者更加有效地自动配置业务和管理业务量，同时还将提供良好的恢复机制，以支持带有不同QoS需求的业务，从而使运营者可以建设并灵活管理的光网络，并开展一些新的应用，包括带宽租赁、波长业务、光层组网、光虚拟专用网（OVPN）等新业务。 综上所述，以高速光传输技术、宽带光接入技术、节点光交换技术、智能光联网技术为核心，并面向IP互联网应用的光波技术已构成了今天的光纤通信研究热点，在未来的一段时间里，人们将继续研究和建设各种先进的光网络，并在验证有关新概念和新方案的同时，对下一代光传送网的关键技术进行更全面、更深入地研究。 从技术发展趋势角度来看，WDM技术将朝着更多的信道数、更高的信道速率和更密的信道间隔的方向发展。从应用角度看，光网络则朝着面向IP互联网、能融入更多业务、能进行灵活的资源配置和生存性更强的方向发展，尤其是为了与近期需求相适应，光通信技术在基本实现了超高速、长距离、大容量的传送功能的基础上，将朝着智能化的传送功能发展。
中国光纤光栅研究的现状论文
光纤光栅在光纤通信系统中的应用 光纤光栅作为一种新型光器件，主要用于光纤通信、光纤传感和光信息处理。在光纤通信中实现许多特殊功能，应用广泛，可构成的有源和无源光纤器件分别是：有源器件：光纤激光器（光栅窄带反射器用于DFB等结构，波长可调谐等）；半导体激光器（光纤光栅作为反馈外腔及用于稳定980nm泵浦光源）；EDFA光纤放大器（光纤光栅实现增益平坦和残余泵浦光反射）；Ramam光纤放大器（布喇格光栅谐振腔）；无源器件：滤波器（窄带、宽带及带阻；反射式和透射式）；WDM波分复用器（波导光栅阵列、光栅/滤波组合）；OADM上下路分插复用器（光栅选路）；色散补偿器（线性啁啾光纤光栅实现单通道补偿，抽样光纤光栅实现WDM系统中多通道补偿）；波长变换器 OTDM延时器 OCDMA编码器 光纤光栅编码器。光纤光栅自问世以来，已广泛应用于光纤传感领域。由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本以及和普通光纤的良好的兼容性等优点，所以越来越受关注。由于光纤光栅的谐振波长对应力应变和温度的变化敏感，所以主要用于温度和应力应变的测量。这种传感器是通过外界参量(温度或应力应变)对Bragg光纤光栅的中心波长调制来获得传感信息的。因此，传感器灵敏度高，抗干扰能力强，对光源能量和稳定性要求低，适合作精密、精确测量。 光纤光栅传感器现已占以光纤为主的材料的 %。光纤光栅传感器已被用于各个方面，例如高速公路、桥梁、大坝、矿山、机场、船舶、地球技术、铁路、油或气库的监测。传感器的一个发展方向就是多点、分布式传感器，它们主要是利用WDM, TDM, SDM, CDMA的组合。 对于普通单模光纤,在1550nm处色散值为正,光脉冲在其中传输时，短波长的光（“兰光”）较长波长的光（“红光”）传播得快.这样经过一定距离得传输后，脉冲就被展宽了,形成光纤材料的色散.若使光栅周期大的一端在前，使长波长的光在光栅前端反射，而短波长的光在光栅末端反射，因此短波长的光比长波长的光多走了2L距离(L为光栅长度)，这样便在长、短波长光之间产生了时延差，从而形成了光栅的色散。 当光脉冲通过光栅后，短波长的光的时延比长波长的光的时延长，正好起到了色散均衡作用，从而实现了色散补偿。具体专业的问题可以搜索聚科光电的官网，我在上海光机所做这方面的工作
全光通信的研究还处于起步阶段，许多技术难点需要克服。虽然光纤光栅不能解决全光通信中所有的技术难点，但是对光纤光栅技术和器件的研究可以解决全光通信系统中许多关键技术。因此对光纤光栅的研究可以促进全光通信网的早日实现。光纤光栅是将来很长一段时间内光纤通信系统中最具实用价值的无源光器件之一，利用它可组成多种新型光电子器件，由于这些器件的优良性能使人们更加充分地利用光纤通信系统的带宽资源。对光纤光栅的研究和开发正逐步深入到光纤通信系统的每一个细节，从波分复用系统的合波/分波、光纤放大器的增益平坦、色散补偿，到全光网络上下路、波长路由、光交换等，光纤光栅的应用将推动高速光通信的发展，将在未来的高速全光通信系统中扮演重要的角色。在光纤光栅研究成果转化方面国内外的差距还不算太大，中国国应集中力量发展民族光电子产业，使光纤光栅研究成果尽早产业化，为国家经济服务。
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其实就是罗列，对于布拉格光栅商业化应用来说，掩模法是最好的，其他的你可以罗列，对于掩模板的方法可以详细的叙述，我空间就有不少，掩模法随便抄就可以。另外在叙述一下特殊光栅，如D型，手征，塑料光纤光栅。
造纸工业闭路循环工艺研究论文
改善环境从两部分抓起1、调整能源结构因为矿产能源的消耗会附生出一大堆的物质破坏环境。比如，政府现在限制电摩。这样就等于强迫人们去用排污量巨大的汽车和油摩。这需要打破决策层的利益链才能解决。对绿色能源提供方及使用者的补贴，对矿产能源提供者及使用方的税收，也可以做到能源结构的宏观调整，这还得依靠管理者们肯放钱肯出力才行。2、严管污染源近段时间，槽罐车偷排工业废料，乱扔节能灯引起汞污染、河道玻璃污染，食品中的激素、重金属污染等也日益严重。非法排放污染源可以使得种族灭绝，重蹈玛雅人的覆辙。这更需要政府对违法商业链敢于打击，斩草除根才行。反正，要改善环境必需政府支持。决策层的一条禁摩令就能让全中国十面霾雾，只有给他们施压才能有所改变。
造纸厂污水处理循环的工艺流程:
1. 纸浆回收常用的纸浆回收设备有斜筛、重力自流式筛网过滤机、普通旋转过滤机、反切单向流旋转过滤机等,常用的为斜筛。建议根据试验确定水力负荷及筛网目数,在没有数据的前提下,推荐水力负荷为10～15 m3 / (m2 ·h) ,筛网80～100 目。近年来出现多圆盘回收混合废水纤维。多圆盘原先多用于厂内白水处理,现在已有箱板纸厂家采用它回收厂外混合废水的纤维。多圆盘运行费用低、基本不需加药、回收纤维质量高、出水悬浮物含量低( SS < 60mg/ L) ,后续可以省去初沉池,具有广阔的应用前景,值得设计人员关注。
2.气浮法主要为机械法和溶气法。机械法以涡凹气浮为代表,溶气气浮以普通溶气气浮和浅层气浮为代表。机械法优点为无回流,设备简单,动力消耗低;缺点是气泡大,数量有限,效率相对低,且设备维护相对复杂。传统溶气气浮因其占地面积大,投资高,新工程很少用;浅层气浮因其效率高、占地小,在溶气气浮中处于主导地位。沉淀法常用处理设施有斜管沉淀池、辐流沉淀池和平流沉淀池等。斜管沉淀池易堵塞,平流沉淀池排泥困难。造纸废水多采用结构简单、管理方便的辐流沉淀池,其表面负荷可取1～2 m3 / (m2 ·h) 。
3. 生化处理生化处理是废纸造纸生产废水处理的关键部分“, 厌氧+ 好氧”工艺具有耐冲击负荷、COD 去除率高、动力消耗低、运行费用低等优点,被广泛采用。厌氧处理一般采用水解酸化或完全厌氧反应器(UASB、IC、PAFR 等) 。根据生化进水浓度的高低,选择将厌氧控制在水解酸化阶段或完全厌氧阶段,建议当生化进水CODCr > 800 mg/ L 采用完全厌氧反应器。好氧处理一般采用活性污泥法、接触氧化法或氧化塘,其中以活性污泥法应用最广。厌氧系统容积负荷可取2～15 kgCODCr / (m3 ·d) ,好氧系统污泥负荷可取0. 25～0. 6 kgCODCr / (kgML SS ·d) 。
造纸厂污水处理循环的工艺流程图如下：
给些总结你，剩下你的去找资料吧。废纸造纸生产废水处理设计经验总结摘要 根据工程实践,总结了生产原料、生产纸种、造纸工艺、废水来源与污染物成分、吨纸水耗对废纸造纸生产废水水质的影响。给出了废纸造纸生产废水预处理、生化处理的建议工艺参数。分析了废纸造纸生产废水回用的水质要求、水量确定和工艺选择。废纸造纸生产废水的处理2. 1 预处理废纸造纸生产废水的预处理是保证系统达标的前提,预处理的主要目的:回收废水中的纤维、降低生化系统负荷。一般厂家均在车间内部对白水进行纸浆回收,在此不做赘述,本文所述的预处理主要是混合废水的厂外处理,主要包括纸浆回收、物化处理。2. 1. 1 纸浆回收常用的纸浆回收设备有斜筛、重力自流式筛网过滤机、普通旋转过滤机、反切单向流旋转过滤机等,常用的为斜筛。建议根据试验确定水力负荷及筛网目数,在没有数据的前提下,推荐水力负荷为10～15 m3 / (m2 ·h) ,筛网80～100 目。近年来出现多圆盘回收混合废水纤维。多圆盘原先多用于厂内白水处理,现在已有箱板纸厂家采用它回收厂外混合废水的纤维。多圆盘运行费用低、基本不需加药、回收纤维质量高、出水悬浮物含量低( SS < 60mg/ L) ,后续可以省去初沉池,具有广阔的应用前景,值得设计人员关注。2. 1. 2 物化处理造纸废水物化预处理常用的有气浮法和沉淀法。气浮法主要为机械法和溶气法。机械法以涡凹气浮为代表,溶气气浮以普通溶气气浮和浅层气浮为代表。机械法优点为无回流,设备简单,动力消耗低;缺点是气泡大,数量有限,效率相对低,且设备维护相对复杂。传统溶气气浮因其占地面积大,投资高,新工程很少用;浅层气浮因其效率高、占地小,在溶气气浮中处于主导地位。沉淀法常用处理设施有斜管沉淀池、辐流沉淀池和平流沉淀池等。斜管沉淀池易堵塞,平流沉淀池排泥困难。造纸废水多采用结构简单、管理方便的辐流沉淀池,其表面负荷可取1～2 m3 / (m2 ·h) 。2. 2 生化处理生化处理是废纸造纸生产废水处理的关键部分“, 厌氧+ 好氧”工艺具有耐冲击负荷、COD 去除率高、动力消耗低、运行费用低等优点,被广泛采用。厌氧处理一般采用水解酸化或完全厌氧反应器(UASB、IC、PAFR 等) 。根据生化进水浓度的高低,选择将厌氧控制在水解酸化阶段或完全厌氧阶段,建议当生化进水CODCr > 800 mg/ L 采用完全厌氧反应器。好氧处理一般采用活性污泥法、接触氧化法或氧化塘,其中以活性污泥法应用最广。厌氧系统容积负荷可取2～15 kgCODCr / (m3 ·d) ,好氧系统污泥负荷可取0. 25～0. 6 kgCODCr / (kgML SS ·d) 。
