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光纤通信习题课 第0章绪论 一 填空题1 光纤通信是以为载频 以为传输介质的通信方式 2 光通信系统使用电磁波谱中近红外区域的高频电磁波 其频率约为 3 光纤通信系统的通信窗口的波长范围是 4 光纤通信的最低损耗波长是 零色散波长是 光波 光纤 300THZ 0 7 1 7 m 1 55 m 1 31 m 二 判断题1 光发送机的作用是将光形式转化为电信号 2 确定接收机性能的一个重要参数是接收机灵敏度 3 对光参数调制 目前大多数光纤通信系统都采用相位调制 4 光中继器的作用是为了延长通信距离 三 选择题 有一个或多个答案 1 在光通信发展史上 和 两个难题的解决 开创了光纤通信的时代 A宽带光纤B小型光源C省源光源D低损耗光纤2 目前光纤通信常用的窗口有 A0 85 mB2 mC1 31 mD1 55 m 3 目前光纤通信广泛使用的光源有 ALEDBLDCPCMDPDH4 光纤通信是以光波为载频 以 为传输介质的通信方式 A电缆B无线电磁波C光纤D红外线 四 简答题1 光纤通信主要有哪些优点 答 通信容量大 中继距离长 保密性能好 抗电磁干扰 体积小 重量轻 便于施工和维护 价格低廉 2 为什么说光纤通信比电缆通信的容量大 答 光纤通信的载波是光波 电缆通信的载波是电波 虽然光波和电波都是电磁波 但是频率差别很大 光纤通信用的近红外光 波长约1 m 的频率 约300THz 比电波 波长为0 1m 1mm 的频率 3 300GHz 高3个数量级以上 载波频率越高 频带宽度越宽 因此信息传输容量越大 3 简述五代光纤通信所工作的波段和最大通信容量 答 第一代工作于0 85 m 最大通信容量约500Mb s km 第二代工作于1 31 m 最大通信容量约85Gb s km 第三代工作于1 55 m 最大通信容量约1000Gb s km 第四代采用光放大器增加中继距离 采用频分和波分复用技术增加比特率 最大通信容量约为2000Gb s km 第五代以光孤子脉冲为通信载体 以光时分复用技术 OTDM 和波分复用技术 WDM 联合复用为通信手段 以超大容量 超高速率为特征 4 光纤通信的主要应用是什么 答 有线 无线通信网 构成因特网的计算机局域网和广域网 有线电视的干线和分配网 综合业务光纤接入网 第1章光纤传输理论 一 填空1 光纤的导光原理与结构特性可用理论与理论两种方法进行分析 2 光纤中 导模的截止条件为或 3 单模光纤中不存在色散 仅存在色散 具体来讲可分为和 射线 波导 0 u 0 模间 模内 材料色散 波导色散 4 光纤色散参数的单位为 代表两个波长间隔为的光波传输后到达的时间的延迟 5 对纯石英光纤 在 处 材料色散参数DM 0 在 处 色散参数D DM DW 0 这个波长称为 6 在单模光纤中 由于光纤的双折射特性使两个正交偏振分量以不同的群速度传输 也将导致光脉冲展宽 这种现象称为 ps nm km 1nm 1km距离 1 276 m 1 31 m 零色散波长 偏振模色散 PMD 7 单模传输条件是归一化参量 8 散射损耗与及有关 9 目前通信上常用的三种通信光纤为 和 10 数值孔径 NA 越大 光纤接收光线的能力越 光纤与光源之间的耦合效率就越 11 允许单模传输的最小波长称为 12 降低延时色散应NA V 2 405 光纤材料 光纤中的结构缺陷 阶跃型多模光纤 渐变型多模光纤 单模光纤 强 高 截止波长 减小 二 判断1 射线理论可以很好的用以理解多模光纤的导光原理与特性 特别是当纤芯直径远大于光波波长时 当纤芯直径与波长可比拟时 应用导波理论进行分析 2 V值越大 能够传播的模式越多 3 大多数单模光波系统的光纤 其V参数都设计在4 0 4 2之间 4 波导色散参数Dw在0 1 6 m间都是负值 它使光纤的零色散波长从1 2 m向右移动了30 40nm 总的色散在 1 51 m附近为零 5 吸收损耗与光纤材料有关 6 辐射损耗是由光纤几何形状的微观和宏观扰动引起的 7 数字孔径 NA 越大 光纤从光源吸收的光能量就越小 8 数值孔径与纤芯和包层的折射率分布有关 而与光纤的直径无关 三 选择1 从截面上看 光纤基本上由3部分组成 A折射率较高的芯区B折射率较低的包层C折射率较低的涂层D外面的涂层E外面的包层2 单模光纤只能传输一个模式 即 称为光纤的基模 