光纖通信西電第二版課后習(xí)題答案.doc

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1．光纖通信的優(yōu)缺點(diǎn)各是什么？ 答：優(yōu)點(diǎn)有：帶寬資源豐富，通信容量大；損耗低，中繼距離長(zhǎng)；無(wú)串音干擾，保密性好；適應(yīng)能力強(qiáng)；體積小、重量輕、便于施工維護(hù)；原材料來(lái)源豐富，潛在價(jià)格低廉等。 缺點(diǎn)有：接口昂貴，強(qiáng)度差，不能傳送電力，需要專門(mén)的工具、設(shè)備以及培訓(xùn)，未經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間的檢驗(yàn)等。 2．光纖通信系統(tǒng)由哪幾部分組成？各部分的功能是什么？ 答：光纖通信系統(tǒng)由三部分組成：光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)和光纖鏈路。 光發(fā)射機(jī)由模擬或數(shù)字電接口、電壓—電流驅(qū)動(dòng)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(shù)字電接的作用是實(shí)現(xiàn)口阻抗匹配和信號(hào)電平匹配（限制輸入信號(hào)的振幅）作用。光源是LED或LD，這兩種二極管的光功率與驅(qū)動(dòng)電流成正比。電壓—電流驅(qū)動(dòng)電路是輸入電路與光源間的電接口，用來(lái)將輸入信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換成電流以驅(qū)動(dòng)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(jī)由光檢測(cè)器組件、放大電路和模擬或數(shù)字電接口組成。光檢測(cè)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(cè)器和電流—電壓轉(zhuǎn)換器。 光檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。常用的器件有PIN和APD。然后再通過(guò)電流—電壓轉(zhuǎn)換器，變成電壓信號(hào)輸出。模擬或數(shù)字電接口對(duì)輸出電路其阻抗匹配和信號(hào)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(chǎn)廠家生產(chǎn)的光纜一般為2km一盤(pán)，因而，如果光發(fā)送與光接收之間的距離超多2km時(shí)，每隔2km將需要用光纜線路盒把光纜連接起來(lái)。光纜終端盒：主要用于將光纜從戶外（或戶內(nèi)）引入到戶內(nèi)（或戶外），將光纜中的光纖從光纜中分出來(lái)，一般放置在光設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)。光纖連接器：主要用于將光發(fā)送機(jī)（或光接收機(jī)）與光纜終端盒分出來(lái)的光纖連接起來(lái)，即連接光纖跳線與光纜中的光纖。 6．簡(jiǎn)述WDM的概念。 答：波分復(fù)用的基本思想是將工作波長(zhǎng)略微不同、各自攜帶了不同信息的多個(gè)光源發(fā)出的光信號(hào)，一起注入到同一根光纖中進(jìn)行傳輸。 3．弱導(dǎo)階躍光纖纖芯和包層折射率分別為，，試計(jì)算 （1）纖芯和包層的相對(duì)折射率； （2）光纖的數(shù)值孔徑。 解：階躍光纖纖芯和包層的相對(duì)折射率差為 光纖的數(shù)值孔徑為 5．一根數(shù)值孔徑為0.20的階躍折射率多模光纖在850nm波長(zhǎng)上可以支持1000個(gè)左右的傳播模式。試問(wèn)： （1）其纖芯直徑為多少？ （2）在1310nm波長(zhǎng)上可以支持多少個(gè)模？ （3）在1550nm波長(zhǎng)上可以支持多少個(gè)模? 解：（1）由，得到纖芯直徑為 （2）當(dāng)，有 得到模的個(gè)數(shù)為 （3）當(dāng)，得到模的個(gè)數(shù)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(yīng)取多大？ （2）若取芯徑，保證單模傳輸時(shí)，應(yīng)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(gè)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(shí)，則 10．一段12km長(zhǎng)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(jù)損耗系數(shù)定義 得到發(fā)送端的功率至少為 （2）如果光纖的損耗變?yōu)?，則所需的輸入光功率為 4．光與物質(zhì)間的相互作用過(guò)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(shù)反轉(zhuǎn)？什么情況下能實(shí)現(xiàn)光放大？ 