光链路和铜电缆链路比较：
如何为工业应用环境做出正确选择
白皮书
基于多个理由，工业环境对于数据通信网络的设计特别具有挑战性，基本上除非特别小心预先防范，否则这些充
满电磁干扰(EMI, Electro-Magnetic Interference)的极度高噪环境会对采用双绞线铜电缆链路架构的程序控制、自
动化反馈监测和数据网络造成严重影响。这些环境也会因为链路间不同的地电位引发过大的接地环路电流，加大
系统、输入输出电路卡以及零组件间电气绝缘的压力，提高数据率则更进一步加剧这些问题，使得高效网络设计
面临更大的挑战，其中媒介的选择至为关键。
光纤链路为这些和其他工业环境所引发的问题提供了解答，例如塑料光纤(POF, Polymer Optical Fiber)目前正在
许多工业应用，例如RS-485和快速以太网中逐渐取代铜电缆，不同于可能成为天线并在整个网络传递噪声的铜
电缆，玻璃和塑料光纤为介电材料，因此可以免于常见于电机驱动、交流直流电源逆变器和配电系统中杂散电磁
场的干扰，这些光纤甚至可以被放置在高电压电缆旁而不需要担心串扰，而双绞线铜电缆则需要一个最小的间隔
距离或昂贵的电力线屏蔽以保证无差错的数据传输。
光纤也可以完全消除接地环路以及它可能带来的噪声和安全问题，光纤固有的绝缘特性可使系统集成直接和高
效，另外光纤也非常适合高电压应用中的许多监测和控制功能，可以说是目前通过隔离屏障连接高电流高电压开
关触发控制电路的最好媒介。
许多设计工程师一直不愿意在数据和控制网络中使用光纤，大多数原因是担心成本的问题，使用或布建的困难
度，甚至是只因为对铜电缆比较熟悉，和受到传统铜电缆基础设施大量使用的影响，不过正如本篇白皮书将要证
明的一样，相对于铜电缆，光纤在电气绝缘、共模抑制和电磁干扰抗扰度上是一个可行的替代方案，更进一步
说，它在成本上非常具有竞争力，对于某些环境，甚至可以带来相对于铜电缆更简单的使用、设计和安装。
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0 2000 4000 6000 8000 10000
最小爬电距离[cm]
工作电压 DC [V]
设备处于长期压力下的最小爬电距离要求
室外(污染等级4)
污染物(污染等级3)
工业环境(污染等级2)
办公室(污染等级1)
图1：基于IEC 664-1:1992标准值的建议最小爬电距离。
电气绝缘
铜电缆连线是一个成功应用于各种广泛工业、医疗和特殊应用传输数据的成熟技术，但是在许多情况下，铜电缆
的使用非常困难甚至不可能，设计工程师通常采用差分长线接收器、射频、磁性、电容或光电耦合器以及变压器
等来确保足够的电气绝缘，例如在电气系统中分离功能区块避免直流电流进入，然而，设计工程师在安装时和安
装后也必须尽可能地避免邻近电源线或接地电位差引起的噪声感应到铜电缆上造成数据错误，在存在极大开关电
流和电压，如大型风力涡轮机或太阳能电池板阵列，这些预防措施明显不足。
不同于铜电缆导线，光纤并不需要严格的接地规则来避免接地环路的干扰，也不用终端电阻来避免反射，只要适
当利用，光收发器和光纤电缆可以避免雷击造成昂贵设备的破坏，提供户外和塔顶安装应用的安全隔离。
依IEC 664-1:1992标准值，参考图1，即使在最糟可能环境下，即室外，10kV工作电压的最低标准距离为45cm，
这对于典型的塑料光纤应用可以视为极短距离，对于平均布建长度为10米的情况，可能的工作电压可以超出标准
20倍，因此，光纤的电气绝缘特性非常适合恶劣的工业环境。
所有引脚短路至Plug B所有引脚短路至Plug A
40mm光纤
45mm电气间隙
55mm爬电距离
图2：电气绝缘的测试配置。
由于高电压短时脉冲的存在，链路也必须提供足够的电气间隙以避免电弧的影响，为了展示光纤的效率，我们使
用40mm光纤链路，即最短可能链路长度作为测试设置，加上45mm电气间隙和55mm爬电距离，请参考图2。在
这个设置上加以20kV(14Vrms)的电压，即测试设备可能提供的最高数值，并未发生放电情况，然而发射和接收
端间如此接近的距离事实上并不会在实际的光纤链路上发生，不管如何，这个展示可以证明光纤可以轻易地提供
