《光纤通信》第7章复习思考题参考答案分析.docx

1、光纤通信第7章复习思考题参考答案分析第7章 复习思考题参考答案7-1 光纤数字通信系统中，选择码型时应考虑哪几个因素答：光纤传输系统光源的发射功率和线性都有限，因此通常选择二进制脉冲传输，因为传输二进制脉冲信号对接收机SNR的要求非常低（15.6 dB，见5.5.2节），甚至更低（见7.7.2节），对光源的非线性要求也不苛刻。信道编码的目的是使输出的二进制码不要产生长连“1”或长连“0”（Consecutive Identical Digits, CID），而是使“1”码和“0”码尽量相间排列，这样既有利于时钟提取，也不会产生因长连零信号幅度下降过大使判决产生误码的情况。7-2 光纤数字通信系

2、统中常用的线路码型是什么答：大多数高性能干线系统使用扰码的NRZ码，如SDH干线。这种码型最简单，带宽窄，SNR高，线路速率不增加，没有光功率代价，无需编码。在发送端只要一个扰码器，在接收端增加一个解扰码器即可，使其适合长距离系统应用。扰码和解扰可由反馈移位寄存器和对应的前馈移位寄存器实现。通过扰码器可将简单的二进制序列的“0”码和“1”码的分布打乱，并按照一定的规律重新排列，从而减少长串连“0”，或长串连“1”，并使“0”码和“1”码的分布均匀，使定时提取容易。但是，扰码没有引入冗余度，还不能根本解决问题，所以在现代通信系统中，还需要进行码变换。mBnB编码就是一种码变换。另一种在ITU-T

3、 G.703建议中规定PDH接口速率139.264 Mb/s和SDH接口速率155.520Mb/s的物理/电接口码型是CMI码，它规定输入码字为“0”时，输出为01；输入码字为“1”时，输出为00或11。双二进制编码（Duo Binary，DB）技术能使“0”和“1”的数字信号，经低通滤波后转换为具有三个电平“1”、“0”和“-1”的信号。这种技术与一般的幅度调制技术比较，信号谱宽减小一半，这就使相邻信道的波长间距减小，可扩大信道容量，所以有的高速光纤通信系统采用双二进制编码。7-3 有几种光复用技术答：在光域内，信道复用有光时分复用（OTDM）、光频分复用，即波分复用（WDM）和光码分复用（

4、OCDM），如图7-3所示。此外，还有空分复用，比如双纤双向传输就是空分复用。图7-3 光纤通信系统利用的各种复用技术7-4 什么是波分复用技术答：为了充分利用光纤的大容量，可在同一根光纤上传输多个光信道。就像电频分复用一样，在发射端多个信道调制各自的光载波，把这些光载波复用在一起，送入一根光纤传输。在接收端使用光频选择器件对复用信道解复用，就可以取出所需的信道。使用这种制式的光波系统称做波分复用（WDM）通信系统。图7.3.1 硅光纤低损耗传输窗口7-5 请简述光波分复用器和解复用器的工作原理答：波分复用器（WDM）的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号复合在一起，并注入到一根光纤，如图

5、7.3.2所示。解复用器的功能与波分复用器正好相反，它是把一根光纤输出的多个波长的复合光信号，用解复用器还原成单个不同波长信号，并分配给不同的接收机，如图7.3.2所示。由于光波具有互易性，改变传播方向，解复用器可以作为复用器，但解复用器要求有波长选择元件，而复用器则不需要这种元件。根据波长选择机理的不同，波分解复用器件可以分为无源和有源两种类型。无源波分解复用器件又可以分为棱镜型、光栅型和光滤波器型。图7.3.2 波分复用光纤传输系统原理图7-6 有几种光调制方法？各自的特点是什么答：在光通信系统中，有非相干调制和相干调制。非相干调制有直接调制和外调制两种，前者是信息信号直接调制光源的输出光

