光纤通信系统 第4版 习题及答案 沈建华

第一章光纤通信有哪些特点？光纤通信的主要特点包括：（1）（2）（3）（4）（5）（6重量轻，可挠性好，敷设方便。比较五代光纤通信系统的主要特点与差别。第一代光纤通信系统多为工作波长为850nm的多模光纤通信系统；第二代光纤通信系统多为工作波长为1310nm的单模光纤通信系统；第三代光纤通信系统工作波长为1550nm的单模光纤通信系统；第四代光纤通信系统普遍采用了光放大器和波分复用技术；第五代光纤通信系统支持超大容量传输、灵活组网和全光交换等。850nm1310nm1550nm三种？石英系光纤的传输损耗-波长特性在上述三个波长窗口有最小值，因此使用石英光纤的光纤通信系统应选择此三个波长窗口作为工作波长。第二章1．光纤传输信号产生能量衰减的原因是什么？光纤的损耗系数对通信有什么影响？25km25α为多少？α(1550nm)＝10lg(Pin/Pout)/L=10lg(4/3)/5≈0.25dB/km31/4成正比。4．光纤中产生色散的原因是什么？色散对通信有什么影响？（5．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？6．单模光纤的基本参数截止波长，模场直径的含义是什么？2an2n2单模光纤的理论截止波长可以表示为1 2截止波长是判断其是否满足c c 2.405单模传输的基本条件。模场直径（MFD）是描述光纤端面横截面上基模场强分布的物理量。7．目前光纤通信为什么只选用以下三个波长段：λ＝850nm，λ＝1310nm，λ＝1550nm？由光纤的损耗-波长特性中可以看出，在此三个波长段附近有最小的传输损耗。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？。光纤单模传输条件是归一化频率V245。单模光纤中传输的是基模HE11，其截止波长为0。LP11模对应的矢量模是。9λ＝1.31μma＝9μm，Δ＝0.01，n1＝1.45，光纤折射率分布为阶跃型时，光纤中导模的数量为多少？计算可知V＝8.85；对于阶跃型，导模数量为V22对于渐变型，导模数量为V2410． n1＝1.5，n2＝1.485，现有一光波在光纤端面轴线处以n2n2n21 2n0sina

，将n1＝1.5，n2＝1.485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。11． 已知光纤参数为：n1＝1.45，Δ＝0.01，λ＝1.31μm的光，估算光纤的模场直径。NA221.31 13.14 1.4520.01d2NA221.31 13.14 1.4520.0112． 1.5nm3ps/km·nm的单模光纤传输后，光脉冲被展宽了多少？光脉冲的展宽为31.52090ps。13． 光纤不适合于波分复用系统使用？G.653光纤在工作波长1550nm出处有最小传输损耗和零色散，当其应用于波分复用（WDM）系统中时，零色散波长区域由于四波混频（FWM）效应的影响，可能会导致寄生频率对初始信号频率的影响。因此，G.653光纤不适合波分复用系统使用。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？半导体激光器（LD）工作机理是受激辐射，发光二极管（LED）工作机理是自发辐射。LD的主要特性包括阈值、转换效率、温度特性、时间退化特性、光谱特性和调制响应。LED的主要特性包括P-I特性、光谱特性、调制特性和空间光场分布。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？LDPN结中自建场的影响，从而降低势垒，以形成粒子数反3．半导体激光器输出的光脉冲为什么会产生驰张振荡和暂态过击现象？这两种现象有何危害？如何消除这两种现象？来进（（特性）工作在接近阈值电流附近；然后再加调制电流脉冲（D，这样可以获得较好的调制响应性能。4GaAs根据hc

