《光纤通信》第8章复习思考题参考答案

由天下分享时间：2024/12/3 17:19:49 加入收藏我要投稿点赞

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第8章复习思考题

参考答案

8-1 光纤通信系统的基本结构有哪几种

答：光纤通信系统除点对点结构外，另外四种基本结构是树形、总线形、环形和星形，如图8.1.1所示。

图8.1.1 光纤通信网络基本结构

8-2 试画出点对点光纤传输系统的构成框图

答：图8.1.2给出了采用光-电-光再生中继和光放大中继的点对点光纤传输系统示意图。

图8.1.2 点对点光纤传输系统

8-3 什么是损耗限制系统？什么是色散限制系统

答：光纤色散导致光脉冲展宽，从而构成对系统BL乘积的限制。当色散限制传输距离小于损耗限制的传输距离时，系统是色散限制系统。

否则，就是损耗限制系统。在给定工作波长下，L随着B 的增加按对数关系减小。在短波长0.85 m波段上，由于光纤损耗较大（典型值为2.5 dB/km），根据码率的不同，中继距离通常被限制在10~30 km。而长波长1.3~1.6 m系统，由于光纤损耗较小，在1.3 m处损耗的典型值为0.3~0.4 dB/km，在1.55 m处为0.2 dB/km，中继距离可以达到100~200

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km，尤其在1.55 m波长处的最低损耗窗口，中继距离可以超过200 km。一般说来，1.3 m单模光纤通信系统在 B < 1 Gb/s 时为损耗限制系统，在B >1 Gb/s时可能成为色散限制系统。

8-4 若光纤的色散太大，将给系统带来什么问题

答：色散引起脉冲展宽，可能对系统的接收性能形成两方面的影响。

首先，脉冲的部分能量可能逸出到比特时间以外而形成码间干扰。这种码间干扰可以采用线性通道优化设计，即使用一个高增益的放大器（主放大器）和一个低通滤波器，有时在放大器前也使用一个均衡器，以补偿前端的带宽限制效应，使这种码间干扰减小到最小。

其次，由于光脉冲的展宽，在比特时间光脉冲的能量减少，导致在判决电路上SNR降低。为了维持一定的SNR，需要增加平均入射光功率。

8-5 简述系统对激光器、探测器和光纤的技术要求

答：光纤通信对光源的要：

（1）电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高；

（2）单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光源和光纤的耦合效率；采用单纵模激光器可以使模分配噪声（MPN）的影响降到最小；边模抑制比MSR > 100（20 dB）时，可使模分配噪声（MPN）的影响降到最小。

（3）对于模拟调制，还要求光强随驱动电流变化的线性要好，以保证有足够多的模拟调制信道。

（4）但是在1.55 m波长系统中，即使采用边模抑制比大的单模LD，LD的频率啁啾也是对系统的主要限制因素。

（5）因此高速光纤通信系统，多采用多量子阱结构DFB LD，以减小频率啁啾的影响。

对光电探测器的要灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应与光纤芯径匹配。

对光纤的基本要：从发射光源耦合进光纤的光功率要最大，光信号通过光纤传输后产生的畸变要最小，光纤的传输窗口要满足系统应用的要求。具体的设计要根据使用条件进行折中。

（1）衰减

在选定的波长，衰减要足够小，以使在满足接收机所要求的光功率的前提下，使中继距离尽可能大。

（2）耦合损耗

它包括光源耦合损耗和检测器耦合损耗。纤芯尺寸和数值孔径大，可减小光源的耦合损耗；但要增加检测器耦合损耗。为了减小和检测器的耦合损耗，要求纤芯尺寸和数值孔径要足够小，以使出射光完全落在检测器上。纤芯尺寸和数值孔径大的光纤，其传输带宽小，适合于采用发光管（LED）的系统。

（3）连接损耗

连接损耗包括连接器和接头的损耗。纤芯直径的公差、不圆度和纤芯与包层同心度误差要尽可能小，以得到最小连接损耗。提高光纤的几何精度，要增加制造成本，增大纤芯尺寸和数值孔径可以减小几何公差对连接损耗的不利影响，但与增大带宽相矛盾。

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（4）色散和带宽

为了使已调制的光信号以最小畸变通过光纤全长，光纤色散要足够小。为了减小光纤色散，要严格控制折射率分布指数（g）和零色散波长。对具体系统要正确选择光纤类型和工作波长，例如长距离高速率海缆系统要选择零色散移位到1.55 m的G.654单模光纤。波分复用系统要选择色散系数虽然很小、但不为零的G.655单模光纤，以减小四波混频的影响。用于城域网的 DWDM 系统要选择因无水峰可用波长围特别宽的全波光纤。采用发光管（LED）的系统，要充分考虑材料色散的影响等。

8-6 请说明光中继器的功能

答：任何光纤通信系统的传输距离都受光纤损耗或色散限制，因此，传统的长途光纤传输系统需要每隔一定的距离就增加一个再生中继器，以便保证信号的质量。这种再生中继器的基本功能是进行光-电-光转换，并在光信号转换为电信号时进行整形、再生和定时处理，（即所谓的3R中继器），恢复信号形状和幅度，然后再转换回光信号，沿光纤线路继续传输。这种方式有许多缺点。首先，通信设备复杂，系统的稳定性和可靠性不高，特别是在多信道光纤通信系统中更为突出，因为每个信道均需要进行波分解复用，然后进行光-电-光转换，经波分复用后再送回光纤信道传输，所需设备更复杂，费用更昂贵；其次，传输容量受到一定的限制。