足够的电气间隙，避免因高电压短时脉冲造成的电弧。
3
共模隔离
对于稳固的链路设计，工业通信链路中对共模噪声和接地环路的抑制是主要的考虑因素，一个常见的解决方案是
使用光电耦合器在如微处理器、UART串口等数据源和推动双绞线铜电缆收发器间提供达到15mm的电气绝缘，
这样做可以避免共模噪声进入敏感的接收电路，从而造成数据传输错误。然而由于耦合器中发射器和接收器非常
接近，因此只对于隔离屏障两边的杂散电容极小化有效，使用隔离材料可以确保共模噪声短时脉冲不会由输入穿
越到输出，使用光纤链路方式，由于标准链路长度达到数米，因此有效的隔离屏障成为数米而非厘米等级，可以
有效降低杂散电容为零，从而消除任何实际可能的共模噪声路径。
电磁干扰抗扰度
电磁干扰(EMI, Electro-Magnetic Interference)指的是任何可以对电子传输造成破坏、劣化或干涉电子信号辐射的
电磁干扰现象，因而限制了电子和电气设备的实际有效性能。
解决电磁干扰问题可说是一项挑战，当怀疑发生电磁干扰时，解决问题的第一个步骤是决定传送到受影响设备能
量的机制，是辐射、传导或感应，我们可以通过限制感应的能量或藉由更好的接地或终端技术移除干扰源达到改
善，也可以使用物理分离或屏蔽来保护受影响的设备，不过避免可能电磁干扰问题的最好方式是选择较不敏感或
抗扰度较高的器件，优化电路布局，尽量减少耦合效应，并使用适当的屏蔽。
工业用铜电缆链路非常容易受到工业环境中常见电磁干扰辐射的影响，有了这样的考虑，设计工程师通常必须增
加长度来确保电缆和相邻电源线路间适当的实体分离距离，相反地，光纤则完全不受电磁干扰影响，发射器和接
收器在设计上已经考虑了恶劣的工业环境，使得它们成为这些环境中最好，甚至是唯一的选择。
图3中特殊的电磁干扰抗扰度测试安排可以展示暴露在电磁干扰环境下铜电缆的易干扰性以及塑料光纤的高抗扰
能力，使用横向电磁(TEM, Transverse Electro-Magnetic)单元将50MBd PRBS7信号通过塑料光纤发射器和接收
器馈入，并使用放大器扫过0到3GHz的频率范围，进行位错误率的测量，1米长的带屏蔽双绞线提供通过充满电
磁干扰TEM单元的外部环路，依电缆走向的不同，位错误开始在高于1.5GHz的各个频率上发生，巧合的是，这
正是移动电话使用的频谱。
接着在每个发生错误的频率降低电场强度直到位错误消失为止，图4和图5分别显示双绞线环路垂直和水平走向的
结果，在最糟频率下，电场必须降低到40V/m并使用带屏蔽铜电缆，而如预期，测试结果显示未带有屏蔽的双绞
线在这样的高噪环境下并无法使用，请参考图6。
当铜电缆被移除后，只有光发射器和接收器器件使用电路板上的直接环回路径暴露于电磁干扰下，结果显示没有
任何位错误发生，请见图7，在这个配置中，POF塑料光纤链路可以在整个0到3GHz频率范围承受大于150V/m的
电场。
位误码率测试
50MBit/s PRBS7
接收电路
发射电路
放大器
TX
RX
受测设备
电缆环路
POF衰减器
现场探针
功率传感器
-24dBm
POF光缆
GTEM-Cell 5402
电磁干扰范围
图3：EMI电磁干扰抗扰度测试配置。
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300
400
500
600
700
800
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
电场强度[V/m]
频率[MHz]
1米带屏蔽双绞线
水平走向15cm环路直径
Bit
Errors
E-Field maximum
Mobile bands
1 m shielded twisted pair
E-Field maximum
Mobile bands
1 m shielded twisted pair
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
电场强度[V/m]
频率[MHz]
1米带屏蔽双绞线
垂直方向10cm环路直径
Bit
Errors
Bit
Errors
