光通信复习

第一章

1.5 光纤通信系统的基本组成是怎么样的？试画出简图予以说明

• 光纤：主要负责光信号的传输
• 光发送器：将用户端的电信号转化为光信号，入射到光纤内部
• 光中继器：将光纤中发生衰减和畸变的光信号变成没有衰减和畸变的原始光信号，再将其通过光纤继续传输，提高光信号的传输距离。
• 光接收器：将光纤中的光信号转化为原始电信号，送往客户端
• 其他适当的接口设备

1.7 试述PCM 方式下语音数字通信的基本过程是怎样的?

PCM的基本过程包括采样，量化，编码和合路后转化为单极性二元码序列，再经过码型变换转化成适合传输的码型，该码型通过电缆信道传输后，在接收端通过放大再生处理，然后进行码反变换，在进行解码，滤波和分路，得到原始的语言模拟信号。

PCM $\to$采样$\to $编码$\to$合路$\to$单极性二元码$\to$码型变换$\to$电缆传输

接收信号$\to$放大再生处理$\to$码反变换$\to$解码$\to$滤波$\to$分路

1.9 何谓 TDM？ 为何使用 TDM？

TDM：话路的时分复用，原理是将传输时间按照采样间隔进行划分为一帧，将每一帧划分为互不相叠的时隙，每路信号在一帧中只能占用一个时隙，多路信号顺序的占用它们的时隙，合路构成复用信号。然后发送信号，实现分路。并且在一条信道中传输。在接收端，将收到的复用信号按照与发送端同样的时间顺序分开每一路信号。

使用TDM的目的:在一条信道上串行传输多路信号，用以扩大数字通信系统的传输容量

1.13 PCM 30路制式的速率等级是怎样的？试求各等级中的开销速率。

开销的概念：通信领域。开销的功能是完成对SDH信号提供层层细化的监控管理功能，监控的分类可分为段层监控、通道层监控。在网络传输过程中，由于对信号的传输，需要变换数据格式，难免要加入一些冗余的数据，这些冗余数据又是传输所必须的，而这些冗余数据在源数据中占有的比例叫做开销。

每一路的传输速率为64kb/s

**30个话路组成1个基群（一次群）：**其速率为2.048 Mb/s，开销速率：2048-3064=128 kb/s；

**4个基群组成1个二次群：**其速率为8.448 Mb/s，开销速率：8448-4*2048=256 kb/s；

**4个二次群组成1个三次群：**其速率为34.368 Mb/s，开销速率：34368-4*8448=576 kb/s；

**4个三次群组成1个四次群：**其速率为139.264 Mb/s，开销速率：139264-4*34368=1792 kb/s。

128-256-576-1792 后面均是前面一项乘2+64（最后一个是乘以3）

1.14 PCM基群的帧周期、时隙宽度和码元宽度是怎样计算的？PCM的基群的复帧是怎样定义的？复帧周期有多大？

帧周期是指PCM信号一个完整帧的持续时间：
方法1：采样率为8000Hz，故一帧的周期为：
$$T=\frac{1}{8000}=125us$$
方法2：32路PCM速率为2.048Mb/s，每帧有32个时隙，每个时隙有8个bit，故周期为：
$$T=\frac{32\times 8}{2.048\times 10^6}$$
时隙宽度是指每个时隙在帧中的时间间隔：

方法1：将帧周期除以32（32个时隙组成一个帧周期）
$$T_t=\frac{T}{32}$$
方法2：32路PCM速率，一个时隙有8个bit
$$T_t=8\times \frac{1}{2.048\times 10^6}码元宽度$$
码元宽度是指每个位的持续时间，它与比特率成反比，即前面最基础的速率

复帧：在PCM系统中，复帧是多个基础帧的组合，通过将若干个连续的基础帧合并，形成一个更大的结构，其目的是在长时间传输过程中，能够加入帧同步信息、信令信息、误码检测等内容，从而提高传输的稳定性和可靠性。

在 PCM 基群中，每十六个帧称为一个复帧。(书中P10 1.3.2话路的时分复用)

复帧周期:由其定义可得 125us*16=2ms.

