中國礦業(yè)大學(xué)《光通信原理與技術(shù)》2022-2023學(xué)年期末試卷

中國礦業(yè)大學(xué)2022～2023學(xué)年春季學(xué)期2020級電子信息工程專業(yè)《光通信原理與技術(shù)》期末筆試試卷本科試題卷考試時間：120分鐘(閉卷)院(系)：專業(yè)方向：班級：姓名：學(xué)號：一、選擇題（每題1分，10分）光通信系統(tǒng)中，光信號在光纖中的傳輸主要是依靠哪種機(jī)制？()

A.全反射

B.折射

C.散射

D.干涉下列哪一項(xiàng)不是光纖通信的主要優(yōu)點(diǎn)？()

A.傳輸容量大

B.傳輸距離長

C.抗電磁干擾能力強(qiáng)

D.成本高，維護(hù)困難在光通信中，光放大器的作用是？()

A.將光信號轉(zhuǎn)換為電信號

B.直接放大光信號

C.修正光信號的波形

D.轉(zhuǎn)換光信號的頻率光纖的色散主要包括哪幾種類型？()

A.模式色散和波長色散

B.材料色散和波導(dǎo)色散

C.偏振模色散和頻率色散

D.時間色散和空間色散下列哪項(xiàng)技術(shù)不是用于提高光纖通信系統(tǒng)傳輸容量的？()

A.波分復(fù)用（WDM）

B.時分復(fù)用（TDM）

C.碼分復(fù)用（CDM）

D.頻分復(fù)用（FDM）在光通信中的特定應(yīng)用光孤子通信是利用了光孤子的哪種特性來實(shí)現(xiàn)長距離無畸變傳輸？()

A.非線性效應(yīng)

B.色散補(bǔ)償

C.孤子自相位調(diào)制

D.孤子的穩(wěn)定傳輸特性在光通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)的主要功能是什么？()

A.將光信號轉(zhuǎn)換為電信號并放大

B.直接放大光信號

C.對光信號進(jìn)行編碼

D.對光信號進(jìn)行調(diào)制下列哪項(xiàng)不是光通信中常用的調(diào)制方式？()

A.幅度調(diào)制（AM）

B.頻率調(diào)制（FM）

C.相位調(diào)制（PM）

D.強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測（IM-DD）光纖通信系統(tǒng)中，光耦合器的主要作用是？()

A.將多個光信號合并到一個光纖中

B.將光信號轉(zhuǎn)換為電信號

C.放大光信號

D.修正光信號的波形下列哪項(xiàng)不是光纖通信系統(tǒng)中常見的噪聲類型？()

