1、原榮 編著 光纖通信（第3版）第7章 復習思考題參考答案7-1 光纖數字通信系統中，選擇碼型時應考慮哪幾個因素答：光纖傳輸系統光源的發射功率和線性都有限，因此通常選擇二進制脈沖傳輸，因為傳輸二進制脈沖信號對接收機SNR的要求非常低（15.6 dB，見5.5.2節），甚至更低（見7.7.2節），對光源的非線性要求也不苛刻。信道編碼的目的是使輸出的二進制碼不要產生長連“1”或長連“0”（Consecutive Identical Digits, CID），而是使“1”碼和“0”碼盡量相間排列，這樣既有利于時鐘提取，也不會產生因長連零信號幅度下降過大使判決產生誤碼的情況。7-2 光纖數字通信系統中常

2、用的線路碼型是什么答：大多數高性能干線系統使用擾碼的NRZ碼，如SDH干線。這種碼型最簡單，帶寬窄，SNR高，線路速率不增加，沒有光功率代價，無需編碼。在發送端只要一個擾碼器，在接收端增加一個解擾碼器即可，使其適合長距離系統應用。擾碼和解擾可由反饋移位寄存器和對應的前饋移位寄存器實現。通過擾碼器可將簡單的二進制序列的“0”碼和“1”碼的分布打亂，并按照一定的規律重新排列，從而減少長串連“0”，或長串連“1”，并使“0”碼和“1”碼的分布均勻，使定時提取容易。但是，擾碼沒有引入冗余度，還不能根本解決問題，所以在現代通信系統中，還需要進行碼變換。mBnB編碼就是一種碼變換。另一種在ITU-T G.

3、703建議中規定PDH接口速率139.264 Mb/s和SDH接口速率155.520Mb/s的物理/電接口碼型是CMI碼，它規定輸入碼字為“0”時，輸出為01；輸入碼字為“1”時，輸出為00或11。雙二進制編碼（Duo Binary，DB）技術能使“0”和“1”的數字信號，經低通濾波后轉換為具有三個電平“1”、“0”和“-1”的信號。這種技術與一般的幅度調制技術比較，信號譜寬減小一半，這就使相鄰信道的波長間距減小，可擴大信道容量，所以有的高速光纖通信系統采用雙二進制編碼。7-3 有幾種光復用技術答：在光域內，信道復用有光時分復用（OTDM）、光頻分復用，即波分復用（WDM）和光碼分復用（OCD

4、M），如圖7-3所示。此外，還有空分復用，比如雙纖雙向傳輸就是空分復用。圖7-3 光纖通信系統利用的各種復用技術7-4 什么是波分復用技術答：為了充分利用光纖的大容量，可在同一根光纖上傳輸多個光信道。就像電頻分復用一樣，在發射端多個信道調制各自的光載波，把這些光載波復用在一起，送入一根光纖傳輸。在接收端使用光頻選擇器件對復用信道解復用，就可以取出所需的信道。使用這種制式的光波系統稱做波分復用（WDM）通信系統。圖7.3.1 硅光纖低損耗傳輸窗口7-5 請簡述光波分復用器和解復用器的工作原理答：波分復用器（WDM）的功能是把多個不同波長的發射機輸出的光信號復合在一起，并注入到一根光纖，如圖7.3

5、.2所示。解復用器的功能與波分復用器正好相反，它是把一根光纖輸出的多個波長的復合光信號，用解復用器還原成單個不同波長信號，并分配給不同的接收機，如圖7.3.2所示。由于光波具有互易性，改變傳播方向，解復用器可以作為復用器，但解復用器要求有波長選擇元件，而復用器則不需要這種元件。根據波長選擇機理的不同，波分解復用器件可以分為無源和有源兩種類型。無源波分解復用器件又可以分為棱鏡型、光柵型和光濾波器型。圖7.3.2 波分復用光纖傳輸系統原理圖7-6 有幾種光調制方法？各自的特點是什么答：在光通信系統中，有非相干調制和相干調制。非相干調制有直接調制和外調制兩種，前者是信息信號直接調制光源的輸出光強，后