答：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是指高能級(jí)粒子布居數(shù)大于低能級(jí)的粒子布居數(shù)。處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)（叫激活介質(zhì)）可實(shí)現(xiàn)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(zhì)的損耗系數(shù)，分別是諧振腔反射鏡的反射系數(shù)。當(dāng)激光器的增益時(shí)，才能有激光放出。（詳細(xì)推導(dǎo)請(qǐng)看補(bǔ)充題1、2） 9．一個(gè)GaAsPIN光電二極管平均每三個(gè)入射光子產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)。假設(shè)所以的電子都被收集，那么 （1）計(jì)算該器件的量子效率； （2）在波段接收功率是，計(jì)算平均是輸出光電流； （3）計(jì)算波長(zhǎng)，當(dāng)這個(gè)光電二極管超過(guò)此波長(zhǎng)時(shí)將停止工作，即長(zhǎng)波長(zhǎng)截止點(diǎn)。 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(zhǎng)為 10．什么是雪崩增益效應(yīng)？ 答：一次光生載流子穿過(guò)一個(gè)具有非常高的電場(chǎng)高場(chǎng)區(qū)。在這個(gè)高場(chǎng)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(jià)帶上的電子，使之電離，從而激發(fā)出新的電子－空穴對(duì)。新產(chǎn)生的的載流子同樣由電場(chǎng)加速，并獲得足夠的能量，從而導(dǎo)致更多的碰撞電離產(chǎn)生，這種現(xiàn)象叫雪崩效應(yīng)。 12．光檢測(cè)過(guò)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(bǔ)充題1．一束光在介質(zhì)中傳播時(shí)，其光強(qiáng)隨傳播距離的變化通常表示為，其中為初始光強(qiáng)，為光強(qiáng)增益系數(shù)，為光強(qiáng)損耗系數(shù)。試推到這個(gè)式子，并說(shuō)明此式成立條件。 解：設(shè)光束通過(guò)厚度為的一層介質(zhì)時(shí)，其光強(qiáng)由變?yōu)?，在光放大時(shí)，可寫(xiě)成，即，若為常數(shù)，則積分得到； 在衰減時(shí)，，可寫(xiě)成，即，若為常數(shù)，則積分得到； 所以，當(dāng)光放大和光衰減同時(shí)存在時(shí)，便有。 顯然，此式成立的條件是：都與無(wú)關(guān)。 《光纖通信》第4章課后習(xí)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(hào)損失，插入損耗越小越好。回波損耗是由于光波在光纖端接的界面處產(chǎn)生菲涅耳反射，反射波對(duì)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(chǎn)生的損耗比縱向偏移大得多，因而首先要保證光纖軸心對(duì)準(zhǔn)、靠緊。 2．試用22耦合器構(gòu)成一個(gè)88空分開(kāi)關(guān)陣列，畫(huà)出連接圖和輸入、輸出端口信號(hào)間的流向，計(jì)算所需要開(kāi)關(guān)數(shù)。 解：由，得到 5．光濾波器有哪些種類？濾波器應(yīng)用在什么場(chǎng)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(jī)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(diào)濾波器，電光可調(diào)濾波器，光柵濾波器，光纖布拉格光柵濾波器；4.介質(zhì)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(yīng)用于DWDM系統(tǒng)中。 1．光放大器包括哪些種類？簡(jiǎn)述它們的原理和特點(diǎn)。EDFA有哪些優(yōu)點(diǎn)？ 答：光放大器包括半導(dǎo)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(dǎo)體光放大器 它是根據(jù)半導(dǎo)體激光器的工作原理制成的光放大器。將半導(dǎo)體激光器兩端的反射腔去除，就成為沒(méi)有反饋的半導(dǎo)體行波放大器。它能適合不同波長(zhǎng)的光放大，缺點(diǎn)是耦合損耗大，增益受偏振影響大，噪聲及串?dāng)_大。 2）光纖放大器 （1）非線性光纖放大器 強(qiáng)光信號(hào)在光纖中傳輸，會(huì)與光纖介質(zhì)作用產(chǎn)生非線性效應(yīng)，非線性光纖放大器就是利用這些非線性效應(yīng)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(jiàn)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(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，從而使光信號(hào)得到放大。 