PCM中定义（30/32制式的合理性）

语音采样频率为8KHz，帧周期Δt =1/8KHz=125μs 每一帧有32个时隙，每一个时隙 125μs/32=3.9μs ，占8比特（8个码元）称为一个码字，正好放入一个采样码组。采样码组为8位二进制码。每个码元时宽为 3.9μs/8=0.488μs。在PCM基群中，每16帧构成一个复帧。

每路语音在一帧中只占用1个时隙 TS1 -TS15、TS17 -TS31共30个(话路)时隙分别依次传输30路PCM语音信号（采样码组）。 每一路的传输速率为1个码组1/125µs=8bit1/125µs=64kb/s

TS0是帧同步时隙 ， TS16是复帧同步和信令（拨号、挂机、占用等）时隙

由第0帧的TS16实现复帧同步；

由第1-15帧的TS16的前4比特传送第1-15路的信令，后4比特传送第16-30路的信令，每帧的TS16时隙传送两条话路信令。复帧比特数：256*16=4.096kb，复帧周期：125μs*16=2ms

这样，每个复帧中第1-15帧TS16正好完成30个话路信令的传输。（第0帧的TS16负责帧同步，后面1-15帧的TS16的前4Bit传送1-15路的信令，后4Bit传送16-30路信令

复帧-16个帧-每个帧32时隙-传输30路信号，每帧的1-15和17-32对应30路信号的信息，0时隙为帧同步，16时隙为帧信令。第0帧的TS16实现复帧同步,后面每帧的TS16前四位传1-15的信令，后四位传16-30路的信令，刚好一个每个复帧的1-15完成对30个话路信令的传输。

第二章

题型一.光线基础计算题：
$$\begin{gathered} n_1\sin {\theta }_1=n_2\sin {\theta }_2 \\ 全反射时候出射角为90°，求解此时入射角为全反射角 \end{gathered}$$
题型二.光纤计算题：
2.9 从几何光学理论来看，光纤中波导的形成必须具备哪几个条件？

1. 光线能够入射且能够在光纤内传播（全反射条件）
   $$\begin{gathered} {\theta }_1\ge {\theta }_2=\arcsin (\frac{n_2}{n_1}) \\ {\varphi }_{in}\le {\varphi }_0=\arcsin (\sqrt{n_1^2-n_2^2}) \end{gathered}$$

2. 等相面条件下图是子午光线在阶跃光纤内传播的等相面，将其看作平面波，由光学理论可知，平面波同一个波阵面上任意两点的相位差为2π的整数倍，即：
   $$\begin{gathered} 2(l_2-l_1)\pi =2l\pi ,l为整数 \\ 化简得：4ak{n}_1\cos {\theta }_1+2\delta =2l\pi \\ k=\frac{2\pi }{\lambda },2a为纤芯直径，n_1为纤芯折射率 \end{gathered}$$

光纤的特性参数计算：

光纤数值孔径： 表明光纤采光能力的大小。
$$NA=\sqrt{n_1^2(r)-n_2^2}=n_1(r)\sqrt{2\Delta }$$
相对折射率差：
$$\Delta =\frac{n_2^2-n_1^2}{2n_1^2}$$
衰减常数：
$$\alpha =\frac{10}{L}{\log }_{10}\frac{P_{in}}{P_{out}}$$
截止频率：

单模工作条件为：
$$\begin{gathered} V=\frac{2\pi a}{\lambda }\sqrt{n_1^2-n_2^2} \\ V=\frac{2\pi a{n}_1}{\lambda }\sqrt{2\Delta }<2.4048 \\ 此处a是纤芯半径 \end{gathered}$$
截止频率和波长成反比，与长度成反比，所以波长越长越单模，传输长度越长越单模。

截止波长：
$$\begin{gathered} {\lambda }_{ct}=\frac{2\pi a}{V}\sqrt{n_1^2-n_2^2} \\ 工作波长:\lambda ={\lambda }_1{n}_1 \end{gathered}$$
时延差

单位长度上的最大时延差：
$$\begin{gathered} {\tau }_{M(1)}=\frac{{\tau }_M(L)}{L}=\frac{n_1}{c}(\frac{n_1}{n_2}\Delta )=\frac{n_1}{c}\Delta \\ {\tau }_{M(L)}=L{\tau }_{M(1)} \end{gathered}$$

色散带宽计算
$$\begin{gathered} {\tau }_I(L)=D_1(\lambda )\cdot \Delta \lambda \cdot L\cdot 10^{-3} \\ {B}_I(L)=\frac{441}{{\tau }_{I(L)}} \end{gathered}$$

第五章 波分复用的光纤通信系统

5.7 波分复用通信系统的工作过程

波分复用系统分为单向波分复用系统和双向波分复用系统，工作过程是N个光发送器发送N个不同波长的光波，这些不同波长的光波通过合波器后合并起来，耦合进入单根光纤进行传输，合并的光波传送到接收端，分波器将这N个不同波长的光波分开，分别传送给这些波长相对应的接波器，将光波所载荷的信息提取出来。

