光信号在单模光纤中是以（）方式传播。

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第12题

知识点：光缆光纤信号

关键词：单模光纤信号光纤章/节：数据通信基础

光信号在单模光纤中是以（）方式传播。

A. 直线传播

B. 渐变反射

C. 突变反射

D. 无线收发

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知识点讲解
· 光缆 · 光纤 · 信号

光缆

光缆由能传送光波的超细玻璃纤维（即光纤）和其他材料组合而成，光纤外包一层比玻璃折射率低的材料。进入光纤的光波在两种材料的界面上形成全反射，从而不断地向前传播。光纤分为多模光纤和单模光纤两种。在多模光纤中，光波以多种模式传播，不同的传播模式有不同的电磁场分布和不同的传播路径。在单模光纤中，光在其中无反射地沿直线传播。光纤的优点是具有很高的数据速率、极宽的频带、低误码率和低延迟，而且安全性和保密性好。

光纤

光纤全称“光导纤维”。光纤是由前香港中文大学校长高锟提出并发明的。1970年美国康宁公司首先研制出衰减为20dB/km的单模光纤，从此以后，世界各国纷纷开展光纤研制和光纤通信的研究，并得到了广泛的应用。

光纤是一种由玻璃或塑料制成的纤维，利用光的全反射原理而进行光传导的介质。是一种外包了一层保护层的、横截面积非常小的双层同心圆柱体。光纤结构如下图所示。

光纤剖面图

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。

光纤传输的优点

与其他传输介质相比，光纤传输的主要优点如下：

（1）传输频带宽、通信容量大。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。载波频率为48.5～300MHz的VHF（Very high frequency，甚高频）频段，带宽约250MHz。可见光的频率达100THz，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30THz。目前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30THz范围内安排2000个光载波，进行波分复用，传输频带更宽。

（2）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1.31μm的光，每公里损耗在0.5dB以下，若传输1.55μm的光，每公里损耗更小，可达0.2dB以下。这就是同轴电缆的功率损耗的亿分之一倍，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人均衡器进行均衡；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。

（3）电磁绝缘性能好。光纤线缆传输的是光束，而光束是不受外界电磁干扰影响的，而且光纤本身也不向外辐射信号，也不容易窃听，因此它适用于长距离的信息传输以及要求高安全的场合。

（4）中继器的间距距离大。整个通道的中继器数目可以减少，可以降低成本。根据贝尔实验室的测试，光纤线路中当数据速率为420Mb/s且距离为119km无中继器，误码率可以达到10^-8。

（5）重量轻。因为光纤非常细，单模光纤芯线直径一般小于10μm，外径也只有125μm，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。

（6）工作性能可靠。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。

（7）成本不断下降。目前，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。

光纤通信原理

实际上，如果不是利用光全反射的原理，光纤传输系统会由于光纤的漏光而变得没有实际利用价值。当光线经过两种不同折射率的介质进行传播时（如从玻璃到空气），光线会发生折射，如下图（a）所示。假定光线在玻璃上的入射角为α₁时，则在空气中的折射角为β₁。折射量取决于两种介质的折射率之比。当光线在玻璃上的入射角大于某一临界值时，光线将完全反射回玻璃，而不会射入空气，这样，光线将被完全限制在光纤中，而且几乎无损耗地向前传播，如下图（b）所示。

光折射原理

在上图（b）中仅给出了一束光在玻璃内部全反射传播的情况。实际上，任何以大于临界值角度入射的光线，在不同介质的边界都将按全反射的方式在介质内传播，而且不同频率的光线在介质内部将以不同的反射角传播。

光纤的分类

根据光纤纤芯直径的粗细，可将光纤分为多模光纤（Multi-mode Fiber，MMF）和单模光纤（Single-mode Fiber，SMF）两种。如果光纤纤芯的直径较粗，则当不同频率的光信号（实际上就是不同颜色的光）在光纤中传播时，就有可能在光纤中沿不同传播路径进行传播，将具有这种特性的光纤称为多模光纤。如果将光纤纤芯直径一直缩小，直至光波波长大小的时候，则光纤此时如同一个波导，光在光纤中的传播几乎没有反射，而是沿直线传播，这样的光纤称为单模光纤。

