《光纖通信》第二版劉增基課后習(xí)題答案

1光纖通信的優(yōu)缺點各是什么？(1)通信容量大．首先，光載波的中心頻率很高，約為2X10^14Hz，最大可用帶寬一般取載波頻率的10%20000GHz(20THz)；假設(shè)微波的載波頻率選擇為20GHz2GHz10000倍．其次，單模光纖的色散幾乎為零，其帶寬距離〔乘〕積可達(dá)幾十GHz·km；承受波分復(fù)用〔多載波傳輸〕技術(shù)還可使傳輸容量增加幾十倍至上百倍．目前，單波長的典型傳輸速率是10Gb／s128個波長的波分復(fù)用系統(tǒng)的傳輸速率就是1.28Tb/s.(2〕中繼距離長。中繼距離受光纖損耗限制和色散限制，單模光纖的傳輸損耗可小千0.2dB/km，色散接近于零．(3〕抗電磁干擾．光纖由電絕緣的石英材料制成，因而光纖通信線路不受一般電磁場的干擾，包括閃電、火花、電力線、無線電波的千擾．同時間纖也不會對工作于無線電波波段的通信、雷達(dá)等設(shè)備產(chǎn)生干擾。這使光纖通信系統(tǒng)具有良好的電磁兼容性。(4〕聲主要來源于t子噪聲及光檢測器后面的電阻熱噪聲和前置放大器的噪聲．只要設(shè)計適當(dāng)，10^-9甚至更低。統(tǒng)也存在一些缺乏：(1〕有些光器件〔如激光器、光纖放大器〕比較昂貴。(2〕光纖的機械強度差，為了提高強度，實際使用時要構(gòu)成包聲多條光纖的光纜，光統(tǒng)中要有加強件和保護套。(3〕不能傳送電力．有時需要為遠(yuǎn)處的接口或再生的設(shè)備供給電能，光纖明顯不能勝任。為了傳送電能，在光纜系統(tǒng)中還必需額外使用金屬導(dǎo)線．〔4〕光纖斷裂后的修理比較困難，需要專用工具。光纖通信系統(tǒng)由哪幾局部組成？簡述各局部作用。答光纖通信系統(tǒng)由放射機、接收機和光纖線路三個局部組成〔參看圖1.4。放射機又分〔息〕源輸出的基帶電信號變換為適合于信道并用藕合技術(shù)把光信號最大限度地注人光纖線路．光放射機由光源、驅(qū)動器、調(diào)制器組成，號，調(diào)制器讓攜帶信息的電信號去轉(zhuǎn)變光載波的某一參數(shù)〔如光的強度．光纖線路把來自于光放射機的光信，能小的畸變〔失真〕和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C．光纖線路由光纖、光纖接頭和光纖連接器組成。光纖是光纖線路的主體，接失和連接器是不行缺少的器件．光接收機把從光線路輸出的產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號復(fù)原為電信號，包括碼型反變換和多路分接等．假設(shè)數(shù)字通信系統(tǒng)能夠在高達(dá)15GHz的微波1.55um64kb/s的話路？5GHz64kb/s的話路數(shù)K=(5*10^9*1%)/(64*10^3)≈781(路)在1.55um的光載波上能傳輸?shù)?4kb/s的話路數(shù)K=〔3*10^8〕/(1.55*10^-6)〕/(64*10^-3)=3.0242*10^7〔路〕簡述將來光網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)展趁機及關(guān)鍵技術(shù)。答將來光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展趁于智能化、全光化。其關(guān)健技術(shù)包括：長波長激光器、低損耗單模光纖、高效光放大器、WDM復(fù)用技術(shù)和全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。2-1均勻光纖芯與包層的折射率分別為n1=1.50,n2=1.45，試計算：(l〕光纖芯與包層的相對折射率差乙為多少？(2〕光纖的數(shù)值孔徑NA為多少？(3〕1米長的光纖上，由子午線的光程差所引起的最大時延差△為多少解〔1〕又纖芯和包層的相對折射率差△=〔n1-n2〕/n1得到△=〔n1-n2〕/n1=〔1.50-1.45〕/1.50=0.033〔2〕NA=sqrt〔n1^2-n2^2〕=sqrt(1.5^2-1.45^2)≈0.384〔3〕△τmax≈n1*L/c*△=1.5*1/(3*10^8)*0.384ns2-3 n1=1.50，λ=1.30μm，試計算〔1〕假設(shè)△=0．