光纤系统作业参考答案解析19513
第一章作业
1、光纤通信与电通信有什么不同？在光纤通信中起主导作用的部件是什么？
光纤通信，就是用光作为信息的载体、以光纤作为传输介质的一种通信方式。起主导作用的是激光器和光纤。
2、常规的光纤的三个的低损耗窗口是在哪个波段？其损耗值各为多少？
850nm 3db/km ；1310nm 0.4db/km；1550nm 0.2db/km
3、光纤通信有哪些优点？
（1）频带宽，通信容量大（2）损耗低，中继距离长（3）抗电磁干扰（4）无窜音干扰，性好（5）光纤线径细，重量轻，柔软（6）光纤原材料丰富，用光纤可节约金属材料（7）耐腐蚀，抗辐射，能源消耗小
4、PDH和SDH各表示什么？其速率等级标准是什么？
PDH表示准同步数字序列，即在低端基群采用同步，高次群复用采用异步，SDH表示同步数字序列
PDH速率标准
SDH速率等级标准：STM-1：155.520Mbit/s STM-4：622.080 Mbit/s STM-16：2.5 Gbit/s STM-64：10 Gbit/s
5、图示光纤通信系统，解释系统基本结构。
输入输出
光发送机通信信道光接收机
光纤通信系统由光发送机、光纤光缆与光接收机等基本单元组成。系统中包含一些互连与光信号处理部件，如光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器等。在长距离系统中还设置有中继器(混合或全光)。
第2章1节布置的作业
1、光纤的主要材料是什么？光纤由哪几部分构成？各起什么作用？
SiO2；芯区、包层、图层；
芯区：提高折射率，光传输通道；包层：降低折射率，将光信号封闭在纤芯，并保护纤芯；图层：提高机械强度和柔软性
2、光纤中的纤芯折射率与包层折射率的关系？单模光纤和多模光纤中两者的纤芯直径一般
分别为多少？
纤芯折射率较高，包层折射率较小
单模光纤纤芯直径：2a=8μm～12μm，包层直径：2b=125μm；多模光纤纤芯直径：2a=50
μm，包层直径：2b=125μm。
3、根据芯、包折射率分布及模式传播情况，指出有哪些典型形式光纤？
折射率在纤芯与包层介面突变的光纤称为阶跃光纤；折射率在纤芯按某种规律逐渐降低的光
纤称为渐变光纤；根据模式传播情况不同分为多模光纤和单模光纤
4、什么是全反射？它的条件是什么？
指光从光密介质入射到光疏介质是，全部被反射会原介质的现象
条件：光从光密介质入射至光疏介质；入射角大于或等于临界角（=arcsin（n2/n1））
在光纤端面：要求入射角 < o 全；在芯包界面：要求入射角 1 > C芯包界面全
反射
5、数值孔径NA的物理意义？表达式是什么？
反映光纤对光信号的集光能力，定义入射临界角的正弦为数值孔径N A ，N A越大，对光
信号的接受能力越强
N A=sin=
6、什么是光纤的自聚焦？产生在何种类型光纤里？
如果折射率分部合适，就用可能使以不同角度入射的全部光线以同样的轴向速度在光纤中传
播，同时到达光纤轴上的某点，即所有光线都有相同的空间周期L，这种现象称为自聚焦。
出现在渐变光纤里。当折射率分布按平方率分布（即双曲正割变化），可形成自聚焦特性。
7、阶跃光纤的纤芯和包层折射率分别为n1＝1.46和n2＝1.45，试计算：
(a)相对芯包折射率差△；
(b)若该光纤的端面外为空气，计算允许的最大入射角0及数值孔径NA；
(c)若该光纤浸于水中，n0=1.33，计算0及NA的大小。
解：（a）
（b）由得=9.8°N A=sin=0.17
（c）同上
8、有一SI型多模光纤的芯径（纤芯直径）为50 m，芯包折射率分别为nl=1.465和n2=1.46。
计算与光纤轴线夹角最大的那条子午射线，在1m的传输距离上共要反射多少次?
解：=85.3°反射一次的轴向距离L=2*a/2*tan=2*50/2*tan85.3°=604
μm
反射次数=（1*106）/604=1656
第2章2节布置的作业
1、导模的传播常数应满足什么条件？
k2<β 2、归一化频率V与什么参量有关？其值与导模数的关系？ V=k0a≈（2π/）a*n1* 归一化常量与波长、芯径、芯包折射率等有关 多模阶跃光纤导模数M=V2/2 多模渐变光纤导模数M=V2/4 3、什么是单模光纤？实现单模传输的条件是什么？ 在给定的工作波长上只传输单一基模的光纤 阶跃光纤的归一化常量（频率）V<2.405 4、有一阶跃型单模光纤，其截止波长为1.4 m ，芯包折射率分别为nl=1.465，n2=1.46，计算它的纤芯半径及在波长分别为0.85及1.3 m 的模式数。 解： 由V=（2π/）an1得 a===4.43μm 当=0.85μm时 V=（2π/）a*n1*=3.96 m=V2/2=8 当=1.3mm时 V=（2π/）a*n1*=2.3 m=V2/2=3 （四舍五入） 5、有一阶跃光纤，N A=0.2，当=850 nm时可支持1000个左右的模式，计算： (a)纤芯直径； (b)在=1310 nm波长时的传输模式数； (c)在=1550 nm波长时的传输模式数。 解：（a）M=V2/2 = V=（k0a）2（）=N A2 代入数据可得a=30.25μm，则纤芯直径2a=60.5μm （b）当=1310nm时，M=N A2=421 （c）当=1550nm时，M=N A2=301 第2章4节布置的作业 1、什么是光纤色散？光纤色散包括哪些？这些色散分别由什么引起？零色散点所处的波长在哪儿，由哪些因素决定？ 光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。 材料色散（模）、波导色散（模）、模式（模间）色散、偏振色散。 材料色散--- 这是由于光纤材料的折射率随光频率呈非线性变化引起的色散，而光源有一定谱宽，于是不同的波长引起不同的群速度。 波导色散--- 这是某个导模在不同波长(光源有一定的谱宽)下的群速度不同引起的色散，它与光纤结构的波导效应有关，因此又称结构色散。 模间色散--- 多模光纤中由于各个导模之间群速度不同造成模间色散。在发送端多个导模同时激励时，各个导模具有不同的群速，到达接收端的时刻不同。 偏振模色散--- 普通单模光纤实际上传输两个相互正交的模式，若光纤中结构完全轴对称，则这两个正交偏振模有完全相同的群时延，不产生色散。实际单模光纤存在少量的不对称性，造成两个偏振模的群时延不同，导致偏振模色散。 在1310nm处，决定因素是材料色散和波导色散。 全色散为两种色散的近似相加，即 D＝Dmat + D W[ps/(nm.km)] 全色散为零的波长约在1.31m。 2、光纤有那些类型？G.652、G.65 3、G.65 4、G.655光纤各表示什么？ G.652光纤（SSF）：常规单模光纤，色散在零的波长约在1310nm，1550nm具有更低的损耗； G.653光纤（DSF）：色散位移光纤，将零色散波长从1.3μm移到1.55mm，这种低损耗、低色散的光纤，有益于长距离大容量光纤通信； G.654光纤（CSF）：截止波长位移光纤，进一步降低1550nm处的衰弱，零色散波长仍为1310nm； G.655光纤（NZ-DSF）：非零色散位移光纤，将零色散波长移至1550nm附近，目的是应用DWDM，克服非线性产物四波分频（FWM） 3、已知一弱导波阶跃型光纤，纤芯和包层的折射率分别为n1＝1.5，n2＝1.45，纤芯半径a ＝4m，＝1.31m，L＝1km。计算： （a）光纤的数值孔径； （b）光纤的归一化频率； （c）光纤中传输的模数量； （d）光纤的最大时延差。 解（a）N A==0.384 （b）V=（2π/）aN A=7.37 （c）M=V2/2=27 （d） =16.4ns 4、有一个波长为1310nm LED，其谱宽45 nm。则光纤材料色散造成的单位长度脉冲展宽是多少?若是谱宽为2 nm的LD，则脉冲展宽又是多少? D M=1.22（1—）=1.22（1—）=3.4x10-2 ps/nm km =D*L*=（ps/nm km）x1（km）x45（nm）=1.55ps =D*L*=（ps/nm km）x1（km）x2（nm）=0.068ps 第2章5节作业 1、写出损耗的表达式。光纤损耗有哪几种？造成光纤损耗的原因是什么？ 当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数α表示。 α（db/km）=—（10/L）lg（P out/P in）； 吸收损耗、散射损耗、辐射损耗； 光纤材料本身吸收、散射作用和光纤受外力而产生的曲率半径弯曲 2、为什么光纤通信向长波长、单模传输方向发展？ 因为从损耗和色散与波长的关系中反映出在长波长区损耗（瑞利散射的大小与光波长4次方成反比）和色散特性均比短波长区小，而单模光纤中没有模式色散，总色散小于多模光纤，且单模光纤在长波长区可以实现零色散，所以光纤通信向长波长、单模方向发展可以获得更大传输容量和传输距离。 3、有一个1300／1550 nm的WDM系统，在1300nm和1550 nm波长上的入纤信号光功率分别为150 w和100 w。若这两个波长上的光纤损耗分别为O.5 dB／km和0.25dB／km，试计算当光纤长度为50 km时它们的输出光功率。 