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
电场强度[V/m]
频率[MHz]
1米无屏蔽双绞线
垂直走向10cm环路直径
E-Field maximum
Mobile bands
HFBR-2529Z
No Bit
Errors
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
电场强度[V/m]
频率[MHz]
接收到发射间无直接电缆环回
E-Field maximum
Mobile bands
1 m unshielded twisted pair
图4：垂直走向铜电缆环路下电磁干扰造成的位错误。
图5：水平走向铜电缆环路下电磁干扰造成的位错误。
图6：无屏蔽双绞线因电磁干扰造成的位错误。 图7：移铜电缆除使用直接光纤链路时无位错误发生。
这个测试显示铜电缆可以作为天线，吸收电磁干扰并将能量传递到接收电路造成位错误，当在测试箱中只存在光
纤环路时进行相同测试，强大的电磁场感应并没有造成任何错误，虽然这个测试在强度和频率上可以进行到极
致，但已经考虑到在微秒时间内数百安培电流开关的应用，这类应用的例子包括电机驱动、IGBT、SCR触发电路
以及电力接触器等，这个类型的电流开关动作会造成大量的电磁辐射，并包含更高频率的谐波，因此会产生非常
带侵略性的高噪环境，对于这些环境，光纤非常明显地是较好的选择。
5
成本比较
在了解了光纤链路于电气绝缘、共模电压和电磁干扰抗扰度上相较于铜电缆链路的各项性能优势后，大众可能会
非常合理地误认为这些优势会大幅度增加相对成本，这个观念基本上是错误的，为了澄清这一点，我们提供以下
相等工业链路设计的两个材料清单，表1为10米的RS-485铜电缆链路，表2为10米长的POF塑料光纤链路，我们
可以看到，随着对带屏蔽或通过认证电缆要求的增高，相对的成本也会提高，但塑料光纤方案的成本则不会受到
应用环境的影响。
表1：不包含任何绝缘和隔离产品的RS-485铜电缆链路物料清单
零件 数量 产品型号/说明 单价(@5K) 小计 备注
DB9连接器 2 SPC15477 $1.80 $3.60 SPC Tech
DB9双绞线电缆 10米 Belden 9481 $2.70/m $27.00 Belden 9481, STP120Ω,
RS-485级电缆 $2.80/m
长线驱动器
2 LTC1485 $1.50 $3.00 Linear Tech
RSMD 603 2 120Ω $0.02 $0.04 Panasonic ECG
RSMD 603 4 10kΩ $0.02 $0.08 Panasonic ECG
CSMD 1206 10V 2 10mF $0.12 $0.24 AVX
$33.96
表2：Avago工业用POF塑料光纤链路物料清单
零件 数量 产品型号/说明 单价(@5K) 小计 备注
双工POF组装 1 HFBR-RMD010z $14.56 $14.56 10米长Avago 1mm
POF塑料光纤
Versatile Link™ Tx/Rx 2 AFBR-1624Z/2624Z $9.78 $19.56 成对价格/通用链路 (Avago)
L SMD 1206 4 1 mH $0.20 $0.80 AVX
R SMD 603 2 4.7kΩ $0.02 $0.04 Panasonic ECG
CSMD 603 4 0.1mF $0.05 $0.20 Panasonic ECG
CSMD 1206 10V 4 10mF $0.12 $0.48 AVX
$35.64
非常明显地，铜电缆链路的成本主要由铜电缆本身决定，在一个保守或高可靠性设计中，大多数工程师都会选择
良好屏蔽的优质电缆以避免噪声的进出，在这种情况下，光纤在成本上具有明显的优势。不过如果只需简单的
屏蔽和质量较低的电缆，例如CAT5，则铜电缆的成本就可下降，使它成为10米电缆连接成本效益较高的解决方
案，然而对于较长距离的应用，POF塑料光纤会因较低的每米成本而变得更有经济效益，塑料光纤在不使用中继
器的情况下最大连线长度为50米。
6
图10：通用链路(Versatile Link)系列使安装的动作只需扣夹