造纸厂污水处理 循环的工艺流程如下：1 预处理废纸造纸生产废水的预处理是保证系统达标的前提,预处理的主要目的:回收废水中的纤维、降低生化系统负荷。一般厂家均在车间内部对白水进行纸浆回收,在此不做赘述,本文所述的预处理主要是混合废水的厂外处理,主要包括纸浆回收、物化处理。2. 纸浆回收常用的纸浆回收设备有斜筛、重力自流式筛网过滤机、普通旋转过滤机、反切单向流旋转过滤机等,常用的为斜筛。建议根据试验确定水力负荷及筛网目数,在没有数据的前提下,推荐水力负荷为10～15 m3 / (m2 ·h) ,筛网80～100 目。近年来出现多圆盘回收混合废水纤维。多圆盘原先多用于厂内白水处理,现在已有箱板纸厂家采用它回收厂外混合废水的纤维。多圆盘运行费用低、基本不需加药、回收纤维质量高、出水悬浮物含量低( SS < 60mg/ L) ,后续可以省去初沉池,具有广阔的应用前景,值得设计人员关注。
光纤传感器的运用研究论文
浅谈重金属检测传感器技术的应用论文
摘要： 随着经济的迅猛发展和社会的日新月异, 人们对重金属的开采及加工越来越频繁, 这使得不少重金属存在于大气水以及土壤中, 在很大程度上加重了环境污染, 科学技术的迅猛发展为重金属检测传感器技术的研究提供了很好的途径。针对上述背景下, 对重金属检测传感器技术研究与应用进行合理性阐述, 以促进重金属检测传感器技术的进一步发展。
关键词： 重金属检测; 传感器技术; 环境污染;
重金属污染是环境污染的一个重要组成部分, 重金属在自然界中广泛存在, 随着人类的开采、冶炼、加工活动而使得重金属转变成化学状态或化学形态广泛分布于大气、水、土壤中, 随着时间的积累而不断留存、迁移, 从而引发严重的环境污染问题;重金属甚至还会随着废水的排出而流入海洋中, 对鱼和贝类造成严重的危害;重金属还会附着在人类的鼻腔和食物上, 造成人类呼吸道感染和重金属中毒[1]。重金属具有沉积性和不可降解性, 是一种非常危险的污染源, 因此对于重金属的研究与检测是十分关键的。通过调查与研究, 发现重金属检测传感器技术主要分为离子选择性电极传感器技术、光纤化学传感器技术、生物传感器技术以及微电极矩阵传感器技术四个方面, 本文通过对这四种传感器技术在重金属检测中的研究与应用作简要分析, 以推动重金属检测传感器技术的发展。
1 离子选择性电极传感器技术。
离子选择性电极传感器技术是一种操作简单、性价比高、准确有效的重金属检测传感器技术。离子选择性电极传感器技术因为不需要提前对样品进行操作而被广泛应用于重金属的在线检测中。目前, 国内外学者对离子选择性电极传感器技术进行了大量的研究, 发现选择性高、经济简单的离子选择性电极主要分为基于聚氯乙烯膜的离子选择性电极和基于流系玻璃膜的离子选择性电极两种[2]。
基于聚氯乙烯膜的离子选择性电极。
目前在对基于聚氯乙烯膜的离子选择性电极的研究中, 主要是对离子选择性电极的重金属离子的识别以及聚氯乙烯膜的结构和性能进行研究, 同时, 对不同的载体和膜增塑剂对离子选择性电极性能的影响作简要分析, 从而提高对重金属的识别能力。
基于流系玻璃膜的离子选择性电极。
基于硫系玻璃膜的离子选择性电极良好的红外线透过性是其他离子选择性电极无法相提并论的。许多发达国家都通过购买硫系玻璃膜的离子选择性电极来用于重金属检测工作。
2 光纤化学传感器技术。
对于光纤化学传感器技术的研究比离子选择性电极传感器技术的研究还要早, 光纤化学传感器技术的研究始于美国研究所, 从那以后, 许多国家都在实验室中对光纤化学传感器技术进行研究, 并应用到重金属检测中。陈雷等人对基于聚氯乙烯膜的光纤传感器进行研究并应用到铜离子的检测中, 取得了良好的效果[3]。李学强等人将注册分析法和激光激发荧光光谱技术应用到对金属离子传感器的研制中, 使我国饮用水中的重金属检测工作取得了很大的进展。
3 生物传感器技术。
第一个生物传感器始于Red String仪器公司。之后, 又在多个公司相继推出, 这些生物传感器主要是对人类血糖和尿糖中的重金属物质进行检测。重金属物质在人体中的留存和迁移会对人体的健康造成极大的威胁, 生物传感器可以与人体生物识别因素相互影响, 以达到对人体中的重金属含量进行检测, 从而预防重金属中毒的目的。通过研究发现, 生物传感器主要分为蛋白质为基础的'生物传感器以及整个细胞为基础的重金属传感器两种。
蛋白质为基础的生物传感器。
生物识别因素主要是促进消化的酶、防止病毒入侵的抗体、增强体质的金属键键合蛋白以及脱辅基酶蛋白质。以这几种生物识别因素为基础制作蛋白质为基础的生物传感器, 用来检测铜离子、锌离子、汞离子以及铅离子等金属离子。传统的生物传感器存在灵敏度低、选择性差等一系列缺点, 因此必须研制出选择性高的新型传感器来实现对重金属离子的检测, 这种新型传感器被称为蛋白质为基础的生物传感器。
整个细胞为基础的重金属传感器。
整个细胞为基础的重金属传感器可以实现对微型有机体生物标识的检测, 它具有所受干扰因素少、反应速度快等一系列优点, 可以实现对苔藓、海藻、酵母等海洋生物中的重金属的检测。随着生物医学和环境工程的蓬勃发展, 可以通过改进主传感器的途径来解决重金属检测过程中的干扰问题, 即在基因层次上设计细胞器。
4 结语。
综上所述, 本文通过对重金属检测传感器技术研究与应用进行分析, 主要从离子选择性电极传感器技术、光纤化学传感器技术、生物传感器技术以及微电极矩阵传感器技术这四个方面作简要分析, 为传感器检测技术在重金属中的研究与应用提供理论支持, 以减少重金属污染现象的发生。
参考文献
[1]张涛, 苏倡, 刘艳, 等.泥蚶 (Tegillarca granosa) 重组铁蛋白富集重金属离子的特性及化学传感器的研究[J].海洋与湖沼, 2017, 48 (4) :870-876.
[2]吕攀攀, 肖芳兰, 严锡娟, 等.构建一种基于双启动子模型的特异性检测镉离子的大肠杆菌传感器[J].生物工程学报, 2015, 31 (11) :1601-1611.
[3]贾朔.边超, 佟建华, 等.基于纳米金Core-satellites等离子体耦合增强效应的汞离子光纤传感器的研究[J].分析化学, 2017, 45 (6) :785-790.
本项研究受国家杰出青年科学基金项目（40225006）和国家教育部重点项目（01086）资助。
施斌丁勇索文斌高俊启
（南京大学光电传感工程监测中心，江苏南京，210093）
【摘要】分布式光纤传感技术，如布里渊散射光时域反射测量技术（简称BOTDR），是国际上近几年才发展成熟的一项尖端技术，应用非常广泛。本文着重介绍 BOTDR分布式光纤传感技术在隧道、基坑和路面等3个方面的应用。在工程监测过程中积累起来的大量监测数据表明，BOTDR分布式光纤传感技术，是一种全新而可靠的监测方法，它在工程实践中的应用为工程监测提供了一种新的思路，因而必将拥有一个广阔的发展前景。
【关键词】BOTDR光纤传感工程监测应变
1引言
随着人们对工程安全要求的日益提高，近年来，一批新式的传感监测技术得到发展，它们不是对传统传感监测技术简单地加以改良，而是从根本上改变了传感原理，从而提供了全新的监测方法和思路。其中，尤以 BOTDR分布式光纤传感技术为世人所瞩目，它利用普通的通讯光纤，以类似于神经系统的方式，植入建筑物体内，获得全面的应变和温度信息。该技术已成为日本、加拿大、瑞士、法国及美国等发达国家竞相研发的课题。这一技术在我国尚处于发展阶段，目前已在一些隧道工程监测中得到成功应用，并逐步向其他工程领域扩展。
南京大学光电传感工程监测中心在南京大学985工程项目和国家教育部重点项目的支持下，建成了我国第一个针对大型基础工程的BOTDR分布式光纤应变监测实验室，开展了一系列的实验研究，并成功地将这一技术应用到了地下隧道等工程的实际监测中，取得了一批重要成果，为将这一技术全面应用于我国各类大型基础工程和地质工程的质量监测和健康诊断提供了坚实基础。
2BOTDR分布式光纤传感技术的原理
布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量（vB）就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。BOTDR的应变测量原理如图1所示。
为了得到光纤沿线的应变分布，BOTDR需要得到光纤沿线的布里渊散射光谱，也就是要得到光纤沿线的vB分布。BOTDR的测量原理与OTDR(Optical Time-Domain Reflectometer）技术很相似，脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射，入射的脉冲光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射，其中的背向布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端，进入 BOT-DR的受光部和信号处理单元，经过一系列复杂的信号处理可以得到光纤沿线的布里渊背散光的功率分布，如图1中（b）所示。发生散射的位置至脉冲光的入射端，即至 BOTDR的距离 Z可以通过式（1）计算得到。之后按照上述的方法按一定间隔改变入射光的频率反复测量，就可以获得光纤上每个采样点的布里渊散射光的频谱图。
图1BOTDR的应变测量原理图
如图1中（c）所示，理论上布里渊背散光谱为洛仑滋形，其峰值功率所对应的频率即是布里渊频移 vB。如果光纤受到轴向拉伸，拉伸段光纤的布里渊频移就要发生改变，通过频移的变化量与光纤的应变之间的线性关系就可以得到应变量。式中：c—真空中的光速；
地质灾害调查与监测技术方法论文集
n——光纤的折射率；
T—发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔。