A.散粒噪聲

B.熱噪聲

C.量子噪聲

D.機(jī)械振動噪聲二、填空題（每題1分，共10分）光纖通信系統(tǒng)中，光信號的傳輸媒介是__________。在光纖中，光信號的傳輸速度主要取決于光纖的__________和__________。光纖的數(shù)值孔徑（NA）是描述光纖__________能力的一個重要參數(shù)。光放大器根據(jù)工作原理可以分為__________放大器和__________放大器兩大類。在光通信系統(tǒng)中，__________是用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的設(shè)備。光纖的色散會導(dǎo)致光信號的__________發(fā)生變化，從而影響通信質(zhì)量。光孤子通信是利用了光孤子在光纖中傳輸時的__________特性。在光通信系統(tǒng)中，__________是用于將多個光信號合并到一個光纖中的設(shè)備。光纖通信系統(tǒng)中，常見的調(diào)制方式有__________、__________和__________等。光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量可以通過__________、__________和__________等技術(shù)來提高。三、判斷題（每題1分，共10分）光纖通信的傳輸速度比電纜通信快得多，因此光纖通信更適合長距離傳輸。()光纖的色散會導(dǎo)致光信號的傳輸距離受限，因此應(yīng)盡可能減小色散。()光放大器可以直接放大光信號，而不需要將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。()在光通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)的靈敏度越高，接收到的光信號質(zhì)量就越好。()光纖的數(shù)值孔徑越大，光纖的集光能力就越強(qiáng)，耦合效率也就越高。()光孤子通信是一種利用光孤子的非線性效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)長距離無畸變傳輸?shù)募夹g(shù)。()在光通信系統(tǒng)中，光耦合器只能用于將多個光信號合并到一個光纖中，不能用于分路。()光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量可以通過增加光纖的芯徑來提高。()在光通信中，光信號的衰減主要是由于光纖的吸收和散射造成的。()光纖通信系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)，因此可以在強(qiáng)電磁場環(huán)境下正常工作。()四、簡答題（每題5分，共10分）請簡述光纖通信系統(tǒng)的基本組成及各部分的作用。請解釋什么是光纖的色散，并說明色散對光纖通信系統(tǒng)的影響。五、計(jì)算題（每題10分，共20分）已知某光纖的折射率為1.5，芯徑為10μm，包層折射率為1.48，求該光纖的數(shù)值孔徑。某光通信系統(tǒng)的傳輸速率為10Gb/s，光脈沖的寬度為10ns，求該系統(tǒng)的最大傳輸距離（假設(shè)光在光纖中的傳輸速度為2×10^8m/s，且不考慮色散和其他損耗）。六、論述題（10分）請論述光纖通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并說明在未來通信領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。七、設(shè)計(jì)題（10分）設(shè)計(jì)一個簡單的光纖通信系統(tǒng)，要求包括光源、光纖、光放大器、光接收機(jī)等主要部分，并說明各部分的作用和選擇依據(jù)。八、案例分析題（10分）某光纖通信系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)了信號衰減過快的問題，請分析可能的原因，并提出解決方案。九、綜合應(yīng)用題（10分）請結(jié)合所學(xué)知識，設(shè)計(jì)一個用于提高光纖通信系統(tǒng)傳輸容量的方案，包括所選用的技術(shù)、設(shè)備及其作用，并說明該方案的優(yōu)勢和可行性。