（1）单模光纤。单模光纤的纤芯直径很小，在给定的工作波长上只能以单一模式传输，传输频带宽，传输容量大。单模光纤的芯径为8～10μm，包层直径为125μm；使用的光波波长为1310nm、1550nm。

（2）多模光纤。多模光纤是在给定的工作波长上能以多个模式同时传输的光纤。多模光纤的纤芯直径较粗一般为50～200μm，包层直径为125～230μm；使用的光波波长为850nm、1300nm。

单模光纤的造价很高，且需要激光作为光源，但其无中继传输距离非常远，且能获得非常高的数据传输速率，一般用于广域网主干线路上。多模光纤相对来说无中继传播距离要短些，而且数据传输速率要小于单模光纤；但多模光纤的价格便宜一些，并且可以用发光二极管作为光源，多模光纤一般用于局域网组网时的传输介质。单模光纤与多模光纤的比较如下表所示。

单模光纤与多模光纤的比较

光纤的主要传播特性

光纤的主要传播特性为损耗和色散。损耗是光信号在光纤中传输时发生的信号衰减，其单位为dB/km。色散是到达接收端的延迟误差，即脉冲宽度，其单位是μs/km。光纤的损耗会影响传输的中继距离，色散会影响数据传输速率，两者都很重要。自1976年以来，人们发现使用1.3μm和1.55μm波长的光信号通过光纤传输时的损耗幅度大约为0.5～0.2dB/km；而使用0.85μm波长的光信号通过光纤传输时的损耗幅度大约为3dB/km。使用0.85μm波长的光信号在多模光纤中传输时，色散可以降至10μs/km以下；而使用1.3μm波长的光信号在单模光纤中传输时，产生的色散近似于零。因此单模光纤在传输光信号时，产生的损耗和色散都比多模光纤要低得多，因此单模光纤支持无中继距离和数据传输速率都比多模光纤要高得多。

信号

任务间同步的另一种方式是异步信号。在两个任务之间，可以通过相互发送信号的方式，来协调它们之间的运行步调。

所谓的信号，指的是系统给任务的一个指示，表明某个异步事件已经发生了。该事件可能来自于外部（如其他的任务、硬件或定时器），也可能来自于内部（如执行指令出错）。异步信号管理允许任务定义一个异步信号服务例程ASR（Asynchronous Signal Routine），与中断服务程序不同的是，ASR是与特定的任务相对应的。当一个任务正在运行的时候，如果它收到了一个信号，将暂停执行当前的指令，转而切换到相应的信号服务例程去运行。不过这种切换不是任务之间的切换，因为信号服务例程通常还是在当前任务的上下文环境中运行的。

信号机制与中断处理机制非常相似，但又各有不同。它们的相同点是：

.都具有中断性：在处理中断和异步信号时，都要暂时地中断当前任务的运行；

.都有相应的服务程序；

.都可以屏蔽响应：外部硬件中断可以通过相应的寄存器操作来屏蔽，任务也能够选择不对异步信号进行响应。

信号机制与中断机制的不同点是：

.中断是由硬件或特定的指令产生，而信号是由系统调用产生；

.中断触发后，硬件会根据中断向量找到相应的处理程序去执行；而信号则通过发送信号的系统调用来触发，但系统不一定马上对它进行处理；

.中断处理程序是在系统内核的上下文中运行，是全局的；而信号处理程序是在相关任务的上下文中运行，是任务的一个组成部分。

实时系统中不同的任务经常需要互斥地访问共享资源。当任务试图访问资源时被正使用该资源的其他任务阻塞，可能出现优先级反转的现象，即当高优先级任务企图访问已被某低优先级任务占有的共享资源时，高优先级任务必须等待直到低优先级任务释放它占有的资源。如果该低优先级任务又被一个或多个中等优先级任务阻塞，问题就更加严重。由于低优先级任务得不到执行就不能访问资源、释放资源。于是低优先级任务就以一个不确定的时间阻塞高优先级的任务，导致系统的实时性没有保障。下图为是一个优先级反转的示例。