AHE00模BHE11模CHE10模DHE01模 3 对纯石英光纤 在 处 色散参数D 0 这个波长称为零色散波长 0 A1 276 mB1 3 mC1 463 mD1 467 m4 限制光纤传输容量 BL积 的两个基本因素是 和 A光纤色散B光纤折射C光纤衰减D光纤损耗5 光纤的衰减机理主要有三种 即 A光能量的折射损耗B光能量的吸收损耗C光能量的散射损耗D光能量的辐射损耗 6 光源产生的光脉冲的载频随时间变化的现象称为 A啁啾B损耗C色散7 色散导致产生啁啾频率分量 不同频率分量在光纤内以略微不同的速度传输 导致脉冲展宽 光纤色散对光脉冲传输特性的影响表现在两个方面 和 A色散导致啁啾B啁啾导致色散C脉冲展宽促进了啁啾D啁啾促进了脉冲展宽 1ABD2B3B4AD5BCD6A7AD 四 简答题影响光纤系统信号传输特性的主要因素是什么 损耗 色散 非线性 光源的脉宽与谱宽 信号本身的速率与带宽 五 计算题1 计算n1 1 48及n2 1 46的阶跃折射率分布光纤的数值孔径 如果光纤端面外介质折射率为n 1 00 则允许的最大入射角 max为多少 解 NA n12 n22 1 2 0 2425最大入射角 max arcsin0 2425 14 03 2 假设阶跃折射率分布光纤n1 1 48及n2 1 478 工作波长为1550nm 求单模传输时的光纤纤芯半径 此光纤的数值孔径为多少 光纤端面光线容许的最大入射角为多少 解 NA n12 n22 1 2 0 0769最大入射角 max arcsin0 0769 4 41 为保证单模传输 3 均匀光纤芯与包层的折射率分别为n1 1 50及n2 1 45 试计算 1 光纤芯与包层的相对折射率差 2 光纤的数值孔径NA 3 在1m长的光纤上 由子午光线的光程差所引起的最大群时延差 解 4 均匀光纤n1 1 50 0 1 3 m 计算 1 若 0 25 为保证单模传输 其纤芯半径应取多大 2 若取a 5 m 为保证单模传输 应取多大 解 1 为保证单模传输 2 为保证单模传输 5 已知均匀光纤芯的折射率n1 1 50 相对折射率 0 01 纤芯半径a 25 m 求 1 LP01LP02LP11LP12模的截止波长各为多少 2 若 0 1 m 光纤的归一化频率V以及其中传输的模式数量M各为多少 解 1 LP01模 无截止波长 LP02模 截止波长为8 69 mLP11模 截止波长为13 86 mLP12模 截止波长为6 033 m 2 6 光纤在1310nm处的损耗为0 5dB km 在1550nm处的损耗为0 25dB km 假设下面两种信号同时进入光纤 在1310nm波长的150 W的光信号和在1550nm波长的100 W的光信号 试问这两种光信号在8km和20km处的光功率各是多少 同理在20km处求得 解 1 在8km处 7 某特定波长的光信号在光纤中传输3 5km后 损失其功率的55 求其光纤的损耗是多少 表示为dB km 8 假设阶跃折射率光纤的 求归一化频率V 并求出光纤中可以传输的导模数量M 解 由于591 591 68 592 所以 光纤中可以传输的导模数量为591 9 阶跃折射率光纤的相对折射率差 其中 当波长分别为 和时 要实现单模传输 应小于多少 解 要实现单模传输 则当时计算得同理得 当时当时 第2章光源与光调制 一 填空1 在半导体中 费米能级差必须超过才能发生粒子数反转 2 LD是一种器件 它通过发射发光 具有输出效率 输出光发散角 与单模光纤耦合效率 辐射光谱线等优点 3 LED的基本结构可分为两类 即 带隙 阈值 受激 高 窄 高 窄 面发光LED 边发光LED 3 光与物质相互作用存在三种不同的基本过程 即光子的 和 4 温度升高 LED光源线宽 峰值波长向方向移动 自发辐射 受激吸收 受激辐射 变宽 长波长 二 判断题1 在可见光或近红外辐射情况下 在室温状态下 受激发射居支配地位 因此热光源不能发出相干光 2 激光器工作必须离开热平衡状态 因此必须使用外部能源泵浦 以实现粒子数反转 这是激光器工作的先决条件 3 自发辐射输出的是非相干光 受激发射输出的是相干光波 4 半导体光源是通过电子在能级间的跃迁而发光的 三 简答题1 发光二极管的优缺点 答优点 线性度好 温度特性好 使用简单 价格低 寿命长 缺点 谱线较宽 与光纤的耦合效率低 2 激光二极管的优缺点 答优点 发光谱线窄 与光纤的耦合效率高 