《光纖通信》劉增基+第二版課后習(xí)題答案

1、1-1 光纖通信的優(yōu)缺點各是什么？答 與傳統(tǒng)的金屬電纜通信、微波無線電通信相比，光纖通信具有如下優(yōu)點：(1) 通信容量大首先 ，光載波的中心頻率很高，約為2 x1014hz ，最大可用帶寬一般取載波頻率的10 %，則容許的最大信號帶寬為20 000 ghz( 20 thz ) ；如果微波的載波頻率選擇為20 ghz ，相應(yīng)的最大可用帶寬為2 ghz。兩者相差10000 倍其次，單模光纖的色散幾乎為零，其帶寬距離（乘）積可達幾十ghz km ；采用波分復(fù)用（多載波傳輸）技術(shù)還可使傳輸容量增加幾十倍至上百倍目前，單波長的典型傳輸速率是10 gb s。，一個采用128 個波長的波分復(fù)用系統(tǒng)的傳輸速率

2、就是1 . 28 tb / s . ( 2 ）中繼距離長。中繼距離受光纖損耗限制和色散限制，單模光纖的傳輸損耗可小千0 . 2 db / km ，色散接近于零( 3 ）抗電磁干擾光纖由電絕緣的石英材料制成，因而光纖通信線路不受普通電磁場的干擾，包括閃電、火花、電力線、無線電波的千擾同時光纖也不會對工作于無線電波波段的通信、雷達等設(shè)備產(chǎn)生干擾。這使光纖通信系統(tǒng)具有良好的電磁兼容性。( 4 ）傳輸誤碼率極低。光信號在光纖中傳輸?shù)膿p耗和波形的畸變均很小，而且穩(wěn)定，噪聲主要來源于t 子噪聲及光檢測器后面的電阻熱噪聲和前置放大器的噪聲只要設(shè)計適當，在中繼距離內(nèi)傳輸?shù)恼`碼率可達10-9甚至更低。此外，光纖

3、通信系統(tǒng)還具有適應(yīng)能力強、保密性好以及使用壽命長等特點。當然光纖通信系統(tǒng)也存在一些不足：( 1 ）有些光器件（如激光器、光纖放大器）比較昂貴。( 2 ）光纖的機械強度差，為了提高強度，實際使用時要構(gòu)成包聲多條光纖的光纜，光統(tǒng)中要有加強件和保護套。( 3 ）不能傳送電力有時需要為遠處的接口或再生的設(shè)備提供電能，光纖顯然不能勝任。為了傳送電能，在光纜系統(tǒng)中還必須額外使用金屬導(dǎo)線（4）光纖斷裂后的維修比較困難，需要專用工具。1-2 光纖通信系統(tǒng)由哪幾部分組成？簡述各部分作用。答 光纖通信系統(tǒng)由發(fā)射機、接收機和光纖線路三個部分組成（參看圖1 . 4 ）。發(fā)射機又分為電發(fā)射機和光發(fā)射機。相應(yīng)地，接收機也

4、分為光接收機和電接收機。電發(fā)射機的作又分為電發(fā)射機和光發(fā)射機。電發(fā)射機的作用是將信（息）源輸出的基帶電信號變換為適合于信道傳輸?shù)碾娦盘?，包括多路?fù)接、碼型變換等，光發(fā)射機的作用是把輸入電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并用藕合技術(shù)把光信號最大限度地注人光纖線路光發(fā)射機由光源、驅(qū)動器、調(diào)制器組成，光源是光發(fā)射機的核心。光發(fā)射機的性能基本取決于光源的特性；光源的輸出是光的載波信號，調(diào)制器讓攜帶信息的電信號去改變光載波的某一參數(shù)（如光的強度）光纖線路把來自于光發(fā)射機的光信，能小的畸變（失真）和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C光纖線路由光纖、光纖接頭和光纖連接器組成。光纖是光纖線路的主體， 接失和連接器是不可缺少的器件光接收機把