25，為了保證單模傳輸，其芯半徑應(yīng)取多大？(2〕假設(shè)取a=5μm解〔1〕又單模傳輸條件V=2πa/λ*sqrt〔n1^2-n2^2〕≤2.405推導(dǎo)出2.40λ〔π*sqr〔n1^2-n2^〕=1.3，n2=n1△*n1=1.125則a≤2.405*1.3*10^-6/(2π*sqrt(1.5^2-1.125^2))=0.501μm〔2〕當(dāng)a=5μm時，sqrt〔n1^2-n2^2〕≤2.405*λ/〔2πa〕解得△≤〔n1-n2〕/n1=0.0016目前光纖通信為什么承受以下三個工作波長： λ1=0.85μm，λ2=1.31μm，λ3=55μm?答λ1=0.8，2=1.3，λ3=1.5m四周是光纖傳輸損耗較少或最小的波長“窗口2~3dB/km0.5dB/km0.2dB/km〔光源、光檢測器等。光纖通信為什么向長波長、單模光纖方向進(jìn)展?答長波長、單模光纖比短波長、多模光纖具有更好的傳輸特性〔1〕單模光纖沒有模式色散，不同成分光經(jīng)過單模光纖的傳播時間不同的程度顯著小于經(jīng)過多模光纖時不同的程度．(21.31μm1.55μm處的色散很小，故目前長距離光纖通信一般都工作在1.55μm.光纖色散產(chǎn)生的緣由及其危害是什么？答光纖色散是由光纖中傳輸?shù)墓庑盘柕牟煌煞止獾膫鞑r間不同而產(chǎn)生的。光纖色散對光纖傳輸系統(tǒng)的危害有：假設(shè)信號是模擬調(diào)制的，色散將限制帶；是數(shù)字脈沖，色散將使脈沖展寬，限制系統(tǒng)傳輸速率〔容量〕.光纖損耗產(chǎn)生的緣由及其危害是什么？答光纖損耗包括吸取損耗和散射損耗SiO2材料引起的固有吸取和由雜質(zhì)引〔如氣泡光纖通信。2-9 一階躍折射率光纖，折射率n1=1.5＝1%，長度L=1km(1〕光纖的數(shù)值孔徑；(2〕子午光線的最大時延差；(3〕假設(shè)將光纖的包層和涂敷層去掉，求裸光纖的NA和最大時延差。解〔1〕NA=sqrt〔n2^2-n1^2〕≈n1*sqrt(2△)≈0.212〔2〕△гmax=n1*L/c*△=1.5*1000/(3*10^8)*0.01=50ns〔3〕假設(shè)將光纖的包層和涂覆層去掉，則此時n1=1.5,n2=1.0,所以NA=sqrt(n1^2-n2^2)=sqrt(1.5^2-1)=1.118△гmax=n1*L/c*(n1-n2)/n1=2.5us2-12 一個階躍折射率光纖，纖芯折射率n114258，包層折射率n2=1.4205，該光纖1.31μm.55μm兩個波段上。求該光纖為單樟光纖時的最大纖芯直徑。解．由截止波長λ=2πa*sqrt(n1^2-n2^2)/2.405λ>λc時單模傳輸，又條件得λc≤1.30um,則2a≤2.405/〔π*sqrt〔n1^2-n2^2〕*1.3=2.405*1.3/〔π*〔1.4258^2-1.4205^2〕=9.53um2-15光波從空氣中以角度θ=33°投射到平板玻璃外表上這里的θ 是入射光線與玻璃外表之間的夾角．依據(jù)投射到玻璃外表的角度，光束另一局部被反射，另一局部發(fā)生折射，假設(shè)折射光束和反射光束之間的夾角正好為90°,請問玻璃折射率等于多少？這種玻璃的臨界角又為多少？解如下圖的角度對應(yīng)關(guān)系，得入射角θi=90°-33°=57°，折射角θf=33°，又斯涅耳定律得n1sinθi=n2sinθfn2=n1sinθ/sinθf=sin57°/sin33°=1.54這種玻璃的臨界角θc=arcsin(1/n2)=arcsin(1/1.54)≈40.5°某激光器承受GaAs為激活媒質(zhì)，問其輻射的光波頻率和波長各位多少？解.eVhf＝Eg〔h為普朗克常數(shù)，h=6.628X10^-34J·s)，可得以GaAs為激活媒質(zhì)的激光器的輻射光波頻率和波長分別為f=Eg/h=1.424*1.6*10^-19/6.628*10^-34=3.44*10^8MHzλ=c/f=hc/Eg=1.24/Eg=1.24/1.424=0.87μm半導(dǎo)體激光器〔LD〕有哪些特性？