EDFA優(yōu)點(diǎn)：高增益、寬帶寬、低噪聲及放大波長(zhǎng)正好是在光纖的最低損耗窗口等。 7．EDFA的主要性能指標(biāo)有哪些？說(shuō)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(shù)，是指輸入信號(hào)的信噪比與輸出信號(hào)的信噪比Fn＝（SNR）in/（SNR）out 。 8．分別敘述光放大器在四種應(yīng)用場(chǎng)合時(shí)各自的要求是什么？ 答：（1）在線放大器：當(dāng)光纖色散和放大器自發(fā)輻射噪聲的累積，尚未使系統(tǒng)性能惡化到不能工作時(shí)，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(duì)多信道光波系統(tǒng)，節(jié)約大量設(shè)備投資。（2）后置放大器：將光放大器接在光發(fā)送機(jī)后，以提高光發(fā)送機(jī)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(jī)前，以提高接收機(jī)功率和信噪比，增加通信距離。（4）功率補(bǔ)償放大器：功率補(bǔ)償放大器的運(yùn)用場(chǎng)合：A.用于補(bǔ)償局域網(wǎng)中的分配損耗，以增大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)；B.將光放大器用于光子交換系統(tǒng)等多種場(chǎng)合。 1．光接收機(jī)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(diào)制都有哪些類型？?jī)?nèi)調(diào)制和外調(diào)制各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？ 答：光源的外調(diào)制類型有：電折射調(diào)制、電吸收MQW調(diào)制、M-Z型調(diào)制。內(nèi)調(diào)制器簡(jiǎn)單且廉價(jià)，這種調(diào)制會(huì)引起輸出光載波的頻率啁啾；外調(diào)制器可以有更高的速率工作，并且有較小的信號(hào)畸變。 5．假定接收機(jī)工作于1550nm，帶寬為3GHz，前置放大器噪聲系數(shù)為4dB，接收機(jī)負(fù)載為，溫度，量子效率，，，設(shè)計(jì)，即，試計(jì)算接收機(jī)的靈敏度。 解：接收機(jī)工作于1550nm，則電離系數(shù)比為，，則散粒噪聲系數(shù)為 熱噪聲電流方差為 （帶數(shù)據(jù)自己計(jì)算） 接收機(jī)靈敏度為 （帶數(shù)據(jù)自己計(jì)算） 習(xí)題七 6．一直有一個(gè)565Mb/s單模光纖傳輸系統(tǒng)，其系統(tǒng)總體要求如下： （1）光纖通信系統(tǒng)的光纖損耗為0.1dB/km，有5個(gè)接頭，平均每個(gè)接頭損耗為0.2dB，光源的入纖功率為-3dBm，接收機(jī)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(shù)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(shè)計(jì)中選取色散（功率）代價(jià)為1dB，光連接器損耗為1dB（發(fā)送和接收端各一個(gè)），光纖富于度為0.1dB/km，設(shè)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(jià)。于是可通過(guò)計(jì)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(shù)據(jù)就可以求出的值來(lái)。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(gè)二進(jìn)制傳輸系統(tǒng)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(jī)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(jī)需要平均1000個(gè)光子/比特。 （4）在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處耦合損耗共計(jì)3dB。 求： a．?dāng)?shù)據(jù)速率為10和100Mb/s時(shí)，找出受損耗限制的最大傳輸距離。 b．?dāng)?shù)據(jù)速率為10和100Mb/s時(shí)，找出受色散限制的最大傳輸距離。 c．對(duì)這個(gè)特殊系統(tǒng)，用圖表示最大傳輸距離與數(shù)據(jù)速率的關(guān)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(jī)需要平均1000個(gè)光子/比特”得到APD的接收功率為 其中是普朗克常數(shù)，是光速，是波長(zhǎng)。 