解：P（100μw）=10lg=—10dbm P（150μw）=10lg=—8.24dbm 则在50km长光纤的出端功率为： P out（1300nm）=—8.24dbm—（0.5db/km）x50（km）=—33.24dbm=0.47μw P out（1550nm）=—10dbm—（0.25db/km）x50（km）=—22.5dbm=5.6μw 4、设一长度L = 1km的光纤，其损耗常数＝2.3×10—5／cm，光纤输入端的功率为l mw。计算光纤输出端的功率。 解：P out=P in exp（—αL）=1（mw）exp【—2.3x10-5/cm x105km】=0.1mw=—10dbm 第2章7节作业 1、按照成缆结构方式不同可分为哪几种光缆？ 层绞式、骨架式、带状式、束管式 2、光纤光缆制造的主要流程是什么？ 制棒—拉丝—涂敷—成缆 第3章1节作业 1、原子的基本跃迁有那些过程？ 受激吸收、受激发射、自发发射 2、为什么双异质结材料构成的发光器件能很好地将光场限制在有源区里？图示说明。 由图可见，中间n—GaAs为有源层，它与右边的n—GaAlAs构成一个异质结，其势垒阻止空穴进入n—GaAlAs区。有源层左边与p—GaAlAs也构成一个异质结，其势垒阻止电子进入p 区，这样就把载流子的复合很好地限定在了有源层。同时，有源层两边的折射率比有源层低，它的光波导作用对光场具有很好的约束，大大提高了发光强度。 ν，相应能级上的粒子密度各3、设激光器的高能级和低能级的能量各为E1和E2 ，频率为 为N1和N2 。试计算： ν= 300MHz T=300K时， N2 ∕ N1为多少？ （a）当频率 （b）当波长λ =1 μm ，T=300K时，N2 ∕ N1为多少？ （c）当波长λ =1 μm ，若N2 ∕ N1 = 0.1 ，环境温度T为多少？（按玻尔兹曼分布规律计算） 解：（a）N2/N1=exp(-hv/kT)=exp(-6.63x10-34x300x106/1.38x10-23x300)=1 （b） N2/N1=exp(-hv/kT) =exp(-6.63x10-34x3x108/1.38x10-23x300x1x10-6)=1.4047x10-21 （c）代入直接算T=6255.7K 第3章2节作业 1、用于光纤通信的发光二极管有哪几类？特点是什么？ 面发光LED：称为布鲁斯(Burrus)型LED，这种LED发射面积限制在一个小区域，小区域的横向尺寸与光纤纤芯直径接近。面发光管输出功率较大，一般注入电流100mA时可达几毫瓦，但光发散角大，其水平发散角θ≈120°，垂直发散角θ≈120°，光束呈朗伯分布，与光纤耦合效率很低。 边发光LED：采用条形半导体激光器的设计方案，其发散光束不同于面发光LED，它在垂直于结平面方向的发散角仅为30°，所以边发光LED的输出耦合效率比面发光LED高，调制带宽亦较大，可达约200MHz。 2、有一个双异质结InGaAsP—LED，中心发光波长为1310nm，其材料的辐射复合率为50ns， 非辐射复合率为70ns。试计算： (a) 发光时的量子效率int； (b) 设驱动电流为100mA，计算该LED的部发光功率； (c) 若该LED芯片与多模光纤的直接耦合效率为-14dB，计算入纤的光功率大小。 解：（a） 少数载流子寿命为ns （b）P int= （c）P=0.01x P int=0.553mw 由—14db=10lg得，P入纤=10—14P=0.04x0.553mw=0.022mw 第3章3节作业 1、半导体激光器产生激光输出的基本条件是哪些？ 形成粒子数反转；提供光反馈；满足激光震荡的阈值条件 2、比较发光二极管与半导体激光器，指出各自特点？ LED输出非相干光，谱宽宽，入纤功率小，调制速率低，适合短距离低速系统 LE输出相干光，谱宽窄，入纤功率大，调制速率高，适合长距离高速系统 3、分别画出用发光二极管（LED）和激光器（LD）进行数字调制的原理图。 LED数字调制 LD数字调制 LED模拟调制 LD模拟调制 4、分析DFB-LD特点。 光反馈是由周期结构——布拉格相位光栅构成，光栅沿着整个有源层。代替FP—LD中的解理反射面。特点是工作温度变化(例如20—100℃)，DFB—LD有很高的单模稳定性，输出波长的温漂较小，由此可见，DFB—LD，尤其是掩埋异质结DFB—LD显示了优异的动态单纵模特性，阈值电流低(10-20mA)，调制速率高(GHz以上)等特点。 5、有一个GaAs—LD，工作波长870 nm，其纵模之间的间隔为278 GHz，GaAs的折射率，n1＝3.6，计算其光腔的长度及纵模数。 解：由得 光腔长度L==（3x108m/s）/(2x3.6x278x109HZ)=150μm 由v=得 模式数m=2nl/=（2x3.6x150μm）/870nm=1241 第3章4节作业 1、抑制弛振荡、减小电光延迟时间的简单方法是什么？ 把LD预偏置在Ith附近时，是减小td，缩短载流子寿命sp，有利于提高调制速率的简单方法。所以，无论是从减弱弛振荡，还是从缩短电光延迟时间来提高调制性能，LD都需要预偏置在阈值附近。 2、画出半导体激光器的L-I特性曲线。若调制信号为脉冲型，试画出调制图。 3、一个GaAsAl一LD在15°C时的阈值电流密度为3000 A／cm2，LD的阈值电流密度Jth 与温度的关系为Jth（T）=J0exp（T/T0）。计算在条形接触为20m×100 m 、阈值温度系数为T0=180 K及工作温度为600C时的阈值电流。 解：有J th（T）=J0exp（T/T0）得 3000A/cm2=J0exp[(15k+273k)/180k] 则J0=605.7A/cm2 所以J th(333k)=J0exp(T/T0)=605.7A/cm2xexp[(60k+273k)/180k]=3852.1A/cm2 则I th=3852.1A/cm2x20m×100 m=7.7A 第3章5节作业 1、光驱动电路的基本结构是什么？ 由调制电路和控制电路组成，提供恒定的偏置电流和调制信号，采用伺服回保持平均光功率保持不变。分为LD和LED两类，数字电路通常由差分对管组成差分电流开关电路，特点是速度快，电路易于调整，若用LD管还需提供偏置电路。模拟电路由单管和多管构成。由于对线性要求较高，需要复杂的补偿电路。 2、APC与ATC电路起何作用？简述控制方法。 为了克服温度及老化造成的输出功率的下降，在驱动电路中要采取稳定补偿措施，这就是自动功率控制（APC）和自动温度控制（ATC） ATC控制利用LD组件的半导体致冷器及热敏电阻进行反馈控制即可恒定LD芯片的温度；APC可通过两种途径，一是自动追踪I th的变化，将LD偏置在最佳状态，二是控制调节脉冲电流幅度I m，自动追踪外量子效率的变化，由于对一般外量子效率随温度的变化不是非常大，通过检测直流光功率控制 3、画出光发射机的方框图，并简述图中的各部分的作用。 输入电路（在数字通信中）将输入的PCM脉冲信号进行整形，变换成NRZ／RZ码后通过驱动电路调制光源(直接调制)，或送到光调制器，调制光源输出的连续光波(外调制)。 驱动电路为光源提供恒定的偏置电流和调制信号。 自动偏置电路为了稳定输出的平均光功率和工作温度，通常设置一个自动偏置控制及温控电路。 告警电路是对光源寿命及工作状态进行监测与报警。 第4章第1节作业 1、光纤通信系统用的光检测器是怎样偏置外加工作电压的？为什么这样偏置？ 反向偏置；足够的反向偏置电压是使本征区中的载流子完全耗尽，形成高电场耗尽区，使入射到检测器上的光子能量高速度、高效率转换成光生电子。APD管加上更高反向电压，可以形成雪崩倍增增益。 2、比较PIN光电检测器与APD光电检测器，各自有那些特点？ PIN 光电二极管没有倍增，使用简单，工作偏压低(5-10V)，不需要任何控制。在较大光功率注入下，PIN接收机噪声性能要比APD接收机噪声性能（信噪比降低Gx 倍）优越；APD 具有很高的部倍增因子（通过合理设计，可以使APD工作在最佳倍增状态），这样接收灵敏度比PIN光检测器高。但由于APD需要较高的工作偏压（200V）以及其倍增特性受温度的影响较严重因此使用起来也比较复杂，需要AGC电路对APD的工作偏压进行精细控制，在要求较高的数字光接收机中，还必须对APD采取温度补偿措施。在较小光功率注入下，APD接收机噪声性能（信噪比提高G2 倍）要比PIN接收机噪声性能优越。 3、光电检测器转换能力的物理量有哪些？写出其表达式。 量子效率和响应度R0 R0=(A/w) 4、设PIN光电二极管的量子效率为80%，计算在1.3和1.55 μm波长时的响应度，说明为什么在 ==（0.8x1.3μm）/1.24=0.839A/w R0’==（0.8x1.55μm）/1.24=1A/w 0.839<1.24 则在1.55μm出较为灵敏 5、现有1011个光子／秒，光子能量为1.28×10-19J，入射到一个理想的光电二极管上， 计算：（ (a)入射光波长； (b)输出光电流大小； (c)若这是一个APD ，其G=18，计算光电流。 解：（a ）由E=hf=hc/ 得 （b ）P 0=1011 x1.28x10-19 =1.22x10-8 w I p =R 0P 0=P 0=1.6x10-8 A （c ）I p =GR 0P 0=2.88x10-7 A 6、有一个PIN 光电二极管，其=O.9，=1300 nm ，入射光功率Pin=-37 dBm 。计算： (a)光电流大小；（h=6.6310-34 J s ） (b)当负载电阻RL 等于50，1000及lOM 时的输出电压。 