《光纤通信》课后习题答案.pdf

第一章第一章 1 光纤通信的优缺点各是什么 答 优点有 带宽资源丰富 通信容量大 损耗低 中继距离长 无 串音干扰 保密性好 适应能力强 体积小 重量轻 便于施工维护 原 材料来源丰富 潜在价格低廉等 缺点有 接口昂贵 强度差 不能传送电力 需要专门的工具 设备 以及培训 未经受长时间的检验等 2 光纤通信系统由哪几部分组成 各部分的功能是什么 答 光纤通信系统由三部分组成 光发射机 光接收机和光纤链路 光发射机由模拟或数字电接口 电压 电流驱动电路和光源组件组成 光源组件包括光源 光源 光纤耦合器和一段光纤 尾纤或光纤跳线 组 成 模拟或数字电接的作用是实现口阻抗匹配和信号电平匹配 限制输入 信号的振幅 作用 光源是 LED 或 LD 这两种二极管的光功率与驱动电 流成正比 电压 电流驱动电路是输入电路与光源间的电接口 用来将输 入信号的电压转换成电流以驱动光源 光源 光纤耦合器的作用是把光源 发出的光耦合到光纤或光缆中 光接收机由光检测器组件 放大电路和模拟或数字电接口组成 光检 测器组件包括一段光纤 尾纤或光纤跳线 光纤 光检波器耦合器 光检 测器和电流 电压转换器 1 光检测器将光信号转化为电流信号 常用的器件有 PIN 和 APD 然后 再通过电流 电压转换器 变成电压信号输出 模拟或数字电接口对输出 电路其阻抗匹配和信号电平匹配作用 光纤链路由光纤光缆 光纤连接器 光缆终端盒 光缆线路盒和中继 器等组成 光纤光缆由石英或塑料光纤 金属包层和外套管组成 光缆线路盒 光缆生产厂家生产的光缆一般为 2km 一盘 因而 如果光发送与光接收之 间的距离超多 2km 时 每隔 2km 将需要用光缆线路盒把光缆连接起来 光 缆终端盒 主要用于将光缆从户外 或户内 引入到户内 或户外 将光 缆中的光纤从光缆中分出来 一般放置在光设备机房内 光纤连接器 主 要用于将光发送机 或光接收机 与光缆终端盒分出来的光纤连接起来 即连接光纤跳线与光缆中的光纤 3 假设数字通信系统能够在高达 1 的载波频率的比特率下工作 试问在 5GHz的微波载波和1 55 m的光载波上能传输多少路64kb s的音频信道 解 根据题意 求得在 5GHz 的微波载波下 数字通信系统的比特率 为 50Mb s 则能传输 781 路 64kb s 的音频信道 根据题意 求得在 1 55 m 的光载波下 数字通信系统的比特率为 1 935Gb s 则能传输 30241935 路 64kb s 的音频信道 4 4 SDHSDH 体制有什体制有什么优点 么优点 答 1 SDH 传输系统在国际上有统一的帧结构 数字传输标准速率 和标准的光路接口 使网管系统互通 因此有很好的横向兼容性 它能与 现有的准同步数字体制 PDH 完全兼容 并容纳各种新的业务信号 形 2 成了全球统一的数字传输体制标准 提高了网络的可靠性 2 SDH 接入系统的不同等级的码流在帧结构净负荷区内的排列非 常有规律 而净负荷与网络是同步的 它利用软件能将高速信号一次直接 分插出低速支路信号 实现了一次复用的特性 克服了 PDH 准同步复用方 式对全部高速信号进行逐级分解然后再生复用的过程 由于大大简化了数 字交叉连接 DXC 减少了背靠背的接口复用设备 改善了网络的业务传 送透明性 3 由于采用了较先进的分插复用器 ADM 数字交叉连接 DXC 网络的自愈功能和重组功能就显得非常强大 具有较强的生存率 因 SDH 帧结构中安排了信号的 5 开销比特 它的网管功能显得特别强大 并能 统一形成网络管理系统 为网络的自动化 智能化 信道的利用率以及降 