6、者是信息信號通過外調制器對連續輸出光的幅度或相位或偏振進行調制（見3.5節）。早期，所有實用化的光纖系統都是采用非相干的強度調制-直接檢測（IM/DD）方式，這類系統成熟，簡單，成本低，性能優良，已經在電信網中獲得廣泛的應用。然而，這種IM/DD方式沒有利用光載波的相位和頻率信息，從而限制了其性能的進一步改進和提高。圖7.1.3 幾種直接強度光調制（IM/DD）方式的實現和示意圖解近來，調制信號相位的正交相移鍵控（DQPSK）和既利用信號偏振又調制信號相位的偏振復用差分正交相移鍵控（PM-DQPSK）受到人們的高度重視，進行了深入的研究，并在40 Gb/s系統中得到了應用。7-7 簡述SCM的

7、特點答：SCM具有如下的特點： 由于微波只作為光傳輸的副載波，因而信號不再經空中傳播，而是經一個封閉的、穩定的光纖信道傳輸，從而避免了與其他微波互相干擾的問題。不發送微波信號到空間，也避免了日益擁塞的微波頻道資源分配和批準問題。 由于一個光通道可以承載多個微波副載波信道，每個副載波又可以分別傳送各種不同類型的業務信號，彼此互相獨立，因而易于實現模擬信號與數字信號的混合傳輸和各種不同業務的綜合和分離。 SCM系統可以充分利用現有的微波和衛星通信的成熟技術和設備，但比現有的微波傳輸容量大得多。 與TDM相比，SCM系統只接收本載波頻帶內的信號和噪聲，因而靈敏度高，也無需復雜的定時同步技術。就傳送電

8、視節目而言，采用TDM方式，一個光載波可以傳輸的典型節目數是1632個，而采用SCM方式至少可以傳送60120個節目，而且成本很低，因而SCM系統在電視分配網中很有競爭力。然而，模擬SCM方式光功率余度較小，如不使用EDFA，在維持端到端性能方面有一定困難，也不適應電信網的數字化趨勢，因而不是長遠的主流發展方向，而是中近期比較經濟的解決方案。但是與密集波分復用和相干光通信技術結合時，將顯出其特有的魅力。7-8 電視臺送到各家各戶的電視節目是采用何種復用技術答：目前廣電網絡采用光纖/電纜混合網（Hybrid Fiber/Coax，HFC），將電視節目送到千家萬戶，它是一種典型的頻分復用光纖通信系

9、統，主要任務是把多頻道模擬視頻信號以FDM技術復用在一起，通過光纖和電纜以廣播的形式傳送到千家萬戶。7-9 SDH采用何種復用技術答：同步數字制式（SDH）光纖傳輸系統采用電時分復用（TDM）技術。時分復用（Time-Division Multiplexing，TDM）是采用交錯排列多路低速模擬或數字信道到一個高速信道上傳輸的技術。時分復用系統的輸入可以是模擬信號，也可以是數字信號。目前TDM通信方式的輸入信號為數字比特流。7-10 不同等級的STM-N 速率是多少答：STM-0STM-256的速率如圖7.3.9所示。圖7.3.9 SDH的等級復用7-11 SDH 幀中的傳送順序是什么答：SD

10、H的幀結構是塊狀幀，如圖7.3.7所示，它由橫向270 N列和縱向9行字節（1字節為8比特）組成，因而全幀由2 430個字節，相當于19 440個比特組成，幀重復周期仍為125 ms。字節傳輸由左到右按行進行，首先由圖中左上角第1個字節開始，從左到右，由上而下按順序傳送，直至整個9 270 N字節都傳送完為止，然后再轉入下一幀，如此一幀一幀地傳送，每秒共8 000幀。圖7.3.7 STM-N 幀結構7-12 SDH幀的開銷是指什么意思？列出兩種關鍵的SDH復用設備。我國同步網的結構如何？答：由圖7.3.7可知，整個幀結構大體可以分為三個區域，即段開銷域、管理指針域和凈荷域。段開銷（SOH）域，