主要优点：

• 充分利用光纤的低损耗带宽资源，使单根光纤的传输容量增大几倍至几十倍以上，进一步显示了光纤通信的巨大优势
• 各个载波通信彼此独立，可以互不干扰地同时传输不同特性（比特速率，传输制式，业务类型）的型号，各种信号的合路与分路可以能够方便的进行，为宽带综合业务数字网的实现提供了可能。
• 初步解决了中继全光化问题，为全光通信网的实现奠定了基础
• 节省了光纤和光电型中继器，降低了成本，方便系统扩容。

5.11 光纤耦合器分波原理是什么？何谓3dB耦合器

根据瞬逝波理论，当两根或者多根光纤的纤芯相互充分靠近时，这些光纤通过包层中的瞬逝波产生相互耦合，在一定的耦合系数和耦合长度下，可以引起不同波长路径发生改变，以此达到分波的目的。

通过设计耦合区和耦合系数，可以在不同输出光纤中实现功率分配，可以实现将一根光纤中某波长的光全部或者部分的保留在本光纤传输，或转移到其他光纤中传输，而当两根光纤中的光功率均是输入功率的一半时，这样的耦合器就是3dB耦合器。

5.13 何谓光纤的偏振模色散（PMD）和高阶色散？（制约波分复用系统的主要因素）

（1） PMD偏振模色散：由于实际单模光纤几何形状不完善，如横截面不圆，轴心线不居中等，和折射率分布不对称，致使在单模光纤中，基模的两个正交极化分量在光纤中传播速度不一样，产生传播时延差，引起光脉冲展宽现象，称为偏振模色散，偏振模色散属于膜内色散的一种。

（2）高阶色散：光纤色散与光波波长的二阶和二阶以上的变化关系，称为高阶色散，通常，用零色散波长附近范围内的色散斜率来反映高阶色散的大小，称为零色散斜率。

5.14 何谓光纤的非线性效应

光纤折射率与光波电场强度的二阶和二阶以上的变化关系，称为非线性效应，研究指出，介质的折射率n与电场强度的关系可以表示为：
$$n=n_0+c_1{E}_1+c_{2}E+c_3{E}_3+\dots \dots$$
E是光波电场传播，n0是常数，c1,c2,c3是依次减小的常系数小量，当光强很大的时候，电场强度不能忽略

5.15 何谓自相位调制（SPM）？有什么危害？

一个单一频率的光波在传播过程中产生的相位变化除了与线性折射率有关外，还与非线性折射率有关，非线性折射率会产生一个与光强有关的附加相移，而光强是随时间变化的，因此额外的相移也随着时间变化，由此引入了新的额外频率，附加在原有的光波频率上，致使光波频谱产生变化，这个现象就是自相位调制。（非线性折射率产生的额外的相位移动导致新的频率分量，影响频谱）

危害在于其产生的额外频率可以导致传输光波的频谱变宽，使得光脉冲的时域波形会因为膜内色散而展宽，从而引起码间串扰。

第六章

SDH

6.6 SDH各等级速率是什么？它们都是同步复用的吗？理由是什么？SDH承载PDH信号采用什么复用方式？

SDH各等级速率包括：STM-1(155520kb/s)，STM-4(622080kb/s)，STM-16(2488320kb/s),STM-64(9953280kb/s),STM-256(39813120kb/s)此外还有STM-0(51840kb/s)。（直接乘四倍就可以求，除了STM0->STM1为3倍），供无线通信用，它们都是同步复用的，因为这些速率等级都是由一个或多个AUG复用加上相应的开销字节而构成，所以各个AUG的比特速率保持一致，SDH对于155.520Mb/s以上速率的信号采用同步复用，对于这个速率以下的信号采用固定位置映射和浮动位置处理的复用方法。

6.7 STM-1帧结构的每行和每列各有多少字节？帧频是多少？

采用矩形块状帧格式，纵向共有9行，横向共有270列，故一帧由9*270=2430字节构成

传输顺序是：从第一行开始自上而下逐行进行，每行字节按照从左往右的顺序依次传输，直到整个9*270个字节都传送完毕，则转入下一帧的传输。。故一个STM-1每一帧总的比特速率为$9\times 270\times 8b/s\times 125us=155.52Mb/s$,故每个字节的传输速率就是去掉9*270，最后等于64kb/s，每个bit的传输速率就是除以8，最后等于8kb/s

