《光纖通信》第二版劉增基課后習(xí)題答案

PAGEPAGE6光纖通信的優(yōu)缺點(diǎn)各是什么？答與傳統(tǒng)的金屬電纜通信、微波無(wú)線電通信相比，光纖通信具有如下優(yōu)點(diǎn)：(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%，則容許的最大信號(hào)帶寬為20000GHz(20THz)；如果微波的載波頻率選擇為20GHz，相應(yīng)的最大可用帶寬為2GHz。兩者相差10000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；采用波分復(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(zhǎng)的典型傳輸速率是10Gb／s。，一個(gè)采用128個(gè)波長(zhǎng)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(zhǎng)。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普通電磁場(chǎng)的干擾，包括閃電、火花、電力線、無(wú)線電波的千擾．同時(shí)光纖也不會(huì)對(duì)工作于無(wú)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）傳輸誤碼率極低。光信號(hào)在光纖中傳輸?shù)膿p耗和波形的畸變均很小，而且穩(wěn)定，．噪聲主要來(lái)源于t子噪聲及光檢測(cè)器后面的電阻熱噪聲和前置放大器的噪聲．只要設(shè)計(jì)適當(dāng)，在中繼距離內(nèi)傳輸?shù)恼`碼率可達(dá)10^-9甚至更低。此外，光纖通信系統(tǒng)還具有適應(yīng)能力強(qiáng)、保密性好以及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。當(dāng)然光纖通信系統(tǒng)也存在一些不足：

(1）有些光器件（如激光器、光纖放大器）比較昂貴。

(2）光纖的機(jī)械強(qiáng)度差，為了提高強(qiáng)度，實(shí)際使用時(shí)要構(gòu)成包聲多條光纖的光纜，光統(tǒng)中要有加強(qiáng)件和保護(hù)套。(3）不能傳送電力．有時(shí)需要為遠(yuǎn)處的接口或再生的設(shè)備提供電能，光纖顯然不能勝任。為了傳送電能，在光纜系統(tǒng)中還必須額外使用金屬導(dǎo)線．（4）光纖斷裂后的維修比較困難，需要專用工具。1-2光纖通信系統(tǒng)由哪幾部分組成？簡(jiǎn)述各部分作用。答光纖通信系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和光纖線路三個(gè)部分組成（參看圖1.4）。發(fā)射機(jī)又分為電發(fā)射機(jī)和光發(fā)射機(jī)。相應(yīng)地，接收機(jī)也分為光接收機(jī)和電接收機(jī)。電發(fā)射機(jī)的作又分為電發(fā)射機(jī)和光發(fā)射機(jī)。電發(fā)射機(jī)的作用是將信（息）源輸出的基帶電信號(hào)變換為適合于信道傳輸?shù)碾娦盘?hào)，包括多路復(fù)接、碼型變換等，光發(fā)射機(jī)的作用是把輸入電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并用藕合技術(shù)把光信號(hào)最大限度地注人光纖線路．光發(fā)射機(jī)由光源、驅(qū)動(dòng)器、調(diào)制器組成，光源是光發(fā)射機(jī)的核心。光發(fā)射機(jī)的性能基本取決于光源的特性；光源的輸出是光的載波信號(hào)，調(diào)制器讓攜帶信息的電信號(hào)去改變光載波的某一參數(shù)（如光的強(qiáng)度）．光纖線路把來(lái)自于光發(fā)射機(jī)的光信，能小的畸變（失真）和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)．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，接失和連接器是不可缺少的器件．光接收機(jī)把從光線路輸出的產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號(hào)還原為電信號(hào)．光接收機(jī)的功能主要由光檢測(cè)器完成，光檢測(cè)器是光接收機(jī)的核心。電接收機(jī)的作用一是放大，二是完成與電發(fā)射機(jī)換，包括碼型反變換和多路分接等．

1-3假設(shè)數(shù)字通信系統(tǒng)能夠在高達(dá)1％的載波頻率的比特率下工作，試問(wèn)在5GHz的微波載波和1.55um的光載波上能傳輸多少路64kb/s的話路？

解在5GHz微波載波上能傳輸?shù)?4kb/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）1-4簡(jiǎn)述未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趁勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)。

答未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趁于智能化、全光化。其關(guān)健技術(shù)包括：長(zhǎng)波長(zhǎng)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(jì)算：(l）光纖芯與包層的相對(duì)折射率差乙為多少？