目前国际上最先进的BOTDR监测设备以日本 NTT公司最新研制开发的最新一代 AQ8603型BOTDR光纤应变分析仪为代表。表1为AQ8603的主要技术性能指标。
表1AQ8603光纤应变分析仪的主要技术性能指标
3隧道安全监测
BOTDR分布式光纤传感技术在隧道方面的应用，目前已经在国内日渐成熟。我们在几条隧道变形监测系统的建设过程中，已形成了一整套的成功经验，为该技术在岩土和地质工程安全监测中的推广提供了坚实的技术基础。
光纤铺设
为了使光纤精确地反映被测构筑物的应变状态，必须将之与构筑物紧密相连，铺设在结构物上。铺设的好坏，直接关系到监测的实际效果，因而在工程应用中，有着十分重要的意义。
根据光纤监测系统的设计原则，结合工程实际情况以及AQ8603应力分布式光纤传感器的特点，基本有以下两种铺设方法：全面接着式铺设和定点接着式铺设，如图2所示。
图2全面接着和定点接着
全面接着式铺设
分别沿隧道纵深方向和横断面按全面接着方式布设传感光纤。沿纵深方向布设的传感光纤用于监测隧道纵向的整体变形情况，而沿横断面布设的光纤则是用于监测隧道横向的变形情况。
全面接着式铺设的特点是可以全程监测隧道的健康状况，监测对象为隧道整体，监测结果为隧道整体的变形情况。此种接着方式应用特定的铺设工艺，使用实验测定的效果优良的混合胶粘剂（以环氧树脂为主），将传感光纤按照设计线路粘着在混凝土的表面，并在传感光纤的末段接驳光缆，将监测信号传送至隧道监控中心。
定点接着式铺设
此种接着方式的特点是重点监测变形缝、应力集中区等潜在（或假定）变形处的变形情况。监测对象为变形缝等潜在（或假定）变形处，监测结果为变形缝等潜在（或假定）变形处的应力应变特征。此种接着方式的铺设方法大体等同于全面接着式铺设方式，所不同的是在设计施工面上选择一些特殊点进行粘着，即将光纤每隔1m至确定一个固定点，粘贴在混凝土墙面上，以此来检测隧道局部接缝处的变形（见图3）。在某些特点地点，根据实际情况，选择在特定的线路上在特定的位置安装接缝传感器，以监测变形缝的变形情况（见图4）。
图3隧道接缝布线示意图
变形计算
由于引起隧道变形的原因比较复杂，有温度造成的构筑物热胀冷缩的整体变形，也有不同方向裂缝开裂和错动引起的局部变形，因此，将 BOTDR所测到的隧道的应变转换到变形，有时比较困难。因此比较可行的解决方法一是要合理地布置光纤监测网，分别监测隧道的整体应变和局部应变及其方向，结合变形特点，计算出构筑物的整体变形与局部变形；二是要采用相应的计算方法，将光纤的应变换算为隧道的变形。
图4接缝传感器示意图
例如，对于均匀应变，可以由下式计算变形：
地质灾害调查与监测技术方法论文集
式中：ε为应变，d为应变段长度，δ为变形。
对于不均匀变形，可以采用按一定间距定点接着的方式铺设光纤，两个粘结点间的应变近似地认为是均匀应变，按上式同样可以得到光纤沿线的不均匀变形。
如果隧道发生整体的不均匀沉降，可以按照挠度的计算方法（见式（3）近似计算它的沉降变形量：
地质灾害调查与监测技术方法论文集
式中：ε1、ε2分别为铺设在构筑物顶部和底部的两条光纤的应变，d为两条光纤的间距。
此外，结合数值模拟技术也可以实现变形的计算。可以将光纤的应变作为数值计算的边界条件或者已知条件，通过有限元或有限差分等计算方法，得到构筑物不同部位的各种变形。
总之，从隧道的应变转换到变形的计算常常比较复杂，但是只要通过合理地布置光纤监测网，采用正确的计算方法，隧道变形的计算是可以得到满意的结果。
4基坑变形监测
基坑变形监测是岩土工程领域的基本问题之一，基坑稳定性的重要性不言而喻。近半年来，课题组通过大量的室内外试验研究，将 BOTDR技术成功地应用到了南京市的几个深大基坑工程中，取得了一些十分有价值的成果。
众所周知，基坑变形原因复杂、类型繁多，但总体来说，主要是由基坑开挖引起的坑体水平位移问题和基底隆起问题。传统的监测方式，如土压力盒、测斜管等，由于自身传感方式的限制，往往有精度不高、抗腐蚀性差、损耗较大、浪费人力等缺点。课题组通过研究，成功地研制了一种具有专利技术的基于BOTDR技术的基坑位移监测分布式光纤传感系统（分布式光纤传感智能测斜管）。
图5基坑位移监测分布式光纤传感系统
如图5所示，利用传统的测斜管器件与先进的BOTDR技术相结合，开发出上述传感器。应用传统的测斜管器件的目的在于：①经传统方法验证，测斜管能够较理想地反映土体变形，是一种良好的材料；②测斜管自身带有卡槽，免去了人工开槽的工作；③该材料是常用的基坑监测材料，方便易得，比较经济；④应用与传统监测方式一致的材料，方便对新、旧技术进行类比。该系统的构成，简言之是将光纤按照一定的施工工艺，用经室内外试验和工程实践验证过的特殊的胶黏着在测斜管上，构成传感系统，我们称之为分布式光纤传感智能测斜管。该传感器具有分布式光纤传感器的一切优点，并可进行准实时监测。
应用BOTDR技术的分布式光纤传感器所得到的监测结果，是沿光纤传感器的轴向物理信息（应变、温度等），因此，如何获得沿光纤传感器分布的基坑水平变形量，也就成了问题的核心。经过研究，应用计算挠度的方法来近似计算基坑的水平变形量。
由材料力学相关知识可知，沿线各点的挠度可利用下式计算。
地质灾害调查与监测技术方法论文集
式中：εx为所求点的光纤实测应变，其值为沿测斜管两侧的两条光纤的应变差；d为粘贴在测斜管两侧的光纤之间的距离；积分起点为深部某无应变点，v(x）为各点的挠度，可以近似地认为是基坑的水平变形量。
5连续配筋混凝土路面检测
连续配筋混凝土路面（CRCP）是全部省略接缝的连续混凝土板，是为了减轻因接缝而引起的振动与噪音，或为改善平整度、提高行车舒适性而使用的路面。对于这种高性能的路面结构形式，其钢筋应力状态、混凝土应力状态和路面的裂缝分布是反映该路面使用性能的主要因素[]。将 BOTDR这项优秀的无损检测技术应用于监测 CRCP路面钢筋、混凝土应力和路面裂缝，具有重要意义。
图6为BOTDR分布式光纤传感系统在连续配筋混凝土路面中的布置图。路面纵向钢筋共有11根。在其中9根钢筋上布设了传感光纤，温度补偿光纤4根，应变传感光纤5根，沿中心对称铺设。
图7为浇注混凝土开始5天内BOTDR检测的板表面混凝土应变变化。从图上可以清楚看出沿路面纵向表面混凝土应变分布情况，而且可以根据最大拉应变的位置预测出路面可能产生裂缝的位置。如图中79m处最有可能出现裂缝。
图6光纤传感系统布置
图7板表面混凝土应变分布
图8为浇注混凝土开始5天内 BOTDR检测的钢筋应变变化。从图上可以清楚看出沿路面纵向钢筋应变分布情况。在混凝土硬化这段时间里，钢筋应变不是均匀的，通过连续监测钢筋应变，有助于预测路面的使用性能。
本实验测试结果表明，BOTDR分布式光纤传感系统能够在线对连续配筋混凝土路面板中的钢筋和混凝土应变进行有效的检测。这说明BOTDR在路面板、桥面板及其他一些类似工程中具有良好的适用性及广阔的应用前景。
6结语
分布式光纤传感技术在我国尚处于起步阶段，虽然在隧道、基坑等部分领域取得了一定成功，但仍然有许多研究工作有待进一步开展，这包括两个方面，一是分布式光纤传感监测技术本身的进一步改良；二是要不断地解决在工程监测中的技术问题。可以相信，随着这一技术的不断研发和成熟，越来越多的大型基础工程将采用这一技术进行分布式监控和健康诊断，应用前景十分广阔，无法估量。
图8钢筋应变分布
参考文献
[1]Horiguchi T,Kurashima T,Tateda strain dependence of Brillouin frequency shift in silica optical Photonics Technology Letters,1989,1(5):107～108
[2]Ohno H,Naruse H,Kihara M,Shimada A,Industrial applications of the BOTDR optical fiber strain Fiber Technology,2001,7(1):45～64
[3]Wu Z S,Takahashi T,Kino H and Hiramatsu K,Crack Measurement of Concrete Structures with Optic Fiber of the Japan Concrete Institute,2000,22(1):409～414
[4]Wu Z S,Takahashi T and Sudo K,An experimental investigation on continuous strain and crack with fiber optic Research and Technology,2002,13(2):139～148
[5]Li C et al,Distributed optical fiber bi-directional strain sensor for gas trunk and Lasers in Engineering,2001,(36）:41～47
[6]Uchiyama H,Sakairi Y,Nozaki T,An Optical Fiber Strain Distribution Measurement Instrument Using the New Detection Technical Bulletin,2002,(10):52～60
[7]黄民双，陈伟民，黄尚廉.基于Brillouin散射的分布式光纤拉伸应变传感器的理论分析.光电工程，1995,22（4）:11～36
[8]查旭东，张起森，李宇峙，苏清贵，黄庆.高速公路连续配筋混凝土路面施工技术研究.中外公路，2003,23（1）:1～4
[9]谢军，查旭东编译.连续配筋混凝土路面设计指南.国外公路，2000,20（5）:4～6
[10]施斌等.BOTDR应变监测技术应用在大型基础工程健康诊断中的可行性研究.岩石力学与工程学报.
