《光纤通信》复习题(整理版).doc

光纤通信复习题（整理版）第一章：21题 1. 2. 3. 4. 5. 1966年英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文指出了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信的基础。 光纤通信有四个发展阶段。 光纤工作波长：0.85 m1.31 m1.55 m 光纤通信用的近红外光(波长约1m)的频率(约300 THz)。 简述光纤通信的优点： 1) 2) 3) 4) 5) 6) 6. 7. 8. 9. 容许频带很宽，传输容量很大 损耗很小， 中继距离很长且误码率很小 重量轻、 体积小 抗电磁干扰性能好 泄漏小， 保密性能好 节约金属材料， 有利于资源合理使用 光纤通信系统的容许频带(带宽)取决于：光源的调制特性、 调制方式和光纤的色散特性。 简述光纤通信的应用：通信网构成因特网的计算机局域网和广域网有线电视网的干线和分配网综合业务光纤接入网 光纤通信系统可以传输：数字信号和模拟信号 单向传输光纤通信系统的基本组成： 发 射基本光纤传输系统10. 光发射机的功能：把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。 11. 光发射机的组成：光源、 驱动器和调制器。 12. 光发射机的性能基本上取决于光源的特性。 13. 光纤线路的功能：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。 14. 光接收机的功能：把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。 15. 光接收机：由光检测器、 放大器和相关电路组成光检测器是光接收机的核心。 16. 对光检测器的要求是：响应度高、 噪声低和响应速度快。 17. 数字通信系统：用参数取值离散的信号(如脉冲的有和无、电平的高和低等)代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系。 18. 模拟通信系统：用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。 19. 简述数字通信系统的优点 1) 抗干扰能力强，传输质量好 2) 可以用再生中继，传输距离长 3) 4) 5) 适用各种业务的传输，灵活性大 容易实现高强度的保密通信 数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本 20. P13：1-1 21、P13：1-4 第二章：32（6）题 1. 2. 3. 光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。 设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是：n1 n2 纤芯和包层的相对折射率差典型值=（n1- n2）n1： 1) 2) 3) 4. 一般单模光纤为0.3%0.6%， 多模光纤为1%2%。 越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小 实用光纤主要有三种基本类型：突变型多模光纤（Step Index Fiber, SIF）渐变型多模光纤（Graded Index Fiber, GIF） 光信号输出光信号输入 信息源电发射机电信号输入光发射机光纤线路光接收机 接 收电接收机电信号输出信息宿 单模光纤（Single Mode Fiber, SMF） 5. 6. 7. 8. 9. 突变型多模光纤：纤芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2。 突变型多模光纤特点：光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播特点是信号畸变大 渐变型多模光纤：在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小直到包层变为n2。 渐变型多模光纤特点：光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播特点是信号畸变小 单模光纤：只能传输一个模式的光纤。 10. 多模光纤：传输多个模式的光纤。 11. 突变型多模光纤的数值孔径NA： 12. NA物理意义： 1) NA越大 i. ii. iii. 2) iv. 光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。 对于无损耗光纤，在临界角c内的入射光都能在光纤中传输。 纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。 经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。 22NA?n2?n2?n12?12但NA越大 22NAmax?n1?n213. 渐变型多模光纤的数值孔径NA： NA(r)?n(r)?n214. 渐变型多模光纤自聚焦效应：渐变型多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上， 而且这些光线的时间延迟也近似相等。 2?a2215. 光纤归一化频率： V?n1?n22a?22V?n1?n2?2.405?16. 光纤单模传输条件： ?17. 色散(Dispersion)：是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。 18. 色散一般包括：模式色散材料色散波导色散 19. 理想单模光纤没有模式色散，只有材料色散和波导色散。 20. 光纤的三类基本特性参数： 1) 2) 3) 法。 22. 测量光纤带宽基本方法： 1) 2) 时域法：是测量通过光纤的光脉冲产生的脉冲展宽，又称脉冲法。 频域法：是测量通过光纤的频率响应，又称扫频法。 几何特性：纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度。 光学特性：折射率分布、数值孔径、模场直径和截止波长。 传输特性：损耗、带宽和色散 21. 光纤损耗测量有两种基本方法：测量通过光纤的传输光功率，称剪断法和插入法二测量光纤的后向散射光功率，称后向散射 23. 测量光纤色散有三种基本方法：相移法脉冲时延法干涉法 24. 