答：LDLED的不同之處工作原理不同，LD放射的是受激輻射光，LED放射的是自發(fā)輻射光。LED不需要光學(xué)諧振腔，而LD需要，和LD相比，LED輸出光功率較小，光譜較寬，調(diào)制頻率較低，但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長，輸出功率線性范圍寬，而且制造工藝簡潔，價格低廉，所以，LED的主要應(yīng)用場合時小容量〔窄帶〕短距離通信系統(tǒng)，而LD〔寬帶〕通信系統(tǒng)。LD和LED的一樣之處：使用的半導(dǎo)體材料一樣，構(gòu)造相像，LEDLD大多承受雙異質(zhì)結(jié)〔DH〕構(gòu)造，把有源層夾在P型和N型限制層中間。3-7 APDPIN在性能上的主要區(qū)分。答APD和PIN在性能上的主要區(qū)分有：(1)APD具有雪崩增益，靈敏度高，有利于延長系統(tǒng)傳輸。(2)APD的響應(yīng)時間短。(3)APD的雪崩效應(yīng)會產(chǎn)生過剩噪聲，因此要適當(dāng)掌握雪(4)APD要求較高的工作電壓和簡單的溫度補償電路，本錢較高。3-11LEDGa1-x,ALxAsx表示成分?jǐn)?shù)，這樣的材料的帶隙能量Eg〔eV〕=1.424+1.266x+0.266x^2x0≤x≤0.37LED解由Eg〔eV〕=1.424+1.266x+0.266x^2，0≤x≤0.371.424≤Eg≤1.93λ=1.24/Eg，得0.64um≤λ≤0.87um3-17一光電二極管，當(dāng)λ=1.3um0.6A/W，計算它的量子效率。解 由 于 響 應(yīng) 度 為 ρ=Iρ/P0 ， 則 量 子 效 率 為η=Ip/P0*h*f/e=ρ*hc/(λe)=0.6*(6.628*10^-34*3*10^8)/(1.3*10^-6*1.6*10^-19)=57.4%LD為什么能夠產(chǎn)生碼型效應(yīng)？其危害及消退方法是什么？答半導(dǎo)體激光器在高速脈沖調(diào)制下，輸出光脈沖和愉人電流脈沖之間存在延遲時間，稱為光電延遲時間。當(dāng)光電延遲時間與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時間T/2量級時，會使“0”碼過后的第一個“l(fā)”碼的脈沖寬度變窄，幅度減小．嚴(yán)峻時可能使“1”碼喪失，這種現(xiàn)象稱為碼型效應(yīng)。碼型效應(yīng)的特點是在脈沖序列中，較長的連“0”’碼后消滅“1”碼喪失，其脈沖明顯變小而且連“0”碼數(shù)目越多，調(diào)制速率越高，這種效應(yīng)越明顯．碼消退方法是用適當(dāng)?shù)摹斑^調(diào)制”補償方法．在LDAPC?功率自動掌握實際是掌握LD的哪幾個參數(shù)？答在LD的驅(qū)動電路里，設(shè)置功率自動掌握電路〔APC〕是為了調(diào)整LD的偏流，是輸LDLD的驅(qū)動電路里，為什么要設(shè)定溫度自動掌握電路？具體措施是什么？掌握電路實際掌握的是哪幾個參數(shù)？答在LD的驅(qū)動電路里，設(shè)置自動溫度掌握電路是由于半導(dǎo)體光源的輸出特性受溫度影制電路，通過掌握電路轉(zhuǎn)變致冷量，使激光器輸出特性保持恒定。掌握電路實際掌握的是：換能電橋輸出、三極管的基極電流和致冷器的電流。數(shù)字光接收機量子極限的含義是什么？10μm，求對應(yīng)的dBm值．解Pr=10lg[<P>min(mW)]=-20dBm在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，選擇碼型時應(yīng)考慮哪幾個因素？答數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對線路碼型的主要要求如下：(l〕能限制信號帶寬，減小功率譜中的凹凸頻重量．(2〕能給光接收機供給足夠的定時信息．〔3〕供給肯定的冗余度，用于平衡碼流、誤碼檢測和公務(wù)通信。但對高速砍，應(yīng)適當(dāng)減小冗余度，以免占用過大的帶寬。