[11]Shi Bin et al,A Study on the application of BOTDR in the deformation monitoring for tunnel engineering,Structural Health Monitoring and Intelligent Infrastructure, Publishers, 2003:1025～1030
[12]徐洪钟，施斌，张丹，丁勇，崔何亮，吴智深.基于小波分析的BOTDR光纤传感器信号处理方法.光电子激光，2003(7)
[13] Zhang,Yong Ding,Heliang Cui,Data processing in botdr distributed strain measurement based on wavelet analysis,Structural Health Monitoring and Intelligent Infrastruc ture, Publishers,2003:345～349
[14]张巍，吕志涛.光纤传感器用于桥梁监测.公路交通科技，2003,20(3）:91～95
[15]张丹，施斌，吴智深，徐洪钟，丁勇，崔何亮.BOTDR分布式光纤传感器及其在结构健康监测中的应用.土木工程学报，2003,36（11）:83～87
[16]Dan Zhang,Bin Shi,Hongzhong Xu,Yong Ding,Heliang Cui＆Junqi Gao,Application of BOTDR into structural bending monitoring,Structural Health Monitoring and Intelligent Infrastructure, Publishers,2003:271～276
[17]Dan ZHANG,Bin SHI,Junqi GAO,Hongzhong XU,The recognition and location of cracks in RC T-beam structures using BOTDR-based distributed optical fiber sensor,SPIE,2004
[18]张丹，施斌，徐洪钟，高俊启，朱虹.BOTDR用于钢筋混凝土 T型梁变形监测的试验研究.东南大学学报（待刊）
[19]丁勇，施斌，吴智深.岩土工程监测中的光纤传感器.第四届全国岩土工程大会会议论文集2003:283～291
[20]Ding,Y.,Shi,B.,Cui,.，＆Chen, stability of optical fiber as strain sensor under invariable Health Monitoring and Intelligent Infrastructure, Publishers,2003:267～270
生物传感器的研究现状及应用摘要：简述了生物传感器尤其是微生物传感器近年来在发酵工业及环境监测领域中的研究与应用，对其发展前景及市场化作了预测及展望。生物电极是以固定化生物体组成作为分子识别元件的敏感材料，与氧电极、膜电极和燃料电极等构成生物传感器，在发酵工业、环境监测、食品监测、临床医学等方面得到广泛的应用。生物传感器专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、适用范围广。随着固定化技术的发展，生物传感器在市场上具有极强的竞争力。 关键词：生物传感器；发酵工业；环境监测。中图分类号： 文献标识码：a 文章编号：1006-883x(2002)10-0001-06一、 引言 从1962年，clark和lyons最先提出生物传感器的设想距今已有40 年。生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。在最初15年里，生物传感器主要是以研制酶电极制作的生物传感器为主，但是由于酶的价格昂贵并不够稳定，因此以酶作为敏感材料的传感器，其应用受到一定的限制。近些年来，微生物固定化技术的不断发展，产生了微生物电极。微生物电极以微生物活体作为分子识别元件，与酶电极相比有其独到之处。它可以克服价格昂贵、提取困难及不稳定等弱点。此外，还可以同时利用微生物体内的辅酶处理复杂反应。而目前，光纤生物传感器的应用也越来越广泛。而且随着聚合酶链式反应技术（pcr）的发展，应用pcr的dna生物传感器也越来越多。二、 研究现状及主要应用领域 1、 发酵工业各种生物传感器中，微生物传感器最适合发酵工业的测定。因为发酵过程中常存在对酶的干扰物质，并且发酵液往往不是清澈透明的，不适用于光谱等方法测定。而应用微生物传感器则极有可能消除干扰，并且不受发酵液混浊程度的限制。同时，由于发酵工业是大规模的生产，微生物传感器其成本低设备简单的特点使其具有极大的优势。(1). 原材料及代谢产物的测定微生物传感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的测定，代谢产物如头孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇类、青霉素、乳酸等的测定。测量的原理基本上都是用适合的微生物电极与氧电极组成，利用微生物的同化作用耗氧，通过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量，从而达到测量底物浓度的目的。在各种原材料中葡萄糖的测定对过程控制尤其重要，用荧光假单胞菌（psoudomonas fluorescens）代谢消耗葡萄糖的作用，通过氧电极进行检测，可以估计葡萄糖的浓度。这种微生物电极和葡萄糖酶电极型相比，测定结果是类似的，而微生物电极灵敏度高，重复实用性好，而且不必使用昂贵的葡萄糖酶。当乙酸用作碳源进行微生物培养时，乙酸含量高于某一浓度会抑制微生物的生长，因此需要在线测定。用固定化酵母（trichosporon brassicae），透气膜和氧电极组成的微生物传感器可以测定乙酸的浓度。此外，还有用大肠杆菌（）组合二氧化碳气敏电极，可以构成测定谷氨酸的微生物传感器，将柠檬酸杆菌完整细胞固定化在胶原蛋白膜内，由细菌―胶原蛋白膜反应器和组合式玻璃电极构成的微生物传感器可应用于发酵液中头孢酶素的测定等等。(2). 微生物细胞总数的测定在发酵控制方面，一直需要直接测定细胞数目的简单而连续的方法。人们发现在阳极表面，细菌可以直接被氧化并产生电流。这种电化学系统已应用于细胞数目的测定，其结果与传统的菌斑计数法测细胞数是相同的[1]。(3). 代谢试验的鉴定传统的微生物代谢类型的鉴定都是根据微生物在某种培养基上的生长情况进行的。这些实验方法需要较长的培养时间和专门的技术。微生物对底物的同化作用可以通过其呼吸活性进行测定。用氧电极可以直接测量微生物的呼吸活性。因此，可以用微生物传感器来测定微生物的代谢特征。这个系统已用于微生物的简单鉴定、微生物培养基的选择、微生物酶活性的测定、废水中可被生物降解的物质估计、用于废水处理的微生物选择、活性污泥的同化作用试验、生物降解物的确定、微生物的保存方法选择等[2]。2、 环境监测(1). 生化需氧量的测定生化需氧量（biochemical oxygen demand ?bod）的测定是监测水体被有机物污染状况的最常用指标。常规的bod测定需要5天的培养期，操作复杂、重复性差、耗时耗力、干扰性大，不宜现场监测，所以迫切需要一种操作简单、快速准确、自动化程度高、适用广的新方法来测定。目前，有研究人员分离了两种新的酵母菌种spt1和spt2，并将其固定在玻璃碳极上以构成微生物传感器用于测量bod，其重复性在±10%以内。将该传感器用于测量纸浆厂污水中bod的测定，其测量最小值可达2 mg/l，所用时间为5min[3]。还有一种新的微生物传感器，用耐高渗透压的酵母菌种作为敏感材料，在高渗透压下可以正常工作。并且其菌株可长期干燥保存，浸泡后即恢复活性，为海水中bod的测定提供了快捷简便的方法[4]。 除了微生物传感器，还有一种光纤生物传感器已经研制出来用于测定河水中较低的bod值。该传感器的反应时间是15min，最适工作条件为30°c，ph=7。这个传感器系统几乎不受氯离子的影响（在1000mg/l范围内），并且不被重金属（fe3+、cu2+、mn2+、cr3+、zn2+）所影响。该传感器已经应用于河水bod的测定，并且获得了较好的结果[4]。现在有一种将bod生物传感器经过光处理（即以tio2作为半导体，用6 w灯照射约4min）后，灵敏度大大提高，很适用于河水中较低bod的测量[5]。同时，一种紧凑的光学生物传感器已经发展出来用于同时测量多重样品的bod值。它使用三对发光二极管和硅光电二极管，假单胞细菌（pseudomonas fluorescens）用光致交联的树脂固定在反应器的底层，该测量方法既迅速又简便，在4℃下可使用六周，已经用于工厂废水处理的过程中[5]。(2). 各种污染物的测定常用的重要污染指标有氨、亚硝酸盐、硫化物、磷酸盐、致癌物质与致变物质、重金属离子、酚类化合物、表面活性剂等物质的浓度。目前已经研制出了多种测量各类污染物的生物传感器并已投入实际应用中了。测量氨和硝酸盐的微生物传感器，多是用从废水处理装置中分离出来的硝化细菌和氧电极组合构成。目前有一种微生物传感器可以在黑暗和有光的条件下测量硝酸盐和亚硝酸盐(nox-)，它在盐环境下的测量使得它可以不受其他种类的氮的氧化物的影响。用它对河口的nox-进行了测量，其效果较好[6]。硫化物的测定是用从硫铁矿附近酸性土壤中分离筛选得到的专性、自养、好氧性氧化硫硫杆菌制成的微生物传感器。在ph=、31℃时一周测量200余次，活性保持不变，两周后活性降低20%。传感器寿命为7天，其设备简单，成本低，操作方便。目前还有用一种光微生物电极测硫化物含量，所用细菌是，与氢电极连接构成[7]。最近科学家们在污染区分离出一种能够发荧光的细菌，此种细菌含有荧光基因，在污染源的刺激下能够产生荧光蛋白，从而发出荧光。可以通过遗传工程的方法将这种基因导入合适的细菌内，制成微生物传感器，用于环境监测。现在已经将荧光素酶导入大肠杆菌（）中，用来检测砷的有毒化合物[8]。水体中酚类和表面活性剂的浓度测定已经有了很大的发展。目前，有9种革兰氏阴性细菌从西西伯利亚石油盆地的土壤中分离出来，以酚作为唯一的碳源和能源。这些菌种可以提高生物传感器的感受器部分的灵敏度。它对酚的监测极限为5 ´10-9mol。该传感器工作的最适条件为：ph=、35℃，连续工作时间为30h[9]。还有一种假单胞菌属（pseudomonas rathonis）制成的测量表面活性剂浓度的电流型生物传感器，将微生物细胞固定在凝胶（琼脂、琼脂糖和海藻酸钙盐）和聚乙醇膜上，可以用层析试纸gf/a，或者是谷氨酸醛引起的微生物细胞在凝胶中的交联，长距离的保持它们在高浓度表面活性剂检测中的活性和生长力。该传感器能在测量结束后很快的恢复敏感元件的活性[10]。还有一种电流式生物传感器，用于测定有机磷杀虫剂，使用的是人造酶。利用有机磷杀虫剂水解酶，对硝基酚和二乙基酚的测量极限为100´10-9mol，在40℃只要4min[11]。还有一种新发展起来的磷酸盐生物传感器，使用丙酮酸氧化酶g，与自动系统cl-fia台式电脑结合，可以检测(32~96)´10-9mol的磷酸盐，在25°c下可以使用两周以上，重复性高[12]。最近，有一种新型的微生物传感器，用细菌细胞作为生物组成部分，测定地表水中壬基酚（nonyl-phenol etoxylate --np-80e）的含量。用一个电流型氧电极作传感器，微生物细胞固定在氧电极上的透析膜上，其测量原理是测量毛孢子菌属（trichosporum grablata）细胞的呼吸活性。该生物传感器的反应时间为15~20min，寿命为7~10天（用于连续测定时）。在浓度范围内，电信号与np-80e浓度呈线性关系，很适合于污染的地表水中分子表面活性剂的检测[13]。除此之外，污水中重金属离子浓度的测定也是不容忽视的。目前已经成功设计了一个完整的，基于固定化微生物和生物体发光测量技术上的重金属离子生物有效性测定的监测和分析系统。将弧菌属细菌（vibrio fischeri）体内的一个操纵子在一个铜诱导启动子的控制下导入产碱杆菌属细菌（alcaligenes eutrophus (ae1239)）中，细菌在铜离子的诱导下发光，发光程度与离子浓度成正比。