低网络的维管费和生存能力起到了积极作用 4 由于 SDH 有多种网络拓扑结构 它所组成的网络非常灵活 它 能增强网监 运行管理和自动配置功能 优化了网络性能 同时也使网络 运行灵活 安全 可靠 使网络的功能非常齐全和多样化 5 SDH 有传输和交换的性能 它的系列设备的构成能通过功能块 的自由组合 实现了不同层次和各种拓扑结构的网络 十分灵活 6 SDH 并不专属于某种传输介质 它可用于双绞线 同轴电缆 但 SDH 用于传输高数据率则需用光纤 这一特点表明 SDH 既适合用作 干线通道 也可作支线通道 例如 我国的国家与省级有线电视干线网就 是采用 SDH 而且它也便于与光纤电缆混合网 HFC 相兼容 7 从 OSI 模型的观点来看 SDH 属于其最底层的物理层 并未对 其高层有严格的限制 便于在 SDH 上采用各种网络技术 支持 ATM 或 IP 3 传输 8 SDH 是严格同步的 从而保证了整个网络稳定可靠 误码少 且便于复用和调整 9 标准的开放型光接口可以在基本光缆段上实现横向兼容 降低了 联网成本 5 简述未来光网络的发展趋势及关键技术 答 全光网络将成为继纯电缆网络 光电耦合网络后的第三代网络 全光网络是指信号只是在进出网络时才进行电 光和光 电的变换 而在网络 中传输和交换的过程中始终以光的形式存在 因此在整个传输过程中没有 电的处理 全光网络的关键技术主要有光放大中继技术 光复用技术 光交换技 术 光分插复用技术等 6 简述 WDM 的概念 答 波分复用的基本思想是将工作波长略微不同 各自携带了不同信 息的多个光源发出的光信号 一起注入到同一根光纤中进行传输 7 解释光纤通信为何越来越多地采用 WDM EDFA 方式 答 采用 WDM 技术的原因是和它的优点分不开的 它有如下优点 1 充分利用了光纤的巨大带宽资源 2 同时传输多种不同类型的信号 3 实现单根光纤双向传输 4 4 多种应用形式 5 节约线路投资 6 降低器件的超高速要求 采用 EDFA 技术的原因是和它的优点分不开的 它有如下优点 1 中继器的价格下降了 2 对传送的数据速率和调制格式透明 这样系统只需改变链路的终 端设备就很容易升级到高的速率 3 可以同时放大多个波长信号 使波分复用 WDM 的实现成为 可能 4 提供了系统扩容的新途径 无需增加光纤和工作的速率 只需 通过增加波长就可提高系统的容量 5 最关键的是系统的成本下降了 8 全光网络的优点是什么 答 能充分利用光纤的带宽资源 故容量大 传输质量好 开放性 易于实现网络的动态结构 可扩展性 结构简单 透明性 可靠性高 可 维护性好 5 第二章第二章 1 光波从空气中以角度 1 33 投射到平板玻璃表面上 这里的 1 是入射光 与玻璃表面之间的夹角 根据投射到玻璃表面的角度 光束一部分被反射 另一部分发生折射 如果折射光束和反射光束之间的夹角正好为 90 请 问玻璃的折射率等于多少 这种玻璃的临界角又是多少 解 入射光与玻璃表面之间的夹角 1 33 则入射角57 i 反射角 57 r 由于折射光束和反射光束之间的夹角正好为 90 所以折射角 33 y 由折射定律sinsin iiyy nn 得到 sin sinsin67 sin33 yiy n 自己用 matlab 算出来 其中利用了空气折射率1 i n 这种玻璃的临界角为 1 arcsin c y n 自己用 matlab 算出来 2 计算 1 1 48n 及 2 1 46n 的阶跃折射率光纤的数值孔径 如果光纤端面外介 质折射率1 00n 则允许的最大入射角 max 为多少 解 阶跃光纤的数值孔径为 22 