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1 光纤通信简明教程参考答案光纤通信简明教程参考答案 第一章习题第一章习题 1-1 什么是光纤通信? 目前使用的通信光纤大多数采用基础材料为 SiO2的光纤,它是工作在 电磁波的哪个区?波长范围是多少?对应的频率范围是多少? 光纤通信是利用光导纤维传输光波信号的通信方式。 目前使用的通信光纤大多数采用基础材料为 SiO2的光纤。它是工作在近红外区，波长 为 0.81.8m，对应的频率为 167375THz。 1-2 试画出光纤通信系统组成的方框图。 一个光纤通信系统通常由电发射机、光发射机、光接收机、电接收机和由光纤构成的光 缆等组成。 1-3 通信系统的容量用 BL 积表示，B 和 L 分别是什么含义? 系统的通信容量用比特率距离积表示，B 为比特率，L 为中继间距。 1-4 光纤通信的主要优点是什么? 光纤通信之所以受到人们的极大重视， 是因为和其他通信手段相比， 具有无以伦比的优 越性。 (1) (1) 通信容量大通信容量大 (2) (2) 中继距离远中继距离远 (3) (3) 抗电磁干扰能力强，无串话抗电磁干扰能力强，无串话 (4) (4) 光纤细，光缆轻光纤细，光缆轻 (5) (5) 资源丰富，节约有色金属和能源资源丰富，节约有色金属和能源。 光纤还具有均衡容易、抗腐蚀、不怕潮湿的优点。因而经济效益非常显著。 1-5 请查阅最新资料论述光纤通信的发展趋势。 略 2 第第二章习题二章习题 2-1 一个频率为 14 106Hz 的光源，其发射功率为 10W，它一秒内发射多少个光子? 解： 19 1434 14 1052. 2 10610626. 6 10 106,10 h P N HzWP 2-2 如下两种光纤，临界角满足什么条件可以保持光在纤芯中传播? （1） 对于石英光纤，纤芯的折射率48. 1 1 n，包层的折射率46. 1 2 n。 （2） 对于塑料光纤，纤芯的折射率495. 1 1 n，包层的折射率402. 1 2 n。 解：由 1 2 sin n n c 得 1 21 sin n n c （1） 57.80 48. 1 46. 1 sin 1 c （2） 94.73 495. 1 402. 1 sin 1 c 2-3 一单色光垂直照在厚度均匀的薄油膜上。油的折射率为 1.3，玻璃的折射率为 1.5 ，若单色光的波长可由光源连续调节，并观察到 500nm 与 700nm 这两个波长的单色光 在反射中消失，求油膜的厚度。 解：由于空气的折射率小于油的折射率，油的折射率小于玻璃的折射率，薄油膜的上、下两 表面反射而形成相干光，由于两束光的路程不同而引起的光程差为 2 n2e；由于薄油膜的上、 下两表面反射光都发生位相突变而不引起额外的光程差。 所以总的光程差为 en22 当反射光因干涉而减弱，则有 )2/1(2 2 ken 由上式得 2211 )2/1()2/1(kk k1 ，k2=1，2，3 所以 k1 =4，k2=3 把 n2=1.3 代入得到油膜的厚度为干涉加强的光波波长为： e=673.08nm 3 2-4 一波长为=600nm 的单色平行光垂直照射一个光栅上，光栅常数为 d=6m，问 第二级明纹所对应的衍射角为多少? 解：光衍射角满足光栅方程时： kbasin)( k=0,1,2 式中 d=a+b，k=2 得 54.11 2 sin 1 ba 2-5 一束线偏振光入射到偏振片上，光矢量方向与偏振化方向分别成 30角和 60 角，问透过偏振片的光强之比是多少? 解：利用马吕斯定律： 2 0cos II 1:3 60cos 30cos 2 2 2 1 I I 2-6 光从空气中入射到玻璃会发生光的反射和折射，已知玻璃的折射率 n=1.48，空气 的折射率近似为 1，试求反射光为线偏振光时所对应的入射角。 