将微生物和光纤一起包埋在聚合物基质中，可以获得灵敏度高、选择性好、测量范围广、储藏稳定性强的生物传感器。目前，这种微生物传感器可以达到最低测量浓度1´10-9mol[14]。还有一种专门测量铜离子的电流型微生物传感器。它用酒酿酵母（saccharomyces cerevisiae）重组菌株作为生物元件，这些菌株带有酒酿酵母cup1基因上的铜离子诱导启动子与大肠杆菌lacz基因的融合体。其工作原理，首先是cup1启动子被cu2+诱导，随后乳糖被用作底物进行测量。如果cu2+存在于溶液中，这些重组体细菌就可以利用乳糖作为碳源，这将导致这些好氧细胞需氧量的改变。该生物传感器可以在浓度范围()´10-3mol范围内测定cuso4溶液。目前已经将各类金属离子诱导启动子转入大肠杆菌中，使得大肠杆菌会在含有各种金属离子的的溶液中出现发光反应。根据它发光的强度可以测定重金属离子的浓度，其测量范围可以从纳摩尔到微摩尔，所需时间为60~100min[15][16]。用于测量污水中锌浓度的生物传感器也已经研制成功，使用嗜碱性细菌alcaligenes cutrophus，并用于对污水中锌的浓度和生物有效性进行测量，其结果令人满意[17]。估测河口出水流污染情况的海藻传感器是由一种螺旋藻属蓝细菌（ cyanobacterium spirlina subsalsa）和一个气敏电极构成的。通过监测光合作用被抑制的程度来估测由于环境污染物的存在而引起水的毒性变化。以标准天然水为介质，对三种主要污染物（重金属、除草剂、氨基甲酸盐杀虫剂）的不同浓度进行了测定，均可监测到它们的有毒反应，重复性和再生性都很高[18]。近来由于聚合酶链式反应技术（pcr）的迅猛发展及其在环境监测方面的广泛应用，不少科学家开始着手于将它与生物传感器技术结合应用。有一种应用pcr技术的dna压电生物传感器，可以测定一种特殊的细菌毒素。将生物素酰化的探针固定在装有链酶抗生素铂金表面的石英晶体上，用1´10-6mol的盐酸可以使循环式测量在同一晶体表面进行。用细菌中提取的dna样品进行同样的杂交反应并由pcr放大，产物为气单胞菌属（aeromonas hydrophila）的一种特殊基因片断。这种压电生物传感器可以鉴别样品中是否含有这种基因，这为从水样中检测是否含带有这种病原的各种气单胞菌提供了可能[19]。还有一种通道生物传感器可以检测浮游植物和水母等生物体产生的腰鞭毛虫神经毒素等毒性物质，目前已经能够测量在一个浮游生物细胞内含有的极微量的psp毒素[20]。dna传感器也在迅速的得到应用，目前有一种小型化dna生物传感器，能将dna识别信号转换为电信号，用于测量水样中隐孢子和其他水源传染体。该传感器着重于改进核酸的识别作用和加强该传感器的特异性和灵敏性，并寻求将杂交信号转化为有用信号的新方法，目前研究工作为识别装置和转换装置的一体化[21]。微藻素是一种从蓝藻细菌引起的水华中产生的细菌肝毒素，一种固定有表面细胞质粒基因组的生物传感器已经制得，用于测量水中微藻素的含量，它直接的测量范围是50~1000 ´10-6g/l[22]。 一种基于酶的抑制性分析的多重生物传感器用于测量毒性物质的设想也已经提出。在这种多重生物传感器中，应用了两种传导器―对ph敏感的电子晶体管和热敏性的薄膜电极，以及三种酶―尿素酶、乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶。该生物传感器的性能已经得到测试，效果较好[23]。除了发酵工业和环境监测，生物传感器还深入的应用于食品工程、临床医学、军事及军事医学等领域，主要用于测量葡萄糖、乙酸、乳酸、乳糖、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等各种氨基酸，以及各种致癌和致变物质。三、 讨论与展望 美国的harold 指出，生物传感器商品化要具备以下几个条件：足够的敏感性和准确性、易操作、价格便宜、易于批量生产、生产过程中进行质量监测。其中，价格便宜决定了传感器在市场上有无竞争力。而在各种生物传感器中，微生物传感器最大的优点就是成本低、操作简便、设备简单，因此其在市场上的前景是十分巨大和诱人的。相比起来，酶生物传感器等的价格就比较昂贵。但微生物传感器也有其自身的缺点，主要的缺点就是选择性不够好，这是由于在微生物细胞中含有多种酶引起的。现已有报道加专门抑制剂以解决微生物电极的选择性问题。除此之外，微生物固定化方法也需要进一步完善，首先要尽可能保证细胞的活性，其次细胞与基础膜结合要牢固，以避免细胞的流失。另外，微生物膜的长期保存问题也待进一步的改进，否则难于实现大规模的商品化。 总之，常用的微生物电极和酶电极在各种应用中各有其优越之处。若容易获得稳定、高活性、低成本的游离酶，则酶电极对使用者来说是最理想的。相反的，若生物催化需经过复杂途径，需要辅酶，或所需酶不宜分离或不稳定时，微生物电极则是更理想的选择。而其他各种形式的生物传感器也在蓬勃发展中，其应用也越来越广泛。随着固定化技术的进一步完善，随着人们对生物体认识的不断深入，生物传感器必将在市场上开辟出一片新的天地。--------------------------------------------------------------------------------参考文献[1]韩树波，郭光美，李新等.伏安型细菌总数生物传感器的研究与应用[j].华夏医学，2000，63（2）：49-52 [2]蔡豪斌.微生物活细胞检测生物传感器的研究[j]. 华夏医学，2000，13（3）：252-256[3] trosok sp, driscoll bt, luong jht mediated microbial biosensor using a novel yeast strain for wastewater bod measurement[j]. applied micreobiology and biotechnology，2001， 56 (3-4): 550-554 [4] 张悦,王建龙，李花子等.生物传感器快速测定bod在海洋监测中的应用[j].海洋环境科学，2001，20(1)：50-54[5] yoshida n, mcniven sj, yoshida a, compact optical system for multi-determination of biochemical oxygen demand using disposable strips[j]. field analytical chemistry and technology，2001，5 (5): 222-227[6] meyer rl, kjaer t, revsbech np. use of nox- microsensors to estimate the activity of sediment nitrification and nox- consumption along an estuarine salinity, nitrate, and light gradient[j]. aquatic microbial ecology, 2001，26 (2): 181-193[7]王晓辉，白志辉，孙裕生等.硫化物微生物传感器的研制与应用[j]. 分析试验室，2000，19（3）：83-86[8] alexander d c,costanzo m a, guzzo j, cai j, towards the next millennium: luciferase fusions to identify genes responsive to environmental stress[j].water, air and soil pollution, 2000，123(1-4):81-94[9] makarenko aa, bezverbnaya ip, kosheleva ia,etc. development of biosensors for phenol determination from bacteria found in petroleum fields of west siberia[j].applied biochemistry and microbiology, 2002，38 (1): 23-27[10]semenchuk in, taranova la, kalenyuk aa,etc. effect of various methods of immobilization on the stability of a microbial biosensor for surfactants based on pseudomonas rathonis t[j]. applied biochemistry and microbiology, 2000， 36 (1): 69-72[11]yamazaki t, meng z, mosbach k,etc. a novel amperometric sensor for organophosphotriester insecticides detection employing catalytic polymer mimicking phosphotriesterase catalytic center[j]. electrochemistry，2001，69 (12): 969-97[12] nakamura h. phosphate ion determination in water for drinking using biosensors[j]. bunseki kagaku，2001，50 (8): 581-582[13] a, lucaciu i, fleschin s, magearu v. microbial biosensor for nonyl-phenol etoxylate (np-80e) [j].south african jounal of chemistry-suid-afrikaanse tydskrif vir chemie , 2000，53 (1): 14-17[14] leth s, maltoni s, simkus r,etc. engineered bacteria based biosensors for monitoring bioavailable heavy metal[j].electroanalysis, 2002，14 (1): 35-42 [15] lehmann m, riedel k, adler k,etc. amperometric measurement of copper ions with a deputy substrate using a novel saccharomyces cerevisiae sensor[j]. biosensors and bioelectronics, 2000， 15 (3-4): 211-219[16] riether kb, dollard ma, billard p. assessment of heavy metal bioavailability using escherichia coli zntap lux and copap lux-based biosensors[j]. applied microbiology and biotechnology，2001，57 (5-6): 712-716[17] karlen c, wallinder io, heijerick d, etc. runoff rates and ecotoxicity of zinc induced by atmospheric corrosion[j]. science of the total environment，2001，277 (1-3): 169-180[18] campanella l,cubadda f,sammartino m p, algal biosensor for the monitoring of water