RZNRZ碼有什么特點？答Rz“1”比特對應(yīng)有光脈沖且持續(xù)時間為整個比特周期的一半”對應(yīng)無脈沖消滅．其主要優(yōu)點是解決了連‘1’碼引起的‘基線漂移移問題，缺點是未解決長連“o”的問題。NRZ碼為非歸零碼．“1”比特對應(yīng)有光脈沖且掩續(xù)時間為整個比特周期，“0” 對應(yīng)無脈沖消滅其主要優(yōu)點是占據(jù)的頻帶寬度窄只是RZ碼的一半缺點是當(dāng)現(xiàn)長或“0”時，光脈沒有”有”和“無”的變化，不適合通過溝通耦合電路，對于接收比特時鐘的提取是不利的．光纖通信中常用的線路碼型有哪些？答光纖通信常用的線路碼璧有擾碼、mBnB碼和插入碼。SDH?答目前光纖大容量數(shù)字傳輸都承受同步時分復(fù)用〔TDM〕技術(shù)，復(fù)用又分級，先后有兩種傳輸體制：準(zhǔn)同步數(shù)字系列〔PDH〕和同步數(shù)字系列〔SDH)。PDH早在1976年就實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，目前還大量使用。隨著光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)展，PDH很多困難。在技術(shù)快速進(jìn)展的推動下，美國提出了同步光纖網(wǎng)〔SONET)。1988年，ITU-T〔CCITT〕參SONET的概念,提出了被稱為同步數(shù)字系列〔SDH〕的標(biāo)準(zhǔn)建議,PDH存在的也適用于微波和衛(wèi)星干線傳輸。SDH的特點有哪些？SDHAUPTR表示什么？它有何作用？答與PDH相比，SDH具有以下特點：(1)SDH承受世界上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率等級。最低的等級也就是組根本的模塊稱為STM-1155.520Mb/s;4STM-l同步復(fù)接組成STM-4,傳輸速率為4X155.52Mb/s=622.080Mb/s；16個STM-1STM-16,傳輸速率為2498.320Mb/S，以此類推．一般為STM-N,N=l,4,16,64。由于速率等級承受統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，SDH就具有了統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點接口，并可以承載現(xiàn)有的PDH〔E1、E2等〕和各種的數(shù)字信號單元，如ATM信元、以太鏈路幀、IP分組等，有利于不同通信系統(tǒng)的互聯(lián)。(2)SDH 傳送網(wǎng)絡(luò)單元的光接口有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)．因此，光接口稱為開放型接口，任何(3〕在SDH幀構(gòu)造中，豐畜的開銷比特用于網(wǎng)絡(luò)的運行、維護和治理，便于實現(xiàn)性能檢側(cè)、故障檢測和定位、故陣報告等治理功能．(4〕承受數(shù)字同步復(fù)用技術(shù)，其最小的復(fù)用單位為字節(jié)，不必進(jìn)展碼速調(diào)整，簡化了復(fù)接(5〕承受數(shù)字穿插連接設(shè)備DXC可以對各種端口速率進(jìn)展可控的連接配置，對網(wǎng)絡(luò)資源SDH承受了DXC絡(luò)提高到一個嶄的水平。SDH幀中的AUPTR指的是治理單元指針，它是一種指示符。主要絡(luò)的第一個字節(jié)在幀內(nèi)〔相對于指針位置的偏移量SDH解決了低速信號復(fù)接成高速信號時，由于小的頻率誤差所造成的載荷相對位置漂移的問題。140Mb/s數(shù)字光纖通信系統(tǒng)放射光功率為-3dBm，接收機-38dBm，系統(tǒng)余量為4dB0．5dB/對，平均接頭損耗為O.05dB/km,0.4dB/km0.05dB/kmL。解L≤(Pt-Pr-2Ac-Me)/(Af+As+Am)由題可知Pt=-3dBm，Pr=-38dBm，Me=4dB,Ac=0.5dB/As=0.05Db/km,Af=0.4