(参考资料)光通信导论-作业1-4章(修改后)

光通信导论

第一章

1、某甲从南开车向北，到十字路口，他看见了红灯；某乙从东到西到这个路口，她看见的是绿灯，故甲获得a比特的信息，乙同样获得a比特的信息。于是信号灯输出的是2a比特的信息。这种看法对吗？为什么？

答：不对。该情况下（假定同一时刻）两个子事件（南北为红灯，东西为绿灯）不相互独立，且两个子事件反应的是的同一信息，所以不能相加；同时，由于信息的共享性，才使得甲和乙分别能够接收到a比特的信息，从而知道信号灯输出信息为a比特。

或者答：信息量是以事物所处的状态出发的，它既是客观的，又是不依赖于接收者的。在该情况下，信号灯南北红灯，东西绿灯正是它特定的一个状态，这时这个状态的信息量是客观的，不会因为接受者的多少就有加减；至于甲和乙能同时分别获得a比特信息，是因为信息的共享性，而当前状态的信息正好有a比特。

（两种答案综合答最好，当然如果有人要分同时与不同时两种情况更好）

2、测不准原理和信息论之间的关系？

答：测不准原理又名不确定性原理，该原理表明：一个微观粒子的某些物理量（如位置和动量，或方位角与动量矩，还有时间和能量等），不可能同时具有确定的数值，其中一个量越确定，另一个量的不确定程度就越大。测量一对共轭量的误差的乘积必然大于常数h/2π（h 是普朗克常数）是海森伯在1927年首先提出的，它反映了微观粒子运动的基本规律，是物理学中又一条重要原理。信息论中所说的信息是从事物的可能性转换为现实性的体现，也就是说如果一个事物在事前可能发生很多的状态，而事后确定了一个状态，那么排除的确定性就越大，所处的状态包含的信息量也就越大，所以说，信息论主要研究的是一个物体所带信息从可能性到现实性的过程。

3、请对信息的基本特征发表一点看法。什么是信息的共享性？解释并举例说明。

答：信息的基本特征主要有三个，第一个是共享性，第二个特征是信息可以被传递，即信息的可传递性，第三个特征是信息的控制作用。信息的共享性即信息可以从一个承载体传递到另一个承载体，但传递过程不会使原有承载体信息减少，例如，一本书里面承载了大量的星系，某人阅读之后，他获得了很多信息。但原书中的信息仍然存在，另一个人再阅读，照样可以获得大量的信息。

4、信息量的单位“比特”和“波特”之间有确定关系吗？请说明。

答：对于通信系统来说，信息流是以单位时间内传送的信息量的多少来描述的，称为信息速率，它的单位是比特/秒，因此又常常称为比特率。而波特的定义是单位时间内传递的符号数（符号速率）。比特和波特并不是同一个概念，如果每个符号包含一比特的信息，那么波特率和比特率在数值上相等。如果每个符号包含了多于1比特的信息，例如十进制的符号，那么波特率就会小于比特；反之，为了确保每个比特的信息都能正确传送，往往采用冗余编码，例如1B2B编码，这样每个符号包含的信息量就少于1比特，这时波特率就会高于比特率。

5、画出通信系统模型框图。广义的信道噪声包括那些？请列举出4种以上的噪声。

答：注意：信息系统的基本模型和通信系统的基本模型不是同一概念：故图应类似

广义噪声包括干扰和狭义噪声。例：白噪声，三角噪声，热噪声，量化噪声 6、

信号()sin y t t =+ 答：非周期性连续信号，非周期连续谱

7信号具有下面频谱特：周期性的连续谱、非周期性的连续谱、周期性的离散谱和非周期性的离散谱。这4种频谱对应的时域信号是什么？含有信息的数字信号具有什么样的频谱？ 答：周期性的连续谱←→非周期性的离散信号

非周期性的连续谱←→非周期的连续信号

周期性的离散谱←→周期性的离散信号

非周期性的离散谱←→周期性的连续信号

含有信息的数字信号既有连续谱又有离散谱。

8、试述加性噪声与乘性噪声的异同？在光通信系统中，什么样的噪声属于加性噪声？什么样的噪声属于乘性噪声?