实际截止波长的测量方法： 1) 2) 3) 传输功率法：在弯曲状态下，测量损耗波长函数的传输功率法 时延法：改变波长，观察LP01模和LP11模产生的两个脉冲变为一个脉冲的时延法 近场法：改变波长，观察近场图由环形变为高斯形的近场法 30、 45：2-10（计算题） 31、P45：2-12（计算题） 32、P45：2-17（计算题） 第三章：47（2）题 1. 2. 3. 4. 5. 通信用光器件可以分为两种类型：有源器件无源器件 有源器件包括：光源、光检测器和光放大器 光无源器件主要有：连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等。 光源：是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。 目前光纤通信广泛使用的光源主要有： 1) 半导体激光二极管或称激光器(LD) 2 25. P45：2-1（计算题） 26、P45：2-3（计算题） 27、P45：2-4 28、P45：2-7 29、P45：2-9（计算题） 2) 3) 6. 7. 8. 9. 发光二极管或称发光管(LED) 有些场合也使用固体激光器 LD（半导体激光器）： Semiconductor Laser LED（发光二极管）： Light Emitting Diode 半导体激光器：向半导体PN结注入电流， 实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡。 基态：最低能级E1称为基态。 10. 激发态：能量比基态大的能级Ei (i=2, 3, 4 )称为激发态 11. 电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式受激吸收 自发辐射受激辐射 12. 受激吸收：电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。 13. 自发辐射：电子自动地从高能级E2跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。 14. 受激辐射：电子被迫跃从高能级E2迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射。 15. 相干光：受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。 16. 非相干光：自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的， 这种光称为非相干光。 17. 本征半导体：电子和空穴是成对出现的半导体。 18. N型半导体：在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体。 19. P型半导体：在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体。 20. 不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长。 21. DFB激光器与F-P激光器相比具有以下优点:单纵模激光器谱线窄， 波长稳定性好动态谱线好线性好 22. 发光二极管(LED)的工作原理与激光器(LD)不同:LD发射的是受激辐射光LED发射的是自发辐射光 23. 发光二极管具有如下工作特性光谱特性光束的空间分布特性输出光功率特性频率特性 24. 光检测器是光接收机的关键器件。 25. 光检测器的功能是把光信号转换为电信号。 26. 常用光检测器：光电二极管（PIN）和 雪崩光电二极管（APD） 27. 光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能是由半导体PN结的光电效应实现的。 28. 连接器：是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件。 29. 接头：是实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接。 30. 耦合器的功能：是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。 31. 耦合器类型：T形耦合器星形耦合器定向耦合器波分复用器/解复用器 32. 比较实用和有发展前途的耦合器的结构有光纤型微器件型波导型 33. 隔离器：是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。 34. 隔离器的两个主要参数 插入损耗：对正向入射光的插入损耗其值越小越好； 隔离度：对反向反射光的隔离度其值越大越好。 35. 调制器是利用线性电光效应实现。 36. 光开关的功能：是转换光路， 实现光交换。 37. 光开关可分为两大类 1) 2) 1) 2) 1) 2) 机械光开关：利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路转换。 固体光开关：利用磁光效应、电光效应或声光效应实现光路转换。 优点：是插入损耗小，串扰小， 适合各种光纤，技术成熟 缺点：是开关速度慢 优点是开关速度快 缺点是插入损耗大， 串扰大， 只适合单模光纤 3 38. 机械光开关特点： 39. 固体光开关特点： 40. 实际截止波长的测量方法： 4) 5) 6) 传输功率法：在弯曲状态下，测量损耗波长函数的传输功率法 时延法：改变波长，观察LP01模和LP11模产生的两个脉冲变为一个脉冲的时延法 近场法：改变波长，观察近场图由环形变为高斯形的近场法 46、 P76：3-21 47、P76：3-26 第四章：23题 1. 数字光发射机的功能： 把电端机输出的数字基带电信号转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。电/光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的 2. 3. 线路编码必要性： 因为电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，所以要变换为适合于光纤传输的单极性码。 码型效应： 当电光延迟时间td与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个“1码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“”码丢失， 这种现象称为“码型效应”。 4. 5. 码型效应的特点： 在脉冲序列中较长的连“0”码后出现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连“0”码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。 