光纤通信与数字传输A复习题hardrock.pdf

光纤通信与数字传输A复习题 第一章 1 光纤通信有哪些主要优点？ 光纤通信的主要优点包括 ? 传输容量大 ? 传输损耗小，中继距离长 ? 泄漏小，保密性好 ? 节约有色金属 ? 抗电磁干扰性能好 ? 重量轻，可扰性好，便于施工 2 比较五代光纤通信系统的主要特点和差别 ? 第一代光纤通信系统 ? 850/1310 nm 多模系统，140Mb/s，30km ? 第二代光纤通信系统 ? 1310nm 单模系统，1Gb/s，50km ? 第三代光纤通信系统 ? 1550 nm 单模系统，2.5Gb/s，100km ? 第四代光纤通信系统 ? 光放大器引入，数千 km ? 第五代光纤通信系统 ? 光孤子系统 3 为什么在使用石英光纤的光纤通信系统中，工作波长只能选择850nm、1310nm和1550nm三种 因为目前使用的光纤主要材料是石英（SiO2），而石英光纤在850nm、1310nm和1550nm 三处具有较小的传输损耗，适宜作为传输窗口。所以目前的光纤通信系统基本上都使用这三个 波长。 第二章 1 光纤产生损耗的原因是什么？损耗对通信有什么影响？ 在一个光纤通信系统中，光源波长为1310nm，光波经过10km长的光纤线路传输后，其光功率下 降了25，则该光纤的损耗系数为多少？ 光纤产生损耗的原因包括吸收、散射和辐射。 损耗会导致信号功率损失，造成接收困难。 (1310nm)10lg(Pin/Pout)/L=10lg(4/3)/100.12dB/km 2 光脉冲在光纤中传输时，为什么会产生瑞利散射？瑞利散射损耗的大小与什么有关？ 瑞利散射是由于光纤内部的密度不均匀引起的，从而使折射率沿纵向产生不均匀，其不均 匀点的尺寸比光波波长还要小。光在光纤中传输时，遇到这些比波长小，带有随机起伏的不均 匀物质时，改变了传输方向，产生了散射。瑞利散射损耗的大小与 4 1成正比。 3 光纤中产生色散的原因是什么？色散对通信有什么影响 光纤的色散是由于光纤中所传输的光信号不同的频率成分和不同模式成分的群速度不同而 引起的传输信号畸变的一种物理现象。 色散会导致传输光脉冲的展宽，继而引起码间干扰，增加误码。对于高速率长距离光纤通 信系统而言，色散是限制系统性能的主要因素之一。 4 光纤中色散有几种？单模传输光纤中主要是什么色散？多模传输光纤中主要存在什么色散？ 从产生机理而言，光纤中的色散主要包括材料色散、波导色散和模式间色散。 单模光纤中主要是材料色散； 多模光纤中主要是模式间色散。 8 何谓模式截止？光纤单模传输的条件是什么？单模光纤中传输的是什么模式？其截止波长为 多大？阶跃折射率光纤中线性极化模LP11模对应的是什么矢量模？ 对每一个传播模来说，在包层中它应该是衰减很大，不能传输。如果一个传播模，在包层中不 衰减，也就是表明该模是传过包层而变成了辐射模，则就认为该传播模被截止了。所以一个传 播模在包层中的衰减常数W=0时，表示导模截止。 单模光纤传输条件：归一化频率V2.405 单模光纤中传输的是LP01模，对应的矢量模是HE11模。 截止波长由下式计算 4048. 2 2 2 2 2 1 nna c = LP11模对应的矢量模是TE01，TM01，HE21。 由光源发出的1.31m光，在a=25m，=0.01，n1=1.45，光纤折射率分布为阶跃型时，光纤 中的导模数量是多少？若光纤为2的渐变型时，其导模的数量为多少？ 根据归一化频率公式计算V， 根据p.41 公式2-137和2-138 可得 对于阶跃型，导模数量为 2 2 V 对于渐变型，导模数量为 4 2 V 11 某阶跃折射率光纤的参数为n11.5，n21.485，现有一光波在光纤端面轴线处以15的入射 角入射进光纤，试问该入射光线在光纤中是成为传导模还是辐射模？为什么？ 