解：首先计算该光电二极管的响应度 R 0= =0.94（A/W ） 0076666(0.94/)(37)0.942100.188()50(0.18810)(50)9.41000(0.18810)(1000)18850(0.18810)(1010) 1.88L L L L L L L R P A W dBm A b R R R A V R R A V R M R A V μμμ----==-=??==Ω=?Ω==Ω=?Ω==Ω=??Ω=P P P P 光电流为 I 负载电阻上的输出电压为 时，V=I 时，V=I 时，V=I 第4章第2节作业 1、光接收机前端电路有哪几种？各自的特点是什么？ 低阻抗、高阻抗、互阻抗前置放大电路。 (1)低阻抗前端。低阻抗前端电路简单，不需要或只需要很少的均衡，前置级的动态围也较大。但缺点是灵敏度较低，噪声比较高。 (2)高阻抗前端。比低阻抗前端热噪声小，但高阻抗将使前置放大器动态围缩小，而且当比特率较高时，输入端信号的高频分量损失过大，对均衡电路要求较高，很难实现，所以高阻抗前端一般只适用于低速系统。 (3)跨(互)阻抗前端。这种前端将负载电阻连接为反相放大器的反馈电阻，因而又称互阻抗前端。负反馈使有效输入阻抗降低了G 倍，G 是前置放大器增益，从而使其带宽比高阻抗前端增加了G 倍，动态围也提高了，所以具有频带宽、噪声低、灵敏度高、动态围大等综合优点，被广泛采用。 2、光接收机的线性通道包括哪几个部分？光接收机的带宽由哪个部件决定？ 高增益放大器（主放大器）、低通滤波器；低通滤波器；因为低通滤波器电压脉冲整形， 降低噪声，控制可能出现的码间串扰(ISI)。接收机噪声正比于接收机带宽，为降低噪声，采用带宽Δf小于比特率B的低通滤波器。在接收机设计中其他部件的带宽均大于滤波器带宽，因此接收机带宽主要由线性通道的低通滤波器决定。 3、数据重建由哪几种电路构成？其任务是什么？ 判决电路和时钟恢复电路；把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号 4、高阻抗前置放大器的输入电阻为4 MΩ，它与光检测器的偏置电阻Rb相匹配，CT = 6 pF，计算未均衡时带宽；若采用互阻抗，Rf=100 kΩ，反馈环路的增益G = 400，计算其带宽。 第6章3节作业 1、光接收机中存在哪些噪声？图示这些噪声分布。 散粒噪声和热噪声，散粒噪声包括光检测器的量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD 倍增噪声。热噪声主要指负载电阻RL产生的热噪声，放大器对噪声亦有影响。 量子噪声(或散弹噪声)：来自单位时间到达光检测器上信号光子数的随机性，因此它与信号电平有关。在采用APD作光检测器时，倍增过程的统计特征产生附加的散弹噪声，它随倍增增益而增加。 暗电流噪声：当没有光信号照射光检测器时，外界的一些杂散光或热运动亦会产生一些电子—空穴对，光检测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流Id，暗电流也要产生散粒噪声。 漏电流噪声：光检测器表面物理状态不完善和加有偏置电压，也会引起很小的漏电流噪声，但这种噪声并非本征性噪声，可通过光检测器的合理设计，良好的结构和严格的工艺降低。热噪声：热噪声是在有限温度下，导电媒质自由电子和振动离子间热相互作用引起的一种随机脉动。一个电阻中的这种随机脉动，即使没有外加电压也表现为一种电流波动。在光接收机中，前端负载电阻中产生的这种电流波动将叠加到光检测器产生的光电流中。 放大器噪声：前端的前置放大器要增加噪声，而且其影响远远超过后级元器件产生的噪声。 2、分解式4.4.19，写出PIN光接收机与APD光接收机的信噪比表达式，分析在何种条件下何种光接收机信噪比占优势。 解：（1）S/R PIN= ①散粒噪声限制下 S/R PIN= SNR随入射功率线性增加，只与量子效率、光子能量和带宽有关 ②热噪声限制下 S/R PIN= SNR随入射功率平方倍变化，增加负载电阻可以提高信噪比 （2）S/R APD= ①散粒噪声限制下 S/R APD= SNR下降了G x倍 ②噪声限制下 S/R APD= SNR降低了G2倍 散粒噪声限制下：APD的SNR降低了GX倍，PIN占优。 热噪声限制下：APD的SNR提高了G2 倍，APD占优。 3、有一个光纤通信系统，光源为LED，输出功率：10mW，工作波长850nm，LED与光纤的耦合损耗为14 dB。系统光纤的总损耗20 dB，其他损耗10 dB。PIN光电二极管的R 0＝0.5 A／W，ID=2 nA，负载电阻RL=50 ，接收带宽Be=10 MHz，T=300 K．计算接收光功率、检测信号电流、散弹噪声和热噪声功率，最后计算其信噪比。 解：LED输出功率=10mw=10dbm 接受光功率：P R=10dbm—14db—20db—10db=-34dbm=0.4μw 光电流：I P=R0P R=（0.5A/w）（0.4x10-6w）=2x10-7A=0.2μA 由于暗电流（2nA）< 散粒噪声： 2196717222 1.610()0.210()10()0.06410() s P i eI Be C A Hz A ---<>==?????=? 电路噪声： 223617244 1.38103001101050331.210() c L kTFnBe i R A --<>= ??????= =? 信噪比 2621717 1217 42(0.210)0.06410331.2100.041012(10.8)331.26410P n e P e L I S R kTF B eI B R dB -----= + ?=?+??=≈=? 第4章4节作业 1、光接收机的灵敏度是怎样定义的？ 是描述其准确检测光信号能力的一种性能指标，定义为接收工作于某一误码率（BER ）条件下所需要的最小平均接受光功率。对于模拟接收机，定义为接收机工作于给定信噪比所要求的的最小平均接受光功率。 2、误码率如何定义? 通常标准要多少？ 定义为接收机判决电路错误确定一个比特的概率，1x10-6 的BER 代表每百万比特中平均有一 个错码。标准为BER 小于等于10-9 ，这是通常实际光波系统的系统规。 3、光接收机的极限灵敏度如何表达？其中各参量表示什么？ 为每比特的平均光子数，B 为比特流的速率。 3、引起光接收机灵敏度恶化因素是哪些？ 消光比引起的灵敏度恶化；强度噪声引起的灵敏度恶化；取棒时间抖动引起的灵敏度恶化。 4、假定接收机工作于1550nm ，带宽为3GHz ，前置放大器噪声系数为4dB ，接收机负载为 1000L R Ω ＝，温度300T K ＝ ，响应度 1.25/R A W =，M=5，碰撞电离系数kA ＝0.7，设计12 10BER -＝ ，试计算接收机的灵敏度。 第6章5节作业 1、图示数字光纤通信系统中的光电混合的中继器的原理图，并简述其功能。 为了满足长距离通信的需要，在光纤传输线路上每隔一定距离加入一个中继器，以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形，然后继续向终端传送。 通常有两种中继方法：一种是传统方法，采用光—电—光转换方式，亦称光电光混合中继器；另一种是近几年才发展起来的新技术，它采用光放大器对光信号进行直接放大的中继器。 2、何为3R中继器？何为2R中继器？何为1R中继器？ 3R中继器：具有均衡放大，识别再生和再定时3种功能的中继器 2R中继器：具有均衡放大和识别再生2种功能的中继器 1R中继器：采用光放大器对光信号进行直接放大的中继器 5.1作业 1、光放大器有哪几种类？光纤型光放大器又分为哪几类？ 半导体光放大器(SOA)、光纤放大器（掺稀土元素）、非线性光纤放大器（光纤喇曼放大器FRA），最常用的是掺铒光纤放大器 光纤喇曼放大器、光纤布里渊放大器、光纤参量放大器、掺杂光纤放大器 2、光放大器在光波系统中有哪些可能的应用？图示说明。 线路放大器、光发送机功率放大器、光接收机前置放大器、局域网的功率放大器 3、掺铒光纤放大器（EDFA）有哪些优点？ 答：其优点为：高增益、高功率、宽带宽、低噪声、低串音、低插损等优良特性。 4、EDFA光放大器主要应用方式？ 答：主要做为发送机功率提升放大器、光接收机前置放大器和替代3R光电—电光中继器的光中继放大器。 5、掺铒光纤放大器（EDFA）的关键技术是什么？ 答：是掺铒光纤和泵铺源技术 5.2作业 1、掺铒光纤放大器的基本结构有哪几种？图示说明。 (a) 前向或正向泵结构EDFA； (b) 后向或反向泵结构EDFA； (c) 双向泵结构EDFA 2、EDFA中的噪声有哪几种？哪一种噪声对EDFA的性能影响最大？ EDFA的噪声主要有四种：信号光的散粒噪声、被放大的自发辐射（ASE，Amplified sponteneous Emission）、ASE光谱与信号光之间的差拍噪声（sig-sp）、ASE光谱间的差拍噪声(sp-sp)。 以上四种噪声中，后两种噪声影响最大，特别是第三种噪声，它是决定EDFA性能的重要因素。 第8章第1节作业 1、简述有哪些方式构成光纤通信系统？ 模拟和数字光波系统，线性和非线性光孤子光波系统，强度调制/直接检测与想干检测光波系统，单信道与多信道复用光波系统，陆地、海底和自由空间光波系统 2、根据图8.1(c)说明业务信号经过那些步骤完成传输。 