6、强，后者是信息信号通过外调制器对连续输出光的幅度或相位或偏振进行调制（见3.5节）。早期，所有实用化的光纤系统都是采用非相干的强度调制-直接检测（IM/DD）方式，这类系统成熟，简单，成本低，性能优良，已经在电信网中获得广泛的应用。然而，这种IM/DD方式没有利用光载波的相位和频率信息，从而限制了其性能的进一步改进和提高。图7.1.3 几种直接强度光调制（IM/DD）方式的实现和示意图解近来，调制信号相位的正交相移键控（DQPSK）和既利用信号偏振又调制信号相位的偏振复用差分正交相移键控（PM-DQPSK）受到人们的高度重视，进行了深入的研究，并在40 Gb/s系统中得到了应用。7-7 简述S

7、CM的特点答：SCM具有如下的特点： 由于微波只作为光传输的副载波，因而信号不再经空中传播，而是经一个封闭的、稳定的光纤信道传输，从而避免了与其他微波互相干扰的问题。不发送微波信号到空间，也避免了日益拥塞的微波频道资源分配和批准问题。 由于一个光通道可以承载多个微波副载波信道，每个副载波又可以分别传送各种不同类型的业务信号，彼此互相独立，因而易于实现模拟信号与数字信号的混合传输和各种不同业务的综合和分离。 SCM系统可以充分利用现有的微波和卫星通信的成熟技术和设备，但比现有的微波传输容量大得多。 与TDM相比，SCM系统只接收本载波频带内的信号和噪声，因而灵敏度高，也无需复杂的定时同步技术。就

8、传送电视节目而言，采用TDM方式，一个光载波可以传输的典型节目数是1632个，而采用SCM方式至少可以传送60120个节目，而且成本很低，因而SCM系统在电视分配网中很有竞争力。然而，模拟SCM方式光功率余度较小，如不使用EDFA，在维持端到端性能方面有一定困难，也不适应电信网的数字化趋势，因而不是长远的主流发展方向，而是中近期比较经济的解决方案。但是与密集波分复用和相干光通信技术结合时，将显出其特有的魅力。7-8 电视台送到各家各户的电视节目是采用何种复用技术答：目前广电网络采用光纤/电缆混合网（Hybrid Fiber/Coax，HFC），将电视节目送到千家万户，它是一种典型的频分复用光纤

9、通信系统，主要任务是把多频道模拟视频信号以FDM技术复用在一起，通过光纤和电缆以广播的形式传送到千家万户。7-9 SDH采用何种复用技术答：同步数字制式（SDH）光纤传输系统采用电时分复用（TDM）技术。时分复用（Time-Division Multiplexing，TDM）是采用交错排列多路低速模拟或数字信道到一个高速信道上传输的技术。时分复用系统的输入可以是模拟信号，也可以是数字信号。目前TDM通信方式的输入信号为数字比特流。7-10 不同等级的STM-N 速率是多少答：STM-0STM-256的速率如图7.3.9所示。图7.3.9 SDH的等级复用7-11 SDH 帧中的传送顺序是什么答

10、：SDH的帧结构是块状帧，如图7.3.7所示，它由横向270 N列和纵向9行字节（1字节为8比特）组成，因而全帧由2 430个字节，相当于19 440个比特组成，帧重复周期仍为125 s。字节传输由左到右按行进行，首先由图中左上角第1个字节开始，从左到右，由上而下按顺序传送，直至整个9 270 N字节都传送完为止，然后再转入下一帧，如此一帧一帧地传送，每秒共8 000帧。图7.3.7 STM-N 帧结构7-12 SDH帧的开销是指什么意思？列出两种关键的SDH复用设备。我国同步网的结构如何？答：由图7.3.7可知，整个帧结构大体可以分为三个区域，即段开销域、管理指针域和净荷域。段开销（SOH）

11、域，它是指在STM帧结构中，为了保证信息正常灵活传送所必需的附加字节，主要是些维护管理字节。在净负荷中，还包含通道开销字节，它是用于通道性能监视、控制、维护和管理的开销比特。SDH复用设备有终端复用器(TM)和分插复用器(ADM), 如图7-12所示。 图7-12a 适合我国制式的SDH复用设备我国SDH网同步结构采用多基准钟、分区等级主从同步方式，要求所有网络单元时钟都能最终跟踪到全网的基准主时钟。北京、武汉各建立一个以铯钟为主，包括GPS接收机的高精度基准主时钟，称为PRC。其他各省各建立一个以GPS接收机为主、以铯钟为辅的区域基准时钟，称为LPR。地面传输同步信号一般采用PDH 2Mb/