max12 sin0 24NAnn 允许的最大入射角 max arcsin 0 24 自己用 matlab 算出来 3 弱导阶跃光纤纤芯和包层折射率分别为 1 1 5n 2 1 45n 试计算 1 1 纤芯和包层的相对折射率 纤芯和包层的相对折射率 6 2 2 光纤的数值孔径 光纤的数值孔径NA 解 阶跃光纤纤芯和包层的相对折射率差为 22 12 2 1 0 03 2 nn n 光纤的数值孔径为 22 12 0 38NAnn 4 已知阶跃光纤纤芯的折射率为 1 1 5n 相对折射 指数 差0 01 纤芯 半径25amm 若 0 1 m m 计算光纤的归一化频率V及其中传播的模数量M 解 光纤的归一化频率 22 121 00 22 233 3Va nna n 光纤中传播的模数量 2 554 2 V M 5 一根数值孔径为 0 20 的阶跃折射率多模光纤在 850nm 波长上可以支持 1000 个左右的传播模式 试问 1 1 其纤芯直径为多少 其纤芯直径为多少 2 2 在 在 1310nm1310nm 波长上可以支持多少个模 波长上可以支持多少个模 3 3 在 在 1550nm1550nm 波长上可以支持多少个模波长上可以支持多少个模 解 1 由 22 112 11 22 Va nna NA 得到纤芯直径为 1 111 20 852000 30 27 2220 20 MV a NANA 2 当 2 1 31 m m 有 12 12 22 22 MM NANA 得到模的个数为 7 2 2 1 21 22 2 0 85 1000421 1 31 MM 3 当 2 1 55 m m 得到模的个数为 2 2 1 31 22 2 0 85 1000354 1 55 MM 6 用纤芯折射率为 1 1 5n 长度未知的弱导光纤传输脉冲重复频率 0 8fMHz 的 光脉冲 经过该光纤后 信号延迟半个脉冲周期 试估算光纤的长度L 解 信号的周期为 0 1 Tf 信号在纤芯中传输的速度为 1 vc n 由于信号延迟半个脉冲周期 则光纤的长度L为 8 6 10 13 101 12 5 221 52 8 10 Tc Lvm nf 7 有阶跃型光纤 若 1 1 5n 0 1 31 m m 那么 1 1 若 若0 25 为保证单模传输 光纤纤芯半径 为保证单模传输 光纤纤芯半径a应取多大 应取多大 2 2 若取芯径 若取芯径5amm 保证单模传输时 保证单模传输时 应怎么选择 应怎么选择 解 1 由归一化频率 22 121 00 22 2Va nna n 得到 0 1 22 V a n 为了保证光纤中只能存在一个模式 则要求2 405V 则要求光纤纤芯半径 0 1 2 4051 312 405 0 47 2221 520 25 am n m 2 若取芯径5amm 保证单模传输时 则 8 22 00 11 112 405 0 002 2 22 2 V n an a 8 渐变光纤的折射指数分布为 1 2 012 r n rn a a 求光纤的本地数值孔径 求光纤的本地数值孔径 解 渐变光纤纤芯中某一点的数值孔径为 222 201 r NA rnrnan a a 9 9 某光纤在 某光纤在1300nm1300nm处的损耗为处的损耗为0 6 dB km 在 在1550nm1550nm波长处的损波长处的损耗为耗为0 3 dB km 假设下面两种光信号同时进入光纤 假设下面两种光信号同时进入光纤 1300nm1300nm 波长的波长的150 Wm的光信号和的光信号和 1550nm1550nm 波长的波长的100 Wm的光信号 试问这两种光信号在的光信号 