1.24

，可分别计算得出GaAs和InGaAsP的发射波长为0.87μm和1.29μm。

Eg Eg5．目前光纤通信中为什么普遍采用双异质结结构的条形半导体激光器作为光源？比较增益波导型和折射率波导型两种条形激光器各有什么特点？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？LD10（0.，以免接收灵敏度受到损害；调制响应性能好。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IDIB，IBIthIBIDIB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。7LD如温度引起的使用ATC致冷，如因老化引起的使用APC增加偏置电流。8LD输出光脉冲的消光比？消光比不合要求时，将会对整个系统产生什么影响？通断比（1”脉冲和“0脉冲的比值，定义为EXT全“0”码时平均输出光功率全“1”码时平均输出光功率9（mBnB码和插入码（mB1H码）mBnBmB1H码时，线路码速将比原来的信5B6B码其线4B1H线路码速又为多少？考虑线路码型的因素包括：①应有足够的定时含量，也即应尽量减少连“0”和连“1”数，便于时钟提取。②应有不中断业务进行误码检测的能力。③应力求降低线路传输的码率，或线路传输码率的提高应尽可能的少。④应具有较好的抗干扰性能，满足一定接收机性能所需检测的光功率最小。⑤应具有尽可能简单和经济的变换方案。⑥传输中发生误码时，误码扩散范围或误码增值低。mBnB码是将输入码流每m比特为一组，然后变换成另一种排列规则的n比特为一组的码流，线路码数提高到原先的m/n倍。mmB码末尾按一定的m＋1了m1m倍。线路码速率分别为167.1168Mbit/s和174080Mbit/s。PCM脉码强度直接调制方式有什么特点？结构简单，调制部分可以和激光器的驱动部分集成。光发送机中输入接口的作用是什么？对驱动电路有什么要求？输入接口除需要适应业务信号的幅度和阻抗特性外，还要根据光纤通信系统的传输特性对业务信号调制和编码类型进行必要处理。对于光源驱动电路的基本要求包括：①输出光脉冲峰值，也即输出光功率保持稳定。1（或消光比≤0.③调制响应性能好。APCLD的哪APC电路的工作原理。激光器的阈值电流会随温度升高及老化而提高。此时如果加在激光器上的总驱动电流（I＝IB+ID）ID不变，因IB自动功率控制电路的主要工作原理是通过光电二极管（PIN）监测激光器的输出功率，但发现输出功率下降时，调整光源驱动电路中的偏置电流，使激光器的输出功率保持稳定。LD的哪电路的工作原理。ATC的实现可以采用被动和主动两种方式，除了常见的风扇和空气对流外，常用的是半导体制冷器方式。第四章PINAPD各自的特点。光纤通信系统中对于光电检测器的主要要求包括：（1）灵敏度高。（2）响应速度快（3）噪声小。（4）稳定可靠。PIN和APD对比：PINAPD制造工艺简单复杂成本低高灵敏度差比PIN高3~10dB动态范围稍差（典型15~25dB）大（典型25~35dB）偏置电压低高暗电流小较大温度敏感性小大（需温度补偿）适用范围中低速中短距离传输，或高速率短距离传输中高速中长距离传输光电二极管为什么必须工作在反向偏压状态？光电管产生的光电流中包括哪些分量？这些分量与哪些因素有关？光电管的响应时间与什么有关？PN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？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？APD的工作原理。何谓“雪崩效应”？拉通型雪崩光电二极管有什么特点？APDG与什么有关？（第二代电子（载流子APD的G一般在40~100之间，其变化规律与外加的偏压有关。接收机中的噪声包括哪些？这些噪声是怎么产生的？APD倍增噪声；热噪声主要指负载电阻产生的热噪声，放大器噪声（主要是前置放大器噪声）中，既有热噪声，又有散粒噪声。10-9的条件下，测得接收机所需输入光功率的范围为：Pmax=0.2μw，Pmin=13.6nw求该接收机的动态范围值和灵敏度值。（或信噪比PRn0Ed。10lg(0.2μw/1mw)=10lg(2×10-4)=-36.99dBm10lg(13.6nw/1mw)=10lg(1.36×10-4)=-48.67dBm-36.99-(-48.67)≈11.68dB所以，灵敏度为-48.67dBm，动态范围为11.68dB。分析光纤通信系统误码率的大小与接收机接收光能量的大小的关系。由分析可知，Q值表示判决点门限值与噪声电压（电流）有效值的比值，有信噪比的概念,不同的Q值对应不同的Pe值。判决点接收的光能量越大，误码率越低。何谓噪声等效功率？噪声等效功率与什么因素有关？它的大小意味着什么？噪声等效功率是衡量噪声大小的一种参数，对已给定的检测器-放大器组合，如果其值越小，则灵敏度越高，获得规定信噪比所必须的光功率越小。FET构成最前端的互阻抗放大器？主要考虑其宽频带、低噪声的优点，以提高检测速度和灵敏度，主要包括码间干扰、消光比、暗电流等。第五章光纤连接器应用在什么地方？影响光纤连接器损耗的因素有哪些？9.0μm10.0μm纤输出或光电检测器尾纤输入与传输光纤之间的连接。a2连接损耗可以表示为10lg2。a150μm3μm，这会引起多大的连接损耗？2