答：加性噪声，无论通信系统中的有用信号是否存在，它都存在，二者是叠加关系，加性噪声包括 电阻的热噪声、晶体三极管或其他有源器件的散弹噪声以及光电器件的量子噪声。 乘性噪声，只有信号存在时噪声才存在，当输入信号没有时，噪声也就没有了。乘性噪声包括非线性失真噪声，量化噪声以及信号与加性噪声的差拍噪声。

9光噪声的功率谱密度函数的含义是什么？它的量纲是什么？ 答：21()|(,)|2lim

x T S w F w T T

→∞= 噪声功率的大小是它功率谱密度的频域积分。 21

1

lim

()()22T T T x t dt S w dw T π++∞--∞→∞=??

或 1()2P S w dw π+∞

-∞=?

其中S(w)即为功率谱密度。量纲为功率的单位除以频率的单位

第二章

1、如何理解数字通信网的同步问题？为什么现代通信要采用包通信？

答：数字通信网中，同步系统确实存在收发端机之间具有一定的（相对不变）时间关系。同步系统包括载波同步、位同步、帧同步和网同步。如果同步有误差或失去同步，则数字通信中就会出现大量的误码，甚至使整个通信中断。为了使整个通信系统或者通信网有序、

准

确、可靠的工作，必须保证全网的同步。同步作为一种信息按照其传输方式的不同，又可分为外同步法和自同步法两类。

数字通信网中数据通信信息量很大时，会出现误码。误码率时数字通信可靠性的基本度量。在数字通信中，把信息分为一个个的包传输，可以兼顾信息传输中的可靠性和实时性。

2、什么是光源的相干时间和相干长度？它们之间有什么关系？若有一个1550nm的DFB激光器，它的频带宽度为5MHz，则它的相干时间和相干长度是多少？

答：相干时间是指在这段时间里，光有稳定的相位关系，超过这段时间，相位关系就不确定。相干长度是指在这段长度内，光有稳定的相位关系，超过这段时间，相位关系就不确定。0.2微秒；40m(依照书中的例子，默认介质中的光速为光纤中的光速，即v g=2×108m/s，若有人分情况答题，更好)。

3、光纤的一个重要特点是他的噪声极小，那么光纤信道是否就是没有噪声？

答：光纤信道几乎无噪声，但不可避免的存在噪声。

光纤熔接和连接时都会发生模式混合，而且多段光纤中的每一段色散特性都不同，引起噪声。

多模光纤中，由于沿光纤传播的各个模式之间的干涉作用，在探测器光敏面上形成一个光斑图，由于光斑随时间发生比那话，将会造成接收光功率变化而引起信噪比的下降，对接收机俩说形成一种噪声，此为光纤模式噪声。

单模光纤避免了模式噪声，但群速度色散导致光脉冲的展宽，限制系统的BL值，这种色散导致的光脉冲展宽效应还会使接收灵敏度下降。脉冲展宽，部分能量溢出到比特时间以外而形成码间干扰。

（补充：有关模式噪声内容，超出本章所讲，答案能提及光纤信道中有光纤放大器引入ASE 噪声、信号串扰、色散引起波形失真、不均匀引发反射形成干扰等即可）

4、画出光纤通信系统基本组成的框图，按照一般通信系统的模型，它是一个完整的通信系统吗？为什么？

框图：

光纤通信传输系统

不是，缺少信源和信宿。

5、与有线（同轴电缆，双绞线）电通信方式相比较，光纤通信有哪些优缺点？尽可能

的详细说明。

答：优点：

1）、容量大，理论上可以承载20亿话路；

2）、传输损耗小，适用于网径较大的LAN；

3）、速率高，≥100Mb/s，频带宽；

4）、保密性高；

5）、体积和重量上，光缆要比电缆占优势；

6）、光纤无电气危害，不会引起计算机部件损坏；

缺点：

1）、光纤信道是一个相位敏感和偏振不稳定的信道，易受光路中不稳定的干扰；

2）、光纤通信的组网不灵活，光信号可复制性差；

3）、光信号的反馈、传输延迟长；

4）、光纤远距离传输时需要一切设备被供电，然而，电光转换效率低，光设备小型话困难。

第三章

1.在ITU-T的规定中，G.652、G.653、G.655的光纤分别是什么光纤？简述它们的主要指标。

G.653光纤的特点是什么？它是否适合DWDM使用？

答：在ITU-T的规定中，G.652光纤是指在1310nm和1550nm两个窗口都有较低损耗的单模光纤，G653光纤是在1550nm窗口衰减小而且色散也小，称为色散位移光纤。G655为非零色散位移光纤。