1）首先把经过PCM编码的语言信号，经过压缩编码的视频信号和由以太网交换机或路由器转发的数据信号等多媒体数字业务信号复用成更高速率等级的信号。 2）为业务在SDH系统/网络中的传输与运营维护和管理（OAM），在数据流中插入运营维护管理开销，并为方便接收端进行定时提取进行扰码，以破坏数据流中的长连“0”和长连“1”。3）对半导体光源进行直接或外调制，完成电数字信号到光数字信号的转换。 4）高速光数字信号经光纤传输，传输链路上通常接有1R或3R中继器。 5） 光信号到达接收端后，首先由光电检测器完成O/E 转换，把光信号转换成电信号，并进一步放大均衡，然后提取时钟信号，在时钟信号作用下“判决再生”出数字信号。 6） 解扰并取出开销进行处理，或进行线路解码，同时处理OAM 开销。 7） 解复用出各路数字业务信号。 第8章第2节作业 1、简述光纤通信系统发展情况并分别写出限制BL 的因素。 ① 0.85μm 光波系统, 采用低成本的多模光纤作为传输媒质。 限制BL 主要的因素是光纤的模间色散。 2 ??11多模阶跃型光纤： c BL= 2n 多模渐变型光纤： 2c BL= n ② 1.3μm 光波系统，早期单模光纤，限制BL 主要的因素是光源的谱宽。 14BL D λ σ≤ ③ 1.55μm 光波系统，第三代光波系统工作在损耗最小的1.55μm 波长。限制BL 主要的因 素是光纤色散。 2 2 116B L β< 第8章第3节作业 1、系统在什么条件下受损耗限制？此时决定的因素是什么？ 光纤带宽与信号速率之比足够大，传输距离主要受光纤损耗限制即当系统的工作频宽远小于光纤带宽，当码速较低(B<100Mb ／s)时，光纤色散对灵敏度的影响较小时。 决定因素：发送端耦合入纤光纤的平均功率PT （dbm ）；光发送机的接收灵敏度P min （dbm ）；光纤线路的总损耗αT （db ） 2、系统在什么条件下受色散限制？此时决定的因素是什么？ 系统损耗足够小，传输码率高时，传输距离主要受光纤色散等限制 色散造成的系统上升时间的限制 3、从传输带宽角度看，NRZ 和RZ 码，哪一个占用带宽宽？参数是多少？ NRZ 码所需的传输带宽仅为RZ 码的一半。即RZ 码占用传输带宽宽 RZ 脉冲 T r B=0.35 B （bit/s ）＝Bc （Hz ） NRZ 脉冲 T r B=0.7 B （bit/s ）＝2Bc （Hz ）Bc （Hz ）＝1/2 B （bit/s ） 4、有一长距离单模光纤传输系统，工作波长1300 nm，其他参数如下： LD光源平均入纤功率 0 dBm 光缆损耗 0.4 dB／km 熔接头损耗 0.1 dB／km 活动连接器损耗 1dB／个 APD接收机灵敏度： B=35 Mb／s时(BER=10-9) - 55 dBm B=500 Mb／s时(BER=10-9) - 44 dBm 系统富余度 9 dB 试计算损耗限制传输距离。 解：（1）当B=35Mb/s时 P T—=2a L+（a f+a s）L+M 则0dbm-（-55dbm）=2x（1db）+（0.4db/km+0.1db/km）xL+9db 于是L=44db/（0.5db/km）=88km （2）当B=500mb/s时，代入计算得L=66km 5、有一条1.3m光波系统，设计工作码速为lGb／s，拟采用单模光纤，中继距离5Okm。发送机和接收机上升时间分别为0.25ns和O.35ns，光源谱宽3nm，光纤平均色散在工作波长上为2ps／(nm·km)：计算RZ和NRZ码时的系统上升时间预算。 系统辨识作业一 学院信息科学与工程学院专业控制科学与工程 班级控制二班 姓名 学号 2018 年 11 月 系统辨识 所谓辨识就是通过测取研究对象在认为输入作用的输出响应，或正常运行时 的输入输出数据记录，加以必要的数据处理和数学计算，估计出对象的数学模型。 辨识的内容主要包括四个方面： ①实验设计； ②模型结构辨识； ③模型参数辨识； ④模型检验。 辨识的一般步骤：根据辨识目的，利用先验知识，初步确定模型结构；采集 数据；然后进行模型参数和结构辨识；最终验证获得的最终模型。 根据辨识方法所涉及的模型形式来说，辨识方法可以分为两类：一类是非参 数模型辨识方法，另一类是参数模型辨识方法。 其中，非参数模型辨识方法又称为经典的辨识方法，它主要获得的是模型是 非参数模型。在假定过程是线性的前提下，不必事先确定模型的具体结构，广泛 适用于一些复杂的过程。经典辨识方法有很多，其中包括阶跃响应法、脉冲响应法、相关分析法和普分析法等等，本次实验所采用的辨识方法为阶跃响应法和脉 冲响应法。 1．阶跃响应法 阶跃响应法是一种常用非参数模型辨识方法。常用的方法有近似法、半对数法、切线法、两点法和面积法等。本次作业采用面积法求传递函数。 1.1面积法 ① 当系统的传递函数无零点时，即系统传递函数如下： G(S) = + ?11?1+?+ 1+1 (1-1) 系统的传递函数与微分方程存在着一一对应的关系，因此，可以通过求取 微分方程的系数来辨识系统的传递函数。在求得系统的放大倍数K后，要得到无 因次阶跃响应y(t)(设τ=0)，其中y(t)用下式描述： () ?1 () (1-2) 面积法原则上可以求出n为任意阶的个系数。以n为3为例。有： 3() 2() () {| →∞ =| →∞ =| →∞ = 0 (1-3) ()| →∞ = 1 红色：重点、绿色：了解 第1章 1、光纤通信的基本概念：以光波为载频，用光纤作为传输介质的通信方式。光纤通信工作波长在于近红外区：0.85～2.00μm的波长区，对应频率: 167～375THz。 对于SiO2光纤，在上述波长区内的三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工作波长，即0.85μm、 1.31μm 1.55μm及 1.625μm 2、光纤通信系统的基本组成：P5 图1-3 目前采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波（IM/DD）的光纤数字通信系统。该系统主要由光发送设备（光发射机）、光纤传输线路、光接收设备（光接收机）、光中继器以及各种耦合器件组成。 各部件功能： 电发射机：对来自信源的信号进行模/数转换和多路复用处理； 光发送设备：实现电/光转换； 光接收机：实现光/电转换； 光中继器：将经过光纤长距离衰减和畸变后的微弱光信号放大、整形、再生成具有一定强度的光信号，继续送向前方，以保证良好的通信质量。 3、光纤通信的特点：（可参照P1、2） 优点：（1），传输容量大。（2）传输损耗小，中继距离长。 （3）保密性能好：光波仅在光纤芯区传输，基本无泄露。 （4）抗电磁干扰能力强：光纤由电绝缘的石英材料制成，不受电磁场干扰。（5）体积小、重量轻。（6）原材料来源丰富、价格低廉。 缺点：1）弯曲半径不宜过小；2）不能远距离传输；3）传输过程易发生色散。 4、适用光纤：P11 G.652 和G.654：常规单模光纤，色散最小值在1310nm处，衰减最小值在1550nm 处。常见的结构有阶跃型和下凹型单模光纤。 G.653：色散位移光纤，色散最小值在1550nm处，衰减最小值在1550nm处。难 以克服FWM混频等非线性效应带来的影响。 G.655：非零色散光纤，色散在1310nm处较小，不为0；衰减最小值在1550nm 处。可以尽量克服FWM混频等非线性效应带来的影响。 补充：1、1966年7月，英籍华人（高锟）博士从理论上分析证明了用光纤作为传输介质以实现光通信的可能性。 2、数字光纤通信系统有准同步数字体系（PDH）和同步数字体系（SDH）两种传输体制。 《系统辨识》大作业 学号：12051124 班级：自动化1班 姓名：张青 信息与控制工程学院自动化系 2015-07-11 第一题 模仿index2，搭建对象，由相关分析法，获得脉冲响应序列?()g k ，由? ()g k ，参照讲义， 获得系统的脉冲传递函数()G z 和传递函数()G s ;应用最小二乘辨识,获得脉冲响应序列? ()g k ;同图显示两种方法的辨识效果图；应用相关最小二乘法，拟合对象的差分方程模型；构建时变对象，用最小二乘法和带遗忘因子的最小二乘法，(可以用辨识工具箱) 辨识模型的参数，比较两种方法的辨识效果差异; 答：根据index2搭建结构框图： 相关分析法：利用结构框图得到UY 和tout 其中的U 就是题目中要求得出的M 序列，根据结构框图可知序列的周期是 1512124=-=-=n p N 。 在command window 中输入下列指令，既可以得到脉冲相应序列()g k ： aa=5;NNPP=15;ts=2; RR=ones(15)+eye(15); for i=15:-1:1 UU(16-i,:)=UY(16+i:30+i,1)'; end YY=[UY(31:45,2)]; GG=RR*UU*YY/[aa*aa*(NNPP+1)*ts]; plot(0:2:29,GG) hold on stem(0:2:29,GG,'filled') Grid;title('脉冲序列g(τ)') 最小二乘法建模的响应序列 由于是二阶水箱系统，可以假设系统的传递函数为2 21101)(s a s a s b b s G +++= ，已知)(τg ，求2110,,,a a b b 系统辨识作业 学院： 专业： 姓名： 学号： 日期： 系统辨识作业： 以下图为仿真对象 图中，v(k)为服从N(0,1)正态分布的不相关随即噪声，输入信号采用循环周期Np>500的逆M 序列，幅值为1，选择辨识模型为： )()2()1()2()1()(2121k v k u b k u b k z a k z a k z +-+-=-+-+ 加权因子1)(=Λk ，数据长度L=500，初始条件取I P 610)0(= ，????????? ???