分析： 此题包括光在空气与纤芯分界面以及纤芯与包层分界面两次反射，可以先由纤芯/包层分界面全 反射条件求出临界角，再利用三角关系计算入射角，或直接利用教材上公式 2 2 2 10sin nnn ，将n11.5，n21.485代入 可知，最大接收角为12.22，而入射角大于临界角，所以入射光纤不满足全反射条件，不能传 输，是辐射模。 14 光谱线宽度为1.5nm的光脉冲经过长为20km，色散系数为3ps/km.nm的单模光纤传输后，光 脉冲被展宽了多少？ 根据定义可以直接计算 色散展宽为1.520390nm。 补充： 1 光纤的基本结构包括哪些？ 光纤的基本结构包括折射率较高的纤芯部分、折射率较低的包层部分和表面涂覆层。 2 单模光纤中的基模用矢量模和标量模（线性极化模）如何表示？ 单模光纤中的基模用矢量模表示为 HE11模。用线性极化模表示为 LP01模。 3 光纤色散的单位和物理意义是什么？ 光纤色散的单位为 ps/nmkm，其物理意义表示单位谱宽下传输单位长度所造成的脉冲展宽。 4 光纤模场直径和数值孔径的定义是什么？ 模场直径是描述单模光纤传输光能集中程度的参数。 定义端面入射临界角 a 的正弦为阶跃折射率光纤的数值孔径（Numerical Aperture，NA） 。 =2sin 1 2 2 2 10 nnnnNA a 5 光纤截止波长如何定义的？单模传输时中工作波长和截止波长之间应满足什么关系？ 单模光纤理论截止波长为 4048. 2 2 2 2 2 1 nna c = 单模传输是工作波长必须大于截止波长。 第三章 1 比较半导体激光器和发光二极管的异同。半导体激光器（LD）有哪些特性？半导体发光二极 管（LED）有那些特性？ LD和LED都可以用作通信光源。LD原理是受激辐射，而LED是自发辐射。 LD是阈值器件，需要较完善的驱动和外围电路，其发出的光谱线窄，适宜于高速率系统； LED没有阈值，结构简单，但其谱线较宽，适用于要求较低的场合。 2 为什么LD要工作在正向偏置状态？何谓激光器的阈值电流？激光器的阈值电流与激光器的 使用温度、使用时间有什么关系？ LD加正向偏置电压用以克服PN结中自建场的影响， 从而降低势垒， 以形成粒子数反转分布。 激光器的阈值电流与温度和使用时间成正比关系。 3 半导体激光器输出的光脉冲为什么会产生？ 参见p.80，LD瞬态特性。 6 在光纤通信系统中对LD驱动电路和偏置电路有什么要求？在LD驱动电路中为什么一定要加 偏置电流？偏置电流应加多大才合适？若偏置电流加得过大或过小对LD的调制特性会产生什 么影响？ 对LD驱动电路和偏置电路的要求是 ? 输出的光脉冲峰值保持恒定 ? 光脉冲的通断比应10 ? 激光发射的时间必须远短于码元时间 ? 采用阻尼电路以避免张驰振荡 因为LD是阈值器件，只有外加驱动电流超过阈值后才能发出激光，为使得较小的数据 电流ID亦可产生足够的光输出，因此需要加偏置电流IB，IB的选取原则是略小于Ith。 太小的IB需要较大的ID才能满足阈值条件； 太大的IB会引起消光比性能下降，同时较高的电流也会产生较大的热量，以及寿命的缩 短。 7 某数字光纤通信系统，在实际使用中发现LD的输出光功率慢慢下降，试分析其原因并提出解 决办法。 从阈值电流与使用时间及温度的关系可知，输出光功率下降的可能原因包括使用时间长和温度 升高引起的阈值电流增加 采取的措施可以使用APC和ATC。 9 在数字光纤通信系统中，选择线路码型时要考虑哪几个因素？例某数字光纤通信系统中，信 息码速为139.264Mbit/s，若采用5B6B码其线路码速为多少？若采用4B1H线路码速又为多少？ 线路码型的选取原则：P.73 除扰码外，字变换码和插入码都会提高线路传输速率，本题中， 5B6B：线路速率为139.2646/5=167.1168Mbit/s 4B1H：线路速率为139.264(4+1)/4=174.08Mbit/s 12 在光发送电路中为什么要设置自动功率控制（APC）电路？用APC电路是控制LD的哪些因 素？ 