各光纤性能指标参数如下

G653光纤的特点是在1550nm窗口的衰减小而且色散也小，采用G653光纤的DWDM系统产生严重的四波混频效应，不适合DWDM系统使用。

2.0dBm的光功率是多少瓦？如果该光功率衰减了6dB，则光强衰减到多少毫瓦？单模光纤0.35dBm/km的损耗相当于光功率衰减公式P=P0e-aL 中衰减系数а等于多少？

答：0dBm 的光功率是1mw 。

由公式：d=Pin （dBm ）-Pout （dBm ）=6dB

则 Pout （dBm ）=-6dBm 换算成光功率为Pout=6.010-mw=0.25mw 。 a=[Pin （dBm ）-Pout （dBm ）]/L ，所以 10lg （Pin/Pout ）=aL ，即P=0p aL -10

因此，a e -=35.010-，a=0.08/km

3.“正色散使光脉冲展宽，负色散使光脉冲变窄”。这句话是否正确？什么是正常色散和反常色散？单根光纤的色散包括哪几种？尽可能详细说明。

答：“正色散使光脉冲展宽，负色散使光脉冲变窄。”这种说法是不对的。对于无啁啾的脉冲，无论是正常色散（负色散）还是反常色散（正色散）都会使脉冲展宽，脉冲幅度下降。 正常色散是指：对光波透明的介质，其折射率n 随波长λ的增加而减小，称为正常色散。正常色散时n 随λ的增加而趋于某一极限，色散率dn ／dλ＜0，其绝对值随λ的增加而减小。 反常色散是指：在介质对光有强烈吸收的波段内(吸收带)，折射率随波长的增加而减小，色散率dn ／dλ＞0，这与正常色散相反，故称反常色散。对同一介质，在对光透明的波段内表现为正常色散，而在吸收带内则表现为反常色散。

单模光纤的色散包括：材料色散，波导色散，剖面色散，高阶色散及偏振模色散。

（1） 材料色散：材料色散是由材料的群折射率N 随波长变化引起的色散特性；

（2） 波导色散：波导色散是由波导结构引起的色散，由于光波导的横向折射率的改变所

引起的色散；

（3） 剖面色散：剖面色散是由于相对折射率差随波长变化而引起的色散，它通常比较小，

可以忽略，但在追求零色散光纤时，此项也必须考虑进去；

（4） 高阶色散：高阶色散也成为色散斜率，不仅和高阶材料色散和高阶波导色散有关，

而且还和一阶材料色散和一阶波导色散有关；

（5） 偏振模色散：理想的正圆光波导的两个偏振模的传输常数相等，因此不应该出现偏

振模色散。但是实际的圆光波导不可能是正圆的，总有些畸变，从而导致两个偏振模将出现传输常数差，这就是偏振模色散。

4.光纤中的非线性现象包括哪几种？要在光纤中形成光学孤子需要哪些条件？ 答：光纤中的非线性现象包括：（1）非线性极化①引起材料的折射率随光场的光强发生变化，即非线性折射率，如自相位调制（SPM ）和交叉相位调制（XPM ）；②由非线性极化引起的光频的变化，称为参量过程。参量过程中最重要的是四波混频。（2）受激非弹性散射，如受激拉曼散射SRS ；受激布里渊散射。 形成光孤子的条件：在自相位调制中，光纤的反常色散区会形成光孤子。

5.举出3种以上型号的光纤连接器，说明它们在结构上的区别。

答：光纤连接器按连结构形式可分为：FC 、SC 、ST 、LC 、SMA 、MMI 等。

(1)FC 型光纤连接器

其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。插针体采用外径2.5mm 的精密陶瓷插针，根据端面形状不同，可分为斜面接触和球面接触。

(2)SC型光纤连接器

其外壳呈矩形，所采用的插针与耦合套筒的结构尺寸与FC型完全相同。其中插针的端面多采用PC或APC型研磨方式；紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转。