5、從光線路輸出的產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號還原為電信號光接收機的功能主要由光檢測器完成，光檢測器是光接收機的核心。電接收機的作用一是放大，二是完成與電發(fā)射機換，包括碼型反變換和多路分接等1-3 假設(shè)數(shù)字通信系統(tǒng)能夠在高達1 的載波頻率的比特率下工作，試問在5ghz的微波載波和1.55 um 的光載波上能傳輸多少路64 kb / s 的話路？解 在5ghz微波載波上能傳輸?shù)?4kb/s的話路數(shù) k=(5*109*1%)/(64*103)781(路)在1.55um的光載波上能傳輸?shù)?4kb/s的話路數(shù) k=（3*108）/(1.55*10-6)）/(64*10-3)=3.0242*107（路）1-4

6、 簡述未來光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趁勢及關(guān)鍵技術(shù)。答 未來光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趁于智能化、全光化。其關(guān)健技術(shù)包括：長波長激光器、低損耗單模光纖、高效光放大器、wdm復(fù)用技術(shù)和全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。2-1 均勻光纖芯與包層的折射率分別為n1=1.50, n2=1.45 ，試計算：( l ）光纖芯與包層的相對折射率差乙為多少？( 2 ）光纖的數(shù)值孔徑na 為多少？( 3 ）在1 米長的光纖上，由子午線的光程差所引起的最大時延差為多少解 （1）又纖芯和包層的相對折射率差=（n1-n2）/n1得到 =（n1-n2）/n1=（1.50-1.45）/1.50=0.033（2）na=sqrt（n12-n22）=sqrt(1.52-1.4

7、52)0.384（3） maxn1*l/c*=1.5*1/(3*108)*0.384ns2-3 均勻光纖，若n1=1. 50 ，=1.30m，試計算（1）若 =025 ，為了保證單模傳輸，其芯半徑應(yīng)取多大？( 2 ）若取a = 5 m ，為保證單模傳輸，應(yīng)取多大？解 （1）又單模傳輸條件 v=2a/*sqrt（n12-n22）2.405推導(dǎo)出 a2.405/（2*sqrt（n12-n22）其中，=1.3m，n2=n1-*n1=1.125,則a2.405*1.3*10-6/(2*sqrt(1.52-1.1252)=0.501m（2）當a=5m時，sqrt（n12-n22）2.405*/（2a）解

8、得（n1-n2）/n1=0.00162-4 目前光纖通信為什么采用以下三個工作波長：1=0 . 85m ，2=1.31m，3=55m ? 答 1=0.85m，2=1.31m，3=1.55m附近是光纖傳輸損耗較少或最小的波長“窗口”，相應(yīng)的損耗分別為23db/km、0.5 db/km、0.2 db/km，而在這些波段目前有成熟的光器件（光源、光檢測器等）。2-5 光纖通信為什么向長波長、單模光纖方向發(fā)展?答 長波長、單模光纖比短波長、多模光纖具有更好的傳輸特性。（1）單模光纖沒有模式色散，不同成分光經(jīng)過單模光纖的傳播時間不同的程度顯著小于經(jīng)過多模光纖時不同的程度( 2 ）由光纖損耗和波長的關(guān)系曲

9、線知，隨著波長的增大，損耗呈下降趨勢，且在1.31m 和1 . 55m 處的色散很小，故目前長距離光纖通信一般都工作在1 . 55m. 2-6 光纖色散產(chǎn)生的原因及其危害是什么？答 光纖色散是由光纖中傳輸?shù)墓庑盘柕牟煌煞止獾膫鞑r間不同而產(chǎn)生的。光纖色散對光纖傳輸系統(tǒng)的危害有：若信號是模擬調(diào)制的，色散將限制帶；是數(shù)字脈沖，色散將使脈沖展寬，限制系統(tǒng)傳輸速率（容量） . 2-7 光纖損耗產(chǎn)生的原因及其危害是什么？答 光纖損耗包括吸收損耗和散射損耗。吸收損耗是由sio2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的。散射損耗主要由材料微觀密度密度不均勻引起的瑞利勝射和光纖結(jié)構(gòu)缺陷（如氣泡）引起的散射