另一种是全光中继器，去掉了上述光-电-光转换过程，直接在光路上对信号进行放大，然后再传输，即用一个全光传输中继器代替目前的这种光-电-光3R（Reshaping, Regenerating, Retiming，3R）再生中继器。

8-7 影响中继距离的因素有哪些？是如何影响的

答：中继距离L是系统的一个重要设计参数，它决定着系统的成本。局间距离较长时，光发射机发出的光信号在传输过程中，由于线路损耗和色散的存在，会使信号波形畸变，误码率增加。为此，必须考虑在线路中间增加再生中继器。中继间距过短，会增加中继器数量，使建设成本增加；中继间距过长，会使系统性能变差，不能满足系统对性能的要求。所以必须合理设计中继间距。中继器有光-电-光3R中继器和光放大中继器，选择何种中继器，也需要考虑。

中继间距L随光纤损耗的减小而增加，同时它也随接收机灵敏度和光源输出光功率的提高而增加。

由于光纤的色散，中继距离L与系统码率B有关。在点对点的传输中，码率、中继距离乘积BL是表征系统性能的一个重要指标。由于光纤的损耗和色散都与波长有关，所以BL也与波长有关。对工作波长0.85 m的第一代商用化光纤通信系统，BL的典型值在1 (Gb/s)km左右，而1.55 m波长的第三代系统的BL值可以超过1 000 (Gb/s)km。

8-8 如何进行系统的功率预算

答：光纤通信系统功率预算的目的是，保证系统在整个工作寿命，接收机要具有足够大的接收光功率，以满足一定的误码率要求。如果接收机的接收灵敏度为Prec，发射机的平均

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输出光功率为Pout，则应该满足

Pout?Prec?Ltot?Pmar （8.2.1）

式中，Ltot是通信信道的所有损耗，Pmar为系统的功率余量，Pout和Prec的单位为dBm，Ltot和Pmar的单位用dB表示。为了保证系统在整个寿命，因元器件劣化或其他不可预见的因素，引起接收灵敏度下降，此时系统仍能正常工作，在系统设计时必须分配一定的功率余量，一般考虑Pmar为6~8 dB。

信道的损耗Ltot应为光纤线路上所有损耗之和，包括光纤传输损耗、连接及熔接损耗，假如?表示光纤损耗系数（单位为dB/km），L为传输长度，Lcon为光纤连接损耗，Lspl为光纤熔接损耗。通常光纤的熔接损耗包含在传输光纤的平均损耗，连接损耗主要是指发射机及接收机与传输光纤的活动连接损耗。光纤线路上总损耗可表示为

Ltot??L?Lcon?Lspl （8.2.2）

举例来说，假定光源输出功率5 dBm（3.2 mW），光源和光纤的耦合损耗3 dB，使用2个连接器，每个有1 dB损耗，平均每2 km有一个熔接头，100 km共有49个接头，每个有0.1 dB损耗。

表8.4.2给出功率预算的结果。由表可知，如果采用APD接收机，则损耗预留有10 dB，如果采用PIN高阻抗接收机，则损耗预留只有2 dB。

表8.4.2 单模 InGaAsP 激光器+单模光纤 1.55 m 系统功率预算

预算项目线路等效增益预算 APD接收机灵敏度Prec PIN-FET高阻抗接收机灵敏度Prec 线路损耗预算光源与光纤耦合损耗Lcpl 2个连接器损耗Lcon 熔接损耗（49个接头）Lfus 光纤损耗（100 km）Lfib 损耗预留 APD接收机 PIN-FET高阻抗接收机 40 dBm 32 dBm 3 dB 2 dB 4.9 dB 25 dB 分类项目 LD输出功率Pout 数值 5 dBm 最终结果 GAPD = 5(40) = 45 dBm GPIN = 5(32) = 37 dBm Ltot = (3+2+4.9+25) = 34.9 dB GAPD + Ltot = 4534.9 = 10.1 dB GPIN + Ltot = 3734.9 = 2.1 dB 8-9 如何进行系统的带宽预算

答：系统带宽?f应满足传输一定码率B的要求，使系统各个部件的带宽都大于码率，但由这些部件构成系统的总带宽却有可能不满足传输该码率信号的要求。对于线性系统来说，常用上升时间来表示各组成部件的带宽特性。

光纤通信系统设计必须保证系统上升时间满足

Tr?0.35/B 对于RZ码

Tr?0.70/B 对于NRZ码（8.3.6）光纤通信系统的三个组成部分（光发射机、光纤和光接收机）具有各自的上升时间，系统的总上升时间Tr与这三个上升时间的关系是

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22Tr2?Ttr?Tf2?Trec （8.3.7）

式中，Ttr、Tf和Trec分别为发射机、传输光纤和接收机的上升时间。

一般说来，传输光纤的上升时间Tf应包括模间色散和材料色散引起的贡献，并分别用

Tmod和Tmat表示，即

22Tf2?Tmod?Tmat （8.3.8）

对于单模光纤，模间色散的贡献为零，所以Tf?Tmat。材料色散对上升时间的贡献Tmat用

下式估算