即可。
图9：SFH系列无连接器技术大幅度简化POF塑料光纤的安
装。
图8：Avago提供的各种多样化工业用光纤连接器系列。
易于使用、设计和安装
通常要对玻璃光纤进行终端处理会比连接双绞线电缆费时，原因是这些光纤需要环氧树脂并对端点进行抛光，然
而POF塑料光纤由于使用了较大的1mm聚合物核心，因此较为容易处理，Avago提供了两种选择，分别为SFH无
连接器系列以及通用链路不需压接夹入式连接器，请参考图8，可使光纤的终端处理比带屏蔽双绞线电缆更为简
单。
FO短链路
1310nm MM
FE收发器
工业用光纤
650nm POF/HCS
· 面向SERCOS、PROFIBUS、
PROFINET和INTERBUS-S
应用设计
· 提供SMA、ST、SC-RJ选择
· 适合1mm POF和200mm
HCS光纤
· FE收发器
· 低成本塑料夹入式连接器
· 模拟和数字40KBd到160MBd
· 适合1mm POF和200mm
HCS光纤
· 新FE收发器
· 无连接器
· 高成本效益设计
· 模拟或TTL输入/输出
· 15KBd到125MBd
· 提供封装和无封装选择
· 非常适合长距离应用
· 适合多模和200mm HCS光纤
· 提供ST、ST Threaded和
SC 选择
· VCSEL发射器
现场总线/FE族系
HFBR-0505Z/06Z系列
AFBR-5978Z
820/1310nm MM/HCS
微型化链路族系
HFBR-0400Z/0300Z系列
无连接器族系
SFH系列
通用链路族系
HFBR-0500Z系列
NEW
带DMI功能
新产品
SFH系列或无连接器发射器和接收器拥有可以和无连接器POF塑料光纤配套的650nm光纤零组件，不需抛光动
作，请参考图9，使用者只需简单地将光纤裁剪为需要的长度，插入有源零组件连接端口并锁紧内置的卡锁机制
即可。
HFBR-453XZ系列连接器为塑料光纤应用HFBR-4501Z和HFBR-4503Z连接器的强化版本，兼容Avago的通用链
路 (Versatile Link)系列发射器和接收器，可以达到160MBd，请参考图10。这个设计使用了简单扣夹式概念，免
除了压接的需求，因此可以大幅度降低人工和工具成本，以及因安装错误造成的可能损失。
7
除了提供简单稳固的光连接媒介外，Avago最近也在许多产品上集成了驱动器芯片到发射器封装以及接收器芯片
到接收器封装中，如650nm通用链路(Versatile Link)发射器AFBR-1624Z和接收器AFBR-2624Z，请参考图11。
只需简单甚至不具备光驱动电路知识，设计工程师也可以通过连接特定信号，如TTL、LVTTL、PECL、LVDS等
到输入端简单地加入这些零组件的设计中，这个集成设计方式使用更少的电路板空间、功耗更低并可降低总体链
路的成本，更短的信号走线也可以改善产品的电磁干扰表现。
另外，相对于铜电缆，光纤也提供了尺寸和重量上的优势，对于相同长度的铜电缆，光纤较为轻薄并且重量也少
了许多，这代表着在铜电缆相同的安装空间中，可以放置多个光纤链路并且处理上更为简单。
图11：使用AFBR-1624Z和AFBR-2624Z通用链路(Versatile Link)发射器和接收器时相对较为简单的设计。
· 更少的零组件
· 更小的占用空间
· 更低的功耗
· 更好的EMI抗扰度
原设计 新设计
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VEE
TX
Data In
VCC
NC
3
2
1
10 mF
C5
1 mH
L1
GND
Gnd
8
GND
GND
VCC
10 mF
C1
GND
100 nF
C3
GND
GND
TTL Input
TTL Output
Gnd
5
Pull down
resistor
4.7 kOhm
4
VCC
RX
NC
Data Out
VEE
2
3
1
10 mF
C6
1 mH
L2
GND
Gnd
8
GND GND
VCC
10 mF
C2
GND
100 nF
C4
GND
GND
Gnd
5
Anode
1
Cathode
2
Gnd
3