=001.0001.0001.0)0(? θ 要求：（1）采用一次完成最小二乘法对系统进行辨识，给出数据u(k)和z(k)， 及L H ，L Z 和θ 和)?(θ J 的值。 （2）采用递推最小二乘法进行辨识，要给出参数收敛曲线以及新息)(~k Z ，残差)(k ε，准则函数)(k J 随着递推次数K 的变化曲线。 （3）对仿真对象和辨识出的模型进行阶跃响应对比分析以检验辨识结果的实效。 1、一次完成法对系统进行辨识： 估计L T L L T L LS Z H H H 1)(?-=θ ，其中 []2121,,,b b a a LS =θ ????? ? ??????=L L Z Z Z Z 21 ????????????------------=????????? ???=)2()1()2()1()0()1()0()1()1()0()1() 0()()2()1(L u L u L z L z u u z z u u z z L h h h H L 一次完成算法对系统辨识的Matlab 程序见附录: 部分输入、输出数据如下，全部的输入输出数据用图1.1所示 输入数据u(k)=Columns 1 through 16 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 本实验指导书为《数字传输技术（A）》《光纤通信系统》《光纤通信测量技术》《光同步传输技术》课程的实验用书，其有关内容也可以配合《数字传输技术（A）》《光纤通信系统》《光纤通信测量技术》《光同步传输技术》等课程教材使用。 本实验指导书用于光纤数字传输系统性能测试和光纤传输网络的设备与网络管理操作几方面的必做实验，主要是光纤数字线路系统传输性能测试、SDH 设备认识和SDH网络管理系统及操作。其中光纤数字线路系统传输性能测试是最基本的实验项目。 光纤数字线路系统包括光端机、光中继机和光纤线路等，其性能参数包括设备和系统光接口参数和电接口传输性能，光接口参数主要是光设备光接口参数、光通道（光纤线路）传输特性，电接口传输性能主要包括误码性能、定时性能和可用性等，需要测试的项目较多，涉及多种测试仪表和测试方法。本指导书重点介绍光纤线路接续和接续损耗的监测、光纤衰减测试实验、光接口参数测试和光纤数字传输系统的传输性能测试实验。 选做实验的指导书另行编写。 实验一光纤接续和监测 1 实验二光纤衰减测试 3 实验三光接口参数测试 5 实验四电接口传输性能测试10 实验五SDH设备认识17 实验六SDH网络管理系统及操作19 实验一 光纤的接续和监测 一． 试验目的 掌握光纤接续原理 掌握光纤接续损耗的测试原理 学习使用熔接机和了解光纤接续过程 二．试验原理 光纤接续的常用方法有热熔法和冷接法等，热熔法的主要步骤如下：连接光纤端面的制备，端面的定位和对准，熔接。 光纤接续损耗A s 的定义为 t r s p p A lg 10?= （dB ） 式中 p t 为发射光纤发出的光功率，W p r 为接收光纤接收的光功率，W 监测光纤接续损耗的方法有多种，如：光时域反射计(OTDR)监测和四功率法测试等，目前都采用光时域反射计监测法，其测试系统原理土如图1.1所示。 测试时OTDR 发出测试光脉冲，并测得连接光纤的背向色散曲线如图1.2所示，根据所得曲线设置五个测试点（即采用五点法）即得到接续损耗值。 三． 试验仪器和设备 1.TYPE35SE 光纤熔接机， 1台 2.光时域反射计， 1台 3.光纤， 2盘，2Km/盘 四． 测试步骤 最优估计大作业 姓名：李海宝 学号：S314040186 导师：刘胜 专业：控制科学与工程 模糊逻辑卡尔曼滤波器在智能AUV导航系统中的自适应调 整 摘要 本论文基于全球定位系统（GPS）和几个惯性导航系统（INS）传感器描述了对于自主水下航行器（AUV）应用的一种智能导航系统的执行过程。本论文建议将简单卡尔曼滤波器（SKF）和扩展卡尔曼滤波器（EKF）一前一后地用于融合INS 传感器的数据并将它们与GPS数据结合到一起。传感器噪声特性里潜在的变化会引起SKF和EKF的初始统计假定的调整，本论文针对这一问题着重突出了模糊逻辑方法的使用。当这种算法包含实际传感器噪特性的时候，SKF和EKF只能维持他们的稳定性和性能，因此我们认为这种自适应机制同SKF与EKF一样有必要。此外，在提高导航系统的可靠性融合过程期间，故障检测和信号恢复算法也需在此要讨论。本论文建议的这种算法用于使真实的实验数据生效，这些数据都是从Plymouth大学和Cranfield大学所做的一系列AUV实验(运行低成本的锤头式AUV)中获得的。 关键词：自主水下航行器；导航；传感器融合；卡尔曼滤波器；扩展卡尔曼滤波器；模糊逻辑 1.引言 对于以科学、军事、商业为目的应用，如海洋勘察、搜索未爆弹药和电缆跟踪检查，AUV的发展需要相应导航系统的发展。这样的系统提供航行器位置和姿态的数据是很有必要的。在这样的系统中对精度的要求是最重要的：错误的位置和姿态数据会导致收集数据的一个毫无意义的解释，或者甚至AUV的一个灾难性故障。 越来越多来自整个世界的研究团队正利用INS和GPS来研发组合导航系统。然而，他们的工作中几乎都没有明确几个INS传感器融合的本质要求，这些传感器用于确保用户保持精度或甚至用来防止在与GPS融合之前导航系统这部分的完全失败。例如，金赛和惠特科姆（2003）使用一个切换机制来防止INS的完全失败。虽然这个方法简单易行，但是可能不适合用于维持一个确定的精度等级。 出于多传感器数据融合和集成的目的，几种估计方法在过去就已经被使用过。为此，SKF/EKF和它们的变形在过去就已经是流行的方法，并且一直到现在都对开发算法感兴趣。然而，在设计SKF/EKF过程中，一个显著的困难经常会被 中南大学 系统辨识大作业 学院：信息科学与工程学院 专业：控制科学与工程 学生姓名：龚晓辉 学号：134611066 指导老师：韩华教授 完成时间：2014年6月 基于随机逼近算法的系统辨识设计 龚晓辉1, 2 1. 中南大学信息科学与工程学院,长沙410083 2. 轨道交通安全运行控制与通信研究所, 长沙410083 E-mail: csugxh@https://www.wendangku.net/doc/a7549516.html, 摘要：本文对系统辨识的基本原理和要素进行了详细阐述，介绍和分析了系统辨识中常用的最小二乘算法，极大似然法，神经网络算法和随机逼近算法。随机逼近算法只需利用输入输出的观测来辨识系统参数，在实际中有重要运用。本文对随机逼近算法进行了详细说明。同时，针对一个三阶系统设计了KW随机逼近算法进行了参数辨识，并且和递推最小二乘法进行了对比。实验证明在实际辨识过程中两种算法各有优缺点。 关键词: 系统辨识, 随机逼近法, 递推最小二乘法 1.引言 在我们所学的线性系统理论中，都是在系统模型已知的情况来设计控制率，使系统达到稳定性，准确性和快速性的要求。然而，在实际系统中，对象的模型往往是未知的。而且，非线性是普遍存在的，线性系统只是对非线性系统的一种近似。因此，了解对象准确的模型，对设计控制器及其重要。在一些实际对象中，如导弹，化学过程，生物规律，药物反应，以及社会经济等，这些对象使用机理分析法比较困难，但是通过使用辨识技术可以建立系统精确的模型，确定最优控制率[1]。如今，系统辨识技术已经在航空航天，海洋工程，生物学等各个领域获得了广泛运用。 2.系统辨识的基本思想与常用方法 辨识的目的是为了获得对象模型。对象的模型有多种表现形式，它包括直觉模型，图表模型，数学模型，解析模型，程序模型和语言模型。这些模型之间可以相互转换。我们在建立系统模型时，需要遵循目的性，实在性，可辨识性，悭吝性的基本原则。目的性指的是建模的目的要明确，实在性指的是模型的物理概念要明确。可辨识性指的是模型结构合理,输入信号持续激励,数据量充足。悭吝性指的是被辨识参数的个数要尽量少。 辨识对象模型要遵循上面的基本原则。它是将对象看成一个黑箱。从含有噪声的输入输出数据中，按照一个准则，运用辨识理论，从一组给定的模型中，确定一个与所测系统等价的模型，是现代控制理论的一个分支。系统辨识由数据、模型类和准则三要素组成。数据是由观测实体而得，它不是唯一的，受观测时间、观测目的、观测手段等影响。模型类就是模型结构，它也不是唯一的，受辨识目的、辨识方法等影响。而准则是辨识的优化目标，用来衡量模型接近实际系统的标准。它也不是唯一的，受辨识目的、辨识方法的影响。由于存在多种数据拟合 光纤通信系统与网络试卷及答案 浙江师范大学《光纤通信》考试卷 （2013----2014 学年第一学期） 考试形式闭卷使用学生 sample 考试时间120分钟出卷时间2013年12月27日 说明：考生应将全部答案都写在答题纸上，否则作无效处理。 一、选择题（10％） 1 半导体光源中，由以下哪个电路模块解决其对温度变化敏感的问题（B） A.APC B.ATC C.过流保护 D.时钟控制 2 ECL激光器是利用以下哪个器件对工作波长进行选择。（A） A.光栅 B.棱镜 C.透镜 D.波导 3 STM-16的标准速率为（C） A.155Mb/s B.622Mb/s C. 2.5Gb/s D.10Gb/s 4.