阈值器件缺点 温度特性较差 线性度较差 工作寿命较短 3 光发送机的主要技术要求有哪些 答 1 稳定的输出功率 2 光脉冲的消光比一般小于0 1 3 脉冲的上升时间 下降时间和延迟时间应尽量短 4 应尽量抑制弛豫振荡 5 半导体发光二极管与半导体激光器发射的光子有什么不同 答半导体发光二极管是因为自发辐射而发光的 发射的光子频率 相位 偏振状态及传播方向是无规律的 输出具有较宽频率范围的非相干光 半导体激光器是因受激发射而发光的 发射的光子同频 同相 同偏振方向 输出相干光 6 用方框图表示数字激光发射机的组成 四 计算题1 设激光器的高能级和低能级的能量各为E1和E2 频率为f 相应能级上的粒子密度各为N1和N2 计算 1 当f 3000MHz T 300K时 N2 N1为多少 2 当 1 m T 300K时 N2 N1为多少 3 当 1 m N2 N1 0 1 环境温度T为多少 解 1 得 2 3 得 得 2 半导体激光器发射光子的能量近似等于材料的禁带宽度 已知GaAs材料的Eg 1 43eV 某一InGaAsP材料的Eg 0 96eV 求它们的发射波长 第3章光接收机 一 填空题1 衡量光接接收机性能优劣的主要技术指标是 2 光接收机理论的三个中心问题是 3 接收机中存在的噪声源可分成两类 即和 4 光接收机的线性通道包括和 接收机的带宽主要由决定 接收机灵敏度 误码率或信噪比 带宽 动态范围 降低输入端噪声 提高灵敏度 降低误码率 散粒噪声 热噪声 主放大器 低通滤波器 低通滤波器 二 判断1 接收机的带宽主要由前置放大器决定 2 在接收机中 影响最大的是主放大器产生的噪声 3 光纤 光源和光电检测器是光通信中不可缺少的三个部件 4 光检测器的响应度是指输入单位光功率信号时光检测器所产生的电流值 三 选择1 在光波系统中得到广泛应用的两种光检测器是 PN光电二极管B 光电二极管 PIN C 雪崩光电二极管 APD 2 光接收机中的散粒噪声包括 A 量子噪声B 暗电流噪声C 漏电流噪声D APD倍增噪声3 数字光接收机的灵敏度定义为接收机工作于 的BER所要求的最小平均接收光功率 A 10 6B 10 8C 10 9D 10 11 BC ABCD C 四 简答题1 光接收机的任务及组成是什么 答 光接收机的作用是将光信号转换回电信号 恢复光载波随携带的原信号 光接收机通常由光电检测器 前置放大器 主放大器和均衡滤波器等组成 在数字接收机中 还要增加判决器 时钟提取和自动增益控制 2 光接收机前端的作用是什么 有哪三种不同的前端设计方案 各有何特点 答 光接收机前端的作用是将光纤线路末端耦合到光电二极管的光比特流转换为时变电流 然后进行预放大 以便后级进一步处理 前端设计有三种不同方案 1 低阻抗前端 电路简单 不需或需很少的均衡 前置级的动态范围也较大 但缺点是灵敏度较低 噪声较高 2 高阻抗前端 一般只适用于低速系统 3 跨 互 阻抗前端 具有频带宽 噪声低 灵敏度高 动态范围广等综合优点 被广泛采用 3 对k 1的材料制作的APD 为减小它的过剩噪声系数 在设计其结构时应该注意哪些问题 答 为减小过剩噪声系数 对k 1时 应尽量使空穴电流注入高场区 在实际的二极管中 应尽量避免k 1的情况 这样可以使倍增噪声较小 增益也比较稳定 五 计算题1 已测得某数字光接收机的灵敏度为求它的dBm值 解 2 一个GaAsPIN光电二极管平均每三个入射光子产生一个电子空穴对 假设所有的电子都被收集 1 计算该器件的量子效率 2 在0 8 m波段接收功率是10 7W 计算平均输出光电流 解 3 已知 1 SiPIN光电二极管 量子效率 波长 2 Ge光电二极管计算它们的响应度 解 响应度为 4 已知放大器的噪参量z 1 05 106 传输光波长为0 85 m 用si光电二级管作检测器 其量子效率 0 7 计算8 448Mbit s的二次群光接收机的灵敏度 误码率要求为10 9 Q 6 解 0 7 Q 6 第四章4 1光波系统设计 一 填空点到点连接成最简单的光波系统 称为 损耗对光波系统传输距离的限制 可用克服 在局域网中使用光纤的意义在于光纤系统能提供 高速长距离光波系统主要受的影响 而不受光纤损耗的限制 对于这种系统 光放大器不能无限制级联 可采用和级联的方案来延长系统长度 链路 光纤放大器 宽的带宽 色散 光放大中继器 光电光中继器 二 简答题1 光波通信系统的应用可分为哪几类 