解：由布儒斯特定律 21 1 2 0 tann n n i可得 95.55tan 0 1 0 n n i 2-7 有一介质，吸收系数为 1 32. 0 cm，透射光强分别为入射光强的 10%、50%及 80%时，介质的厚度各多少? 解：光束穿过厚度为 z 的介质后强度为 z eII 0 可得： 0 ln 1 I I z 当透射光强分别为入射光强的 10%时，介质的厚度为 7.196cm； 当透射光强分别为入射光强的 50%时，介质的厚度为 2.166cm； 当透射光强分别为入射光强的 10%时，介质的厚度为 0.607cm； 4 2-8 构成激光器的三个基本条件是什么? 构成一个激光器需要如下三个要素如图所示： （1） 激光工作物质 （2） 激励 （3） 光学谐振腔 2-9 HeNe 激光器的中心频率 14 0 1074. 4 Hz，自发辐射谱线宽度为 8 106 Hz，若想获得单模输出，腔长应为多少? 解：纵模个数 N 为 m N 当单模输出时 N=1，即 8 106 m Hz 由 nL c q q 2 得 c n L m 2 4m 第三章习题第三章习题 3-1 填空题 (1) 通信用的光纤绝大多数用 材料制成。 折射率高的中心部分叫 ， 折射率稍低的外层称为 。 (2) 表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为 ，用 表示。 (3) 在阶跃型光纤中， 模是最低工作模式， 是第一高阶模。 (4) 阶跃型光纤的单模传输条件是 。 (5) 渐 变 型 光 纤 中 不 同 射 线 具 有 相 同 轴 向 速 度 的 现 象 称 为 。 答案： （1）石英，纤芯，包层 （2）数值孔径，NA （3）LP01，LP11 （4）0V2.405 5 （5）光纤的自聚焦现象 3-2 试分析阶跃型光纤和渐变型光纤的导光原理。 阶跃折射率光纤的导光原理比较简单，如图 3-1-3 所示。 图 3-1-3 阶跃折射率光纤的导光原理 按照光的全反射理论，如果光线满足1大于临界角由式（3-1-3）确定的C ，将会在纤芯 与包层界面上发生全反射， 当全反射的光线再次入射到纤芯与包层的分界面时， 又会再次发 生全反射而返回纤芯中传输形成导波。 采用渐变型折射率光纤的目的是为了降低模间色散，其导光原理如图 3-1-4 所示。 图中给出了梯度折射率光纤中三条不同路径的光线沿光纤传播的情况， 与轴线夹角大的 光线经过的路径要长一些，然而它的折射率的较小，光线速度沿轴向的传播速度较大；而沿 着轴线传播的光线尽管路径最短， 但传播速度却最慢。 这样如果选择合适的折射率分布就有 可能使所有光线同时到达光纤输出端。 这样人们很容易理解为什么采用梯度折射率光纤可以 降低模间色散。 图 3-1-4 渐变型折射率光纤的导光原理 3-3 阶跃型光纤纤芯折射率 n1=1.48，包层折射率 n2=1.46，试计算光纤的数值孔径? 解：由2 1 2 2 2 1 nnnNA得 24. 046. 148. 1 22 NA 6 3-4 什么是光纤的归一化频率?写出表达式。 光纤的归一化频率 V 是由 U 和 W 得出的一个重要参数，由光纤的结构和波长决定。 2 10 ankV 3-5 阶跃型光纤纤芯折射率 n1=1.48，包层折射率 n2=1.46，在工作波长为 1.31m 条件下， 要保证单模传输，纤芯半径应如何选择。 由2 10 ankV可知 m nn V n V a 09. 2 46. 148. 114. 32 31. 1405. 2 2 22 222 2 2 1 0 1 0 纤芯半径应小于 2.09m 3-6 什么是渐变型光纤的最佳折射指数分布?写出平方律型折射指数分布光纤的折射指数 表达式。 从渐变型光纤的导光原理可知：只要 n(r)取得合适，那么不同模式的光线就会具有相同 的轴向速度。即具有不同条件的子午射线，从同一地点出发，达到相同的终端。