光纖通信西電第二版課后習題答案.doc

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1．光纖通信的優(yōu)缺點各是什么？ 答：優(yōu)點有：帶寬資源豐富，通信容量大；損耗低，中繼距離長；無串音干擾，保密性好；適應能力強；體積小、重量輕、便于施工維護；原材料來源豐富，潛在價格低廉等。 缺點有：接口昂貴，強度差，不能傳送電力，需要專門的工具、設備以及培訓，未經受長時間的檢驗等。 2．光纖通信系統由哪幾部分組成？各部分的功能是什么？ 答：光纖通信系統由三部分組成：光發(fā)射機、光接收機和光纖鏈路。 光發(fā)射機由模擬或數字電接口、電壓—電流驅動電路和光源組件組成。光源組件包括光源、光源—光纖耦合器和一段光纖（尾纖或光纖跳線）組成。 模擬或數字電接的作用是實現口阻抗匹配和信號電平匹配（限制輸入信號的振幅）作用。光源是LED或LD，這兩種二極管的光功率與驅動電流成正比。電壓—電流驅動電路是輸入電路與光源間的電接口，用來將輸入信號的電壓轉換成電流以驅動光源。光源—光纖耦合器的作用是把光源發(fā)出的光耦合到光纖或光纜中。 光接收機由光檢測器組件、放大電路和模擬或數字電接口組成。光檢測器組件包括一段光纖（尾纖或光纖跳線）、光纖—光檢波器耦合器、光檢測器和電流—電壓轉換器。 光檢測器將光信號轉化為電流信號。常用的器件有PIN和APD。然后再通過電流—電壓轉換器，變成電壓信號輸出。模擬或數字電接口對輸出電路其阻抗匹配和信號電平匹配作用。 光纖鏈路由光纖光纜、光纖連接器、光纜終端盒、光纜線路盒和中繼器等組成。 光纖光纜由石英或塑料光纖、金屬包層和外套管組成。光纜線路盒：光纜生產廠家生產的光纜一般為2km一盤，因而，如果光發(fā)送與光接收之間的距離超多2km時，每隔2km將需要用光纜線路盒把光纜連接起來。光纜終端盒：主要用于將光纜從戶外（或戶內）引入到戶內（或戶外），將光纜中的光纖從光纜中分出來，一般放置在光設備機房內。光纖連接器：主要用于將光發(fā)送機（或光接收機）與光纜終端盒分出來的光纖連接起來，即連接光纖跳線與光纜中的光纖。 6．簡述WDM的概念。 答：波分復用的基本思想是將工作波長略微不同、各自攜帶了不同信息的多個光源發(fā)出的光信號，一起注入到同一根光纖中進行傳輸。 3．弱導階躍光纖纖芯和包層折射率分別為，，試計算 （1）纖芯和包層的相對折射率； （2）光纖的數值孔徑。 解：階躍光纖纖芯和包層的相對折射率差為 光纖的數值孔徑為 5．一根數值孔徑為0.20的階躍折射率多模光纖在850nm波長上可以支持1000個左右的傳播模式。試問： （1）其纖芯直徑為多少？ （2）在1310nm波長上可以支持多少個模？ （3）在1550nm波長上可以支持多少個模? 解：（1）由，得到纖芯直徑為 （2）當，有 得到模的個數為 （3）當，得到模的個數為 7．有階躍型光纖，若，，那么 （1）若，為保證單模傳輸，光纖纖芯半徑應取多大？ （2）若取芯徑，保證單模傳輸時，應怎么選擇？ 解：（1）由歸一化頻率得到 為了保證光纖中只能存在一個模式，則要求，則要求光纖纖芯半徑 （2）若取芯徑，保證單模傳輸時，則 10．一段12km長的光纖線路，其損耗為。試回答： （1）如果在接收端保持的接收光功率，則發(fā)送端的功率至少為多少？ （2）如果光纖的損耗變?yōu)?，則所需的輸入光功率為多少？ 解：（1）根據損耗系數定義 得到發(fā)送端的功率至少為 （2）如果光纖的損耗變?yōu)椋瑒t所需的輸入光功率為 4．光與物質間的相互作用過程有哪些？ 