(2）光纖的數(shù)值孔徑NA為多少？

(3）在1米長(zhǎng)的光纖上，由子午線的光程差所引起的最大時(shí)延差△為多少解（1）又纖芯和包層的相對(duì)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均勻光纖，若n1=1.50，λ=1.30μm，試計(jì)算（1）若△=0．25，為了保證單模傳輸，其芯半徑應(yīng)取多大？(2）若取a=5μm，為保證單模傳輸．，△應(yīng)取多大？解（1）又單模傳輸條件V=2πa/λ*sqrt（n1^2-n2^2）≤2.405 推導(dǎo)出a≤2.405λ/（2π*sqrt（n1^2-n2^2））其中，λ=1.3μm，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(shí)，sqrt（n1^2-n2^2）≤2.405*λ/（2πa） 解得△≤（n1-n2）/n1=0.00162-4目前光纖通信為什么采用以下三個(gè)工作波長(zhǎng)：λ1=0.85μm，λ2=1.31μm，λ3=55μm?答λ1=0.85μm，λ2=1.31μm，λ3=1.55μm附近是光纖傳輸損耗較少或最小的波長(zhǎng)“窗口”，相應(yīng)的損耗分別為2~3dB/km、0.5dB/km、0.2dB/km，而在這些波段目前有成熟的光器件（光源、光檢測(cè)器等）。2-5光纖通信為什么向長(zhǎng)波長(zhǎng)、單模光纖方向發(fā)展?答長(zhǎng)波長(zhǎng)、單模光纖比短波長(zhǎng)、多模光纖具有更好的傳輸特性。（1）單模光纖沒(méi)有模式色散，不同成分光經(jīng)過(guò)單模光纖的傳播時(shí)間不同的程度顯著小于經(jīng)過(guò)多模光纖時(shí)不同的程度．

(2）由光纖損耗和波長(zhǎng)的關(guān)系曲線知，隨著波長(zhǎng)的增大，損耗呈下降趨勢(shì)，且在1.31μm和1.55μm處的色散很小，故目前長(zhǎng)距離光纖通信一般都工作在1.55μm.2-6光纖色散產(chǎn)生的原因及其危害是什么？

答光纖色散是由光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)的不同成分光的傳播時(shí)間不同而產(chǎn)生的。光纖色散對(duì)光纖傳輸系統(tǒng)的危害有：若信號(hào)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）.2-7光纖損耗產(chǎn)生的原因及其危害是什么？答光纖損耗包括吸收損耗和散射損耗。吸收損耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的。散射損耗主要由材料微觀密度密度不均勻引起的瑞利勝射和光纖結(jié)構(gòu)缺陷（如氣泡）引起的散射產(chǎn)生的。光纖損耗使系統(tǒng)的傳輸距離受到限制．大損耗不利于長(zhǎng)距離光纖通信。2-9一階躍折射率光纖，折射率n1=1.5，相對(duì)折射率差△＝1%，長(zhǎng)度L=1km(1）光纖的數(shù)值孔徑；

(2）子午光線的最大時(shí)延差；

(3）若將光纖的包層和涂敷層去掉，求裸光纖的NA和最大時(shí)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）若將光纖的包層和涂覆層去掉，則此時(shí)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(gè)階躍折射率光纖，纖芯折射率n1=1.4258，包層折射率n2=1.4205，該光纖工作在1.31μm.55μm兩個(gè)波段上。求該光纖為單樟光纖時(shí)的最大纖芯直徑。解．由截止波長(zhǎng)λ=2πa*sqrt(n1^2-n2^2)/2.405 得λ>λc時(shí)單模傳輸，又已知條件得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°投射到平板玻璃表面上，這里的θ是入射光線與玻璃表面之間的夾角．根據(jù)投射到玻璃表面的角度，光束另一部分被反射，另一部分發(fā)生折射，如果折射光束和反射光束之間的夾角正好為90°,請(qǐng)問(wèn)玻璃折射率等于多少？這種玻璃的臨界角又為多少？

解如圖所示的角度對(duì)應(yīng)關(guān)系，得入射角θi=90°-33°=57°，折射角θf(wàn)=33°，又斯涅耳定律得n1sinθi=n2sinθf(wàn)所以，玻璃折射率n2=n1sinθ/sinθf(wàn)=sin57°/sin33°=1.54這種玻璃的臨界角θc=arcsin(1/n2)=arcsin(1/1.54)≈40.5°3-2某激光器采用GaAs為激活媒質(zhì)，問(wèn)其輻射的光波頻率和波長(zhǎng)各位多少？解GaAs禁帶寬度為Eg=1.424eV，由hf＝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(zhǎng)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：LD和LED的不同之處工作原理不同，LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)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(zhǎng)，輸出功率線性范圍寬，而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，所以，LED的主要應(yīng)用場(chǎng)合時(shí)小容量（窄帶）短距離通信系統(tǒng)，而LD主要應(yīng)用于長(zhǎng)距離大容量（寬帶）通信系統(tǒng)。LD和LED的相同之處：使用的半導(dǎo)體材料相同，結(jié)構(gòu)相似，LED和LD大多采用雙異質(zhì)結(jié)（DH）結(jié)構(gòu)，把有源層夾在P型和N型限制層中間。試說(shuō)明APD和PIN在性能上的主要區(qū)別。答APD和PIN在性能上的主要區(qū)別有：