11、它是指在STM幀結構中，為了保證信息正常靈活傳送所必需的附加字節，主要是些維護管理字節。在凈負荷中，還包含通道開銷字節，它是用于通道性能監視、控制、維護和管理的開銷比特。SDH復用設備有終端復用器(TM)和分插復用器(ADM), 如圖7-12所示。圖7-12a 適合我國制式的SDH復用設備我國SDH網同步結構采用多基準鐘、分區等級主從同步方式，要求所有網絡單元時鐘都能最終跟蹤到全網的基準主時鐘。北京、武漢各建立一個以銫鐘為主，包括GPS接收機的高精度基準主時鐘，稱為PRC。其他各省各建立一個以GPS接收機為主、以銫鐘為輔的區域基準時鐘，稱為LPR。地面傳輸同步信號一般采用PDH 2Mb/s專線

12、。圖7.12b 我國SDH網時鐘同步結構7-13 手機信號和國定電話信號各采用何種復用技術答：手機信號采用碼分復用(CDM)技術，而國定電話信號采用時分復用（TDM）技術。7-14 簡述SCM和WDM的復用過程答：圖7.3.1為電頻分復用（FDM）的原理圖。本質上，頻分復用是在頻率上把基帶帶寬分別為(Df )1、(Df )2、(Df )N的多個信息通道，分別調制到不同的載波上，然后再“堆積”在一起，以便形成一個合成的電信號，然后用這一合成信號以某種調制方式去調制光載波。經光纖信道傳輸后，在接收端對光信號進行解調，再進一步借助帶通濾波器（BPF）與各信道的頻率選擇器（電相干檢測），將各基帶信息分

13、離和重現出來。波分復用是在頻率上把基帶帶寬分別為(Df )1、(Df )2、(Df )N的多個信息通道，分別調制到不同的光載波上（注意與SCM的電載波不同），如圖8.1.6所示，然后再通過波分復用器將這些光信號（注意與SCM的電載波不同）“堆積”在一起，以便形成一個合成的光信號，經光纖信道傳輸。光波分復用（WDM）解調，是用光纖法布里-珀羅濾波器或者采用相干檢測技術，首先把各個光載波分離和重現出來，然后用帶通濾波器和各信道的頻率選擇器，把基帶信號分離和重現出來。圖7.3.1 電頻分復用光纖傳輸系統原理圖圖8.1.6 一種可能的DWDM系統集線器7-15 什么是相干光通信答：相干檢測系統，就像傳

14、統的無線電和微波通信一樣，用調制光載波的頻率或相位發送信息，在接收端，使用零差或外差檢測技術恢復原始的數字信號。因為光載波相位在這種方式中扮演著重要的角色，所以稱為相干通信，基于這種技術的光纖通信系統稱為相干通信系統。7-16 相干光通信的工作原理是什么答：在原理上，激光外差檢測與無線電外差接收機的相似，是基于無線電波或激光光波的相干性和檢測器的平方律特性的檢測。相干光波系統是信號光在接收端入射到光電探測器之前，用另外一個稱為本地振蕩器產生的窄線寬光波與它相干混頻，如圖7.5.1所示。接收到的光信號與本振光混合后經光探測器接收，光探測器的輸出為 （7.5.7）式中，Ps是信號光，PLO是本振光

15、，是信號光頻和本振光頻之差。當時，要想恢復基帶信號，首先必須把接收光信號載波頻率轉變為中頻（典型值為 0.15 GHz）信號，然后再把該中頻信號轉變成基帶信號，這種相干檢測稱為外差檢測。當時，可以把接收到的光信號直接變成基帶信號，這種方式稱為零差檢測。雖然零差檢測看起來簡單，但實現起來卻相當困難。因為式（7.5.7）中本振光的出現，接收到的光信號被放大了，從而提高了SNR。圖7.5.1 相干檢測原理框圖7-17 相干接收的優點是什么？為什么答：相干接收的優點是：接收機靈敏度與 IM/DD 系統相比可以改進 20dB，從而在相同發射機功率下，允許傳輸距離增加100 km；使用相干檢測可以有效地利