利用渐变型 光纤 n 随 r 变化的特点，可以减小模式色散。这种现象称为光纤的自聚焦现象，相应的折射 指数分布称为最佳折射指数分布。 折射指数选取平方律型分布形式 2/12 )(21)0()( a r nrn （3-3-1） 式中： )0(2 )()0( 2 22 n ann n(0)光纤轴线处（r=0）的折射率 a纤芯半径 3-7 写出光纤的衰减系数表达式。衰减系数的单位是什么？ 衰减常数用单位长度光纤引起光功率衰减的分贝来表示，定义为 )0( )( lg 10 P LP L 单位为 dB/km。 3-8 对于 NA=0.275，n1=1.487 的多模阶跃型光纤，一个光脉冲传输了 8km，求光脉冲展宽 了多少？ 解：ns n NA c L c Ln SI 08.678 487. 12103 275. 0108 2 )( 8 23 1 2 1 7 3-9 对于 N1=1.487，=1.71%的多模渐变型光纤，一个光脉冲传输了 2km，求光脉冲展宽 了多少？ 解：ns c LN GI 36. 0 1038 %)71. 1 (487. 1102 8 8 232 1 3-10 材料色散和波导色散引起的时延差与色散系数 D 的关系是什么？色散系数 D 工 程通常采用什么单位？ 材料色散和波导色散引起的时延差与色散系数 D 成正比，色散系数 D 工程上单位 采用 ps/(nmkm)。 3-11 普通单模光纤的零色散波长大约为多少？色散位移光纤(DSF) 是利用什么原理制成 的？ 图 3-6-3 普通单模光纤的材料色散系数 Dm、 波导色散系数 Dw和总色散 D 随波长变化的 曲线，总色散在 1.31m 附近为零，这个波长称为零色散波长。而在 1.55m 附近色散系 数 D=1518ps/(kmnm)。 在 1.55m 附近的损耗最低， 如果合理地设计光波导的结构就可以把零色散波长位移到 1.55m 附近，这样 1.55m 附近色散也最小，利用这种原理制成色散位移光纤(DSF)。无 疑对长距离大容量的光纤通信是十分有利的。 图 3-6-3 普通单模光纤的 DM、Dw和 D 随波长的变化曲线 3-12 查阅资料，论述单模光纤的最新进展。 略 第四章习题第四章习题 4-1 填空题 (1) 根据半导体的能带理论，能够被电子占据的能带为 、 ，不能 被子占据的状态为 。 (2) 在半导体材料中掺杂其他原子，如果在半导体材料中掺杂负电荷的载体以产生大量的电 子，这种半导体称为 型半导体；掺杂的是正电荷的载体以产生大量的空穴，则称为 型半导体。 8 (3) 对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时输出 的光为 ，这个电流称为 电流。 (4) 半导体材料只有波长为C的光入射时，才能使材料产生光子，所以C 称为 波长 (5) 由于双异质结激光器在有源区两侧，既限制了 ，又限制了 ，故它的 光强分布基本被约束在有源区，而且阈值电流大大降低 答案： （1）价带 导带 禁带 （2）N P （3）激光 阈值 （4）截止 （5）光波 载流子 4-2 LED 的光谱有什么特点，可以用于何种光纤系统？ 发光二级管又称 LED，广泛应用在各类电子设备中，也是光纤通信中经常使用的光源。 它的优点在于较小的尺寸和较长的使用寿命。但它也具有发光亮度低，光谱宽等缺陷，故发 光二极管(LED)通常使用在低速、短距离光通信系统。 4-3 试画出 LED 的光输出功率 P 与注入电流 I 的关系曲线，即 P-I 曲线。 LED 是无阈值器件，它随注入电流的增加，输出光功率近似的线性增加。通常使用使 用光输出功率 P 与注入电流 I 的关系， 即 P-I 曲线， 来描述 LED 的输出光功率特性， 如图 4-2-5 所示。 图 4-2-5 LED 的 P-I 特性曲线 4-4 光纤通信对半导体激光器有哪些主要要求？ 