(3)ST型光纤连接器

ST型连接器采用金属套，采用推拉旋转式卡口卡紧结构。ST连接器的芯外露，SC连接器的芯在接头里面。

(4) LC型连接器

LC型连接器，采用模块化插孔（RJ）闩锁机理制成。其所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，为1.25mm。

6.光纤连接有几种方法？在进行光纤连接的时候，要注意哪些事情？

答：光纤连接可以分为固定连接与活动连接

光纤的固定连接有熔接法、V型槽法、套管法

光纤的活动连接可以用不同的型号的连接器，如FC型、ST型、SC型、SMA型、MMI 型，进行光纤连接。

注意事项：尽量将两根光纤的芯层精确对准，减少光纤连接时的损耗。如对于单模光纤，光纤参数失配引起的损耗、两光纤相对位置偏离引起的损耗、横向错位引起的损耗、单模光纤的倾斜引起的损耗、间隙引起的损耗、端面不好引起的损耗。对于多模光纤连接损耗成因与单模光纤相同。

第四章

1.为了满足高速光通信和密集波分复用WDM的要求，需要激光谱线的更加单一，即要求

单纵模激光器。常用的单纵模激光器有分布反馈DFB激光器和Bragg反射DBR激光器，试画出它们的示意图并比较二者区别。

有源区

激光

图1.DFB分布反馈激光器示意图

答：DFB 分布反馈单纵模激光器，激光的反馈并不位于端面，而是周期性的分布在整个光腔长度上。它是通过折射率周期性扰动的内建光栅产生的布拉格散射得到的，由于布拉格光栅的选频作用，可以得到单一谱线的激光。

DBR 式单纵模激光器，基本原理和DFB 分布反馈单纵模激光器一样，差别在于提供光场反馈的Bragg 光栅处于有源区之外，由Bragg 光栅代替一个或两个解理面，以便获得良好的选频特性。

2、画出LD 和LED 的P-I 特性曲线，当温度升高时，曲线如何变化？

答：

LD 的P-I 特性曲线：

阈值电流I th 随着温度T 升高而增大，曲线向右移动。

LED 的P-I 特性曲线：

曲线几乎线性，温度T 升高，曲线右移。

有源区

激光

图2.DBR 单纵模激光器示意图

3.为什么要对LD进行温度控制?温度不稳定有什么坏处?但在DWDM系统中又是如何利用这个特性的?

答:温度的变化主要影响LD的两个参数,输出光功率和发射激光的波长。阈值电流随着温度的升高而加大。在一定的温度范围内，可以有关系式：I th=I0e T/T0。温度对光功率影响的P-I 曲线见下图。由于温度的升高，LD谐振腔的腔长将增加，禁带宽度变窄。由于谐振腔具有选频的作用，腔长的增加和禁带宽度变窄都是输出的激光波长增加。因此，温度的升高，LD 的波长将向长波长的方向漂移。由于光纤的特性尤其是光器件的特性，对波长都很敏感，所以激光器波长的不稳定会带来许多麻烦。但是在另一方面，这本来是一个不好的特性，但人们却可以利用它制成了可调谐的多波长激光器，可以用在DWDM系统中。

4、比较半导体激光器和发光二极管作为光发射机光源时的优缺点，他们各适用于什么场合？用He-Ne激光器作为光发射机光源行不行?为什么?

（1），半导体激光器具有光电转换效率高，响应速度快，可进行直接调制等优点，被视为光前通信的理想光源，可适用几乎所有的场合。但是价钱较贵，可靠性差一些，受温度影响较大。

（2），发光二极管的光斑大，发散角也大，与光纤耦合较为困难，从各方面来看，发光二极管的性能都不如半导体激光器，所以只有在距离较短，速率较低时才使用。与半导体激光器相比，最大的优势在于便宜，可靠性也强些，同时受温度影响也稍微小些。

He-Ne激光器作为光发射机光源不合适，因为光纤的芯径很小，只有几个到几十个微米，所以光源的发光面积和体积必须与这个尺度相适应，才能活着比较高的光耦合效率；目前使用的光纤低损耗波长在1.2μm-1.6μm之间，其他波长