16、用光纖帶寬。前者是因為在式（7.5.7）中，本振光的出現，使接收到的光信號放大了，從而提高了SNR。后者是因為光頻間距可以進一步減小。7-18 請簡述電光調制的工作原理答：電光調制基于晶體和各向異性聚合物中的線性電光效應，即電光材料的折射率n隨施加的外電場E而變化，從而實現對激光的調制。假設入射光為與y軸成45o角的線偏振光E，我們可以把入射光用沿x和y方向的偏振光 和 表示，對應的折射率分別為 和 。于是當Ex沿橫軸傳輸距離L后，它引起的相位變化為 （3.5.4）當EY沿橫軸傳輸距離L后，它引起的相位變化為，其表達式與式（3.5.4）類似，只是改變下標。于是Ex和Ey產生的相位變化為 （3.

17、5.5）于是施加的外電壓在兩個電場分量間產生一個可調整的相位差，因此出射光波的偏振態可被施加的外電壓控制。圖3.5.2 橫向線性電光效應相位調制器7-19 請簡述外差同步解調與包絡解調的區別及特點。答：圖7.5.2表示外差同步解調接收機方框圖。光電探測器產生的光電流通過帶通濾波器（BPF），該濾波器的中心頻率為信號光頻和本振光頻的差頻 。因此產生的基帶信號是 （7.5.17）同步解調要求恢復中頻（微波載波），有幾種方法可以實現。所有的方法均要求一種電鎖相環路。圖7.5.2 外差同步解調接收機方框圖圖7.5.3表示外差異步解調接收機方框圖。它不要求恢復中頻（微波載波），所以可簡化接收機的設計。使

18、用包絡檢波和低通濾波，把帶通濾波后的信號轉變為基帶信號，送到判決電路的信號為 （7.5.18）圖7.5.3 外差異步解調（包絡檢波）接收機方框圖外差異步解調與外差同步解調的差別在于，接收機噪聲的同相和異相正交成分均影響信號質量。所以外差異步解調接收機的信噪比和接收機靈敏度均有所降低，不過，靈敏度下降相當小（0.5 dB）。同時，異步解調對光發射機和本振光的線寬要求卻是適中的。因此，外差異步接收機在相干光波系統的設計中扮演著主要的角色。7-20 請簡述外差接收機與零差接收機的區別及特點答：零差檢測時，選擇本振光頻與信號光載波頻率相同，所以。零差檢測產生的信號電流為 （7.5.6）由此式可看出零差

19、檢測的優點。由于直接檢測產生的信號電流僅為，所以零差檢測平均電信號功率比直接檢測的擴大倍。通常，所以該值將增加幾個數量級。雖然散粒噪聲也增加了，但是零差檢測仍可擴大信噪比 （SNR）許多倍。零差檢測的缺點是它對相位的變化非常敏感，使零差接收機的設計相當復雜。此外，還要求信號光和本振光頻率匹配，因此，對這兩種光源提出苛刻的要求。在外差檢測情況下，選擇本振光頻與信號載波光頻不同，使其差頻落在微波范圍內（）。外差檢測產生的信號電流為 （7.5.8）與零差檢測類似，因為該式中本振光的出現，接收到的光信號被放大了，從而提高了SNR。然而，SNR的改進只是零差檢測的1/2。但是，3 dB代價帶來的優點是接

20、收機設計相對簡單，因為不再需要光相位鎖定環路。雖然，和 的隨機變化仍需要使用窄線寬的信號和本振半導體激光器，然而，異步解調方式對線寬的要求相當寬松。7-21 什么是光孤子答：孤子（Soliton）被用來描述在非線性介質中脈沖包絡像粒子的特性，在一定的條件下，該包絡不僅無畸變地傳輸，而且存在著像粒子那樣的碰撞特性。光纖中也存在孤子，光孤子是一種特別的波，它可以傳輸很長的距離而不變形，而且即使兩列光孤子波相互碰撞后，依然保持各自原來的形狀不變。7-22 光孤子是如何形成的答：光纖孤子的存在是光纖群速度色散（GVD）和自相位調制（Self-Phase-Modulation，SPM）平衡的結果。大家知