下列哪些指标是系统可靠性指标（D） A.HRDL B.HRDS C.BER D.MTTR 5如果原始码序列为100010001，采用3B1P奇校验进行编码，则变换后的码序列为（C） A.100101010010 B.100101000010 C.100001000010 D.1000100010 二、是非判断题(28％) 1.由于LED具有阈值电流，所以不适合模拟调制 2.光纤通信系统的带宽主要由其色散所限制 3.光纤通信系统所采用的波长的发展趋势是向短波方向转移的 4.激光是光纤通信系统所采用的主要光源 5.在通信中，我们通常使用弱导光纤 6.本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体 7.光纤的数值孔径越大，集光能力越强，所以在通信中我们采用大数值孔 径光纤 8.在光纤中，比光波长大的多的粒子引起的散射称为瑞利散射 9.光电效应产生的条件是入射波长大于截止波长 10.SRS现象总是由于光信号和介质中的声子相作用产生 11.OXC节点和OADM节点是全光网中的核心节点 XXXXXXXXXX 系统辨识与自适应控制课程论文 题目：自适应控制综述与应用 课程名称：系统辨识与自适应控制 院系：自动化学院 专业：自动化 班级：自动化102 姓名： XXXXXX 学号: XXXXXXXXX 课程论文成绩： 任课教师： XXXXX 2013年 11 月 15 日 自适应控制综述与应用 一．前言 对于系统辨识与自适应控制这门课，前部分主要讲了系统辨识的经典方法（阶跃响应法、频率响应法、相关分析法）与现代方法（最小二乘法、随机逼近法、极大似然法、预报误差法）。对于系统辨识，简单的说就是数学建模，建立黑箱系统的输入输出关系；而其主要分为结构辨识（n）与参数辨识（a、b）这两个任务。 由于在课上刘老师对系统辨识部分讲的比较详细，在此不再赘述，下面讨论自适应控制部分的相关内容。 对于自适应控制的概念，我觉得具备以下特点的控制系统，可以称为自适应控制系统： 1、在线进行系统结构和参数辨识或系统性能指标的度量，以便得到系统当前状态的改变情况。 2、按一定的规律确定当前的控制策略。 3、在线修改控制器的参数或可调系统的输入信号。 二．自适应控制综述 1.常规控制系统与自适应控制系统比较 （1）控制器结构不同 在传统的控制理论与控制工程中，常规控制系统的结构主要由控制器、控制对象以及反馈控制回路组成。 而自适应控制系统主要由控制器、控制对象、自适应器及反馈控制回路和自适应控制回路组成。 （2）适用的对象与条件不同 传统的控制理论与控制工程中，当对象是线性定常、并且完全已知的时候，才能进行分析和控制器设计。无论采用频域方法，还是状态空间方法，对象一定是已知的。这类方法称为基于完全模型的方法。在模型能够精确地描述实际对象时，基于完全模型的控制方法可以进行各种分析、综合，并得到可靠、精确和满意的控制效果。 然而,有一些实际被控系统的数学模型是很难事先通过机理建模或离线系统辨识来确知的,或者它们的数学模型的某些参数或结构是处于变化之中的.对于这类事先难以确定数学模型的系统,通过事先整定好控制器参数的常规控制往往难以对付。 面对上述系统特性未知或经常处于变化之中而无法完全事先确定的情况,如何设计一个满意的控制系统,使得能主动适应这些特性未知或变化的情况,这就 是自适应控制所要研究解决的问题.自适应控制的基本思想是:在控制系统的运行过程中,系统本身不断地测量被控系统的状态、性能和参数,从而“认识”或“掌握”系统当前的运行指标并与期望的指标相比较,进而作出决策,来改变控制器的结构、参数或根据自适应规律来改变控制作用，以保证系统运行在某种意义下的最优或次优状态。按这种思想建立起来的控制系统就称为自适应控制系统。 自适应控制结课作业 班级： 组员： 2016年1月 目录 1 遗忘因子递推最小二乘法 (1) 1.1最小二乘理论 (1) 1.2带遗忘因子的递推最小二乘法 (1) 1.2.1白噪声与白噪声序列 (1) 1.2.2遗忘因子递推最小二乘法 (2) 2.2仿真实例 (3) 2 广义最小方差自校正控制 (5) 2.1广义最小方差自校正控制 (5) 2.2仿真实例 (6) 3 参考模型自适应控制 (9) 3.1参考模型自适应控制 (9) 3.2仿真实例 (12) 3.2.1数值积分 (12) 3.2.2仿真结果 (12) 参考文献 (16) 1 遗忘因子递推最小二乘法 1.1最小二乘理论 最小二乘最早的想法是高斯在1795年预测行星和彗星运动轨道时提出来的，“未知量的最大可能的值是这样一个数值，它使各次实际观测和计算值之间的差值的平方乘以度量其精确度的数值以后的和为最小”。这一估计方法原理简单，不需要随机变量的任何统计特性，目前已经成为动态系统辨识的主要手段。最小二乘辨识方法使其能得到一个在最小方差意义上与实验数据最好拟合的数学模型。由最小二乘法获得的估计在一定条件下有最佳的统计特性，即统计结果是无偏的、一致的和有效的。 1.2带遗忘因子的递推最小二乘法 1.2.1白噪声与白噪声序列 系统辨识中所用到的数据通常含有噪声。从工程实际出发，这种噪声往往可以视为具有理想谱密度的平稳随机过程。白噪声是一种最简单的随机过程，是由一系列不相关的随机变量组成的理想化随机过程。白噪声的数学描述如下：如果随机过程()t ξ均值为0，自相关函数为2()σδτ，即 2()()R ξτσδτ= 式中，()δτ为单位脉冲函数(亦称为Dirac 函数)，即 ,0 ()0,0τδττ∞=?=? ≠?，且-()1d δττ∞ ∞ =? 则称该随机过程为白噪声，其离散形式是白噪声序列。 如果随机序列{}()V k 均值为零，且两两互不相关，即对应的相关函数为： 2,0 ()[()()]0,0v n R n E v k v k n n σ?==+=?=? 则这种随机序列称为白噪声序列。其谱密度函数为常数2(2)σπ。白噪声序列的功率在π-到π的全频段内均匀分布。 建立系统的数学模型时，如果模型结构正确，则模型参数辨识的精度将直接依赖于输入信号，因此合理选用辨识输入信号是保证能否获得理想的辨识结果的 作业1 如图1.1所示一阶系统，系统传递函数为G(s)=1/(0.1s+1)，如果采用M序列作为输入信号进行系统辨识，采用5级移位寄存器产生M序列作为输入信号，取M序列的时钟脉冲△=15ms，a=2辨识该系统的脉冲响应。并说明取5级移位寄存器合理与否。 图1.1 一阶RC系统 答: 1.解题步骤 1.初始化参数，设置模型参数，设置产生M序列的各个关键参数； 2.利用产生伪随机二进制序列信号的函数getPRBS产生M序列，并作为 系统输入； 3.通过系统模型，产生系统输出，并将输入输出画在同一图中； 4.计算系统输入输出相关函数R xy； 5.计算系统脉冲估计值ghat和系统真实脉冲输出g 2.程序清单 主程序 clc; close all; clear all; %% Initialization R = 100e3; % system initialization resistance=100k ohm C = 1e-6; % capacitance=1uf tc = R*C; % Time Constant % generate M-sequence n=5; a=2; % Level of the PRBS del = 15e-3; % clock pulse period N=2^n-1; % Period of M sequence total=2*N; % Generate m-sequence using the 'getPRBS' function Out = getPRBS(n,a,del,total); % Generate response y(t) of the system s = tf('s'); G = 1/(tc*s+1); tf = total*del; tim = 0:del:tf-del; y = lsim(G, Out, tim); %plot input and output of the system figure stairs(tim,Out); axis([0 1.0 -2.5 2.5]); hold on plot(tim,y,'r'); hold off % Compute Rxy(i*del) sum = 0.0; Rxy = []; iDel_vec=[]; for i=1:N tau=i-1; iDel_vec=[iDel_vec;tau*del]; for j=1:N sum=sum+sign(Out(j))*y(j+tau); end Rxy_i = (a/N)*sum; sum=0.0; Rxy = [Rxy; tau Rxy_i]; end % Compute ghat & g ind = length(Rxy); C = -Rxy(ind, 2); S = (N+1)*a^2*del/N; Rxy_iDel = Rxy(:,2); ghat=(Rxy_iDel+ C )/S; ghat(1)=2*ghat(1); g = 10*exp(-10.