d d

d21210lg

arccos 2a 2a2a

1 2a 2a光纤连接器有哪些种类，叙述平面对接（FC）型光纤活动连接器的原理。光纤耦合器有哪几种？叙述熔锥型光纤耦合器的原理。34怎么定义光纤耦合器的插入损耗、附加损耗、耦合比和串音？插入损耗（IL）即连接损耗，是指因连接器的导入而引起的链路有效光功率的损耗。Le（1Pi（34）Po总和的比值。（3Po（3的输出Po总和的比值。PiPr的比值。光衰减器有几种，各有什么作用？简述光环行器和光隔离器的工作原理，并比较它们的异同。光环行器除了有多端口以外，其工作原理与隔离器相似。常用光调制器有哪些？叙述它们的原理。常用的外调制器有电光调制器、声光调制器、波导调制器等。第六章光放大器有主要有几种？各自的实现机理是怎样的？（1）半导体激光放大器半导体激光放大器是一种光直接放大器，其基本原理是利用受（2）掺杂稀土元素光纤放大器。向光纤中掺杂少量稀土元素后就可成为激活介质，进而可构成光纤放大器以放大光信号。（3）光纤布里渊放大器。受激布里渊效应导致一部分泵浦光功率转移给信号光，使信号光得到放大。（4）光纤拉曼放大器。通过受激拉曼效应导致一部分泵浦光功率转移给信号光，使信号光得到放大。从结构上可以分为几种形式？按照主要结构形式（即泵浦方式，可以分为即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦三种形式。在应用上有哪几种形式，对性能参数的要求有何异同？EDFA的主要应用形式包括线路放大、功率放大和前置放大。对增益系数和噪声系数有较高要求？高的输出功率。DWDMDWDM系统的传输质量，DWDM应具有足够的带宽、DWDMDWDM系统的光纤放大器较单信道系统中的光纤放大器要求有更宽的带宽。FRA相比优缺点分别有哪些？FRA的主要缺点就是难以获得合适波长的高功率泵浦源。DWDM系统而言，采用何种放大技术较为适宜？DWDMFRA混合使用的放大技术。使用混合拉曼放大器，可以获得更加平坦的增益谱，从而提高系统的带宽，改善光信噪比（SR。的基本思想就是将掺铒光纤放大器和拉曼放大器级联，组成混合放大器，获得的总增益为两个放大器增益的叠加。FRA中有何注意事项？第七章1．试比较PDH和SDH的特点。PDH：准同步复接，码速调整，标准和规范不统一，互通困难。SDH：同步复用、标准接口、强大网管。2．说明SDH复用结构中C、VC和AU的主要功能。3．计算STM-1帧结构中RSOH、MSOH和AUPTR的速率。STM-1帧结构中，RSOH位于第1～3行的前9列，速率为：3×9×8×8000＝1.728Mbit/s；MSOH5～99列，速率为：5×9×8×8000＝2.88Mbit/sAUPTR49列，速率为：1×9×8×8000＝0.576Mbit/s。42Mbit/s将2Mbit/s映射进SDH，有C4、C3和C12三条映射路线，对应的容量分别为：C4路径：等效为64个2Mbit/s；C3路径：等效为48个2Mbit/s；C12路径：等效为63个2Mbit/s。C4PDH路径最灵活。5．当AUPTR指针值＝0时，进行一次负调整，其调整后的指针值可能为多少？782。6．说明ADM设备的主要种类和用途。ADM设备主要分为支持分插PDH支路和SDH支路类型。7．目前广泛使用的DXC设备有哪几种类型？DXC1/0的含义是什么？DXC设备包括支持高阶交叉和低阶交叉的，DXC1/0支持VC-12。8．说明SDH网同步的工作模式。伪同步和主从同步是解决SDH网同步的两种办法。在同一个网同步区域（如一个国家或一个运营商内部）内应采用主从同步方式，而不同国家间可以采用伪同步方式。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。三种类型设备都可以采用外同步方式，其中TM和ADM可以采用线路定时，REG可以采用通过定时。10． SDH网络管理的主要功能。故障管理、性能管理、配置管理、安全管理、计费管理。11． MSTP的主要技术区别。第一代MSTP的特点是提供以太网点到点透传。第二代MSTP的特点是支持以太网二层交换。第三代MSTP的特点是支持以太网QoS。12． 分析级联和虚级联的异同。CH（SDHVCSDH的帧结构中是独立的，其位置可以灵活处理，此种情况称为虚级联。13． OTNWDM的关系。OTN就是在光域内实现业务信号的传送、复用、路由选择和监控，并保证其性能指标和生存性的传送网，WDM是OTN底层技术。14． SDHOTN的分层模型，并比较两者异同。两者都是传送网模型，SDH功能模型在电域，OTN功能模型在光域。第八章C（5~16nL（50~65n，SiO2光纤损耗最低的波长窗口。根据通路间隔，可以分为信道间隔较大、复用信道数较小的稀疏波分复用（CWDM）系统和密集波分复用（DWDM）系统。通路间隔选择原则包括系统总容量（复用的波长总数）外，还要考虑以下因素：（1）避开传输光纤的零色散区域以减小和消除四波混频（FWM）效应的影响；（2）选取的波长应尽可能处于光放大器的增益平坦区域，以避免在实际应用时由于多个光放大器级联造成的不同波长通路间输出功率不同的情况。为什么要引入非零色散位移光纤（NZDSF）？WDM光纤WDM系统中？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，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。WDMWDM中的信道产生影响。1550nm光纤不适于用WDM系统。WDM系统的工作原理。WDM系统有哪几种基本结构形式？波分复用（WDM）技术是在一根光纤上同时传送多个不同波长光信号的技术。单纤双向、双纤单向、光分路插入。WDMDFBDBRQWF-P激光器？WDM系统中对光源的波长准确度和稳定度有较高要求，因此不能使用一般的F-P激光器。WDM/DWDM主要有几种类型？说明它们的工作原理。有线路光放大器系统和无线路光放大器系统。WDM系统的特点。（1）可以充分利用光纤巨大的带宽资源。（2）对不同的信号具有很好的兼容性。（3）节约投资。（4）降低光电器件的要求。（5）可以灵活组网。OTDMOTDM的关键技术或难点有哪些？OTDMOTDMn关键技术包括超短脉冲光源、精确延迟线等。第九章1．在研究光纤通信系统时，为什么要确定一个传输模型？ITU－T提出的数字传输模型有哪几种？ITU-T提出的数字传输模型主要包括假设参考连接、假设参考数字段等。2为了能正确地反映误码的分布信息，ITU-T建议采用时间率的概念来代替平均误T0TL的程度以及误码超过某一规定值的时间占总测量时间的百分数。3．在用误码的时间百分数来评定误码特性的方法中，为什么取样观察时间T0取为1秒？这对数据通信来说有什么重要意义？包括G.821和G.826均将1s作为基本的误码性能评价单位。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？漂移的最普通的原因是环境温度变化，它会导致传输媒质的某些传输特性发生缓慢变化，从而引起传输信号延时的缓慢变化。5．何谓光纤通信系统的可用性？6420km6个中继站，采用不间断电源供电。已知：光端机：λ＝6000Fit/端，MTTR＝0.52端；光缆线路：λ=200Fit/km，MTTR＝3小时，L＝420km；中继机：λ＝1900Fit/端，MTTR＝26部；自动倒换设备：λ＝300Fit/部，MTTR＝0.51部；（1）1（2）采用主：备＝4：1时，系统的可用性。（1）A+F=1F