12、s专线。 图7.12b 我国SDH网时钟同步结构7-13 手机信号和国定电话信号各采用何种复用技术答：手机信号采用码分复用(CDM)技术，而国定电话信号采用时分复用（TDM）技术。7-14 简述SCM和WDM的复用过程答：图7.3.1为电频分复用（FDM）的原理图。本质上，频分复用是在频率上把基带带宽分别为(Df )1、(Df )2、(Df )N的多个信息通道，分别调制到不同的载波上，然后再“堆积”在一起，以便形成一个合成的电信号，然后用这一合成信号以某种调制方式去调制光载波。经光纤信道传输后，在接收端对光信号进行解调，再进一步借助带通滤波器（BPF）与各信道的频率选择器（电相干检测），将各基

13、带信息分离和重现出来。波分复用是在频率上把基带带宽分别为(Df )1、(Df )2、(Df )N的多个信息通道，分别调制到不同的光载波上（注意与SCM的电载波不同），如图8.1.6所示，然后再通过波分复用器将这些光信号（注意与SCM的电载波不同）“堆积”在一起，以便形成一个合成的光信号，经光纤信道传输。光波分复用（WDM）解调，是用光纤法布里-珀罗滤波器或者采用相干检测技术，首先把各个光载波分离和重现出来，然后用带通滤波器和各信道的频率选择器，把基带信号分离和重现出来。图7.3.1 电频分复用光纤传输系统原理图图8.1.6 一种可能的DWDM系统集线器7-15 什么是相干光通信答：相干检测系统

14、，就像传统的无线电和微波通信一样，用调制光载波的频率或相位发送信息，在接收端，使用零差或外差检测技术恢复原始的数字信号。因为光载波相位在这种方式中扮演着重要的角色，所以称为相干通信，基于这种技术的光纤通信系统称为相干通信系统。7-16 相干光通信的工作原理是什么答：在原理上，激光外差检测与无线电外差接收机的相似，是基于无线电波或激光光波的相干性和检测器的平方律特性的检测。相干光波系统是信号光在接收端入射到光电探测器之前，用另外一个称为本地振荡器产生的窄线宽光波与它相干混频，如图7.5.1所示。接收到的光信号与本振光混合后经光探测器接收，光探测器的输出为 （7.5.7）式中，Ps是信号光，PLO

15、是本振光，是信号光频和本振光频之差。当时，要想恢复基带信号，首先必须把接收光信号载波频率转变为中频（典型值为 0.15 GHz）信号，然后再把该中频信号转变成基带信号，这种相干检测称为外差检测。当时，可以把接收到的光信号直接变成基带信号，这种方式称为零差检测。虽然零差检测看起来简单，但实现起来却相当困难。因为式（7.5.7）中本振光的出现，接收到的光信号被放大了，从而提高了SNR。图7.5.1 相干检测原理框图7-17 相干接收的优点是什么？为什么答：相干接收的优点是：接收机灵敏度与 IM/DD 系统相比可以改进 20dB，从而在相同发射机功率下，允许传输距离增加100 km；使用相干检测可以

16、有效地利用光纤带宽。前者是因为在式（7.5.7）中，本振光的出现，使接收到的光信号放大了，从而提高了SNR。后者是因为光频间距可以进一步减小。7-18 请简述电光调制的工作原理答：电光调制基于晶体和各向异性聚合物中的线性电光效应，即电光材料的折射率n随施加的外电场E而变化，从而实现对激光的调制。假设入射光为与y轴成45o角的线偏振光E，我们可以把入射光用沿x和y方向的偏振光 和 表示，对应的折射率分别为 和 。于是当Ex沿横轴传输距离L后，它引起的相位变化为 （3.5.4）当EY沿横轴传输距离L后，它引起的相位变化为，其表达式与式（3.5.4）类似，只是改变下标。于是Ex和Ey产生的相位变化为

17、 （3.5.5）于是施加的外电压在两个电场分量间产生一个可调整的相位差，因此出射光波的偏振态可被施加的外电压控制。图3.5.2 横向线性电光效应相位调制器7-19 请简述外差同步解调与包络解调的区别及特点。答：图7.5.2表示外差同步解调接收机方框图。光电探测器产生的光电流通过带通滤波器（BPF），该滤波器的中心频率为信号光频和本振光频的差频 。因此产生的基带信号是 （7.5.17）同步解调要求恢复中频（微波载波），有几种方法可以实现。所有的方法均要求一种电锁相环路。图7.5.2 外差同步解调接收机方框图图7.5.3表示外差异步解调接收机方框图。它不要求恢复中频（微波载波），所以可简化接收机的