10、產(chǎn)生的。光纖損耗使系統(tǒng)的傳輸距離受到限制大損耗不利于長距離光纖通信。2-9 一階躍折射率光纖，折射率n1= 1 . 5 ，相對折射率差 1 % ，長度l = 1km ( 1 ）光纖的數(shù)值孔徑；( 2 ）子午光線的最大時延差；( 3 ）若將光纖的包層和涂敷層去掉，求裸光纖的na 和最大時延差。 解 （1）na=sqrt（n22-n12）n1*sqrt(2) 0.212（2）max=n1*l/c*=1.5*1000/(3*108)*0.01=50ns（3）若將光纖的包層和涂覆層去掉，則此時n1=1.5,n2=1.0,所以na=sqrt(n12-n22)=sqrt(1.52-1)=1.118max=

11、 n1*l/c*(n1-n2)/n1=2.5us2-12 一個階躍折射率光纖，纖芯折射率n1 = 1 . 4258 ，包層折射率n2=1.4205 ，該光纖工作在1.31m . 55m 兩個波段上。求該光纖為單樟光纖時的最大纖芯直徑。解由截止波長 =2a*sqrt(n12-n22) /2.405得c時單模傳輸，又已知條件得c1.30um,則2a2.405/（*sqrt（n12-n22）*1.3=2.405*1.3/（*（1.42582-1.42052）=9.53um2-15 光波從空氣中以角度=33 投射到平板玻璃表面上，這里的 是入射光線與玻璃表面之間的夾角根據(jù)投射到玻璃表面的角度，光束另一

12、部分被反射，另一部分發(fā)生折射，如果折射光束和反射光束之間的夾角正好為90, 請問玻璃折射率等于多少？這種玻璃的臨界角又為多少？解 如圖所示的角度對應(yīng)關(guān)系，得入射角i=90-33=57，折射角f=33，又斯涅耳定律得 n1sini=n2sinf 所以，玻璃折射率 n2=n1sin/ sinf=sin57/sin33=1.54 這種玻璃的臨界角 c=arcsin(1/n2)=arcsin(1/1.54)40.53-2 某激光器采用gaas為激活媒質(zhì)，問其輻射的光波頻率和波長各位多少？解 gaas禁帶寬度為eg= 1 . 424 ev，由hf eg（h 為普朗克常數(shù)，h=6.628x10-34js)

13、 ，可得以gaas 為激活媒質(zhì)的激光器的輻射光波頻率和波長分別為f=eg/h=1.424*1.6*10-19/6.628*10-34=3.44*108mhz=c/f=hc/eg=1.24/eg=1.24/1.424=0.87m3-3 半導(dǎo)體激光器（ld ）有哪些特性？答： ld和led的不同之處 工作原理不同，ld發(fā)射的是受激輻射光，led發(fā)射的是自發(fā)輻射光。led不需要光學(xué)諧振腔，而ld需要，和ld相比，led輸出光功率較小，光譜較寬，調(diào)制頻率較低，但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長，輸出功率線性范圍寬，而且制造工藝簡單，價格低廉，所以，led的主要應(yīng)用場合時小容量（窄帶）短距離通信系統(tǒng)，而ld主

14、要應(yīng)用于長距離大容量（寬帶）通信系統(tǒng)。ld和led的相同之處：使用的半導(dǎo)體材料相同，結(jié)構(gòu)相似，led和ld大多采用雙異質(zhì)結(jié)（dh）結(jié)構(gòu)，把有源層夾在p型和n型限制層中間。3-7 試說明apd 和pin 在性能上的主要區(qū)別。答 apd 和pin 在性能上的主要區(qū)別有：( 1 ) apd 具有雪崩增益，靈敏度高，有利于延長系統(tǒng)傳輸。( 2 ) apd 的響應(yīng)時間短。( 3 ) apd 的雪崩效應(yīng)會產(chǎn)生過剩噪聲，因此要適當控制雪( 4 ) apd 要求較高的工作電壓和復(fù)雜的溫度補償電路，成本較高。3-11 短波長led又材料ga1-x,alxas制成，其中x表示成分數(shù)，這樣的材料的帶隙能量eg（ev

15、）=1.424+1.266x+0.266x2 已知x必須滿足0x0.37，求這樣的led能覆蓋的波長范圍。解 由eg（ev）=1.424+1.266x+0.266x2，0x0.37得 1.424eg1.93由=1.24/eg，得 0.64um0.87um3-17 一光電二極管，當=1.3um時，響應(yīng)度為0.6a/w，計算它的量子效率。解 由于響應(yīng)度為=i/p0，則量子效率為=ip/p0*h*f/e=*hc/(e)=0.6*(6.628*10-34*3*108)/(1.3*10-6*1.6*10-19)=57.4%4-2 ld 為什么能夠產(chǎn)生碼型效應(yīng)？其危害及消除辦法是什么？答 半導(dǎo)體激光器在高