半导体激光器（LD）是光纤通信最主要的光源，非常适合于高码速率长距离的光纤通 信系统的基本要求有以下几点： （1）光源应在光纤的三个低损耗窗口工作，即发光波长为 0.85m、1.31m 或 1.55m。 （2）光源的谱线宽度较窄，=0.11.0nm。 （3）能提供足够的输出功率，可达到 10mW 以上。 （4）与光纤耦合效率高，30%50%。 （5）能长时间连续工作，工作稳定，提供足够的输出光功率。 9 4-5 半导体激光器也由三个部分构成，试分别加以说明。 半导体激光器由如下三个部分组成： 产生激光的工作物质（激活物质）产生激光的工作物质（激活物质） 能够产生激光的工作物质，也就是处于粒子数反 转分布状态的工作物质，它是产生激光的必要条件。 能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源） 使工作物质产生粒子 数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。物质在泵浦源的作用下，使粒子数从低能级跃迁到 高能级，使得在这种情况下受激辐射大于受激吸收，从而有光的放大作用。这时的工作物质 已被激活，成为激活物质或增益物质。 有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。 激活物质只能使光放大，只有把激活 物置于光学谐振腔中， 以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择， 才能获得连续的光 放大和激光振荡输出。 4-6 试画出 InGaAsP 双异质结条型激光器剖面图。 目前，光纤通信用的激光器大多采用如图 4-3-2 所示的铟镓砷磷（InGaAsP）双异质结 条型激光器。由剖面图中可以看出，它由 5 层半导体材料构成。其中 NInGaAsP 是发光的 作用区，作用区的上、下两层称为限制层，它们和作用区构成光学谐振腔。限制层和作用层 之间形成异质结。最下面一层 NInP 是衬底，顶层 P+InGaAsP 是接触层，其作用是为了 改善和金属电极的接触。顶层上面数微米宽的窗口为条型电极。 图 4-3-2 InGaAsP 双异质结条型激光器剖面图 4-7 法布里珀罗腔 GaAlAs-GaAs 半导体激光器在高速调制情况下的输出光谱，与在直流 或低码速调制情况下的输出光谱有什么不同？ 法布里珀罗腔半导体激光器(FP-LD)输出的激光在低码速情况下一般具有良好的单纵 模性，然而在高码速情况下，其光谱呈多纵模性，光谱线较宽。在光纤长距离、大容量的传 输过程中，多纵模的存在将使光纤中的色度色散增加。 4-8 画出 DFB-LD 结构示意图。DFB-LD 单模光谱与 LD 多模光谱有何不同？ 分布反馈半导体激光器(DFB-LD)， 它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近， 刻上波纹状的周期的光栅来构成的，如图 4-3-4 所示。 10 图 4-3-4 分布反馈半导体激光器结构示意图 LD 多模光谱和单模光谱的比较可以看出，单纵模 LD 中除了一个主模外，其它纵模都 被抑制了，同时主模的谱线宽度非常窄，通常小于 1nm，用于高速光纤通信系统是非常理想 的。 4-9 半导体激光器的温度变化对阈值电流有什么影响? 温度对激光器阈值电流影响很大， 阈值电流随温度升高而加大。 所以为了使光纤通信系 统稳定、可靠地工作，一般都要采用自动温度控制电路，来稳定激光器的阈值电流和输出光 功率。 4-10 光源的外部调制是如何实现的？ 光源的间接调制通常称为光源的外部调制， 它是由恒定光源输出激光后， 外加光调制器 对光进行调制来实现的。目前可以使用的外部调制方式有电光调制、声光调制和磁光调制。 电光调制最容易实现，在光纤通信系统广泛使用。 4-11 试说明 LD 的电光延迟和张驰振荡的产生原因。 