(1)APD具有雪崩增益，靈敏度高，有利于延長(zhǎng)系統(tǒng)傳輸。(2)APD的響應(yīng)時(shí)間短。

(3)APD的雪崩效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生過(guò)剩噪聲，因此要適當(dāng)控制雪(4)APD要求較高的工作電壓和復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電路，成本較高。3-11短波長(zhǎng)LED又材料Ga1-x,ALxAs制成，其中x表示成分?jǐn)?shù)，這樣的材料的帶隙能量Eg（eV）=1.424+1.266x+0.266x^2已知x必須滿足0≤x≤0.37，求這樣的LED能覆蓋的波長(zhǎng)范圍。解由Eg（eV）=1.424+1.266x+0.266x^2，0≤x≤0.37得1.424≤Eg≤1.93由λ=1.24/Eg，得0.64um≤λ≤0.87um3-17一光電二極管，當(dāng)λ=1.3um時(shí)，響應(yīng)度為0.6A/W，計(jì)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)？其危害及消除辦法是什么？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(shí)間，稱為光電延遲時(shí)間。當(dāng)光電延遲時(shí)間與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時(shí)間T/2量級(jí)時(shí)，會(huì)使“0”碼過(guò)后的第一個(gè)“l(fā)”碼的脈沖寬度變窄，幅度減?。畤?yán)重時(shí)可能使“1”碼丟失，這種現(xiàn)象稱為碼型效應(yīng)。碼型效應(yīng)的特點(diǎn)是在脈沖序列中，較長(zhǎng)的連“0'’碼后出現(xiàn)“1”碼丟失，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．碼消除方法是用適當(dāng)?shù)摹斑^(guò)調(diào)制”補(bǔ)償方法．4-3在LD的驅(qū)動(dòng)電路里，為什么要設(shè)置功率自動(dòng)控制電路APC?功率自動(dòng)控制實(shí)際是控制LD的哪幾個(gè)參數(shù)？答在LD的驅(qū)動(dòng)電路里，設(shè)置功率自動(dòng)控制電路（APC）是為了調(diào)節(jié)LD的偏流，是輸出光功率穩(wěn)定。功率自動(dòng)控制實(shí)際是控制LD的偏置電流、輸出光功率、激光器背向光功率。

4-4在LD的驅(qū)動(dòng)電路里，為什么要設(shè)定溫度自動(dòng)控制電路？具體措施是什么？控制電路實(shí)際控制的是哪幾個(gè)參數(shù)？

答在LD的驅(qū)動(dòng)電路里，設(shè)置自動(dòng)溫度控制電路是因?yàn)榘雽?dǎo)體光源的輸出特性受溫度影響很大，特別是長(zhǎng)波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器對(duì)溫度更加敏感，為保證輸出特性的穩(wěn)定，對(duì)光器進(jìn)行溫度控制是十分必要的．溫度控制裝置一般由致冷器、熱敏電阻和控制電路組成。致冷器的冷端和激光器的熱端接觸，熱敏電阻作為傳感器，探測(cè)激光器結(jié)區(qū)的溫度，并把它傳遞給控制電路，通過(guò)控制電路改變致冷量，使激光器輸出特性保持恒定?？刂齐娐穼?shí)際控制的是：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(jī)量子極限的含義是什么？答光接收機(jī)可能達(dá)到的最高靈敏度，這個(gè)極限值是由量子噪聲決定的，所以稱為量子極限。已測(cè)得某數(shù)字光接收機(jī)的靈敏度為10μm，求對(duì)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(shí)應(yīng)考慮哪幾個(gè)因素？答數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對(duì)線路碼型的主要要求如下：

(l）能限制信號(hào)帶寬，減小功率譜中的高低頻分量．

(2）能給光接收機(jī)提供足夠的定時(shí)信息．（3）提供一定的冗余度，用于平衡碼流、誤碼檢測(cè)和公務(wù)通信。但對(duì)高速砍，應(yīng)適當(dāng)減小冗余度，以免占用過(guò)大的帶寬。RZ碼和NRZ碼有什么特點(diǎn)？答Rz碼為歸零碼．"1”比特對(duì)應(yīng)有光脈沖且持續(xù)時(shí)間為整個(gè)比特周期的一半，“0”對(duì)應(yīng)無(wú)脈沖出現(xiàn)．其主要優(yōu)點(diǎn)是解決了連‘1’碼引起的‘基線漂移移問(wèn)題，缺點(diǎn)是未解決長(zhǎng)連"o”的問(wèn)題。