一个优先级反转的示例

如上图所示，系统存在任务1、任务2、任务3（优先级从高到低排列）和资源R。某时，任务1和任务2都被阻塞，任务3运行且占用资源R。一段时间后，任务1和任务2相继就绪，任务1抢占任务3运行，由于申请资源R失败任务1被挂起。由于任务2的优先级高于任务3，任务2运行。由于任务3不能运行和释放资源R，因此任务1一直被阻塞。极端情况下，任务1永远无法运行，处于饿死状态。

解决优先级反转问题的常用算法有优先级继承和优先级天花板。

优先级继承协议

L. Sha、R. Rajkumar和J. P. Lehoczky针对资源访问控制提出了优先级继承协议（Priority Inheritance Protocol，PIP）。

PIP协议能与任何优先级驱动的抢占式调度算法配合使用，而且不需要有关任务访问资源情况的先验知识。优先级继承协议的执行方式是：当低优先级任务正在使用资源，高优先级任务抢占执行后也要访问该资源时，低优先级任务将提升自身的优先级到高优先级任务的级别，保证低优先级任务继续使用当前资源，以尽快完成访问，尽快释放占用的资源。这样就使高优先级任务得以执行，从而减少高优先级任务被多个低优先级任务阻塞的时间。低优先级任务在运行中，继承了高优先级任务的优先级，所以该协议被称作优先级继承协议。

由于只有高优先级任务访问正被低优先级任务使用的资源时，优先级继承才会发生，在此之前，高优先级任务能够抢占低优先级任务并执行，所以优先级继承协议不能防止死锁，而且阻塞是可以传递的，会形成链式阻塞。另外，优先级继承协议不能将任务所经历的阻塞时间减少到尽可能小的某个范围内。最坏情况下，一个需要μ个资源，并且与v个低优先级任务冲突的任务可能被阻塞min（μ，v）次。

优先级冲顶协议

J. B. Goodenough和L. Sha针对资源访问控制提出了优先级冲顶协议（Priority Ceiling Protocol，PCP）。

PCP协议扩展了PIP协议，能防止死锁和减少高优先级任务经历的阻塞时间。该协议假设所有任务分配的优先级都是固定的，每个任务需要的资源在执行前就已确定。每个资源都具有优先级冲顶值，等于所有访问该资源的任务中具有的最高优先级。任一时刻，当前系统冲顶值（current priority ceiling）等于所有正被使用资源具有的最高冲顶值。如果当前没有资源被访问，则当前系统冲顶值等于一个不存在的最小优先级。当任务试图访问一个资源时，只有其优先级高于当前系统冲顶值，或其未释放资源的冲顶值等于当前系统冲顶值才能获得资源，否则会被阻塞。而造成阻塞的低优先级任务将继承该高优先级任务的优先级。

已经证明，PCP协议的执行规则能防止死锁，但其代价是高优先级任务可能会经历优先级冲顶阻塞（Priority ceiling blocking）。即高优先级任务可能被一个正使用某资源的低优先级任务阻塞，而该资源并不是高优先级任务请求的。这种阻塞又被称作回避阻塞（avoidance blocking），意思是因为回避死锁而引起的阻塞。即使如此，在PCP协议下，每个高优先级任务至多被低优先级任务阻塞一次。使用PCP协议后，能静态分析和确定任务之间的资源竞争，计算出任务可能经历的最大阻塞时间，从而能分析任务集合的可调度性。在PCP协议下，高优先级任务被阻塞时会放弃处理器，因此，访问共享资源的任务可能会产生4次现场切换。

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