此题知识点同前述LD使用一段时间后，功率慢慢下降一题。 在光发送电路中为什么要设置自动温度控制（ATC）电路？用ATC电路是控制LD的哪些因素？ 13 试述ATC电路的工作原理。（ p.86 No.13 ） 此题知识点同前述LD使用一段时间后，功率慢慢下降一题。 ATC的工作原理见p.85。 补充： 1 什么是自发辐射、受激吸收和受激辐射？ 参见 p.54。 2 激光器组成的三个主要部分是什么，激光器工作的原理是什么？ 主要组成部分：工作物质、光学共振腔和激励系统。 激光器的主要工作原理是由激励系统将处于低能级的粒子激发到高能级并形成“粒子数反转分 布”，通过受激辐射的光放大，形成激光。 3 光源的调制方式有哪些，目前主要使用的是何种方式？ 光源的调制有直接调制和间接调制两种方式，目前主要使用的是强度调制（属于直接调制） 。 第四章 1 光纤通信系统对光检测器有什么要求？比较PIN和APD各自的特点。 分析： 光纤通信系统对光检测器的基本要求参见p.87。 APD具有雪崩倍增效应，倍增电流较大，但是噪声也较大。 2 光电二极管为什么必须工作在反向偏压状态？ 分析： 在扩散区内，因为光生载流子的扩散速度比耗尽区内光生载流子的漂移速度慢得多，这 部分光生载流子的扩散运动的时延，将使检测器输出电流脉冲后沿的拖尾加长，影响了光电二 极管的响应时间，限制了光电转换速度。在反向偏压情况下，增加了耗尽区的宽度，缩小了耗 尽区两侧扩散区的宽度，从而减小了光生电流中的扩散分量，反向偏压也增强了耗尽区内的电 场，加快了光生载流子的漂移速度，有利于加快光电二极管的响应时间。 3 光电检测电路为什么会产生非线形失真？非线形失真对接收信号会产生什么影响？ 参见4.1.2，PIN主要特性中线性饱和部分（p.91）。 4 何谓暗电流？暗电流是怎么产生的？暗电流的存在对信号的接收会产生什么影响？ 处于反向偏压下的半导体光电二极管，在无光照时仍有电流流过，这部分电流称为暗电 流。 光电检测器中的暗电流对光接收机灵敏度的影响与消光比的影响相似。 暗电流与光源无信 号时的残留光一样，在接收机中产生噪声，降低接收机的灵敏度。 5 试述APD的工作原理。何谓“雪崩效应”？） 处于反向偏置的耗尽层光电二极管，当外加的反向偏压不断增强时，耗尽层内产生的光 生载流子在强电场作用下得到加速，获得很大的动能。高能的载流子与半导体晶体内的原子相 碰撞，将束缚在价带中的电子激发到导带，从而在耗尽层内产生新的电子-空穴对，这种现象称 为碰撞电离。碰撞电离的第二代载流子在耗尽层的强电场的加速下再次引起碰撞电离而产生第 三代载流子。碰撞电离的反复循环使耗尽层内的载流子数雪崩似的急剧增加，通过二极管的电 流也就猛增，这就是雪崩倍增效应。 雪崩光电二极管（APD）就是利用雪崩倍增效应实现内部电流增益的半导体光电转换器 件 6 接收机中的噪声包括哪些？这些噪声是怎么产生的？ 分析：光接收机中存在各种噪声源，根据噪声产生的不同机理，噪声可分为两类：散粒噪声和 热噪声。接收机中的噪声源及其引入部位见教材图4.20所示。 7 何谓动态范围？何谓接收机灵敏度？灵敏度怎么表示？在保证误码率为10-9的条件下， 测得接 收机所需输入光功率的范围为：Pmax=0.2w，Pmin=13.6nw求该接收机的动态范围值和灵敏度值。 分析： 动态范围、灵敏度及其表示方法等参见教材。 10lg(0.2w/1mw)=10lg(210-4)=-36.99dBm 10lg(13.6nw/1mw)=10lg(1.3610-4)=-48.67dBm -36.99-(-48.67)11.68dB 所以，灵敏度为-48.67dBm，动态范围为11.68dB。 11 列出影响光纤通信系统中接收机灵敏度的各种因素。 并说明这些因素是怎样影响接收机灵敏 度的。 分析： 影响接收机灵敏度的主要因素包括： ? 码间干扰 ? 消光比 ? 暗电流 补充： 1 光电检测器有哪些主要参数，各自的定义是什么？ 