NRZ碼為非歸零碼．"1”比特對(duì)應(yīng)有光脈沖且掩續(xù)時(shí)間為整個(gè)比特周期，"0'對(duì)應(yīng)無(wú)脈沖出現(xiàn)。其主要優(yōu)點(diǎn)是占據(jù)的頻帶寬度窄，只是RZ碼的一半，缺點(diǎn)是當(dāng)現(xiàn)長(zhǎng)連“1”或“0”時(shí)，光脈沒(méi)有”有”和“無(wú)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。5-1為什么要引人SDH?

答目前光纖大容量數(shù)字傳輸都采用同步時(shí)分復(fù)用（TDM）技術(shù)，復(fù)用又分級(jí)，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(shí)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)的發(fā)展，PDH許多困難。在技術(shù)迅速發(fā)展的推動(dòng)下，美國(guó)提出了同步光纖網(wǎng)（SONET)。1988年，ITU-T（原CCITT）參照SONET的概念,提出了被稱為同步數(shù)字系列（SDH）的規(guī)范建議,解決了PDH存在的問(wèn)題，是一種比較完善的傳輸體制，現(xiàn)已得到大量應(yīng)用，這種傳輸體制不僅適用于光纖信道，也適用于微波和衛(wèi)星干線傳輸。5-2SDH的特點(diǎn)有哪些？SDH幀中AUPTR表示什么？它有何作用？答與PDH相比，SDH具有下列特點(diǎn)：

(1)SDH采用世界上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率等級(jí)。最低的等級(jí)也就是組基本的模塊稱為STM-1，傳輸速率為155.520Mb/s;4個(gè)STM-l同步復(fù)接組成STM-4,傳輸速率為4X155.52Mb/s=622.080Mb/s；16個(gè)STM-1組成STM-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(jí)采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，SDH就具有了統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)接口，并可以承載現(xiàn)有的PDH（E1、E2等）和各種新的數(shù)字信號(hào)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)規(guī)范．因此，光接口稱為開(kāi)放型接口，任何網(wǎng)絡(luò)單元在光纖線路上可以互聯(lián)，不同廠家的產(chǎn)品可以互通，這有利于建立世界統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)的光接口綜合進(jìn)各種不同的網(wǎng)絡(luò)單元，簡(jiǎn)化了硬件，降低了網(wǎng)絡(luò)成本。

(3）在SDH幀結(jié)構(gòu)中，豐畜的開(kāi)銷比特用于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、維護(hù)和管理，便于實(shí)現(xiàn)性能檢側(cè)、故障檢測(cè)和定位、故陣報(bào)告等管理功能．

(4）采用數(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)行碼速調(diào)整，簡(jiǎn)化了復(fù)接分接的實(shí)現(xiàn)設(shè)備，由低速信號(hào)復(fù)接成高速信號(hào)，或從高速信號(hào)分出低速信號(hào)，不必逐級(jí)進(jìn)行。

(5）采用數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC可以對(duì)各種端口速率進(jìn)行可控的連接配置，對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行自動(dòng)化的調(diào)度和管理，這既高了資源的利用率，又增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的抗毀性和可靠性。SDH采用了DXC后，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性及對(duì)各種業(yè)務(wù)量變化的適用能力，使現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)提高到一個(gè)嶄新的水平。

SDH幀中的AUPTR指的是管理單元指針，它是一種指示符。主要絡(luò)的第一個(gè)字節(jié)在幀內(nèi)的準(zhǔn)確位置（相對(duì)于指針位置的偏移量）。采用指針技術(shù)是SDH的創(chuàng)新，結(jié)合虛容器的概念，解決了低速信號(hào)復(fù)接成高速信號(hào)時(shí)，由于小的頻率誤差所造成的載荷相對(duì)位置漂移的問(wèn)題。5-4設(shè)140Mb/s數(shù)字光纖通信系統(tǒng)發(fā)射光功率為-3dBm，接收機(jī)-38dBm，系統(tǒng)余量為4dB，連接器損耗為0．5dB/對(duì)，平均接頭損耗為O.05dB/km,光纖衰減系數(shù)為0.4dB/km，光纖損耗余量為0.05dB/km，計(jì)算中繼距離L。解L≤(Pt-Pr-2Ac-Me)/(Af+As+Am)由題可知Pt=-3dBm，Pr=-38dBm，Me=4dB,Ac=0.5dB/對(duì)，As=0.05Db/km,Af=0.4dB/