*iDel_vec); 西北工业大学系统辩识大作业 题目：最小二乘法系统辨识 一、 问题重述： 用递推最小二乘法、加权最小二乘法、遗忘因子法、增广最小二乘法、广义最小二乘法、辅助变量法辨识如下模型的参数 离散化有 z^4 - 3.935 z^3 + 5.806 z^2 - 3.807 z + 0.9362 ---------------------------------------------- = z^4 - 3.808 z^3 + 5.434 z^2 - 3.445 z + 0.8187 噪声的成形滤波器 离散化有 4.004e-010 z^3 + 4.232e-009 z^2 + 4.066e-009 z + 3.551e-010 ----------------------------------------------------------------------------- = z^4 - 3.808 z^3 + 5.434 z^2 - 3.445 z + 0.8187 采样时间0.01s 要求：1.用Matlab 写出程序代码； 2.画出实际模型和辨识得到模型的误差曲线； 3.画出递推算法迭代时各辨识参数的变化曲线； 最小二乘法: 在系统辨识领域中 ,最小二乘法是一种得到广泛应用的估计方法 ,可用于动态 ,静态 , 线性 ,非线性系统。在使用最小二乘法进行参数估计时 ,为了实现实时控制 ,必须优化成参数递推算法 ,即最小二乘递推算法。这种辨识方法主要用于在线辨识。MATLAB 是一套高性能数字计算和可视化软件 ,它集成概念设计 ,算法开发 ,建模仿真 ,实时实现于一体 ,构成了一个使用方便、界面友好的用户环境 ,其强大的扩展功能为各领域的应用提供了基础。对 4324326.51411.5320120232320 Y s s s s G U s s s s ++++== ++++432 120120232320 E N W s s s s == ++++ 系 统 辨 识 作 业 系统辨识作业： ?已知某系统为单输入/单输出系统，其测量噪声为有色噪声，分布未知。 现给出一个实验样本(如下表所示)，求该系统模型。 说明： 可采用GLS ，ELS ，IV 等，要定阶，要比较仅用RLS 的计算结果 一、问题分析 在估计模型参数时需要已知模型的阶数，但是由于本系统模型阶数也是未知的，所以本系统需要先由输入/输出数据通过辩识得出系统的阶数。然后根据辨识的系统阶数再分析求解系统模型。 二、模型阶数的辨识 按照品质指标“残差平方总和”定阶，如高阶系统模型相应的系数为零，则可退化成相应的低阶系统即低阶模型可视为高阶模型的特例。理论上高阶模型的精度不低于低阶模型，但是考虑到计算机的舍入误差的影响，过高的阶数亦能引起模型精度的下降。一般说低阶模型描述粗糙，高阶模型精度高，但是代价亦大。根据逼近的观点，定阶往往是考虑多种因素的折衷。定阶一般是按照假设——检验的步骤进行的，检验过程中往往带有主观成分。 一般说来低阶模型描述粗糙，高阶模型精度高。残差平方总和J(n)是模型阶数的函数 在不同的模型阶数的假设下，参数估计得到的J(n)值亦不同。定阶的最简单办法是直接用J(n)。设模型阶数的“真值”为n 0 ,当n < n 0 时随着n 的增加，J(n)值将明显的下降；而当n ≥ n 0 时随着n 的增加，J(n)值变化将不显著。因此，由J(n)曲线随着n 的增加最后一次陡峭下降的n 值定做n 的估计值。用数理统计的检验方法，判断n 的增加使得J(n)值改善是否明显。 讨论如下 (1).当n=1时程序如下: clear u=zeros(100,1);%构造输入矩阵 z=zeros(100,1);%构造输出矩阵 u=[-0.93249 0.34935 0.76165 -0.9964 -0.38894 -0.12288 0.021565 -0.49555 -0.61624 -1.912 0.22207 -0.31231 -0.17866 -1.8356 -0.26472 1.7642 -1.0418 1.1146 -2.0856 0.8152 1.5094 -0.5822 0.61097 0.35521 2.5907 1.5843 -0.9603 -0.27341 0.39947 0.17493 -1.7451 0.8112 1.2645 1.5682 0.63959 -0.47757 0.99697 0.058774 -0.16174 -1.2928 -0.04722 0.73182 -0.19644 0.091783 -1.1908 -0.90716 0.85388 0.33836 0.74074 0.54181 0.15676 -0.50569 -0.17521 1.3255 -2.488 0.50261 -1.1533 0.36407 0.65283 -0.05983 ∑=-=N k T K k y n J 12 ) )(()(θ? 论文 系统辨识 姿态角控制 1.系统辨识概述 辨识、状态估计和控制理论是现代控制理论三个相互渗透的领域。辨识和状态估计离不开控制理论的支持，控制理论的应用又几乎不能没有辨识和状态估计技术。随着控制过程复杂性的提高，控制理论的应用日益广泛，但其实际应用不能脱离被控对象的数学模型。然而在大多数情况下，被控对象的数学模型是不知道的，或者在正常运行期间模型的参数可能发生变化，因此利用控制理论去解决实际问题时，首先需要建立被控对象的数学模型。系统辨识正是适应这一需要而形成的，他是现代控制理论中一个很活跃的分支。社会科学和自然科学领域已经投入相当多的人力去观察、研究有关的系统辨识问题。 系统辨识是建模的一种方法，不同的学科领域，对应着不同的数学模型。从某种意义上来说，不同学科的发展过程就是建立他的数学模型的过程。辨识问题可以归结为用一个模型来表示可观系统（或将要改造的系统）本质特征的一种演算，并用这个模型吧对客观系统的理解表示成有用的形式。当然可以刻有另外的描述，辨识有三个要素： 数据，模型类和准则。辨识就是按照一个准则在一组模型类中选择一个与数据拟合得最好的模型。总而言之，辨识的实质就是从一组模型类中选择一个模型，按照某种准则，使之能最好地拟合所关心的实际过程的静态或动态特性。 通过辨识建立数学模型的目的是估计表征系统行为的重要参数，建立一个能模仿真实系统行为的模型，用当前可测量的系统的输入和输出预测系统输出的未来演变，以及设计控制器。对系统进行分析的主要问题是根据输入时间函数和系统的特性来确定输出信号。对系统进行控制的主要问题是根据系统的特性设计控制输入，使输出满足预先规定的要求。而系统辨识所研究的问题恰好是这些问题的逆问题。通常，预先给定一个模型类{}M（即给定一类已知结构的模型），一类输入信号u和等价准则(,)JLyyM（一般情况下，J是误差函数，是过程输出y和模型输出yM的一个泛函）；然后选择是误差函数J达到最小的模型，作为辨识所要求的结果。系统辨识包括两个方面：结构辨识和参数估计。在实际的辨识过程中，随着使用的方法不同，结构辨识和参数估计这两个方面并不是截然分开的，而是可以交织在一起进行的 一、控制对象 本文采用了控制不同电机转速组合的方法，对四轴旋翼蝶形飞行器进行姿态控制，使四旋翼蝶形飞行器在不同姿态下飞行时具有较好的性能。为了实现四轴旋翼蝶形飞行器的飞行控制，对飞行的控制系统进行了初步的设计，并给出了设计流程。同时利用matlab对四轴旋翼 光纤通信系统技术的发展与展望 发表时间：2018-11-02T12:10:13.943Z 来源：《防护工程》2018年第15期作者：周中亮 [导读] 随着国家科学技术水平的提升，光纤通信领域的发展得到了不小的突破与创新，很多行业领域都会将光纤通信技术融入到实际工作中 周中亮 哈尔滨太平国际机场 摘要:随着国家科学技术水平的提升，光纤通信领域的发展得到了不小的突破与创新，很多行业领域都会将光纤通信技术融入到实际工作中，以此来为工作的顺利开展提供有利条件。近年来，很多科研团队也提高了对光纤通信系统技术的重视与研究，并对技术的应用原理和注意事项等内容进行了深入的研究，从而为日后技术应用价值的提升奠定良好基础。本篇文章就光纤通信系统技术的发展与展望进行简单论述，并提出一些观点，希望能对相关人士的研究有所帮助。 关键词:光纤；通信；技术；发展 光纤通信系统技术在现阶段国家建设与发展中扮演着非常重要的角色，与人们的生活与以及工作质量有着紧密的联系。在近几年的发展中，很多科研团队以及国家相关部门都提高了对此技术的重视与研究。一方面是由于光线通信系统技术具有一定的专业性与科学性，需要操作人员能够熟练掌握技术的操作原理和要点，以此来保证技术应用效果。另一方面是由于光线通信系统技术的发展趋势还需要进行进一步的探讨，明确其发展方向与目标才能为国家建设奠定良好的基础。 一、光纤通信系统技术的发展现状 光线通信是信息时代的产物，不仅对很多行业领域的发展有着重要影响，还间接的影响着国家经济发展水平。要想进一步提高光线通信系统技术的应用价值，那么相关科研团队就要对该技术的发展现状进行全面的了解与掌握。 1、光弧子载体方面 由于光弧子的超短光脉冲特点，以它作为载体的经过光纤长距离的运输后，波形和速度都可以较大程度保持不变，从而保证了零误码的情况。在很早以前就有实验研究了光弧子，随后又进行了一系列实验才说明了光弧子是可以作为运输载体的。由此，全世界的许多国家都积极展开了研究探讨，比如美国和日本进行了双信道波分复用弧子通信系统和直通光弧子通信系统的实验。光弧子具有容量大、抗干扰性强，适用于长距离运输的特点，将光纤通信技术发展推进了一步。 2、光波分复用技术方面 利用光波分复用技术可以使多束激光在一条光纤上传播多个不同波长的光波，让光纤通信具有更大的容量，改善了光纤传输量问题，得到了广泛的运用。