答：受激吸收，受激輻射和自發(fā)輻射。 5．什么是粒子數反轉？什么情況下能實現光放大？ 答：粒子數反轉分布是指高能級粒子布居數大于低能級的粒子布居數。處于粒子數反轉分布的介質（叫激活介質）可實現光放大。 6．什么是激光器的閾值條件？ 答：閾值增益為 其中是介質的損耗系數，分別是諧振腔反射鏡的反射系數。當激光器的增益時，才能有激光放出。（詳細推導請看補充題1、2） 9．一個GaAsPIN光電二極管平均每三個入射光子產生一個電子空穴對。假設所以的電子都被收集，那么 （1）計算該器件的量子效率； （2）在波段接收功率是，計算平均是輸出光電流； （3）計算波長，當這個光電二極管超過此波長時將停止工作，即長波長截止點。 解：（1）量子效率為 （2）由量子效率得到 （3）GaAsPIN的禁帶寬度為，則截止波長為 10．什么是雪崩增益效應？ 答：一次光生載流子穿過一個具有非常高的電場高場區(qū)。在這個高場區(qū)，光生電子－空穴可以獲得很高的能量。他們高速碰撞在價帶上的電子，使之電離，從而激發(fā)出新的電子－空穴對。新產生的的載流子同樣由電場加速，并獲得足夠的能量，從而導致更多的碰撞電離產生，這種現象叫雪崩效應。 12．光檢測過程中都有哪些噪聲？ 答：量子噪聲，暗電流噪聲，漏電流噪聲和熱噪聲。 補充題1．一束光在介質中傳播時，其光強隨傳播距離的變化通常表示為，其中為初始光強，為光強增益系數，為光強損耗系數。試推到這個式子，并說明此式成立條件。 解：設光束通過厚度為的一層介質時，其光強由變?yōu)椋诠夥糯髸r，可寫成，即，若為常數，則積分得到； 在衰減時，，可寫成，即，若為常數，則積分得到； 所以，當光放大和光衰減同時存在時，便有。 顯然，此式成立的條件是：都與無關。 《光纖通信》第4章課后習題及答案 1．光纖的連接損耗有哪些？如何降低連接損耗？ 答：光纖連接器引入的損耗有插入損耗（insertion loss）和回波損耗（return loss）。插入損耗是由光纖端接缺陷造成的光信號損失，插入損耗越小越好?；夭〒p耗是由于光波在光纖端接的界面處產生菲涅耳反射，反射波對光源造成干擾，故回波損耗越大越好。ITU建議回波損耗值不小于38dB。 由徑向偏移產生的損耗比縱向偏移大得多，因而首先要保證光纖軸心對準、靠緊。 2．試用22耦合器構成一個88空分開關陣列，畫出連接圖和輸入、輸出端口信號間的流向，計算所需要開關數。 解：由，得到 5．光濾波器有哪些種類？濾波器應用在什么場合？ 答：光濾波器種類有：1.F-P腔型光濾波器：光纖型F-P腔濾波器，鐵電液晶光濾波器，微機械F-P濾波器；2.馬赫-曾德干涉型光濾波器：3.基于光柵的濾波器：聲光可調濾波器，電光可調濾波器，光柵濾波器，光纖布拉格光柵濾波器；4.介質膜濾波器；5.有源濾波器；6.原子共振濾波器。光濾波器主要應用于DWDM系統中。 1．光放大器包括哪些種類？簡述它們的原理和特點。EDFA有哪些優(yōu)點？ 答：光放大器包括半導體光放大器、光纖放大器（由可分為非線性光纖放大器和摻雜光纖放大器）。 1）半導體光放大器 它是根據半導體激光器的工作原理制成的光放大器。將半導體激光器兩端的反射腔去除，就成為沒有反饋的半導體行波放大器。它能適合不同波長的光放大，缺點是耦合損耗大，增益受偏振影響大，噪聲及串擾大。 2）光纖放大器 （1）非線性光纖放大器 強光信號在光纖中傳輸，會與光纖介質作用產生非線性效應，非線性光纖放大器就是利用這些非線性效應制作而成。包括受激拉曼放大器（SRA）和受激布里淵放大器（SBA）兩種。 （2）摻雜光纖放大器（常見的有摻鉺和摻鐠光纖放大器） 在泵浦光作用下，摻雜光纖中出現粒子數反轉分布，產生受激輻射，從而使光信號得到放大。 EDFA優(yōu)點：高增益、寬帶寬、低噪聲及放大波長正好是在光纖的最低損耗窗口等。 7．EDFA的主要性能指標有哪些？說明其含義？ 答：（1）增益，是指輸出功率與輸入功率之比G=Pout/Pin，如果用分貝作單位定義為G=10log10（Pout/Pin）； （2）噪聲系數，是指輸入信號的信噪比與輸出信號的信噪比Fn＝（SNR）in/（SNR）out 。 8．分別敘述光放大器在四種應用場合時各自的要求是什么？ 答：（1）在線放大器：當光纖色散和放大器自發(fā)輻射噪聲的累積，尚未使系統性能惡化到不能工作時，用在線放大器代替光電光混合中繼器是完全可以的。特別是對多信道光波系統，節(jié)約大量設備投資。（2）后置放大器：將光放大器接在光發(fā)送機后，以提高光發(fā)送機的發(fā)送功率，增加通信距離。（3）前置放大器：將光放大器接在光接收機前，以提高接收機功率和信噪比，增加通信距離。（4）功率補償放大器：功率補償放大器的運用場合：A.用于補償局域網中的分配損耗，以增大網絡節(jié)點數；B.將光放大器用于光子交換系統等多種場合。 1．光接收機中有哪些噪聲？ 答：熱噪聲、散粒噪聲和自發(fā)輻射噪聲。 4．光源的外調制都有哪些類型？內調制和外調制各有什么優(yōu)缺點？ 答：光源的外調制類型有：電折射調制、電吸收MQW調制、M-Z型調制。內調制器簡單且廉價，這種調制會引起輸出光載波的頻率啁啾；外調制器可以有更高的速率工作，并且有較小的信號畸變。 5．假定接收機工作于1550nm，帶寬為3GHz，前置放大器噪聲系數為4dB，接收機負載為，溫度，量子效率，，，設計，即，試計算接收機的靈敏度。 解：接收機工作于1550nm，則電離系數比為，，則散粒噪聲系數為 熱噪聲電流方差為 （帶數據自己計算） 接收機靈敏度為 （帶數據自己計算） 習題七 6．一直有一個565Mb/s單模光纖傳輸系統，其系統總體要求如下： （1）光纖通信系統的光纖損耗為0.1dB/km，有5個接頭，平均每個接頭損耗為0.2dB，光源的入纖功率為-3dBm，接收機靈敏度為-56dBm（BER=10-19）。 （2）光纖線路上的線路碼型是5B6B，光纖的色散系數為2ps/（km.nm），光源光譜寬度為1.8nm。 求：最大中繼距離是多少？ 注：設計中選取色散（功率）代價為1dB，光連接器損耗為1dB（發(fā)送和接收端各一個），光纖富于度為0.1dB/km，設備富于度為5.5dB。 解：（1）把，，，，，，代入 其中右邊分子上的1是指色散（功率）代價。于是可通過計算得到損耗限制的最大中繼距離。 （2）受色散限制的最大傳輸距離為 由于是單模光纖，所以，，，分子上的是為了和分母的的單位相匹配，的單位一定要用Mb/s。代入數據就可以求出的值來。其中。 求出受色散限制的最大傳輸距離，然后與損耗限制的最大中繼距離相比，取最小值，就是最大中繼距離。 7．一個二進制傳輸系統具有以下特性： （1）單模光纖色散為15ps/(nm.km)，損耗為0.2dB/km。 （2）發(fā)射機用的GaAs激光源，發(fā)射平均光功率為5mW，譜寬為2nm。 （3）為了正常工作，APD接收機需要平均1000個光子/比特。 （4）在發(fā)射機和接收機處耦合損耗共計3dB。 求： a．數據速率為10和100Mb/s時，找出受損耗限制的最大傳輸距離。 b．數據速率為10和100Mb/s時，找出受色散限制的最大傳輸距離。 c．