电光延迟就是在电信号到来时，光信号相对于电信号的时间延迟，用延迟时间 t d来表 示，电光延迟的原因是由于载流子浓度达到激光阈值需要一定的时间(约 0.52.5ns)。 当注入电流从零快速增大到阈值以上时， 经电光延迟后产生激光输出， 并在脉冲顶部出 现阻尼振荡，经过几个周期后达到平衡值，这种特性称为张驰振荡特性。 当电子密度增加到阈值时，激光器开始发射，但光子密度的增加也有一定的过程，只要 光子密度还没有达到它的稳态值， 电子密度将继续增加。 光子密度迅速上升同时使电子密度 开始下降，持续一段时间，使电子密度继续下降到 n th之下，从而引起光子密度也开始迅速 下降。当电子密度下降到最低点时，发射可能停止或减弱，于是重新开始上述过程。 11 4-12 对光发送机的主要要求有哪些？ （1）有合适的输出光功率 （2）良好的消光比 （3）调制特性要好 4-13 直接调制的光发送机较为简单， 所以目前使用的光发送机大多数是直接调制的光发送 机，试画出它的结构框图。 直接调制的光发送机较为简单，所以目前使用的光发射机大多数是直接调制的光发送 机，它的原理如图 4-5-1 所示。 图 4-5-1 直接调制的光发送机组成框图 4-14 输入电路的功能是实现电端机（PCM）输入的信号转换成能在光纤线路传输码型的信 号，试说明各部分的作用。 输入电路的功能是实现电端机（PCM）输入的信号转换成能在光纤线路传输码型的信 号，原理框图见图 4-5-3。 图 4-5-3 输入电路原理框图 输入接口输入接口 电端机（PCM）输入的信号应该符合 CCITT G.703 建议，这个接口通常称 为电接口。 均衡放大均衡放大 由 PCM 端机送来的 HDB3或 CMI 码流，首先要进行均衡，用以补偿由电缆 传输所产生的衰减和畸变，以便正确译码。 时钟提取时钟提取 由于码型变换和扰码过程都需要以时钟信号作为依据。 因此， 在均衡电路之 后，由时钟提取电路提取出时钟信号，供给码型变换和扰码电路使用。 码型变换码型变换 由均衡器输出的 HDB3码(又称三阶高密度双极性码)或 CMI 码(又称传号反 转码)，前者是三值双极性码(即+1，0，-1)，后者是归零码，在数字电路中为了处理方便， 输入 接口 均衡 放大 码型 变换 复用 编码 扰码 时钟 12 需通过码型变换电路，将其变换为非归零码(即 NRZ 码)。 复用复用 是指利用大容量传输信道来同时传送多个低容量的用户信息及开销信息的过程。 扰码与编码扰码与编码 若信码流中出现长连“0”或长连“1”的情况，将会给时钟信号的提取带 来困难，为了避免出现这种情况，需加一扰码电路，它可有规律地破坏长连“0”和长连“1” 的码流。从而达到“0” 、 “1”等概率出现。扰码以后的信号再进行线路编码。在实际的光纤 通信系统中， 除了要满足光纤通信线路码型变换的基本要求， 还要实现不间断业务的误码监 测、区间通信联络、监控等功能。 第五章习题第五章习题 5-1 填空题 （1）光纤通信用光检测器是利用半导体材料的 原理制成的。 （2）PIN 光电二极管，是在 P 型材料和 N 型材料之间加上一层 。 （3） 在光接收机中， 与光电检测器相连的放大器称为 ， 它是 的 放大器。 （4） 信号电平超过判决门限电平， 则判为 码。 低于判决门限电平， 则判为 码。 （5）工程上光接收机的灵敏度常用单位是 。 答案： （1）光电效应； （2）I 层（本征耗尽层） ； （3）前置放大器 低噪声、高增益； （4） “1” “0” （5）dBm 5-2 什么是半导体的光电效应? 半导体光检测器是利用半导体的光电效应制成。 半导体材料的 PN 结上， 当加上反向偏压， 即半导体材料的 PN 结的 P 区接负， N 区接正， 此时耗尽层变宽。强大的内建电场组，阻碍着电子从 N 区流向 P 区，空穴从 P 区流向 N 区， 因此在耗尽层缺少自由载流子。