toxicity in estuarine enviraonments[j].wate research, 2001,35(1):69-76[19] tombelli sara,mascini marco,soca cristiana, dna piezoelectric biosensor assay coupled with a polyerase chain reaction for bacterial toxicity determination in environmental samples[j]. analytica chimica acta,2000,418(1):1-9[20] lee hae-ok,cheun byeung soo,yoo jong su, of a channel biosensor for toxicity measurements in cultured alexandrium tamarense[j]. journal of natural toxins,2000, 9(4):341-348[21] wang, dna biosensor for detecting cryptosporidium in water samples. technical . comletion-311, 2000(3), 26p [22]nakamura c, kobayashi t, miyake m,etc. usage of a dna aptamer as a ligand targeting microcystin[j]. molecular crystals and liquid crystals, 2001, 371: 369-374 [23]arkhypova vn, dzyadevych sv, soldatkin ap, etc. multibiosensor based on enzyme inhibition analysis for determination of different toxic substances[j]. talanta,2001, 55 (5): 919-927the recent research and application of biosensorabstract: in this article, the recent research progress and application of biosensors ,especially the micro- biosensors, are reviewed, and the prospect of biosensors development is also prognosticated. biosensors are made up of bioelectrode , using immobile organism as sensitive material for molecule recognition, together with oxygen-electrode, membrane -eletrode and fuel-electrode. biosensors are broadly used in zymosis industry, environment monitor, food monitor and clinic medicine. fast, accurate, facilitate as biosensors is,there will be an excellent prospect for biosensors in the marketkeywords:biosensor, zymosis -industry, environment-monitor作者简介：何星月：中国科学技术大学生命科学院，合肥230027刘之景，中国科学技术大学天文与应用物理系教授，合肥230026电话：0551―3601895
光纤通信系统仿真研究论文
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光纤通信在配电网自动化上的应用 论文 1前言随着国家经济的发展和人民生活水平的提高，人们对电力的需求日益增长，同时对供电的可靠性和供电质量提出了更高的要求。配网馈线自动化是配网系统提高供电可靠性最直接有效的技术手段之一。在近几年国家加大了对城网和农网的改造，国内各大供电局对配电网自动化的投入也在加大。在配网自动化实现的过程中，我们发现通信问题是一个难点问题。在此，仅就光纤通信在配网自动化方面的应用谈一点认识和体会。 2配电网自动化对通信的要求 同调度SCADA系统一样，配电自动化系统也需要一个有效的通信网，同时他有自己的特点：终端数量极多。配网系统拥有众多的开闭所、配电变压器、柱上断路器，要对这些设备进行监控就需要许多FTU和TTU，同时这些FTU随配电设备安装，地域分布广，通讯节点分散。 配网自动化系统的规模、复杂程度和自动化程度决定了通信系统应满足下述要求： (1)可靠性： 配网系统的通信设备有很多暴露在室外，环境恶劣，因此必须能够抵御高温、低温、日晒、雨淋、风雪、冰雹和雷电等自然环境的侵袭。同时，尽量避免各种电磁干扰，保证长期稳定可靠地工作，并要求在线路停电时，通信系统仍能正常工作。 (2)经济性： 考虑到配电网系统的总体经济效益，通信系统的投资不应过大，力争充分利用现有的主网通信资源，进行主、配网整体规划，避免重复投资。 (3)寻址量大： 通信系统不仅要考虑目前及未来的数据传输的需要，还要考虑系统升级的要求。 (4)双向通信： 配网自动化要实现遥测、遥信、遥控功能，就必须要求具有双向通信能力。 (5)容易操作和免维护。 根据以上的要求，伴随着光纤价格的下降，目前，光纤通信正广泛地应用于电力系统。 3光纤通信 自激光器和低损耗光纤问世以来，光纤通信系统以其技术、经济上无可比拟的优越性而迅速崛起，并风靡全球。该系统是以光纤为传输介质，以光为载波信号传递信息的通信系统，应用的光波波长为～1.μm靘，整个系统由电端机、光端机、光缆和中继器构成。光纤可分为单模光纤(SMF)、多模光纤(MMF)、长波长低射散光纤(LMF)、保偏光纤(PMF)及塑料光纤(POF)等很多种；常用的为单模和多模光纤，多模光纤就是传输多个光波模式，而单模光纤只传输一个光波模式。单模光纤比多模光纤传输距离长，目前一般地，光信号在多模光纤内可传6km左右，在单模光纤内可传30km。因此，单模光设备的价格要高于多模光设备。实用的光纤通常都是由多根光纤、加强芯、保护材料、固定材料等组合成光缆构成的传输线。 光纤MODEM可完成光信号与数字信号之间的相互转换。光纤MODEM一般有一个以上的数据口用以传递同步或异步信号。通信速率可达到2Mbps或更高，配网常用的通信速率一般为同步N×64K或异步19200bps以下。故足以满足配网通信的需要，光纤MODEM的连接示意图如下：另外，还有一种光纤MODEM具有双环自愈功能。这一功能使通信的可靠性大大增强。其功能示意图如图2所示：图2(I)中，A，B，C三点是通过自愈光MODEM实现的双环网，若在D点发生故障，则如图2(II)所示，光路在A站和C站愈合(环回)，使通信不受影响，同时向主站发出相应的告警及定位信号，使维修人员及时修复故障段光缆。4光纤通信的特点 光纤通信具有通信容量大，衰减小，不怕雷击，抗电磁干扰、抗腐蚀、保密性好、可靠性高、敷设方便等优点，不过投资费用相对较高，尤其对于城区内直埋式电缆线路的光纤敷设，施工费用将更大。 5光纤通信在配电网上的实现方案 光纤通信的组网方式非常灵活，可以构架成星型、链型、树状、网状、单纤网、双纤网、环上多分支、多环相交、多环相切等各种拓扑结构的网络。 根据配电自动化系统的特点，光纤网通常需组成环型网，并与计算机局域网连接，实现数据共享。常用的组网方式如图3所示。图3中：“S”表示网络服务器，“W1、W2、Wn”表示工作站，“b”表示变电所，“k”表示开闭所，“T”表示配电变压器。 实际工程设计中，充分考虑到电力通信专网拓扑结构的复杂性，SDH传输系统可以采用多达126个E1(2M口)全交叉连接和双主光环+多光分支的设计思想。基本构架为1～3个SDH／STM-1双纤自愈环相交或相切，而且在需要时，可通过更换光卡的方式在线升级为SDH／STM-4。如果局调度中心局域网位于网络地理中心，建议设计为相切环，以调度中心为切点，如图4所示；如果局调度中心局域网偏离网络地理中心，建议设计为相交环，由于调度中心不在交点，为了环间可靠转接，各环相交至少两点，互为保护路由，如图5所示。6结束语 在实际的配网自动化的通信系统，必须构建一个成本低、收效高的双向通信系统，用可以接受的费用在可靠性和信息流量方面提供非常高的性能。同时，由于配电网自动化系统所要完成的功能太多而系统复杂，采用单一的通信系统来满足所有的功能需要是不现实的，也是不经济的。因此，在配电网自动化系统中，要应用多种通信方式，按综合的经济技术指标而选取其中最优的组合。在电力系统中较常用的通信方式还有一点多址数字微波、数传电台、无线扩频、专线电缆、邮电本地网、载波、扩频载波等，可供组网时选择。
仿真技术在光纤通信实验教学中的应用论文
摘要：本文将Optisystem和Matlab联合仿真技术引入光纤通信实验教学，学生通过虚拟仿真技术，更清晰直观地进行实验，并且节省硬件设备投资，取得良好的教学效果。
关键词：仿真技术光纤通信实验技术应用
随着通信技术的迅猛发展，光纤通信作为通信专业的一门重要必修课程，在培养通信人才能力的角色中扮演着越来越重要的作用[1]。光纤通信是一门物理学和通信学的交叉学科，其中涉及很多物理学和通信学科的基础理论和基础知识，这给学生学习掌握好这门课程带来很大的挑战。
光纤通信作为一门工程学科，不仅仅教授理论内容，其实践内容也占有非常重要的地位。由于资金的限制，电信级的设备无法购入，因此光纤通信实验课基本以试验箱为主，再配合其他测试仪器完成实验教学，这种模式存在诸多问题，比如实验设备具有使用寿命、易老化；实验项目方法单一、缺乏灵活性；很难进行综合性开发、二次开发；难以深入了解其内部工作原理等。随着计算机仿真技术的发展，国内外高校越来越重视该技术在实验教学中的应用，目前各大高校已经陆续开始建设虚拟仿真实验室。本文将Optisystem和Matlab联合仿真技术引入光纤通信实验教学中，不仅克服了传统实验教学的弊端，还带来了实验开设的便利性、重复性、精准性等优势，取得了良好的教学效果。
1。Optisystem仿真系统
Optisystem是加拿大Optiwave公司推出的一款计算机仿真系统[2]，主要用于光纤通信系统的器件仿真、系统设计等。Optisystem提供了良好的可扩展性，可与Matlab进行联合仿真，只需要在仿真系统中添加一个Matlab组件即可，使用起来方便简单[3]。在使用Optisystem与Matlab协同仿真的时候，首先要了解Optisystem的信号输入Matlab工作空间的格式。
其数据格式如图1所示。
图1Matlab空间数据格式
由图1（a）可以看出，Optisystem的信号格式包括“TypeSignal”，字符类型，表示该信号的类型为光信号、电信号或二进制信号；“Sampled”，结构体，Optisystem的信号就包含在该字段当中。“Parameterized”，结构体，参数化字段，表示一些与时间平均有关的量，如平均功率、中心波长、偏振态等；“Noise”，结构体，表示噪声数据；“Channels”，表示该信号的波长，是指中心波长。
如果选择的是频率抽样信号，则Sampled的数据格式如图1（b）所示。如果选择的是时间抽样信号，则Sampled的数据格式如图1（c）所示。到底是时间信号还是频率信号，由具体问题决定。使用Matlab在时域对信号处理时，就选择时域抽样，否则，选择频域抽样。由图1（b）、图1（c）看出，Smapled包含两个字段，一个是Signal字段，该字段是信号在抽样点的值，另一个是Frequency或Time字段，该字段是抽样点的频点或时间点。
2。频域的Optisystem与Matlab联合仿真