中國礦業(yè)大學(xué)2022～2023學(xué)年春季學(xué)期2020級公共管理學(xué)專業(yè)《光通信原理與技術(shù)》期末筆試試卷本科答案一、選擇題答案A（全反射）D（成本高，維護(hù)困難不是光纖通信的主要優(yōu)點(diǎn)）B（直接放大光信號）B（材料色散和波導(dǎo)色散）C（碼分復(fù)用（CDM）不是用于提高光纖通信系統(tǒng)傳輸容量的主要技術(shù)）D（孤子的穩(wěn)定傳輸特性）A（將光信號轉(zhuǎn)換為電信號并放大）B（頻率調(diào)制（FM）不是光通信中常用的調(diào)制方式，尤其是在長距離光纖通信中）A（將多個光信號合并到一個光纖中）D（機(jī)械振動噪聲不是光纖通信系統(tǒng)中常見的噪聲類型）二、填空題答案光纖（或光纜）折射率；光速（或光在光纖中的傳播速度）集光（或收集光）半導(dǎo)體光；光纖拉曼（或其他類型的光放大器，如摻鉺光纖放大器）光接收機(jī)（或光電檢測器）脈沖寬度（或時延，但更準(zhǔn)確的描述是脈沖展寬）非線性效應(yīng)與色散平衡（或自相位調(diào)制與群速度色散平衡）光耦合器（或光纖耦合器）幅度調(diào)制（AM）；頻率調(diào)制（雖不常用，但仍可提及）；強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測（IM-DD）（注：此題答案不唯一，可根據(jù)教學(xué)實(shí)際情況選擇）波分復(fù)用（WDM）；時分復(fù)用（TDM）；碼分多址（CDMA）在光通信中的特定應(yīng)用（如光碼分多址OCDMA，但更常見的是WDM和TDM）（注：此題答案也不唯一，主要取決于教學(xué)內(nèi)容和實(shí)際應(yīng)用）三、判斷題答案對（光纖通信的傳輸速度確實(shí)比電纜通信快得多，且更適合長距離傳輸）對（光纖的色散會導(dǎo)致光信號的傳輸距離受限，因此應(yīng)盡可能減小色散以提高傳輸性能）對（光放大器可以直接放大光信號，而無需先將光信號轉(zhuǎn)換為電信號再放大）對（光接收機(jī)的靈敏度越高，意味著它能夠接收到更弱的光信號，從而提高通信質(zhì)量）對（光纖的數(shù)值孔徑越大，其集光能力就越強(qiáng)，耦合效率也就越高，有利于光信號的傳輸）錯（光孤子通信是利用了光孤子在光纖中傳輸時的非線性效應(yīng)與色散平衡特性來實(shí)現(xiàn)長距離無畸變傳輸?shù)模╁e（光耦合器不僅可以用于將多個光信號合并到一個光纖中，還可以用于將光信號從一根光纖分路到另一根光纖）錯（光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量主要通過提高光纖的傳輸速率、采用復(fù)用技術(shù)（如WDM、TDM等）以及優(yōu)化光纖性能等方式來提高，而不是簡單地通過增加光纖的芯徑）對（光信號的衰減主要是由于光纖的吸收和散射造成的，這是光纖通信中需要關(guān)注的一個重要問題）對（光纖通信系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)，因此可以在強(qiáng)電磁場環(huán)境下正常工作，這是光纖通信相對于其他通信方式的一個重要優(yōu)勢）四、簡答題光纖通信系統(tǒng)的基本組成及各部分的作用：光纖通信系統(tǒng)主要由光源、光纖、光檢測器和光放大器（可選）等部分組成。光源負(fù)責(zé)將電信號轉(zhuǎn)換為光信號進(jìn)行傳輸；光纖作為傳輸介質(zhì)，利用光的全反射原理將光信號進(jìn)行長距離、高速度的傳輸；光檢測器則將接收到的光信號轉(zhuǎn)換回電信號，以便后續(xù)處理；光放大器則用于在傳輸過程中放大光信號，以延長傳輸距離或提高傳輸質(zhì)量。光纖的色散及色散對光纖通信系統(tǒng)的影響：光纖的色散是指不同波長的光在光纖中傳輸時，由于傳播速度不同而導(dǎo)致的脈沖展寬現(xiàn)象。色散會導(dǎo)致光信號的傳輸距離受限，因?yàn)殡S著傳輸距離的增加，脈沖展寬會越來越嚴(yán)重，最終可能導(dǎo)致信號無法被正確識別。因此，在光纖通信系統(tǒng)中，需要采取措施來減小色散的影響，如選擇色散小的光纖、采用色散補(bǔ)償技術(shù)等。五、計(jì)算題已知某光纖的折射率為1.5，芯徑為10μm，包層折射率為1.48，求該光纖的數(shù)值孔徑：數(shù)值孔徑（NA）是光纖的一個重要參數(shù)，它決定了光纖的集光能力和耦合效率。根據(jù)數(shù)值孔徑的定義和計(jì)算公式，可以求出該光纖的數(shù)值孔徑為：NA=√(n12-n22)≈√(1.52-1.482)≈0.173（其中n1為纖芯折射率，n2為包層折射率）因此，該光纖的數(shù)值孔徑約為0.173。某光通信系統(tǒng)的傳輸速率為10Gb/s，光脈沖的寬度為10ns，求該系統(tǒng)的最大傳輸距離（假設(shè)光在光纖中的傳輸速度為2×10^8m/s，且不考慮色散和其他損耗）：根據(jù)光脈沖在光纖中的傳輸原理，可以求出該系統(tǒng)的最大傳輸距離為：D=c×t/2=2×10^8m/s×10ns/2=1m（其中c為光在光纖中的傳輸速度，t為光脈沖的寬度）但是，這里需要注意的是，由于光脈沖的寬度非常?。?0ns），因此實(shí)際計(jì)算中可能需要考慮光脈沖的展寬效應(yīng)以及系統(tǒng)的其他損耗因素。