当光照射到半导体的 PN 结上，若光子能量足够大，则半导 体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在 价带中出现光空穴，即形成光电子-空穴对，它们总起来称作光生载流子。 光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下， 分别向 P 区和 N 区迅速漂移， 这样在 外电路中出现光电流，如图 5-1-1(a)所示，由图可见，外加负偏压产生的电场方向与内建 电场方向一致，有利于耗尽层的加宽。这样，就实现了输出电压跟随输入光信号变化的光电 转换作用。 13 图 5-1-1 半导体材料的光电效应 5-3 光电检测器的响应度和量子效率是如何定义的?二者有什么联系? 响应度是描述这种器件光电转换能力的物理量。定义为 O P P I R 量子效率，定义为产生的光生电子-空穴对数占入射光子数的百分比。 响应度和量子效率虽然都是描述器件光电转换能力的物理量， 但是分析的角度不同， 二 者的关系为 hc e R 5-4 直接检测数字光接收机有哪些组成部分，试画出组成方框图。 直接检测数字光纤通信接收机一般由三个部分组成， 即光接收机的前端、 线性通道和数 据恢复三个部分，如图 5-3-1 所示。 图 5-3-1 直接检测数字光纤通信接收机框图 5-5 为什么在光接收机线性通道中要加入均衡滤波器? 均衡器的作用是对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形， 使之成为最有利于判 决、码间干扰最小的波形。通常将输出波形均衡成具有升余弦频谱函数特性， 此时码间干 扰最小，最有利于判决。 5-6 数字光纤通信系统中，按照“1”码时码元周期 T 的大小可分哪两种码型?它们的占空 比分别是什么? 按照“1”码时码元周期 T 的大小，分为归零码(RZ 码)与非归零码(NRZ 码)两种，见图 5-4-1。显然，RZ 码的占空比为 0.5，而 NRZ 码的占空比为 1。 14 图 5-4-1 数字光纤通信系统中的码元 5-7 什么是量子噪声? 量子噪声是与光信号有关， 出现这种噪声的原因可以这样解释： 光信息的传播是由大量 的光量子传播来进行的， 这些大量的光量子其相位都是随机的， 因此光电检测器在某个时刻 实际接收到的光子数，是在一个统计平均值附近浮动，因而产生了噪声。 5-8 某光接收机接收的光功率为 0.1W，光波长为 1.31m，求所对应的每秒钟接收的光 子数。 解： 18 834 6 1051. 1 10310626. 6 101 . 0 / hc P hc P h P n 5-9 某光纤通信系统光发送端机输出光功率为 0.5mW，接收端机灵敏度为 0.2W，若用 dBm 表示分别是多少? (提示 lg20.3) 解：dBmPT32lg105 . 0lg10 10 105 . 0 lg10 1 3 3 dBmPR37)10lg2(lg10)102lg(10 10 102 . 0 lg10 44 3 6 5-10 一数字光纤接收端机， 在保证给定误码率指标条件下， 最大允许输入光功率为 0.1mW， 灵敏度为 0.1W，求其动态范围。 解： dBmP10 10 101 . 0 lg10 3 3 max dBmP40 10 101 . 0 lg10 3 6 max 所以动态范围 D 为 30dB 15 第六章习题第六章习题 6-1 (1) 利用光纤传输监控信号有两种方式分别是 、 。 (2) 分组码又称 ，它是 。 (3) 光纤通信系统的长期平均误码率定义为 ， 反映突发性误 码，用 、 两个性能指标来评价。 (4) 在数字光纤通信系统中， 抖动会 。 为保证整个系统正常工作， 根据 ITU-T 建议和我国国标，抖动的性能参数主要有 、 、 。 (5) SDH 网有一套标准化的信息等级结构，根据 ITU-T 的建议，码速率分别为： STM-1= Mb/s；STM-4= Mb/s； STM-16= Mb/s；STM-64= Mb/s。 (6) 二次群的码速率为 8.448Mbit/s，1UT 的时间为 。 答案： （1）频分复用传输方式 时分复用方式 （2） mBnB 它是把输入信码流中每 m 比特码分为一组， 然后变换为 n 比特(nm)输出 （3）误码率(BER)定义为传送错误的码元数占传送的总码元数的百分比 有严重误码秒(SES) 误码秒(ES) （4）引起误码率的增加 （5）155.520Mb/s，622.080Mb/s，2488.320Mb/s，9953.280Mb/s 6-2 试画出 IM-DD 光纤通信系统结构框图。 点对点 IM-DD 数字光纤通信系统结构。 图 6-1-1 点对点 IM-DD 数字光纤通信系统结构 6-3 光纤通信系统中，为什么选择线路码型是十分必要的? PCM 系统与光纤通信系统接口的两种码型并不都适合在光纤数字通信系统中传输，因为在光 纤数字通信系统中使用了光源发出光信号，传输手段是光导纤维，由此会带来的新问题。例 如 HDB3码有+1，0，-1 三种状态，而在光纤数字通信系统中，光源只有发光和不发光两种状 态，没有发负光这种状态。因此，在光纤系统中无法传输 HDB3码。为此，在光发射机中传 16 输 140Mb/s 以下码速率时，必须将 HDB3解码，变为单极性的“0” ， “1”码。但是 HDB3解码 后，这种码型所具有的上述误码监测等功能都将失去。以上是需要重新编码的一个原因。另 一方面，在光纤线路中，除了需要传输主信号外，还需增加一些其他的功能，如传输监控信 号、区间通信信号、公务通信信号、数据通信信号，当然也仍需要有不间断进行误码监测功 能等。为此，需要在原来码速率基础上，提高一点码速率，以增加一些信息余量(冗余度) 从而实现上述目的。具体作法是在原有码流中插入脉冲，这也需要重新编码。 6-4 在 PDH 光纤通信系统和 SDH 光纤通信系统分别采用什么线路码型？ 在 PDH 光纤通信系统中， 常用的码型有分组码和插入比特码； 在 SDH 光纤通信系统中广 泛使用加扰 NRZ 码。 6-5 什么是分组码?经过分组编码，线路上的速率提高了多少? 分组码常用 mBnB 表示，它是把输入信码流中每 m 比特码分为一组，然后变换为 n 比特 (nm)输出。分组码有 1B2B，2B3B，3B4B，5B6B，5B7B，6B8B 等。 线路上的速率提高了线路上的速率提高了线路上的速率提高了线路上的速率提高了线 路上的速率提高了（n-m）/m 6-6 什么是插入码，插入码的类型有几种? 插入比特码是将信码流中每 m 比特划为一组， 然后在这一组的末尾一位之后插入一个比 特码输出，根据插入码的类型分为：mB1P 码，mB1C 码，mB1H 码。 6-7 有一个光纤通信系统，其码速率为 622.080Mb/s，平均发送光功率 PT的最大值 0dBm， 活动连接器 ACT和 ACR为 0.4dB，设备富余度 ME为 3dB，光纤衰减系数 Af取值 1550nm 取 0.2dB/km，平均熔接接头损耗 AS/Lf为 0.05dB/km，线路富余度 MC为 0.06dB/km。接收机 灵敏度 PR为-31.2dBm，试估算最大中继距离。 解： km MLAA MPAAPP L Cfsf EdCRCTRT 16.85 06. 005. 02 . 0 314 . 02)2 .31(0 / 6-8 SLM 光源的3dB为 0.388nm，系统所用常规光纤，在 1310nm 工作波长范围内的最大 色散系数 Dmax=3.5ps/nmkm，估计 STM-1、STM-4、STM-16 系统的最大色散受限距离。 解： 由 bdBf D L 3max 6 103154. 