18、设计。使用包络检波和低通滤波，把带通滤波后的信号转变为基带信号，送到判决电路的信号为 （7.5.18）图7.5.3 外差异步解调（包络检波）接收机方框图外差异步解调与外差同步解调的差别在于，接收机噪声的同相和异相正交成分均影响信号质量。所以外差异步解调接收机的信噪比和接收机灵敏度均有所降低，不过，灵敏度下降相当小（0.5 dB）。同时，异步解调对光发射机和本振光的线宽要求却是适中的。因此，外差异步接收机在相干光波系统的设计中扮演着主要的角色。7-20 请简述外差接收机与零差接收机的区别及特点答：零差检测时，选择本振光频与信号光载波频率相同，所以。零差检测产生的信号电流为 （7.5.6）由此式可

19、看出零差检测的优点。由于直接检测产生的信号电流仅为，所以零差检测平均电信号功率比直接检测的扩大倍。通常，所以该值将增加几个数量级。虽然散粒噪声也增加了，但是零差检测仍可扩大信噪比 （SNR）许多倍。零差检测的缺点是它对相位的变化非常敏感，使零差接收机的设计相当复杂。此外，还要求信号光和本振光频率匹配，因此，对这两种光源提出苛刻的要求。在外差检测情况下，选择本振光频与信号载波光频不同，使其差频落在微波范围内（）。外差检测产生的信号电流为 （7.5.8）与零差检测类似，因为该式中本振光的出现，接收到的光信号被放大了，从而提高了SNR。然而，SNR的改进只是零差检测的1/2。但是，3 dB代价带来的

20、优点是接收机设计相对简单，因为不再需要光相位锁定环路。虽然，和 的随机变化仍需要使用窄线宽的信号和本振半导体激光器，然而，异步解调方式对线宽的要求相当宽松。7-21 什么是光孤子答：孤子（Soliton）被用来描述在非线性介质中脉冲包络像粒子的特性，在一定的条件下，该包络不仅无畸变地传输，而且存在着像粒子那样的碰撞特性。光纤中也存在孤子，光孤子是一种特别的波，它可以传输很长的距离而不变形，而且即使两列光孤子波相互碰撞后，依然保持各自原来的形状不变。7-22 光孤子是如何形成的答：光纤孤子的存在是光纤群速度色散（GVD）和自相位调制（Self-Phase-Modulation，SPM）平衡的结果

21、。大家知道，群速度色散和自相位调制单独作用于光纤传输的光脉冲时，均限制光纤通信系统的性能。群速度色散使传输波形展宽，而自相位调制则使波形中较高频率分量不断累积，使波形变陡。若将这两种对立因素结合在一起，相互平衡就有可能保特波形稳定不变。光孤子现象就是利用随光强而变化的自相位调制特性来补偿光纤中的群速度色散，从而使光脉冲波形在传输过程中始终维特不变。光纤传输损耗则由光纤放大器的增益来补偿，这样就可能使光脉冲经过长距离传输后仍然维持波形的幅度和形状不变，如图7.5.2所示，形成所谓的“光孤子”。图7.5.2 光孤子在长距离光纤线路上传输的波形7-23 简述光双二进制码（ODB）、差分相移键控（DP

22、SK）、差分正交相移键控（DQPSK）和偏振复用差分正交相移键控（PM-DQPSK）的工作原理答：光双二进制码（ODB）工作原理光双二进制编码技术能使具有两个数值（“0”和“1”）的信号，经低通滤波后变换为具有3个值（“1”，“0”，“-1”）的信号。实际中，为了应用方便，使“1”对应“+1”和“-1”，“0”对应“0”。这种技术与一般的幅度调制技术比较，信号谱宽几乎是NRZ信号的一半，这就使得相邻信道的波长间距可以减小。图7.7.2表示光双二进制（ODB）调制传输系统的收发机原理图和光信号星座图。将产生的双二进制信号输入到电光调制器MZM，使MZM工作在推挽状态，光信号的“ON”状态表示电信