16、速脈沖調(diào)制下，輸出光脈沖和愉人電流脈沖之間存在延遲時間，稱為光電延遲時間。當光電延遲時間與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時間t / 2 量級時，會使“0”碼過后的第一個“l(fā) ”碼的脈沖寬度變窄，幅度減小嚴重時可能使“1”碼丟失，這種現(xiàn)象稱為碼型效應(yīng)。碼型效應(yīng)的特點是在脈沖序列中，較長的連“0 碼后出現(xiàn)“1”碼丟失，其脈沖明顯變小而且連“0”碼數(shù)目越多，調(diào)制速率越高，這種效應(yīng)越明顯碼消除方法是用適當?shù)摹斑^調(diào)制”補償方法4-3 在ld 的驅(qū)動電路里，為什么要設(shè)置功率自動控制電路apc?功率自動控制實際是控制ld 的哪幾個參數(shù)？答 在ld 的驅(qū)動電路里，設(shè)置功率自動控制電路（apc ）是為了調(diào)節(jié)ld 的偏流，是

17、輸出光功率穩(wěn)定。功率自動控制實際是控制ld的偏置電流、輸出光功率、激光器背向光功率。4-4 在ld 的驅(qū)動電路里，為什么要設(shè)定溫度自動控制電路？具體措施是什么？控制電路實際控制的是哪幾個參數(shù)？答 在ld 的驅(qū)動電路里，設(shè)置自動溫度控制電路是因為半導(dǎo)體光源的輸出特性受溫度影響很大，特別是長波長半導(dǎo)體激光器對溫度更加敏感，為保證輸出特性的穩(wěn)定，對光器進行溫度控制是十分必要的溫度控制裝置一般由致冷器、熱敏電阻和控制電路組成。致冷器的冷端和激光器的熱端接觸，熱敏電阻作為傳感器，探測激光器結(jié)區(qū)的溫度，并把它傳遞給控制電路，通過控制電路改變致冷量，使激光器輸出特性保持恒定?？刂齐娐穼嶋H控制的是：換能電橋輸

18、出、三極管的基極電流和致冷器的電流。4-9 數(shù)字光接收機量子極限的含義是什么？答 光接收機可能達到的最高靈敏度，這個極限值是由量子噪聲決定的，所以稱為量子極限。4-10 已測得某數(shù)字光接收機的靈敏度為10 m ，求對應(yīng)的dbm 值解pr =10lgmin(mw)=- 20 dbm 4-11 在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，選擇碼型時應(yīng)考慮哪幾個因素？答 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對線路碼型的主要要求如下：( l ）能限制信號帶寬，減小功率譜中的高低頻分量( 2 ）能給光接收機提供足夠的定時信息（3）提供一定的冗余度，用于平衡碼流、誤碼檢測和公務(wù)通信。但對高速砍，應(yīng)適當減小冗余度，以免占用過大的帶寬。4-13 rz

19、 碼和nrz 碼有什么特點？答 rz 碼為歸零碼 1 ”比特對應(yīng)有光脈沖且持續(xù)時間為整個比特周期的一半，“0” 對應(yīng)無脈沖出現(xiàn)其主要優(yōu)點是解決了連1 碼引起的基線漂移移問題，缺點是未解決長連 o ”的問題。nrz 碼為非歸零碼 1 ”比特對應(yīng)有光脈沖且掩續(xù)時間為整個比特周期， 0 對應(yīng)無脈沖出現(xiàn)。其主要優(yōu)點是占據(jù)的頻帶寬度窄，只是rz 碼的一半，缺點是當現(xiàn)長連“1”或 “ 0 ”時，光脈沒有”有”和“無”的變化，不適合通過交流耦合電路，對于接收比特時鐘的提取是不利的4-14 光纖通信中常用的線路碼型有哪些？答 光纖通信常用的線路碼璧有擾碼、mbnb碼和插入碼。5-1 為什么要引人sdh ? 答