为了进一步说明Optisystem与Matlab联合仿真技术在光纤通信实验教学中的应用，用以下例子做说明。本部分是频域的联合仿真，第3部分是时域的联合仿真。在本部分的例子中，我们使用Matlab代码，对连续波激光器的输出光谱进行右移1THz的操作。其搭建的Optisystem系统如图2所示。
图2光谱右移Optisystem系统
图2中，连续波激光器发出的激光，输入Matlab组件，使用Matlab组件对其进行频移操作。注意：需要把Matlab组件中的“Sampledsignaldomain”设置为“Frequency”，表示在频域采集信号。把Matlab组件中的“RunCommand”设置为Matlab脚本的名字。以下是编写的Matlab脚本代码，名字为frequench_shift。m
OutputPort1=InputPort1；
f=InputPort1。Sampled。Frequency；%输入光信号的频谱
OutputPort1。Sampled。Frequency=f+1e+12；%输出光谱频率右移1THz
使用光谱仪分别测试连续波激光器的输出光谱和经过Matlab组件处理过后的光谱，分别如图3（a）和（b）所示。
（a）（b）
图3（a）连续波激光器光谱；（b）Matlab组件输出光谱
通过比较图3（a）和（b）可以看出，连续波激光器的输出光谱中心频率位于193。1THz处，而Matlab组件的输出光谱位于194。1THz处，这说明光谱被Matlab组件右移了1THz。仅仅使用了三行Matlab代码即实现了频移操作，非常简洁方便有效。
3。时域的Optisystem与Matlab联合仿真
在时域的Optisystem与Matlab联合仿真中，以光信号的幅度调制为例。搭建的Optisystem系统如图4所示。
图4Matlab实现的光信号幅度调制
在图4中，连续波激光器输出的光信号和调制信号输入Matlab组件，Matlab组件完成对信号的光幅度调制。搭建Matlab组件时，需要设置两个输入端口，其中一个电端口，一个光端口。调制信号采用1Gbit/s的伪随机序列，使用NRZ模块产生1Gbit/s的NRZ格式的伪随机序列。把伪随机序列和连续波激光器输出的'光信号同时输入Matlab组件，用来产生幅度调制光信号。对于光信号的幅度调制，其数学表达式为：
Eout（t）=Ein（t）。[modulation（t）]1/2
其中Eout（t）是输出的光幅度调制信号，Ein（t）是输入的连续波光信号，modulation（t）是调制电信号。
Matlab脚本代码如下，名字为am。m
OutputPort1=InputPort1；
[is，cs]=size（InputPort1。Sampled）；
len=length（InputPort1。Sampled）；
forcounter=1：cs
OutputPort1。Sampled（1，counter）。Signal=。。。
InputPort1。Sampled（1，counter）。Signal。*。。。
sqrt（InputPort2。Sampled（1，counter）。Signal）；
end
（a）（b）
图5（a）伪随机序列时域波形；（b）光幅度调制时域波形
运行Optisystem系统，进行仿真，仿真结束，使用电域示波器（OscilloscopeVisualizer）观测1Gbit/s的伪随机序列NRZ码时域波形。使用光域示波器（OpticalTimeDomainVisualizer）观测Matlab组件的输出时域波形，如图5所示。
其中图5（a）是伪随机序列的时域波形，图5（b）是经过Matlab处理之后的光幅度调制时域波形。通过对比图5（a）和（b）可以知道，使用Matlab组件实现的幅度调制器，能够正常地把伪随机序列码调制到光波上，从而实现数字光信号的幅度调制。
4。结语
本文以Optisystem和Matlab联合仿真为例，介绍了仿真技术在光纤通信实验教学中的应用。通过频域联合仿真和时域联合仿真两个实例，分析了在Optisystem中如何使用Matlab组件进行联合仿真。使用联合仿真技术，可以大大拓展Optisystem的使用范围，学生通过使用仿真技术，不仅能够把课堂上学习的理论知识应用于实践，知其然也知其所以然，还能够巩固学习效果，提高能力，为培养应用型人才打下良好的基础。
参考文献：
[1]王秋光，张亚林，胡彩云，赵莹琦。 OptiSystem仿真在光纤通信实验教学中的应用[J]。实验室科学，2015（2）。
[2]韩力，李莉，卢杰。基于Optisystem的单模光纤WDM系统性能仿真[J]。大学物理实验，2015（10）。
[3]赵赞善，罗友宏，谢娇。 Optisystem中Matlab Component模块的扩展应用[J]。电信技术，2012（12）。
码分多址蜂窝移动通信系统CDMA技术的优点及问题及越区切换由于CDMA技术本身所固有的许多特点,使它非常适合于数字蜂窝移动通信系统。它的优点主要表现在如下10个方面。1.语音激活技术 统计结果表明,人们在通话过程中,只有35%的时间在讲话,另外65%的时间处于听对方讲话、话句间停顿或其他等待状态。在CDMA数字蜂窝移动通信系统中,所有用户共享同一个无线频道,当某一用户没有讲话时,该用户的发射机不发射或少发射功率,其他用户所受到的干扰都相应地减少。为此,在CDMA系统中,采用相应的编码技术,使用户的发射机所发射的功率随着用户语音编码的需求来作调整。当用户讲话时语音编码器输出速率高,发射机所发射的平均功率大;当用户不讲话时语音编码器输出速率很低,发射机所发射的平均功率很小,这就是语音激活技术。在蜂窝移动通信系统中,采用语音激活技术可以使各用户之间的干扰平均减少65%。也就是当系统容量较大时,采用语音激活技术可以使系统容量增加约3倍,但当系统容量较小时,系统容量的增加值要降低。在频分多址、时分多址和码分多址三种制式中,唯有码分多址可以方便而充分地利用语音激活技术。如果在频分多址和时分多址制式中采用语音激活技术,其系统容量将有不同程度的提高,但二者都必须增加比较复杂的功率控制系统,而且还要实现信道的动态分配,其结果必然带来时间延迟和系统复杂性的增加,而在CDMA系统中实现这种功能就相对简单得多。 2.扇区划分技术 扇区划分技术是位于蜂窝小区中心的基站利用天线的定向特性把蜂窝小区分成不同的扇面,如下图所示。常用的方式有利用120°圆形覆盖的定向天线组成的三叶草形无线区(图(a));利用60°扇形覆盖的定向天线组成的三角形无线蜂窝区(图(b));利用120°扇形覆盖的定向天线组成的120°扇形无线蜂窝区(图(c))。 在频分多址和时分多址制式中,在每个蜂窝小区中采用分扇区天线通常只能起到减少干扰的作用,不能增加系统容量。而在码分多址制式蜂窝移动通信系统中,利用120°扇形覆盖的定向天线把一个蜂窝小区划分成三个扇区(如图(c)所示)时,平均处于每个扇区中的移动用户是该蜂窝的三分之一,相应的各用户之间的多址干扰分量也减少为原来的三分之一左右,从而系统的容量将增加约3倍(实际上,由于相邻扇区之间有重叠,一般只能提高到倍)。3.高系统容量 由于码分数字蜂窝移动通信系统可以通过采用上述两种方法以及其他技术直接地或间接地提高系统容量,使码分系统的容量比模拟FDMA系统及数字GSM系统都要高出若干倍。理论分析表明,在相同的频率带宽下,对于宽带码分系统,每个蜂窝小区所能提供的信道数是模拟FDMA系统的20倍左右,是数字GSM系统的10倍左右;对于窄带码分系统来说,其系统容量的优势有所降低,但也是模拟FDMA系统的10倍以上,是数字GSM系统的3倍以上。由此可以看出,在移动通信事业迅猛发展的今天,移动用户量日益猛增,而频率资源日趋紧张,采用码分数字蜂窝移动通信系统是势在必行。4.软容量 在模拟频分系统和数字时分系统中,通信信道是以频带或时隙的不同来划分的,每个蜂窝小区提供的信道数一旦固定,很难改变。当没有空闲信道时,系统会出现忙音,移动用户不可能再呼叫其他用户或接收其他 用户的呼叫。当移动用户在越区切换时,也很容易出现通话中断现象。在码分系统中,信道划分是靠不同的码型来划分的,其标准的信道数是以一定的输入、输出信噪比为条件的,当系统中增加一个通话用户时,所有用户输入、输出信噪比都有所下降,但不会出现因没有信道而不能通话的现象。例如对一个标准信道数为40的扇区来说,当第41个用户呼叫时,对所有移动用户的影响是接收机的输入信噪比下降10lg(41/40)=,即使再增加两个用户通信,比标准多三个,其影响是所有接收机的输入信噪比下降10lg[(40+3)/40]=,这使该扇区内的移动用户信息数据的误码率有所升高,通话质量有所下降,但增加的三个用户都不会发生因无信道而出现忙音的现象。这对于解决通信高峰期时的通信阻塞问题和提高用户越区切换的成功率无疑是非常有益的。5.软切换 当移动用户从一个小区(或扇区)移动到另一个小区(或扇区)时,移动用户从一个基站的管辖范围移动到另一个基站的管辖范围,通信网的控制系统为了不中断用户的通信就要做一系列的调整,包括通信链路的转换,位置更新等,这个过程就叫越区切换。越区切换实现了小区(或扇区)间的信道转换,是保证一个正在处理或进行中的呼叫的不中断运行。 在模拟FDMA系统和数字TDMA系统中,移动用户在越区切换时,需要在另一个小区(或扇区)寻找空闲信道,当该区有空闲信道时才能切换。这时移动台的收、发频率等都要作相应的调整,称之为硬切换。这种切换过程是首先切断原通话通路,然后与新的基站接通新的通话链路。这种先断后通的切换方式势必引起通信的短暂间断。另外由于通信环境的影响,在两小区的交叠区域内,移动台接收到的两个基站发来的信号的强度有时会出现大小交替变化,从而导致越区切换的“乒乓”效应,用户会听到“咔嗒”声,对通信产生不利的影响。此外切换时间也较长。 在CDMA系统中,由于所有的小区(或扇区)都可以使用相同的频率,小区(或扇区)之间是以码型的不同来区分的。当移动用户从一个小区(或扇区)移动到另一个小区(或扇区)时,不需要移动台的收、发频率切换,只需在码序列上作相应地调整,称之为软切换。软切换的优点在于首先与新的基站接通新的通话,然后切断原通话链路。这种先通后断的切换方式不会出现“乒乓”效应,并且切换时间也很短。另外由于CDMA系统有“软容量”的优点,越区切换的成功率要远大于模拟FDMA系统和数字TDMA系统,尤其是在通信的高峰期。6.特有的分集形式 在CDMA系统中,由于采用了宽带传输,使它具有了特有的频率分集特性,即当信道具有选频特性时,对CDMA系统中信息传输影响较小。 CDMA系统有分离多径信号的能力,可以实现路径分集。由于移动通信环境的复杂和移动台的不断运动,接收到的信号往往是多个反射波的叠加,形成多径衰落。在模拟FDMA系统和数字TDMA系统中,为了解决多径衰落对通信带来的不利影响,采取了包括增加发射功率等一系列措施。在CDMA系统中,可以采用它特有的技术(如瑞克(RAKE)接收技术),将多径信号分离出来, 分别接收,这样不但克服了多径衰落对通信带来的不利影响,还等效增加了接收有用信号的功率(或者说等效增加了发射信号的功率)。由于这种特有的分集形式以及其他措施,使CDMA系统的发射功率相对很低。 除了这种特有的分集形式外,CDMA系统还采用其他分集技术,如空间分集、时间分集等,使CDMA系统的性能更加提高。7.与窄带系统(模拟系统)共存 当码分系统与窄带系统(例如模拟FDMA系统)工作于同一频段时,由于在CDMA系统中采用了宽带传输方式,并且发射功率较低,平均落到每个窄带系统中的带宽内的干扰信号功率很小。尤其是宽带CDMA系统,其对窄带系统的影响可以忽略不计,窄带系统对CDMA系统的影响可以等效为“人为干扰”,由于CDMA系统特有的抗干扰能力,把这个干扰降低到了最低限度。 这个干扰的存在只使得CDMA系统的容量降低,但不妨碍CDMA系统的正常工作。CDMA系统的带宽越宽,两个系统共存时相互间的影响越小,反之则越大。这给CDMA系统与模拟窄带系统双模式共存以及由模拟移动通信系统向数字移动通信系统平滑过渡提供了可能性。8.良好的保密能力 码分数字移动通信系统的体制本身就决定了它具有良好的保密能力。首先在CDMA数字移动通信系统中必须采用扩频技术,使它所发射的信号频谱被扩展的很宽,从而使发射的信号完全隐蔽在噪声、干扰之中,不易被发现和接收,因此也就实现了保密通信。