又已知，把發(fā)射功率和接收功率用dBm表示出來(lái)。 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(shù)據(jù)就可以求出的值來(lái)。 c．對(duì)這個(gè)特殊系統(tǒng)，用圖表示最大傳輸距離與數(shù)據(jù)速率的關(guān)系，包括損耗和色散兩種限制。用matlab很容易表示。 8．畫(huà)圖比較下面兩個(gè)速率為100Mb/s的系統(tǒng)其損耗受限的最大傳輸距離。 系統(tǒng)1工作在850nm： （1）GaAlAs半導(dǎo)體激光器：0dBm(1mW)的功率耦合進(jìn)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(gè)連接器為1dB。 系統(tǒng)2工作在1300nm： （1）InGaAsPLED：-13dBm的功率耦合進(jìn)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(gè)連接器為1dB。 每個(gè)系統(tǒng)均要求6dB的系統(tǒng)富于度。 解：系統(tǒng)1：把，，，，代入 可得到損耗受限的最大傳輸距離。 系統(tǒng)2：把，，，，代入 ,可得到損耗受限的最大傳輸距離。 9．簡(jiǎn)述PDH和SDH的特點(diǎn)與不同。 答：PDH逐級(jí)復(fù)用造成上下路復(fù)雜而不靈活；預(yù)留開(kāi)銷很少，不利于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、管理和維護(hù)；T系列和E系列的幀結(jié)構(gòu)和線路碼特性不同，難以兼容，轉(zhuǎn)換比較復(fù)雜；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸基礎(chǔ)上的復(fù)用結(jié)構(gòu)缺乏組網(wǎng)的靈活性，難以組建具有自愈能力的環(huán)形網(wǎng)等。 與PDH相比，SDH有以下特點(diǎn)：有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率等級(jí)；有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口；具有一次完成同步復(fù)用的功能；具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)管理功能。 11．如何理解誤碼性能參數(shù)？ 答：為了滿足測(cè)量要求，在實(shí)際中，通常采用誤碼性能參數(shù)來(lái)表示系統(tǒng)的誤碼性能，采用超過(guò)每個(gè)閾值的時(shí)間百分?jǐn)?shù)來(lái)表征。通過(guò)測(cè)量可判斷出該系統(tǒng)的優(yōu)劣，并且可以根據(jù)誤碼性能指標(biāo)判別出傳輸系統(tǒng)問(wèn)題出現(xiàn)在哪個(gè)段落。具體來(lái)說(shuō)有下列指標(biāo)： 誤碼個(gè)數(shù)記錄：以發(fā)送端的二進(jìn)制數(shù)和接收端的二進(jìn)制數(shù)逐比特比較凡屬相異的即為誤碼，可在短時(shí)間內(nèi)判斷出該系統(tǒng)的優(yōu)劣。 劣化分(DM)：每次測(cè)量時(shí)間分鐘，門(mén)限平均誤碼率，當(dāng)分鐘平均誤碼率低于這一門(mén)限值時(shí)稱為劣化分鐘 嚴(yán)重誤碼秒(SES)：每次測(cè)量時(shí)間秒，門(mén)限平均誤碼率，當(dāng)秒平均誤碼率低于這一門(mén)限值時(shí)稱為嚴(yán)重誤碼秒 誤碼秒(SES)：每次測(cè)量時(shí)間秒，門(mén)限平均誤碼率，即在每個(gè)測(cè)量周期內(nèi)只要出現(xiàn)誤碼就叫誤碼秒 平均誤碼率：是在一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間間隔內(nèi)，傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)誤碼的概率 （1）段開(kāi)銷（SOH）區(qū)域 段開(kāi)銷是指SDH幀結(jié)構(gòu)中為了保證信息凈負(fù)荷正常、靈活、有效地傳送所必須附加的字節(jié)，主要用于網(wǎng)絡(luò)的OAM功能，段開(kāi)銷分為再生段開(kāi)銷（RSOH）和復(fù)用段開(kāi)銷（MSOH）。（3分） （2）信息凈負(fù)荷（Payload）區(qū)域 信息凈負(fù)荷區(qū)域主要用于存放各種業(yè)務(wù)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(kāi)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(lái)指示凈負(fù)荷區(qū)域內(nèi)的信息首字節(jié)在STM-N幀內(nèi)的準(zhǔn)確位置，以便在接收端能正確分離凈負(fù)荷。 8