光电检测器的主要参数有截止波长和吸收系数、响应度和量子效率、响应速度、线性饱和、暗 电流和噪声等，定义参见 p.89p.92。 其中响应度和量子效率是表示光电检测器能量转换效率的参数。 2 光纤通信系统中采用的检测方式有哪些，目前主要采用的是何种方式？ 检测方式有直接检测和相干检测，目前主要采用的是直接检测方式。 第六章 1 试比较PDH和SDH的特点 ? PDH ? 准同步数字体系，包括北美、欧洲和日本两个体系和三个地区标准 ? 低速率信号向高速率信号复用时采用码速调整技术，即首先通过脉冲插入调高单路速 率，再进行同步复用 ? 缺点：P129 ? SDH ? 三大特点：标准光接口、同步复用和强大网管 ? 具体：p.130-131 3 计算STM-1帧结构中RSOH、MSOH和AU PTR的速率。 RSOH（第13行，前9列）： 39880001.728Mbit/s MSOH（第59行，前9列）： 59880002.88Mbit/s AU PTR（第4行，前9列）： 1988000576kbit/s 4 将2Mbit/s映射复用进SDH，为什么会有三种结果容量。哪种映射的效率最高？哪种映射的效 率最低？哪种映射方式最为灵活？ 根据复用路径不同，可以有C4、C3和C12三条路径，对应的最终等效业务容量分别是64、48和 63个2Mbit/s。 其中C4路径映射效率较高，而C12路径最为灵活。 8 说明SDH网同步的工作模式。 SDH网同步的工作模式有主从同步和伪同步两种工作模式。 9 试分析SDH设备中TM、ADM和REG各自采用的同步定时信号的提取方法。 SDH设备同步方式包括（1）外同步定时源、（2）接收信号中提取定时和（3）内部定时源。 TM和ADM都可以采用（1）； ADM可以采用（2）中的线路定时或环路定时； REG可以采用（2）中的通过定时。 补充： 1 我国采用的 SDH 网同步方式是什么？ 我国采用的 SDH 网同步方式是网内主从同步方式，网间采用伪同步方式。 2 主从同步方式中从时钟的工作模式有哪些，各自的工作原理是什么？ 主从同步方式中从时钟的工作模式包括正常、保持和自由运行三种模式，工作原理见 p.155。 3 STM-N 帧结构中各部分的作用及传输速率如何计算？ STM-N 帧结构中第 13 和 59 行，前 9N 列为段开销，是用于网络运行管理维护； 第 4 行，前 9N 列为管理单元指针，由于指示净负荷的第 1 个字节在帧结构 中的位置； 第 19 行，后 261N 列为信息净负荷区域。 各部分的传输速率计算方法为 行数列数88000 （bit/s） 第七章 1 光波分复用系统的工作波长范围为多少？为什么这么取？通路间隔的选择原则是什么？ 由于目前常用的EDFA的工作波长范围为15301565nm。因此，光波分复用系统的工作波长应 该在15301565nm。 波分复用系统规定的通路频率是基于参考频率为193.1THz，最小间隔为100GHz的频率间隔系 列。 2 为什么要引入非零色散位移光纤（NZDSF）？ WDM系统中由于采用了光放大器，光纤中传播的光功率大大增加，这就会在零色散波长 区出现严重的非线性效应，尤其是“四波混频”效应会影响系统的性能对于WDM信号来说，相互 作用的各光波具有相同的传输相位，反而使得“四波混频”效应更为严重。它所产生的新波长往 往与某一传播波长相同。 为了有效抑制“四波混频“，选择了非零色散位移光纤（NZDSF）。其特点是将色散位移 光纤的零色散点进行移动，使在15401565nm范围内色散值保持在1.04.0ps/nmkm，既避开 了零色散区，又保持了较小的色散值。采用非零色散位移光纤其突出的优点就是兼容了常规单 模光纤G.652和色散位移光纤（DSF，G.653）的优点。 3 什么是“四波混频”效应？） 四波混频是指当多个频率的光波以很大的功率在光纤中同时传输时，由于非线性效应引 发多个光波之间出现能量交换的一种物理过程。