其次在通信过程中,各移动用户所使用的地址码各不相同,在接收端只有完全相同(包括码型和相位)的用户才能接收到相应的发送数据,对非相关的用户来说是一种背景噪声,所以CDMA系统可以防止有意或无意的窃取,具有很好的保密性能。9.发射功率低、移动台的电池使用寿命长 由于在码分数字移动通信系统中,可以采用许多特有的技术来提高系统的性能,所要求的发射功率大大降低,从而对电池的体积减小和使用寿命增长都是非常有益的,对移动台整机的体积减小和成本的降低也是有利的。10.频率分配和管理简单 在模拟频分多址和数字时分多址移动通信制式中,频率分配和管理是一项比较复杂的技术,而动态频率分配就更加复杂。在码分数字移动通信体制中,所有移动用户可以只用一个频率,不需要动态分配,其频率分配和管理都很简单。 以上是码分数字移动通信系统的主要优点,但同时它也存在需要人们攻克的难点。在CDMA数字移动通信系统中,突出的问题是远近效应。所谓远近效应是指距接收机近的用户对距离远的用户的干扰。 在CDMA数字移动通信系统中,由于在同一蜂窝的各用户使用的是同一频率,共享一个无线频道。由于路途衰耗的原因,距基站近的移动台所发射信号有可能完全淹没距离远(例如处于蜂窝区边缘)移动台所发送来的信号,如果不采取有力的措施,这将使基站无法正常接收远距离移动台所发送来的信号。而在模拟频分多址和数字时分多址移动通信系统中,由于各信道使用不同频率或时隙,且各信道之间有相应的保护带宽或保护时间,故远近效应问题不太突出。 当前,在CDMA系统中为解决这个问题所采取的措施主要有两种:第一种是信号处理方法,在接收端用信号处理的方法,依次逐个抵消掉较强信号,直到能解调出所需信号为止,但由于这种方法运算量很大及当前器件的运算速度等问题,还不能实际使用;当移动台距基站近时,其发射功率减小,当距离远时,发射功率增大,从而保证在基站所收到的每个移动台的信号功率相等,消除远近效应的影响,使系统处于最佳运行状态。功率控制技术已在实际当中采用,它是CDMA数字移动通信系统中的最关键技术之一。功率控制技术很复杂,其所控制的范围和精度直接影响到整个系统的性能,如偏差过大,不仅系统容量迅速下降,而且通信质量也将急剧下降。码分数字蜂窝移动通信网的网路结构如下图所示。 它是一个抽象的平面图,其实现将随着功能实体在各个物理单元中的分布情况不同而有所改变。各部分的作用和功能如下:1.移动台(MS) 其包括手机和车台等,是用户端终接无线信道的设备;通过空中无线接口Um,给用户提供接入网路业务的能力。2.基站(BS) 其设于某一地点,是服务于一个或几个蜂窝小区的全部无线设备的总称。它是在一定无线覆盖区域内,由移动交换中心(MSC)控制,与移动台通信的设备。3.移动交换中心(MSC) 是完成对位于它所服务的区域中的移动台进行控制、交换的功能实体,也是与其他MSC或其他公用交换网之间的用户业务的自动接续设备。4.归属位置寄存器(HLR) 是为了记录的目的而指定用户身份给它的一种位置登记器。登记的内容是用户的信息(例如ESN、DN、IMSI(MSI)、服务项目信息、当前位置、批准有效的时间段等)。5.拜访位置寄存器(VLR) 是MSC检索信息用的位置寄存器。例如处理发至或来自一个拜访用户的呼叫信息——用户号码、向用户提供本地用户的服务等参数。6.设备识别寄存器(EIR) 是为了记录的目的而分配用户设备身份给它的寄存器;用于对移动设备的识别、监视、闭锁等。7.鉴权中心(AC) 是一个管理与移动台相关的鉴权信息的功能实体。8.消息中心(MC) 是一个存储和转送短消息的实体。9.短消息实体(SME) 是合成和分解短消息的实体。有时HLR、VLR、EIR及AC位于MSC之中,SMC位于MSC、HLR或MC之中。 码分数字蜂窝移动通信网不是公共交换电话网(PSTN)的简单延伸,它是与PSTN、PSPDN、ISDN等并行的业务网。由于移动用户大范围的移动,该网在管理上应相对的独立。 通信系统的通信容量可以用不同的表征方法进行度量。对于点对点的通信系统而言,系统的通信容量可以用信道效率来度量,即用在给定的频率带宽中所能提供的最大信道数目进行衡量。一般地说,在给定的频率带宽中所能提供的信道数目越大,系统的通信容量也越大。在蜂窝移动通信系统中,系统的容量有多种衡量方法,如用每小区可用信道数(ch/cell)、每小区每兆赫兹可用 信道数(ch/cell/MHz)、每小区爱尔兰数(Erl/cell)、每平方公里用户数(用户数/km)以及每平方公里每小时通话次数(通话次数h/km)等进行度量。这些表征方法从不同的角度对系统的容量进行衡量,它们之间是有联系的,在一定的条件下可以互相转换。考虑到信道的分配涉及到频率复用和由此而产生的同频干扰问题,一般认为用每小区可用信道数(ch/cell)或每小区每兆赫兹限制CDMA数字蜂窝移动通信系统容量的原因是由于系统中存在多址干扰,即同时通信的移动用户之间的相互干扰。在某个蜂窝小区内,如果有N个用户同时通信,系统必须能提供N个或N个以上的(逻辑)信道。同时通信的用户数N越大,多址干扰越强。N的最大值就是系统容量,即在保证接收所需信号功率与干扰功率的比值大于或等于某一门限值的条件下,该小区同时通信的最大用户数。 首先考虑一般码分通信系统(即暂不考虑蜂窝移动通信系统的特点)的容量。若N个用户同时通信,每个用户的信号都受到其他N-1个用户信号的干扰。假定系统的功率控制是理想的,即到达接收机的所有N个信号强度都一样,则理论分析表明,此时系统容量为式中W是CDMA系统所占的有效频谱宽度;Rb是信息数据的速率;Eb是信息数据的一比特能量;N0是干扰(噪声)的功率谱密度(单位赫兹的干扰功率);W/Rb是CDMA系统的扩频增益。当CDMA系统所占的频谱宽度W一定时,它随着信息速率Rb的降低而增大。Eb/N0是比特能量与噪声密度比,其比值取决于系统对误码率或话音质量的要求,并与系统的调制方式和编码方案有关。 例如:N-CDMA系统所占的有效频谱宽度W=,话音编码速率Rb=,若比特能量与噪声密度比Eb/N0=7dB,则N=;若Eb/N0=6dB,则N=37。 结果说明:在满足一定通信要求的前提下,比特能量与噪声密度比Eb/N0越小,系统的容量越大。但在上面的结果中,没有考虑CDMA蜂窝系统的特点,还应该根据其特点对系统容量公式进行修正。1.采用语音激活技术提高系统容量 统计结果表明,对话的激活期(占空比)d=。也就是,人们在通话过程中平均只有35%的时间在讲话, 另外65%的时间处于听对方讲话、话句间停顿或其他等待状态。在CDMA数字蜂窝移动通信系统中,所有用户共享同一个无线频道,如果采用语音激活技术,使通信中的用户有语音时才发射信号,没有讲话时,该用户的发射机就停止发射功率,那么任一用户话音发生停顿时,其他用户所受到的干扰都会相应地平均减少65%,从而系统容量可以提高到1/d=倍。为此,CDMA数字蜂窝移动通信系统的计算公式变成式中d是语音占空比(d=)。2.利用扇区划分提高系统容量 在码分多址制式蜂窝移动通信系统中,利用120°扇形覆盖的定向天线把一个蜂窝小区划分成3个扇区时,处于每个扇区中的移动用户是该蜂窝的三分之一,相应的各用户之间的多址 干扰分量也减少为原来的约三分之一,从而系统的容量将增加约3倍(实际上,由于相邻天线覆盖区之间有重叠,一般能提高到G=倍左右)。为此,CDMA数字蜂窝移动通信系统的计算公式变为式中G是扇形分区系数(G=)。3.邻近蜂窝小区的干扰对系统容量的影响 根据码分多址蜂窝移动通信系统的特点,在CDMA蜂窝移动通信系统中,所有用户共享同一个无线频道,即若干个小区内的基站和移动台都工作在相同的频率上。因此,任一小区的移动台都会受到相邻小区基站的干扰,任一小区的基站也都会受到相邻小区移动台的干扰。这些干扰的存在必然会影响系统的容量。其中任一小区的移动台对 相邻小区基站(反向信道)的总干扰量和任一小区的基站对相邻小区移动台(正向信道)的总干扰量是不同的,对系统容量的影响也有所差别,下面分别加以简要说明。(1)正向信道(由基站到移动台) 在一个蜂窝小区内,基站不断地向所有通信中的移动台发送信号,移动台在接收它自己所需的信号同时,也接收到基站发给所有其他移动台的信号,而这些信号对它所需的信号将形成干扰。当系统采用正向功率 控制技术时,由于路径传播损耗的原因,位于靠近基站的移动台,受到本小区基站所发射的信号干扰比距离远的移动台要大,但受到相邻小区基站的干扰较小;位于小区边缘的移动台,受到本小区基站所发射的信号干扰比距离近的移动台要小,但受到相邻小区基站的干扰较大。移动台最不利的位置是处于3个小区交界的地方,如下图中的X点。 假设各小区中同时通信的用户数都是N,即各小区的基站同时向N个用户发送信号, 当移动用户从一个小区(或扇区)移动到另一个小区(或扇区)时,移动用户从一个基站的管辖范围移动到另一个基站的管辖范围,通信网的控制系统为了不中断通信就要做一系列的调整,包括位置更新、转换通信链路等,这个过程就叫越区切换。 越区切换实现了小区(或扇区)间和频道间的信道转换,保证了一个正在处理或进行中的呼叫的不中断运行。切换是由于无线转播、业务分配、操作和维护激活、设备故障等原因而产生的。例如:(1)移动台移动至小区的边界,信号强度低到一定程度;(2)移动台在小区中进入信号强度缝隙中(阴影区),信号恶化到一定程度;(3)移动交换中心发现一些小区太拥挤,而另一些小区很闲时,可命令拥挤的小区的一些移动台提前切换,以调整各小区的负荷量等等。对越区切换的基本要求是:(1)高的切换成功率;(2)减少系统中不必要的切换;(3)使用优化的越区切换算法来控制各小区的业务量;(4)切换速度快,切换经历的时间短;(5)对话音质量的影响小等。 在CDMA系统中的越区切换有两类,即硬切换(Hard Handoff)和软切换(Soft Handoff)。 硬切换是指移动台在不同频道之间的切换, 这些切换需要移动台变更收发频率,即先切断原来的收发频率,再搜索、使用新的频道。 硬切换会造成通话暂短中断,切换时间较长时(大于200ms),将影响用户通话。 软切换是指移动台在相同的CDMA频道中的切换。软切换不需要移动台变更收发频率,只需要在伪随机码的相位上作一调整。CDMA系统的移动台中有多个RAKE (瑞克)接收机,可以同时接收几个基站发来的信号。当需要切换时,移动台除了与原服 务基站保持通话链路外,还与新的基站建立了通话链路。直到移动台接收到的原基站发来的信号低于一门限时才切断与原基站的通话链路。这种先通后断的软切换保证了通话不会中断。通常所说的软切换中还包含一种更软切换(Softer Handoff)。更软切换是指同一蜂窝小区内不同扇区之间的切换。在两扇区边界,基站和移动台通过分集技术可以同时在两个扇区传输信号。 在软切换过程中,由于移动台中有多个RAKE接收机,移动台开始与目标基站建立通信时,不中断与原服务基站的通信,此时移动台同时与两个基站建立了通话链路。当原服务基站的信号强度低到一门限值时,再切断与原服务基站的通信联系。由于移动台在软切换中不变更收发频率,所以软切换只能在具有相同CDMA频道的小区(或扇区)之间进行切换。 软切换是CDMA系统中特有的一个重要概念。在CDMA蜂窝移动通信系统中,具有相同CDMA频道的各小区使用同一频率,移动台在小区之间移动时不需要像频分或时分系统那样重新分配频率或时隙,这使得软切换成为可能。 在CDMA系统中,一般情况下每个移动台拥有三个以上RAKE接收机,即每个移动台中有多个解调器,这允许移动台同时与两个或多个小区保持通信。 移动台在与基站A通信时,连续监视相邻小区的导频信号强度,任何一个导频信号(如基站B)的强度超过一预定的门限时,立即报告系统。系统则命令基站B建立与移动台的通信,开始软切换。此时移动台同时接收到来自两个基站的通信信号,两路信号密切结合,彼此加强。在反向链路上,移动交换中心根据基站接收的信号强度确定哪个基站的接收信号更强,从而选择它。参考文献[1] 樊昌信，等.通信原理.北京：国防工业出版社[2] 郭梯云,邬国扬,李建东. 移动通信. 西安:西安电子科技大学出版社 [3] 啜钢 等.移动原理通信与系统[M].北京邮电大学出版社 [4] 段丽.移动通信技术.人民邮电出版社[5] 韦惠民.蜂窝移动通信技术》.西安电子科技大学出版社 [6] 曹志刚,钱亚生. 现代通信原理. 北京:清华大学出版社[7] 邓华MATLAB通信仿真及应用实例详解. 北京: 人民邮电大学出版社[8] 姚东等MATLAB命令大全.北京人民邮电出版