试问这两种光信号在 8km8km 和和 20km20km 处的功率处的功率 各是多少 以各是多少 以Wm为单位 为单位 解 对于 1300nm 波长的光信号 在 8km 和 20km 处的功率各是 100 48 10150 10 L oi PPW a m 1 2 150 10Wm 对于 1550nm 波长的光信号 在 8km 和 20km 处的功率各是 100 24 10100 10 L oi PPW a m 0 6 100 10Wm 10 一段 12km 长的光纤线路 其损耗为1 5 dB km 试回答 1 1 如果在接收端保持 如果在接收端保持0 3 Wm的接收光功率 则发送端的功率至少的接收光功率 则发送端的功率至少 为多少 为多少 2 2 如果光纤的损耗变为 如果光纤的损耗变为2 5 dB km 则所需的输入光功率为多少 则所需的输入光功率为多少 解 1 根据损耗系数定义 10 lg i o P LP a 9 得到发送端的功率至少为 101 8 100 3 10 L oi PPW a m 2 如果光纤的损耗变为2 5 dB km 则所需的输入光功率为 103 100 3 10 L oi PPW a m 11 有一段由阶跃折射率光纤构成的 5km 长的光纤链路 纤芯折射率 1 1 49n 相对折射率差0 01 1 1 求接收端最快和最慢的模式之间的时延差 求接收端最快和最慢的模式之间的时延差 2 2 求由模式色散导致的均方根脉冲展宽 求由模式色散导致的均方根脉冲展宽 3 3 假设最大比特率就等于带宽 则此光纤的带宽距离积是多少 假设最大比特率就等于带宽 则此光纤的带宽距离积是多少 解 1 纤芯和包层的相对折射率差 为 22 12 2 1 0 01 2 nn n 则得到 2 1 475n 接收端最快和最慢的模式之间的时延差 23 1 8 2 5 10 0 010 113 3 101 475 Ln s cn m 2 模式色散导致的均方根脉冲展宽实际上就等于最快和最慢的模式 之间的时延差 2 1 2 0 113 Ln Ts cn m 3 光纤的带宽距离积 8 22 1 443 10 8 05 1 490 01 c BLkm Gb s n 10 12 有 10km 长0 30NA 的多模阶跃折射光纤 如果其纤芯折射率为1 45 计 算光纤带宽 解 纤芯和包层的相对折射率 为 2 2 1 11 0 30 0 021 22 1 45 NA n 由阶跃光纤的比特距离积 1 2 c BL n 得到光纤带宽 1 49 2 c BMb s nL 可写成dIGIdz 即 dIIGdz 若G为常数 则积分得到 0 Gz II e 在衰减时 0dI 可写成dIIdza 即 dIIdza 若a为常数 则积 分得到 0 z II e a 所以 当光放大和光衰减同时存在时 便有 0 Gz II e a 显然 此式成立的条件是 Ga都与 I z无关 14 补充题 2 设 LD 的光学谐振腔长为L 谐振腔前 后镜片的光强反射系数 分别为 12 r r 谐振腔介质的光强损耗系数为a 谐振腔的光强增益系数为G 试证明 激光所要求的谐振条件 阈值增益条件 为 1 2 11 ln 2 G Lrr a 解 在谐振腔内任取一点z 此点光强 I z 该光强向右传播到前镜片 经反射后向左传播到后镜片 再经过反射向右传播回到z点 则光强变为 2 1 2 2 GL I zLI z rr e a 显然 产生激光的条件为返回z点的光强要大于z点发出的光强 2 I zLI z 即 2 1 2 GL I z rr eI z a 得到 2 1 2 1 GL rr