m1(F)m1

(nm)!

(F)m1总Cnm0

(n1)!(m1)! 0n=1，m=0F

m1(F)m1

(F)1总Cnm0

0光端机失效率：6000×0.5×2×10-9=0.06×10-4；光缆线路失效率：200×3×420×10-9=2.52×10-4；中继机失效率：1900×2×6×10-9=0.228×10-4；系统总的失效率为（0.06+2.52+0.228）×10-4=2.808×10-4；因此可用性为1-2.808×10-4≈99.972%。（2）n=4，m=1F

m1(F)m1

(5)!

(F)2=2.5(F)2；总Cnm0

(4)!(2)! 0 0而F0=2.808×10-4；因此，F总=1.97×10-7；自动倒换系统失效率：300×0.5×2×10-9=3×10-7；总的失效率为（1.97+3）×10-7=4.97×10-7；可用性：1-4.97×10-7≈99.999995%。7．某单模光纤传输系统的参数如下：光源发送光功率范围：0～－3dBm；接收机接收功率范围：－22～－40dBm；10d个（20dBk；0.5dB/km0.3dB/km4dB。求：系统最大的中继距离能达多少公里？由条件可知Ac＝1.0×2＝2dB；As＝0.1dB／Km；Af＝0.5dB／Km；Mc＝0.3dB／KmASR=PS－PR－MePS＝-3dBm；PR＝-40dBm；Me＝4dBL＝34.44km。8A、B两终端国，其各自的实际路由长度（PTP－IG）2000km3CDE2500km。求端－端高比特率通道的误码性能指标应满足高比特率通道全程27500km总指标的百分数。由式A1L(1A)计算。L第十章在电信网中，接入网是怎样定义的？接入网的范围由什么来界定？接入网是由业务节点接口（SNI）和用户网络接口（UNI）之间的一系列传送实体（如线路设施和传输设施Q3接口进行配置和管理。接入网包含哪些接口？叙述各接口的功能。（SNI）与业务节（UNI）Q3接口与电信管理网（TMN）Q3接口时通常需经由协调设备（MD）TMN相连。SNIANSNANSN的联系，SN