對這個特殊系統，用圖表示最大傳輸距離與數據速率的關系，包括損耗和色散兩種限制。 解：a。由“為了正常工作，APD接收機需要平均1000個光子/比特”得到APD的接收功率為 其中是普朗克常數，是光速，是波長。 又已知，把發(fā)射功率和接收功率用dBm表示出來。 受損耗限制的最大傳輸距離為 其中 b．受色散限制的最大傳輸距離為 由于是單模光纖，所以，，，分子上的是為了和分母的的單位相匹配，的單位一定要用Mb/s。代入數據就可以求出的值來。 c．對這個特殊系統，用圖表示最大傳輸距離與數據速率的關系，包括損耗和色散兩種限制。用matlab很容易表示。 8．畫圖比較下面兩個速率為100Mb/s的系統其損耗受限的最大傳輸距離。 系統1工作在850nm： （1）GaAlAs半導體激光器：0dBm(1mW)的功率耦合進光纖； （2）硅雪崩光電二極管：靈敏度為-50dBm； （3）漸變折射率光纖：在850nm處的損耗為3.5dBm/km； （4）連接器損耗：每個連接器為1dB。 系統2工作在1300nm： （1）InGaAsPLED：-13dBm的功率耦合進光纖； （2）InGaAsPIN光電二極管：靈敏度為-38dBm； （3）漸變折射率光纖：在300nm處的損耗為1.5dBm/km； （4）連接器損耗：每個連接器為1dB。 每個系統均要求6dB的系統富于度。 解：系統1：把，，，，代入 可得到損耗受限的最大傳輸距離。 系統2：把，，，，代入 ,可得到損耗受限的最大傳輸距離。 9．簡述PDH和SDH的特點與不同。 答：PDH逐級復用造成上下路復雜而不靈活；預留開銷很少，不利于網絡運行、管理和維護；T系列和E系列的幀結構和線路碼特性不同，難以兼容，轉換比較復雜；點對點傳輸基礎上的復用結構缺乏組網的靈活性，難以組建具有自愈能力的環(huán)形網等。 與PDH相比，SDH有以下特點：有統一的標準傳輸速率等級；有國際標準化的網絡節(jié)點接口；具有一次完成同步復用的功能；具有強大的網絡管理功能。 11．如何理解誤碼性能參數？ 答：為了滿足測量要求，在實際中，通常采用誤碼性能參數來表示系統的誤碼性能，采用超過每個閾值的時間百分數來表征。通過測量可判斷出該系統的優(yōu)劣，并且可以根據誤碼性能指標判別出傳輸系統問題出現在哪個段落。具體來說有下列指標： 誤碼個數記錄：以發(fā)送端的二進制數和接收端的二進制數逐比特比較凡屬相異的即為誤碼，可在短時間內判斷出該系統的優(yōu)劣。 劣化分(DM)：每次測量時間分鐘，門限平均誤碼率，當分鐘平均誤碼率低于這一門限值時稱為劣化分鐘 嚴重誤碼秒(SES)：每次測量時間秒，門限平均誤碼率，當秒平均誤碼率低于這一門限值時稱為嚴重誤碼秒 誤碼秒(SES)：每次測量時間秒，門限平均誤碼率，即在每個測量周期內只要出現誤碼就叫誤碼秒 平均誤碼率：是在一段相當長的時間間隔內，傳輸系統出現誤碼的概率 （1）段開銷（SOH）區(qū)域 段開銷是指SDH幀結構中為了保證信息凈負荷正常、靈活、有效地傳送所必須附加的字節(jié)，主要用于網絡的OAM功能，段開銷分為再生段開銷（RSOH）和復用段開銷（MSOH）。（3分） （2）信息凈負荷（Payload）區(qū)域 信息凈負荷區(qū)域主要用于存放各種業(yè)務信息比特，也存放了少量可用于通道性能監(jiān)視、管理和控制的通道開銷（POH）字節(jié)。 （3）管理單元指針區(qū)域 管理單元指針（AU-PTR）是一種指示符，其作用是用來指示凈負荷區(qū)域內的信息首字節(jié)在STM-N幀內的準確位置，以便在接收端能正確分離凈負荷。 8