假设有三个频率分别为f1、f2和f3的光波同时在 光纤中传输，将引发频率为f4的第4个光波出现，f4f1f2f3因此有相当大的信道功率可能通过 “四波混频”转移到新的光场中去。这种能量转移不仅导致信道中光功率的衰减，而且引起各信 道之间的彼此干扰。 4 什么是光纤的非线性效应？光纤中的非线性效应主要有哪些？它们与什么有关？ 对于常规的光纤通信系统来说， 入纤光功率不大， 光纤呈线性状态传输。 在WDM系统中， 采用EDFA后，光功率增大，光纤在一定条件下将呈现非线性特性，极大地限制了EDFA的放大 性能和长距离无中继传输的实现。 光纤的非线性效应主要有散射效应 （包括受激布利渊散射SBS和受激啦曼散射SRS） 和折 射率效应（包括自相位调制SPM、交叉相位调制XPM和四波混频FWM），这些效应的产生都与 注入到光纤中的光功率有关。 8 叙述WDM系统的特点。 可以充分利用光纤的带宽资源 可以完成多种电信业务的综合和分离 实现单纤双向传输，节省大量投资。 节省大量光纤。 降低器件的超高速要求。 适用于多种网络形式。 引入宽带业务方便。 高度的组网灵活性、经济性和可靠性。 补充： 1 WDM 系统的频率间隔是如何划分的？ WDM 系统的频率划分是以 193.1THz 为中心参考频率，按照 100GHz 的整数倍划分。信道之间 间隔常用的为 100GHz（约 0.8nm）或 200GHz（约 1.6nm） ，信道中心频率允许误差为 20GHz （约 0.16nm）. 2 WDM 系统中光监控信道技术如何实现？ WDM 系统中光监控信道技术有带内和带外两种实现技术。 带内监控信道使用 1510nm 波长， 传 输速率为 155Mb/s，带外监控技术采用 1532nm 波长，传输速率为 2Mb/s。 第八章 1 在研究光纤通信系统时，为什么要确定一个传输模型？ITUT提出的数字传输模型有哪几 种？ 由于数字信号在传输过程中会受到各种损害，因此，在进行传输系统设计时，需要规定 各部分设备性能，以保证把它们构成一个完整的传输系统时，能满足总的传输性能要求。为此， 需要确定一个合适的传输模型，以便对数字网的主要传输损伤的来源进行研究，确定系统全程 性能指标，并根据传输模型对这些指标进行合理分配，从而为系统传输设计提供依据。 2 在光纤通信系统中产生误码的原因有哪些？为能正确的反应误码的分布信息，应采用什么方 法来评定误码性能？为什么？ 光纤通信系统中产生误码的原因包括： 各种噪声源、色散引起的码间干扰、定位抖动产生的误码、复位器，交叉连接设备和交 换机的误码以及一些具有突发性质的脉冲干扰等。 为了能正确地反映误码的分布信息，ITU-T G.821建议采用时间率的概念来代替平均误码 率的评定方法。所谓误码时间率是以比特误码率超过规定阈值(BERT)的百分数来表示的。这是 在一个较长的时间内观察误码，记录每次平均取样观测时间内的误码个数或误码率超过某一定 值m的时间百分数。这种方法可以较准确地评价误码对通信业务质量的影响，即表示出误码随 时间的分布特性 。 4 在光纤通信系统中产生抖动的原因有哪些？产生漂移的原因是什么？ 解： 光纤通信系统中产生抖动的原因包括线路系统的抖动和复用器的抖动两大类。 产生漂移的原因主要包括时钟电路的老化和传输媒质的传输特性。 5 何谓光纤通信系统的可用性？.求：(1)只采用1个主用系统，无备用系统时，系统的可用 性。 (2)无备用时，每个中继段（平均60km）的可用性。 (3)采用主：备4：1时，系统的可用性。(p.203 No.5) 系统的可用性是指在给定的时间间隔内处于良好工作状态的能力。 系统的可用性(A)用系统的可 用时间与规定的总工作时间的比值来表示，即： 总的工作时间 可用时间 =A 式中：A为可用性 可用时间即为系统的平均故障间隔时间MTBF 总的工作时间包括：平均故障间隔时间(MTBF)和平均故障修理时间(MTTR)所以 MTTRMTBF