自脉动现象： 某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象。 6. 7. 8. 9. 光接收机基本组成：光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、 时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。 目前， 适合于光纤通信系统应用的光检测器有：PIN光电二极管雪崩光电二极管(APD) 前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。 主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。 1) 2) 一部分是外部电磁干扰产生的， 这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤波加以消除； 另一部分是内部产生的，这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小， 一般不可能完全消除。 11. 光接收机的误码率：用较长时间间隔内，在传输的码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。 12. 灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱光信号的能力。 13. 在光纤通信系统中从电端机输出的是适合于电缆传输的双极性码。 14. 光源不可能发射负光脉冲，因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤通信系统传输的要求。 15. 扰码改变了“”码与“0”码的分布， 从而改善了码流的一些特性。 16. mBnB码是把输入的二进制原始码流进行分组，每组有m个二进制码，记为mB，称为一个码字，然后把一个码字变换为n个 二进制码，记为nB，并在同一个时隙内输出。 17. 插入码是把输入二进制原始码流分成每m比特(mB)-一组，然后在每组mB码末尾按一定规律插入一个码，组成m+1个码为一 组的线路码流。 18. P101：4-1 19、P101：4-3 20、P101：4-7 21、P101：4-9 22、P101：4-11 23、P101：4-14 第五章：23（2）题 1. 2. 3. 数字光纤通信系统的两种传输体制：准同步数字系列(PDH)同步数字系列(SDH) PDH主要适用于中、低速率点对点的传输。 PDH的主要缺点： 1) 北美、西欧和亚洲所采用的三种数字系列互不兼容， 没有世界统一的标准光接口使得国际电信网的建立及网络的营运、 管理和维护变得十分复杂和困难。 4 41. P76：3-1（计算题） 42、P76：3-4 43、P76：3-5（计算题） 44、P76：3-8 45、P76：3-19 10. 光接收机的噪声有两部分： 2) 3) 4. 5. 各种复用系列都有其相应的帧结构，没有足够的开销比特使网络设计缺乏灵活性，不能适应电信网络不断扩大、 技术不断更新的要求。 由于低速率信号插入到高速率信号，或从高速率信号分出，都必须逐级进行，不能直接分插，因而复接/分接设备结构复杂，上下话路价格昂贵。 SDH传输网的构成：SDH终接设备(或称SDH终端复用器TM)分插复用设备ADM数字交叉连接设备DXC等网络单元 以及连接它们的(光纤)物理链路 与PDH相比， SDH具有下列特点： 1) 2) 3) 4) 5) 6. SDH采用世界上统一的标准传输速率等级 SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范 在SDH帧结构中，丰富的开销比特用于网络的运行、 维护和管理，便于实现性能监测、故障检测和定位、故障报告等管理功能。 采用数字同步复用技术，其最小的复用单位为字节， 不必进行码速调整，简化了复接分接的实现设备，由低速信号复接成高速信号，或从高速信号分出低速信号，不必逐级进行。 采用数字交叉连接设备DXC可以对各种端口速率进行可控的连接配置，对网络资源进行自动化的调度和管理，既提高了资源利用率，又增强了网络的抗毁性和可靠性。 SDH帧结构： 1) 2) 3) 7. 8. 9. 一个STMN帧有9行，每行由270N个字节组成。 i. ii. iii. 这样每帧共有9270N个字节， 每字节为8 bit。 帧周期为125 s， 即每秒传输8000帧。 传输速率为927088000=155.520 Mb/s。 由上往下逐行发送，每行先左后右。 对于STM1 而言 字节发送顺序为 SDH帧大体可分为三个部分：段开销(SOH)信息载荷(Payload)管理单元指针(AU PTR) 正码速调整法：优点：是容许被复接的支路信号有较大的频率误差；缺点：是复接与分接相当困难 固定位置映射法： 1) 2) 优点：复接和分接容易实现 缺点：由于低速信号可能是属于PDH的或由于SDH网络的故障，低速信号与高速信号的相对相位不可能对准，并会随时间而变化。 10. 交叉连接设备与交换机的区别： 1) 2) DXC 的输入输出不是单个用户话路，而是由许多话路组成的群路。 两者都能提供动态的通道连接，但连接变动的时间尺度是不同的。 i. ii. 前者按大量用户的集合业务量的变化及网络的故障状况来改变连接，由网管系统配置； 后者按照用户的呼叫请求来建立或改变连接，由信令系统实现呼叫连接控制。 11. SDH环形网的一个突出优点是具有“自愈”能力。 12. 最长的标准数字HRX为27 500 km。 13. 严重误码秒(SES)： 选择监测时间TL为1个月，取样时间T0为1s。定义误码率劣于 110-3的秒钟数为严重误码秒(SES)。 14. 抖动是数字信号在各有效瞬时对标准时间位置的偏差。 15. 对数字光纤通信系统而言，系统设计的主要任务： 1) 2) 根据用户对传输距离和传输容量(话路数或比特率)及其分布的要求，按照国家相关的技术标准和当前设备的技术水平，经过综合考虑和反复计算， 选择最佳路由和局站设置、 传输体制和传输速率以及光纤光缆和光端机的基本参数和性能指标。 16. 以使系统的实施达到最佳的性能价格比。 17. 中继距离的设计有三种方法：最坏情况法(参数完全已知)统计法(所有参数都是统计定义)半统计法(只有某些参数是统计定 义) 18. 中继距离受光纤线路损耗和色散(带宽)的限制，明显随传输速率的增加而减小。 19. 中继距离和传输速率反映着光纤通信系统的技术水平。 5 10 / 10