20、 目前光纖大容量數(shù)字傳輸都采用同步時分復(fù)用（tdm ）技術(shù)，復(fù)用又分級，先后有兩種傳輸體制：準同步數(shù)字系列（pdh ）和同步數(shù)字系列（sdh )。pdh早在 1976 年就實現(xiàn)了標準化，目前還大量使用。隨著光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，pdh許多困難。在技術(shù)迅速發(fā)展的推動下，美國提出了同步光纖網(wǎng)（sonet ) 。1988 年，itu-t（原ccitt ）參照sonet的概念, 提出了被稱為同步數(shù)字系列（s dh ）的規(guī)范建議,解決了pdh 存在的問題，是一種比較完善的傳輸體制，現(xiàn)已得到大量應(yīng)用，這種傳輸體制不僅適用于光纖信道，也適用于微波和衛(wèi)星干線傳輸。5-2 sdh 的特點有哪些？sdh 幀中

21、auptr 表示什么？它有何作用？答 與pdh 相比，sdh 具有下列特點：( 1 ) sdh 采用世界上統(tǒng)一的標準傳輸速率等級。最低的等級也就是組基本的模塊稱為stm-1 ，傳輸速率為1 5 5 . 5 20 mb / s ; 4 個stm -l 同步復(fù)接組成stm-4,傳輸速率為4x155 .52mb / s =622 . 080mb/s；16 個stm -1 組成stm-16,傳輸速率為 2498 . 320 mb / s ，以此類推一般為stm-n , n = l , 4 , 16 , 64 。由于速率等級采用統(tǒng)一標準，sdh 就具有了統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點接口，并可以承載現(xiàn)有的pdh （e1

22、、e2等）和各種新的數(shù)字信號單元，如atm 信元、以太鏈路幀、ip 分組等，有利于不同通信系統(tǒng)的互聯(lián)。( 2 ) sdh 傳送網(wǎng)絡(luò)單元的光接口有嚴格的標準規(guī)范因此，光接口稱為開放型接口，任何網(wǎng)絡(luò)單元在光纖線路上可以互聯(lián)，不同廠家的產(chǎn)品可以互通，這有利于建立世界統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)。另一方面，標準的光接口綜合進各種不同的網(wǎng)絡(luò)單元，簡化了硬件，降低了網(wǎng)絡(luò)成本。( 3 ）在sdh 幀結(jié)構(gòu)中，豐畜的開銷比特用于網(wǎng)絡(luò)的運行、維護和管理，便于實現(xiàn)性能檢側(cè)、故障檢測和定位、故陣報告等管理功能( 4 ）采用數(shù)字同步復(fù)用技術(shù)，其最小的復(fù)用單位為字節(jié)，不必進行碼速調(diào)整，簡化了復(fù)接分接的實現(xiàn)設(shè)備，由低速信號復(fù)接成高速信號

23、，或從高速信號分出低速信號，不必逐級進行。( 5 ）采用數(shù)字交叉連接設(shè)備dxc 可以對各種端口速率進行可控的連接配置，對網(wǎng)絡(luò)資源進行自動化的調(diào)度和管理，這既高了資源的利用率，又增強了網(wǎng)絡(luò)的抗毀性和可靠性。sdh 采用了dxc 后，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性及對各種業(yè)務(wù)量變化的適用能力，使現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)提高到一個嶄新的水平。sdh 幀中的au ptr 指的是管理單元指針，它是一種指示符。主要絡(luò)的第一個字節(jié)在幀內(nèi)的準確位置（相對于指針位置的偏移量）。采用指針技術(shù)是sdh的創(chuàng)新，結(jié)合虛容器的概念，解決了低速信號復(fù)接成高速信號時，由于小的頻率誤差所造成的載荷相對位置漂移的問題。5-4 設(shè)140 mb / s 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)發(fā)射光功率為-3 dbm ，接收機-38 dbm ，系統(tǒng)余量為4 db ，連接器損耗為05 db /對，平均接頭損耗為o.05db/km, 光纖衰減系數(shù)為0.4 db / km ，光纖損耗余量為0.05 db / km ，計算中繼距離l 。解 l(pt-pr-2ac-me)/(af+as+am) 由題可知 pt=-3dbm，pr=-38dbm，me=4db,ac=0