答 点到点连接 广播与分配网 局域网2 什么叫光波系统的局域网 LAN 答 光波系统的许多应用要求在网络中一个局域内的大量用户相互连接 使任何用户可以随机地进入网络 将数据传送给其他用户 这样的网络称为局域网 LAN 3 设计一个光纤通信系统需考虑哪些问题 答 选择路由 设置局站 确定系统的制式 速率 光纤选型 选择合适的设备 核实设备的性能指标 对中继段进行功率和色散预算 4 给出输入抖动测试原理框图 并简述测试步骤 三 计算题1 设系统平均发射功率 接收灵敏度 设备余量 连接器损耗对 光纤损耗系数 光纤余量 每千米光纤平均接头损耗计算中继距离 解 平均发射功率 dBm 接收灵敏度 dBm 连接器损耗 dB 对 系统余量 dB 光纤损耗系数 dB km 每千米光纤平均接头损耗 dB km 光纤余量 dB km L km 2 某1 3 m光波系统 速率为100Mb s 采用InGaAsPLED光源 耦合进单模光纤的平均功率为0 1mW 光纤损耗为1dB km 每2km处有0 2dB连接损耗 光纤链路两端各有一插入损耗为1dB的活动连接器 采用PIN接收机 灵敏度为100nW 要求保留6dB系统余量 试做功率预算 确定最大传输距离 3 设104mb s数字光纤通信系统发射光功率为 3dBm 接收机的灵敏度为 38dBm 系统余量为4dB 连接器损耗为0 5dB 对 平均接头损耗为0 05dB km 光纤衰减系数为0 4dB km 光纤损耗余量为0 05dB km 计算中继距离 4 根据上题的计算结果 设线路码传输速率B 168Mb s 单模光纤色散系数C 5ps nm km 问该系统应采用谱线宽度 rms 为多少的多纵模激光器作光源 4 2SDH 一 填空题1 对于同源信号 由于各支路信号是 因而复接时不需要进行码速率的调整 这种信号的复接叫 2 对于异源信号 各支路信号首先要进行码速率的调整 然后再进行复接 这种复接方法叫 3 终段复用器 RM 的基本功能是把复用进SDH信号 或将复接成高阶STM N线路信号 同步的 同步复接 异步复接 PDH信号 低阶SDH支路信号 4 分插复用器ADM的基本功能是从线路信号中将信号分出和插入 5 段开销可分为开销和开销 低阶信号 复用段 再生段 1 试计算STM 1段开销的比特数 答 STM 1段开销共有 9行 9列 81字节 比特数为 81 8 648bit 简答 1 相对于PDH而言 SDH有那些优点 答 通信容量大传输性能好接口标准组网灵活方便管理功能强大等优点 2 什么叫网同步 简要说明SDH采用网同步方式 答 就是致使网络中所有节点的时钟频率和相位都控制在预先确定的容差范围内 以便使网的各交换节点的全部数字流实现正确 有效的交换 SDH通常采用主从同步方式 1 光放大器分为哪几类 答 光放大器有多种类型 与光纤通信直接有关的包括半导体放大器 非线性放大器 掺杂光纤放大器等 非线性放大器包括 光纤喇曼放大器和光纤布里渊放大器 掺杂光纤放大器包括 掺铒光纤放大器 掺镨光纤放大器 光放大器 2 简述掺铒光纤放大器的优点 答 1 EDFA的工作波长正好落在1 53 1 56 m范围内 与光纤最小损耗窗口一致 2 耦合效率高 能量转换效率高 3 增益高 约为30 40dB 增益稳定性好 4 输出功率大 饱和输出光功率约为10 15dBm 5 噪声指数小 一般为4 7dB 6 频带宽 在1 55 m窗口 频带宽度为20 40nm 可进行多信道传输 有利于增加容量 7 隔离度大 无串扰 适用于波分复用系统 8 连接损耗低 可低至0 1dB 一 填空1 光放大器有多种类型 与光纤通信直接相关的有和 2 光放大器是基于或原理 实现入射光信号放大的一种器件 其机制与激光器完全相同 3 EDFA的基本结构主要有 4 EDFA采用作为增益介质 在泵浦激光激发下产生 在信号光诱导下实现 半导体光放大器 光纤型光放大器 受激辐射 受激散射 掺铒光纤 泵浦光源 光耦合器 光隔离器 光滤波器 掺铒离子单模光纤 离子数反转 受激辐射放大 5 光放大器的噪声主要来自它的 充分有利于减小噪声 6 EDFA的工作波长正好落在范围 自发辐射 提高放大信号的信噪比 1 53 1 56 m 简答题 说明目前光纤通信系统中常使用的放大器有哪几种 其中哪一种最常用 并且说明它的工作原理 答 掺铒光纤放大器 光纤喇曼放大器和半导体光放大器三种 其中掺铒光纤放大器最常用