23、号的“-1” 和“+1”，且有“0”和“p” 相位之分；光信号的“OFF”状态表示电信号的“0”。由此产生了三状态的ODB信号。这里MZM扮演一个ODB滤波器的作用。在接收端，因为接收到的光信号“ON”状态对应电信号的“-1” 和“+1”，具有相同的光功率，不同的是相位相差 p，所以ODB的解码可用常规的平方律光电转换器实现。因此，普通的非归零（NRZ）码光接收机就可以接收ODB信号。（a）发送机 （b）接收机 （c）光信号星座图图7.7.2 光双二进制（ODB）调制传输系统光收发机原理图和光信号星座图差分相移键控（DPSK）工作原理借助使用DPSK调制，光纤通信系统不再发送信号的强度，而是发

24、送相邻两个比特信息的相位差，图7.7.4给出DPSK传输的发送机、接收机和星座图。（a）发送机 （b）接收机 （c）光信号星座图图7.7.4 DPSK传输的光发送机、接收机和星座图归零码差分正交相移键控（RZ-DQPSK）工作原理我们知道，多进制信号与二进制信号相比，可以减小数字信号的带宽。一般来说，L进制信号的带宽是相应的二进制信号带宽的1/l，其中l = log 2 (L)， QPSK是一种4进制的调制方式。RZ-DQPSK传输制式每符号传输2个比特，对于43 Gb/s系统，其符号率减小到21.5 G波特。其发送机、接收机和星座图如图7.7.5所示。RZ-DQPSK信号的符号率仅为比特率的

25、一半。（a）发送机 （b）接收机 （c）光信号星座图图7.7.5 RZ-DQPSK传输光发送机、接收机和星座图偏振复用差分正交相移键控（PM-DQPSK）PM-DQPSK传输两路正交偏振DQPSK信号，因此每符号传输4比特，符号率为四分之一数据速率，10.75 GB(波特)符号率相当于40 Gb/s数据率，25 GB符号率相当于107 Gb/s数据率。在接收端，使用具有数字信号处理技术的相干接收机，补偿经传输和偏振解复用后产生的信号畸变，使这种制式的实现变为可能，因为它避免了对光偏振快速变化跟踪的要求。色散和PMD容限取决于在信号处理过程中的计算效果。图7.7.6表示PM-DQPSK传输制式的

26、发送机、接收机和星座图。（a）发送机 （b）接收机 （c）星座图图7.7.6 PM-DQPSK制式光发送机、接收机和四电平正交相位调制光信号星座图7-24 为什么超强SFEC受到人们的高度重视答：光传输系统通过选择适合的差错控制编码来改善光传输系统的质量和可靠性。目前，被广泛应用于光传输系统中的前向纠错（FEC）码就是应用纠错编码进行差错控制的一种方法。FEC技术在光通信中的应用主要是为了获得额外的增益，即净编码增益（Net Coding Gain，NCG）。用线性分组码作为Turbo码的子码而构造出的分组Turbo码（Block Turbo Code，BTC）就是第三代超强FEC（Stron

27、g FEC，SFEC）的一种码，在光通信领域有着非常诱人的应用前景。不仅可以提高光接收机的灵敏度，增加系统容量，增加中继间距，减少中继数量，而且可以使用现已敷设的光缆和中继器，很容易使系统升级。如果在第一代FEC（RS编码）系统中使用SFEC，则可以扩大传输容量3倍，128个波长的WDM系统传输距离可以达到7 500 km。之所以可以使用低等级的光纤，是因为减少了光纤中的功率密度，从而在很大程度上避免了光纤的非线性影响。7-25 简述SFEC对不同调制制式光信噪比（OSNR）的要求答：SFEC对不同调制制式光信噪比（OSNR）的要求如表7.2.2所示。表7.7.2 SFEC对不同调制制式光信噪比（OSNR）的要求100 Gb/sNRZ100 Gb/s双二进制100 Gb/sRZ-DQPSK100 Gb/sPM-DQPSK40 Gb/s双二进制10 Gb/s双二进制要求的OSNR(BER=10 3)21 dB25 dB18 dB16 dB1415 dB89 dB