0 得 STM-1 系统 L=1493.40 STM-4 系统 L=373.35 STM-16 系统 L=93.34 17 第七章习题第七章习题 7-1 PDH 的主要有哪些缺点，试画图说明 PDH 是如何实现从低次群信号复接成高次群信号， 又是如何实现从高次群信号到低次群信号的分接的？ PDH 的主要缺点有： (1) PDH 有两大体系种系列，即以 2.048Mb/s 为基群及以 1.544Mb/s 为基群的体系，相 互间难以互通和兼容。 (2) 由于没有统一规范的光接口， 不同厂家的设备在光路上不能互通， 必须转换成标准 电接口才能互通，限制了联网应用。 (3) PDH 高次群信号中的低次群信号位置没有指示，因此要从中取出/插入一个低次群 信号(俗称上/下电路)很不方便，必须逐级分接、复接才能实现，需要设备多，上下业务费 用高，如图 7-1-1 所示。 图 7-1-1 PDH 和 SDH 中分插信号流图的比较 (4) PDH 各等级的帧结构中预留的插入比特(开销)很少， 网络结构缺乏灵活性， 同时 PDH 主要是为话音业务设计，使网络无法适应不断演变的管理要求，更难以支持新一代的网络。 为此，CCITT 根据世界各国间通信联网的需要，制定了同步数字系列 SDH(Synchronous Digital Hierarchy)的建议。使之成为不仅适合光纤通信，也适合微波和卫星通信的数字体 系。从而揭开了现代信息传输崭新的一页，得到了空前的应用和发展。 7-2 试说明 SDH 网具有哪些主要特点？ SDH 网具有同步复用、标准光接口和强大的网络管理能力。有如下主要特点： (1) 使 24 路制和 30 路制两种 PDH 数字系列在 STM-1 等级上实现了统一， 使之成为数字 传输体制上的世界标准； (2) 由于采用了同步复用和映射方法， 各种不同等级的码流在帧结构净负荷内的排列是 有规律的，而净负荷与网络同步。因此可以方便地从高速信号中一次分出低速支路信号，省 去 PDH 中全套背靠背的数字复用/去复用设备，及相应的多次码速调整与变换，这不仅使上 下业务变得非常容易，而且便于业务的管理及改善网络的业务透明性； (3) 在帧结构中安排了丰富的开销比特，因而使网络的运行、管理和维护(OAM)能力大 大加强， 而且便于将部分网络管理能力分配到网络单元， 实现分布式管理以及实现高可靠性 的自愈环网结构； (4) 确定了世界统一的光纤网络接口，可以在光路上实现横向兼容，便于网络的组织和 调度，使网络投资成本节约 10%20%以上； (5) SDH 网具有信息净负荷和定时的透明性。所谓信息净负荷的透明性指的是网络可以 18 传送各种净负荷及其它们的组合，而与信息的具体结构无关； (6) SDH 网具有后向和前向兼容性。它与传统的 PDH 网完全兼容。另外它还能容纳新的业务 信号，如 B-ISDN 中的 ATM 信元、高速局域网的光纤分布式数据接口(FDDI)信号和分布排队 双总线(DQDB)信号等。 7-3 STM-N 的速率分别是多少？它们是如何得出来的？ STM-1 155.520Mbit/s STM-4 622.080Mbit/s STM-16 2488.320Mbit/s STM-64 9953.280Mbit/s SDH 的块状帧由 9 行和 270N 列字节组成，1 字节为 8 比特；帧重复周期为 125s， 即每秒传输 8000 帧。因此 STM-N 的速率为 9270N88000。 7-4 画出 SDH 的帧结构图，并说明各个区域的功能。 整个帧结构可以分为三个主要区域： (1) 段开销(SOH)区域 (2) 信号净负荷区域 (3) 管理单元指针区域 7-5 计算 STM-16 每帧中，信息净负荷区域的字节数和比特数。 STM-16 的字节数为 926116 STM-16 的比特数为 9261168 7-6 试画出我国目前采用的复用映射结构图。并回答一个是 STM-1 能够提供多少个 2.048Mb/s 的接口，多少个 34.368Mb/s 的接口和多少个 139.264Mb/s 的