特别是近几年，日本首先成功研发出世界最高容量的WDM系统，使得光波分复用系统得到传播，有效的克服了光纤通信发展过程中的困难，带来了巨大的经济效应。目前，还有将波分复用和光时分复用相结合，将多束激光再一次复分，从而更加大大提高传输容量。 3、光纤接入技术方面 进入信息时代，人们的通信数量和频率都日益增加，互联网、物联网等多媒体服务也有着更广泛的运用，这就需要宽带能力强的光纤接入。而其中，PON技术与多种技术相结合产生成本较低的EPON技术，依赖于以太网，作为最佳接入网。有了进一步的相结合后，EPON技术还可以扩展到更广阔的网络环境中，连接更多的设备，使光纤通信技术有了质的飞跃。 二、光纤通信系统技术的未来展望 就现阶段光纤通信系技术的发展情况开展，超高速传输系统领域以及光传送联网技术领域中会经常出现其身影。另外，光接入网技术也逐渐被融入到光纤通信系统技术中，不仅为其未来的发展带来了不小的机遇与挑战，还在很大程度上推进着光纤通信系统技术的可持续发展。 1、超高速系统的发展 目前10Gbps系统已开始大批量装备网络，主要在北美，在欧洲、日本和澳大利亚也已开始大量应用。但是，10Gbps系统对于光缆极化模色散比较敏感，而已经铺设的光缆并不一定都能满足开通和使用10Gbps系统的要求，需要实际测试，验证合格后才能安装开通。它的比较现实的出路是转向光的复用方式。光复用方式有很多种，但目前只有波分复用(WDM)方式进入了大规模商用阶段，而其它方式尚处于试验研究阶段。 2、超大容量WDM系统的发展 采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽，然而光纤的200nm可用带宽资源仅仅利用率低于1％，还有99％的资源尚待发掘。如果将多个发送波长适当错开的光源信号同时在一级光纤上传送，则可大大增加光纤的信息传输容量，这就是波分复用的基本思路。基于WDM应用的巨大好处及近几年来技术上的重大突破和市场的驱动，波分复用系统发展十分迅速。 3、实现光联网的发展 上述实用化的波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量，但基本上是以点到点通信为基础的系统，其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能实现类似SDH在电路上的分插功能和交叉连接功能的话，无疑将增加新一层的威力。根据这一基本思路，光光联网既可以实现超大容量光网络和网络扩展性、重构性、透明性，又允许网络的节点数和业务量的不断增长、互连任何系统和不同制式的信号。 由于光联网具有潜在的巨大优势，美欧日等发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行预研，特别是美国国防部预研局(DARPA)资助了一系列光联网项目。光联网已经成为继SDH电联网以后的又一新的光通信发展高潮。建设一个最大透明的、高度灵活的和超大容量的国家骨干光网络，不仅可以为未来的国家信息基础设施奠定一个坚实的物理基础。 4、新代光纤的发展 目前，为了适应干线网和城域网的不同发展需要，已出现了两种不同的新型光纤，即非零色散光(G.655光纤)和无水吸收峰光纤。其中，全波光纤将是以后开发的重点，也是现在研究的热点。从长远来看，BPON技术无可争议地将是未来宽带接入技术的发展方向，但从当前技术发展、成本及应用需求的实际状况看，它距离实现广泛应用于电信接入网络这一最终目标还会有一个较长的发展过程。 系统辨识大作业 最小二乘法及其相关估值方法应用 学院：自动化学院 学号： 姓名：日期： 基于最小二乘法的多种系统辨识方法研究 一、实验原理 1.最小二乘法 在系统辨识中用得最广泛的估计方法是最小二乘法(LS)。 设单输入-单输出线性定长系统的差分方程为 (5.1.1) 式中:为随机干扰；为理论上的输出值。只有通过观测才能得到，在观测过程中往往附加有随机干扰。的观测值可表示为 (5.1.2) 式中:为随机干扰。由式(5.1.2)得 (5.1.3) 将式(5.1.3)带入式(5.1.1)得 (5.1.4) 我们可能不知道的统计特性，在这种情况下，往往把看做均值为0的白噪声。 设 (5.1.5) 则式(5.1.4)可写成 (5.1.6) 在观测时也有测量误差，系统内部也可能有噪声，应当考虑它们的影响。因此假定不仅包含了的测量误差，而且包含了的测量误差和系统内部噪声。假定是不相关随机序列(实际上是相关随机序列)。 现分别测出个随机输入值，则可写成个方程，即 上述个方程可写成向量-矩阵形式 (5.1.7) 设 则式(5.1.7)可写为 (5.1.8) 式中：为维输出向量；为维噪声向量；为维参数向量；为测量矩阵。因此式(5.1.8)是一个含有个未知参数，由个方程组成的联立方程组。如果，方程数少于未知数数目，则方程组的解是不定的，不能唯一地确定参数向量。如果，方程组正好与未知数数目相等，当噪声时，就能准确地解出 (5.1.9) 如果噪声，则 (5.1.10) 从上式可以看出噪声对参数估计是有影响的，为了尽量较小噪声对估值的影响。在给定输出向量和测量矩阵的条件下求系统参数的估值，这就是系统辨识问题。可用最小二乘法来求的估值，以下讨论最小二乘法估计。 2.最小二乘法估计算法 设表示的最优估值，表示的最优估值，则有 (5.1.11) 写出式(5.1.11)的某一行，则有 (5.1.12) 设表示与之差，即 - (5.1.13)式中 成为残差。把分别代入式(5.1.13)可得残差。设 则有 (5.1.14) 最小二乘估计要求残差的平方和为最小，即按照指数函数 (5.1.15) 为最小来确定估值。求对的偏导数并令其等于0可得 (5.1.16) (5.1.17) PROBLEM:PROGRAMME TESTING Given the following SISO systems described by transfer-function containing 4 polynomials: 121212 12121212 11 1.50.71.0.511 1.50.711 1.50.72.0.510.21 1.50.7A q F q q q B q q q C q D q q q A q F q q q B q q q C q q q D q q q Input signal u(t) is the Maximum Length PRBS with amplitude 1a and trend 0.0001t u t t , other parmateres of M-PRBS will be determined by the examined-students. Disturbance e t is the Gaussian-distribution white noise with zero mean and variances ,Let 0.2and 1.2respectively. 1.For every system , generate input-output signals by means of MATLAB, select the data length L=1000. 2.Suppose ,now, you view the system a s a black-box ,you don ’t know anything about it including order and parameters. The unique information is just above data. Please identify the process model, B/F, based on the data and using MATLAB package. Take reference of the examples in the texbook 17.3 to get preliminary models, further models and final choice of model by proper identification method. https://www.wendangku.net/doc/a7549516.html,pare the obtained models with the true system(original transfer-function). Compare the models obtained under different conditions with each other. Note:The examined-student should give a clear procedure of solving problems and offer flow-chart,etc. e u(t) + y(t) B F C D系统辨识之经典辨识法
光纤通信系统与应用(胡庆)复习总结
系统辨识大作业1201张青
系统辨识作业2
光纤通信系统与网络
最优估计大作业1.
系统辨识大作业论文Use
光纤通信系统与网络试卷及答案教学提纲
系统辨识与自适应控制论文
自适应控制大作业
系统辨识
2003版系统辨识最小二乘法大作业
系统辨识
系统辨识大作业加学习心得
光纤通信系统技术的发展与展望
系统辨识最小二乘法大作业 (2)
系统辨识作业解析