Gnd
4
Gnd
8
Gnd
5
TX
HFBR-15x1/2/4Z
Vo
1
Gnd
2
VCC
3
RL
4
Gnd
8
Gnd
5
RX
HFBR-25x1/2/4Z
TXVCC
RXVCC
TXGND
RXGND
TXGND
RXGND
TXGND
TXGND
RXGND
RXGND
100 pF
C4
Cap Semi
TXGND
RXGND
50
R1
Res Semi
10Eb
1
1A
2
2Y
3
GND
4
2A
5
1Y
6
20Eb
7
VCC
8
U3
SN74LVC2G125
BGND
BGND
BVCC
BGND
Pin
1
GND
2
TXin
Pin
Pin
1
GND
2
RXout
Pin
TXGND
RXGND
4.7 mF
C1
1
1
2
3
4
5
TXD
SMA
1
1
2
3
4
5
RXD
SMA
1A
1
2A
6
1B
2
2B
7
VCC
8
GND
4
1Y
3
2Y
5
U1
SN75451BD
50
R2
Res Semi
TXVCC
TXGND
0
R4
Res Semi
0
R6
Res Semi
50
R5
Res Semi
50
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Res Semi
0
R3
Res Semi
有关产品信息和完整分销商列表请访问我们的网站：www.avagotech.cn。
Avago、Avago Technologies和A徽标是Avago Technologies在美国和其他国家商标。
数据可能会有更改。 © 2005-2012 Avago Technologies。保留所有权利。
AV02-3500SC - 2012 年 7 月 11 日
市场和应用
光纤作为数据交换媒介的好处已经受到多个市场的各种广泛应用证明，请参考表3。
表3：光纤链路在主要市场和应用的优势
市场 价值
发电和配电系统
• 变电站控制
• LV/MV电力配送
• 网络控制
• 功率开关、继电器、配电盘
• 风力涡轮机
• 水力发电站
• 光伏系统
• 接收器芯片集成屏蔽带来额外的本地抗噪能力
• POF塑料光纤上达到50米的链路距离
• 卓越的EMI抗扰度选择：传导型封装和金属连接端口
• 使用HCS光纤时可达数百米
• 使用多模光纤时达到数公里
工业通信和工厂自动化
• 测试和测量仪器
• 影音通信
• 工业控制
• 工业现场总线如SERCOS、PROFIBUS、INTERBUS等
• 工业用以太网
• 数据通信和局域网
• 工业通信
• 相较于铜电缆通信链路具备优秀的EMI/EMC性能
• 提供数据率达到160MBd的完整产品线选择
运输系统
• 汽车通信
• 车内通信
• 车间通信
• 交通信号控制
• 高速公路SOS急救和监测系统
• 收费站网络连线
• 民用和军用航空设备
• 地铁和电车
• 运输CCTV监控
• 航运
• 电压隔离
• 3.3V电源带来更低功耗
• 使用低密度光纤减轻重量
医疗、消费和游戏
• MRI核磁共振仪
• X光机
• 光纤卫星电视
• DAS分布式天线系统
• 赌博机
• 高噪声抗扰度适合关键医疗设备
• 优秀性能适合无法忍受任何停机时间的关键医疗设备
随着通信数据率的增加，光纤的价值优势使得它成为今日应用设计可以适用未来进展的良好选择，例如使用光
纤时可以传送125Mb/s快速以太网(100BASE-FX)信号达2公里，而对等的铜电缆(100BASE-TX)则限制在100
米。
总结
从现在起光纤技术必须成为数据交换可用媒介的选择，特别是恶劣的工业环境，原因是核心的介电特性使得它可
以不受到电磁辐射、接地环路、临近开关电路幅射EMI以及串扰的影响，光纤的重量也比相同长度的铜电缆轻了
许多，并且可以应用于超高数据率，目前已经达到160MBd，而最具成本效益的POF塑料光纤就可达到50米。另
外，除了前面所提到的好处外，相对于铜电缆链路，光纤在这些高要求应用更具成本竞争力，并在许多情况下，
更易于设计、安装和使用。
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