e a 因而 1 2 11 ln 2 G Lrr a 记 1 2 11 ln 2 th G Lrr a 是谐振腔的总损耗 只有增益 th GG 时 才能产生激光 故把 th G叫激光器的阈值条件 第五章第五章 1 光放大器包括哪些种类 简述它们的原理和特点 EDFA 有哪些优点 答 光放大器包括半导体光放大器 光纤放大器 由可分为非线性光 纤放大器和掺杂光纤放大器 1 半导体光放大器 15 它是根据半导体激光器的工作原理制成的光放大器 将半导体激光器 两端的反射腔去除 就成为没有反馈的半导体行波放大器 它能适合不同 波长的光放大 缺点是耦合损耗大 增益受偏振影响大 噪声及串扰大 2 光纤放大器 1 非线性光纤放大器 强光信号在光纤中传输 会与光纤介质作用产生非线性效应 非线性 光纤放大器就是利用这些非线性效应制作而成 包括受激拉曼放大器 SRA 和受激布里渊放大器 SBA 两种 2 掺杂光纤放大器 常见的有掺铒和掺镨光纤放大器 在泵浦光作用下 掺杂光纤中出现粒子数反转分布 产生受激辐射 从而使光信号得到放大 EDFA 优点 高增益 宽带宽 低噪声及放大波长正好是在光纤的最低 损耗窗口等 2 EDFA 的泵浦方式有哪些 各有什么优缺点 答 EDFA 的三种泵浦形式 同向泵浦 反向泵浦和双向泵浦 同向泵 浦 信号光和泵浦光经 WDM 复用器合在一起同向输入到掺铒光纤中 在掺 铒光纤中同向传输 反向泵浦 信号光和泵浦在掺铒光纤中反向传输 双 向泵浦 在掺铒光纤的两端各有泵浦光相向输入到掺铒光纤中 同向泵浦增益最低 而反向泵浦比同向泵浦可以提高增益 3dB 5dB 这是因为在输出端的泵浦光比较强可以更多地转化为信号光 而双向泵浦 又比反向泵浦输出信号提高约 3dB 这是因为双向泵浦的泵功率也提高了 3dB 其次 从噪声特性来看 由于输出功率加大将导致粒子反转数的下降 16 因此在未饱和区 同向泵浦式 EDFA 的噪声系数最小 但在饱和区 情况 将发生变化 不管掺铒光纤的长度如何 同向泵浦的噪声系数均较小 最 后 考虑三种泵浦方式的饱和输出特性 同向 EDFA 的饱和输出最小 双 向泵浦 EDFA 的输出功率最大 并且放大器性能与输出信号方向无关 但 耦合损耗较大 并增加了一个泵浦 使成本上升 3 一个 EDFA 功率放大器 波长为 1542nm 的输入信号功率为 2dBm 得到 的输出功率为27 out PdBm 求放大器的增益 解 G 10log10 Pout Pin 10log10Pout 10log10Pin 27 2 25dB 4 简述FBA与FRA间的区别 为什么在FBA中信号与泵浦光必须反向传输 答 FBA 与 FRA 间的区别 1 FRA 是同向泵浦 FBA 是反向泵浦 2 FRA 产生的是光学声子 FBR 产生的是声学声子 3 FRA 比 FBA 的阈值功率大 4 FRA 比 FBA 的增益带宽大 在 SBA 中 泵浦光在光纤的布里渊散射下 产生低频的斯托克斯光 方向与泵浦光传播方向相反 如果这个斯托克斯光与信号光同频 同相 那么信号光得到加强 故要使信号光得到放大 信号光应与泵浦光方向相 反 17 5 一个长 250 m 的半导体激光器用做 F P 放大器 有源区折射率为 4 则放大器通带带宽是多少 此题可能有误 半导体光放大器的通带带宽目前还没找到公式计算 6 EDFA 在光纤通信系统中的应用形式有哪些 答 1 作为光中继器 用 EDFA 可代替半导体光放大器 对线路中的 光信号直接进行放大 使得全光通信技术得以实现 2 作为前置放大器 由于 EDFA 具有低噪声特点 因而如将它置于光接收机的前面 