不過，根據(jù)題目要求，這里不考慮色散和其他損耗，所以最大傳輸距離理論上為1米。但在實(shí)際應(yīng)用中，這個距離會受到多種因素的影響而減小。六、論述題光纖通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)及未來應(yīng)用前景：光纖通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要包括傳輸容量大、傳輸距離長、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好等。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率和傳輸距離都在不斷提高，同時其抗干擾能力和保密性也使得它在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是，光纖通信系統(tǒng)也存在一些缺點(diǎn)，如成本高、維護(hù)困難等。光纖的鋪設(shè)和維護(hù)都需要較高的技術(shù)水平和成本投入，這在一定程度上限制了光纖通信系統(tǒng)的普及和應(yīng)用。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，光纖通信系統(tǒng)將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如高速互聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能制造等。同時，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的發(fā)展，光纖通信系統(tǒng)也將與這些技術(shù)相結(jié)合，形成更加完善、高效的通信網(wǎng)絡(luò)。七、設(shè)計(jì)題設(shè)計(jì)一個簡單的光纖通信系統(tǒng)：設(shè)計(jì)一個簡單的光纖通信系統(tǒng)需要包括光源、光纖、光放大器、光接收機(jī)等主要部分。光源可以選擇半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管等器件，用于將電信號轉(zhuǎn)換為光信號進(jìn)行傳輸；光纖則作為傳輸介質(zhì)，將光信號進(jìn)行長距離傳輸；光放大器可以選擇光纖放大器或半導(dǎo)體光放大器等器件，用于在傳輸過程中放大光信號以提高傳輸質(zhì)量或延長傳輸距離；光接收機(jī)則負(fù)責(zé)接收光信號并將其轉(zhuǎn)換回電信號以便后續(xù)處理。在選擇各部分器件時，需要考慮其性能參數(shù)、成本以及系統(tǒng)的實(shí)際需求等因素。例如，光源的波長和功率需要與光纖的傳輸特性相匹配；光纖的長度和類型需要根據(jù)傳輸距離和傳輸速率來確定；光放大器的增益和噪聲指數(shù)需要滿足系統(tǒng)對信號放大和噪聲抑制的要求；光接收機(jī)的靈敏度和動態(tài)范圍需要適應(yīng)光信號的強(qiáng)度變化等。八、案例分析題某光纖通信系統(tǒng)信號衰減過快的問題分析及解決方案：光纖通信系統(tǒng)信號衰減過快可能由多種原因?qū)е?，如光纖本身的質(zhì)量問題、連接頭的損耗、彎曲損耗、環(huán)境因素等。針對這些問題，可以采取以下解決方案：更換質(zhì)量更好的光纖或光纜，以減少信號在傳輸過程中的損耗。優(yōu)化連接頭的制作工藝和安裝過程，減小連接頭的損耗。避免光纖的過度彎曲和擠壓，以減少彎曲損耗。加強(qiáng)光纖通信系統(tǒng)的環(huán)境保護(hù)和維護(hù)工作，如定期清潔光纖表面、檢查連接頭等，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。九、綜合應(yīng)用題設(shè)計(jì)一個用于提高光纖通信系統(tǒng)傳輸容量的方案：為了提高光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量，可以采取以下方案：采用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)：通過在同一根光纖中同時傳輸多個不同波長的光信號，可以大大提高光纖的傳輸容量。WDM技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，并且隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，其傳輸容量還在不斷提高。采用時分復(fù)用（TDM）技術(shù)：通過在同一時間段內(nèi)將多個不同時間槽的