21、道，群速度色散和自相位調制單獨作用于光纖傳輸的光脈沖時，均限制光纖通信系統的性能。群速度色散使傳輸波形展寬，而自相位調制則使波形中較高頻率分量不斷累積，使波形變陡。若將這兩種對立因素結合在一起，相互平衡就有可能保特波形穩定不變。光孤子現象就是利用隨光強而變化的自相位調制特性來補償光纖中的群速度色散，從而使光脈沖波形在傳輸過程中始終維特不變。光纖傳輸損耗則由光纖放大器的增益來補償，這樣就可能使光脈沖經過長距離傳輸后仍然維持波形的幅度和形狀不變，如圖7.5.2所示，形成所謂的“光孤子”。圖7.5.2 光孤子在長距離光纖線路上傳輸的波形7-23 簡述光雙二進制碼（ODB）、差分相移鍵控（DPSK）、

22、差分正交相移鍵控（DQPSK）和偏振復用差分正交相移鍵控（PM-DQPSK）的工作原理答：光雙二進制碼（ODB）工作原理光雙二進制編碼技術能使具有兩個數值（“0”和“1”）的信號，經低通濾波后變換為具有3個值（“1”，“0”，“-1”）的信號。實際中，為了應用方便，使“1”對應“+1”和“-1”，“0”對應“0”。這種技術與一般的幅度調制技術比較，信號譜寬幾乎是NRZ信號的一半，這就使得相鄰信道的波長間距可以減小。圖7.7.2表示光雙二進制（ODB）調制傳輸系統的收發機原理圖和光信號星座圖。將產生的雙二進制信號輸入到電光調制器MZM，使MZM工作在推挽狀態，光信號的“ON”狀態表示電信號的“-

23、1” 和“+1”，且有“0”和“p” 相位之分；光信號的“OFF”狀態表示電信號的“0”。由此產生了三狀態的ODB信號。這里MZM扮演一個ODB濾波器的作用。在接收端，因為接收到的光信號“ON”狀態對應電信號的“-1” 和“+1”，具有相同的光功率，不同的是相位相差 p，所以ODB的解碼可用常規的平方律光電轉換器實現。因此，普通的非歸零（NRZ）碼光接收機就可以接收ODB信號。（a）發送機 （b）接收機 （c）光信號星座圖圖7.7.2 光雙二進制（ODB）調制傳輸系統光收發機原理圖和光信號星座圖差分相移鍵控（DPSK）工作原理借助使用DPSK調制，光纖通信系統不再發送信號的強度，而是發送相鄰兩

24、個比特信息的相位差，圖7.7.4給出DPSK傳輸的發送機、接收機和星座圖。（a）發送機 （b）接收機 （c）光信號星座圖圖7.7.4 DPSK傳輸的光發送機、接收機和星座圖歸零碼差分正交相移鍵控（RZ-DQPSK）工作原理我們知道，多進制信號與二進制信號相比，可以減小數字信號的帶寬。一般來說，L進制信號的帶寬是相應的二進制信號帶寬的1/l，其中l = log 2 (L)， QPSK是一種4進制的調制方式。RZ-DQPSK傳輸制式每符號傳輸2個比特，對于43 Gb/s系統，其符號率減小到21.5 G波特。其發送機、接收機和星座圖如圖7.7.5所示。RZ-DQPSK信號的符號率僅為比特率的一半。（a）發送機 （b）接收機 （c）光信號星座圖圖7.7.5 RZ-DQPSK傳輸光發送機、接收機和星座圖偏振復用差分正交相移鍵控（PM-DQPSK）PM-DQPSK傳輸兩路正交偏振DQPSK信號，因此每符號傳輸4比特，符號率為四分之一數據速率，10.75 GB(波特)符號率相當于40 Gb/s數據率，25 GB符號率相當于107 Gb/s數據率。在接收端，使用具有數字信號處理技術的相干接收機，補償經傳輸和偏振解復用后產生