放大非常微 弱的光信号 则可以大大提高接收机灵敏度 3 作为后置放大器 将 EDFA 置于光发射机的输出端 则可用来提高发射光功率 增加入纤功率 延长 传输距离 7 EDFA 的主要性能指标有哪些 说明其含义 答 1 增益 是指输出功率与输入功率之比 G Pout Pin 如果用分贝 作单位定义为 G 10log10 Pout Pin 2 噪声系数 是指输入信号的信噪比与输出信号的信噪比 Fn SNR in SNR out 8 分别叙述光放大器在四种应用场合时各自的要求是什么 答 1 在线放大器 当光纤色散和放大器自发辐射噪声的累积 尚 未使系统性能恶化到不能工作时 用在线放大器代替光电光混合中继器是 完全可以的 特别是对多信道光波系统 节约大量设备投资 2 后置放 大器 将光放大器接在光发送机后 以提高光发送机的发送功率 增加通 18 信距离 3 前置放大器 将光放大器接在光接收机前 以提高接收机功 率和信噪比 增加通信距离 4 功率补偿放大器 功率补偿放大器的运 用场合 A 用于补偿局域网中的分配损耗 以增大网络节点数 B 将光放 大器用于光子交换系统等多种场合 9 叙述 SOA XGM 波长变换的原理 答 探测波 s 和泵浦波 p 经耦合注入到 SOA 中 SOA 对入射光功率存在 增益饱和特性 当入射光强增加时 增益变小 当入射光强减小时 增益 变大 因此 当受过调制的泵浦波注入 SOA 时 泵浦波将调制 SOA 的增益 这个增益又影响探测波的强度变化 使得探测波的强度按泵浦波的强度变 化 用带通滤波器取出变换后的 s 信号 即可实现从 p 到 s 的全光波长变换 第六章第六章 1 光接收机中有哪些噪声 答 热噪声 散粒噪声和自发辐射噪声 2 RZ 码和 NRZ 码有什么特点 答 NRZ 非归零码 编码 1 对应有光脉冲 且持续时间为整个比特 周期 0 对应无光脉冲 RZ 归零码 编码 1 对应有光脉冲 且持续时间 为整个比特周期的一半 0 对应无光脉冲 NRZ 码的优点是占据频宽窄 只是 RZ 码的一半 缺点是当出现长连 1 或 0 时 光脉冲没有交替变换 19 接收时对比特时钟的提取是不利的 RZ 码解决了长连 1 的问题 但长连 0 的问题没解决 3 通信中常用的线路码型有哪些 答 扰码 mBnB 码 插入码和多电平码 4 光源的外调制都有哪些类型 内调制和外调制各有什么优缺点 答 光源的外调制类型有 电折射调制 电吸收 MQW 调制 M Z 型 调制 内调制器简单且廉价 这种调制会引起输出光载波的频率啁啾 外 调制器可以有更高的速率工作 并且有较小的信号畸变 5 假定接收机工作于 1550nm 带宽为 3GHz 前置放大器噪声系数为 4dB 接收机负载为100 L R 温度300TK 量子效率1 1 55 1 241 25 RA W 1 m G 设计 12 10BER 即7 试计算接收机的灵敏度 解 接收机工作于 1550nm 则电离系数比为0 7 A k 1 m G 则散粒噪 声系数为 1 1 2 0 87 AmAmA m F Gk Gk G 热噪声电流方差为 2 4 B rene L k T F B R 带数据自己计算 接收机灵敏度为 re ReAm m PeB FG RG 带数据自己计算 20 6 在考虑热噪声和散粒噪声的情况下 设 APD 的 x Amm F GG 0 1 x 推导 APD 的 m G的最佳值 opt G 此时 APD 接收机的 SNR 最大 解 光接收机输出端的信噪比定义为 SNR 光电流信号功率 光检测器噪声功率 放大器噪声功率 光检测器的噪声功率表示为 2