6.13 试证明：低阶通道每个字节的比特速率为16kb/s，高阶通道、复用段和再生段每个字节的比特速率为64kb/s。

通道每个字节比特速率=每个字节总的比特速率=总的比特传输速率➗（行数和列数）

将图中的低阶通道，带入速率和帧结构可计算

或者直接看帧周期速率，有500us和125us的，其中125us的速率显然就是500us速率的四倍。

计算特定通道或者帧结构每个字节的比特速率也可以通过帧频进行计算：如STM-1每帧占有时间为125μs，即帧频为1/（125×0.000001）= 8kHz，故每个比特的传输速率为8kb/s，因而STM-1每个字节总的比特速率为8kb/s×8 = 64kb/s。

由图4所给帧周期如125μs及500μs可以推知对应的字节比特速率分别为64kb/s和16kb/s。

6.15 终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）和数字交叉连接设备（DXC）的功能是什么？

TM是将若干个PDH信号（群次相同或不同）组合成为一个STM-N信号，或者把若干个低速率SDH信号组合成为一个高速率SDH信号的复用设备。也可以是将一个STM-N信号分解成若干个PDH信号（群次相同或不同），或者将一个高速率SDH信号分解为若干个低速SDH信号的解复用设备，TM主要用于数字链路的两端，TM端口示意图如图3所示：（PDH合成STM，低速SDH变高速，或者反过程，都算TM）

ADM能从高速率STM-N信号中直接分出低速率PDH信号、VC信号或STM-N’(N’<N)信号，也能够在高速率STM-N信号中直接插入低速率PDH信号、VC信号或STM-N’（N’<N）信号。ADM是SDH系统中最具特色的设备，ADM可用于点对点链路和环形链路，ADM端口示意图如图4所示：（从高速设备直接分出或者向高速设备中插入）

DXC是一种具有交换功能的智能化传输设备，它由复用/解复用、交叉链接矩阵、自动控制、时钟脉冲、网络管理和监控等部分构成**，兼有复用、配线、保护/恢复、监控和网管等功能。它有一个或多个PDH、SDH或ATM（异步传输模式）信号的输入和输出端口，可以在任意端口信号之间进行交叉连接,如图5所示：（**综合设备，包括复用，配线，保护，恢复，监控和网管的功能。）

第七章

1. 现代光网络的主要组网拓扑结构有哪些，各有什么优缺点？

• 链型组网：
  1. 组网简单
  2. 保护弱，中间节点故障后两边节点无法通信，跨链路业务调度需要人工跳纤，断纤后跨链路保护需要人工控制
• 环型组网：
  1. 比较容易实现，可靠性较高，单点故障可通过调解通信方向进行维护，具备良好的传输链路和工作链路，具有良好的可拓展性
  2. 多点断纤无法保护
• 星型组网：
  1. 所有的数据通信都要经过中心节点，便于管理和控制，各终端分节点都与中心节点相连，诊断和隔离故障相对容易，单个节点的故障不会影响其他节点，不会导致整个网络的故障
  2. 中心节点如果出现故障，整个网络可能瘫痪
• 树型组网：
  1. 网络被组织成层次结构，便于管理和维护，可以较容易的在树中添加新的分支和节点，有助于对网络进行扩展，同时可控制数据的流量。
  2. 如果根节点或者主要的分支节点出现故障，则整个自网络可能无法工作。
• Mesh组网：
  1. 业务路径多，按需选择最短路径，支持多点故障保护，速度快，效率高
  2. 组网复杂，成本较高
• 立体化组网：
  1. 根据节点地位和业务流量分层，核心节点创建直达超高速链路，构建分层立体网络，加强深层覆盖，可靠性高，在大型网络的建立中可节省大量成本
  2. 管理难度大。

2. 相干光通信的光发送机和光接收机包括哪些主要部分？相干光通信和非相干光通信的区别主要体现在哪些方面？

光发送机：ITLA(光源，光发送机得有光源吧)，调制器（相干光通信主要是高阶调制），驱动器（要发送是需要被驱动的吧），偏振合波器（开始是需要合波的）
光接收机：偏振分束器（发送合波接收自然需要先分波），光混频器（分波为了解调就需要混频），BPD平衡光探测器（平衡光探测器），TIA跨阻放大器。

区别：

• 非相干光是强度调制，接收端为直接检测，相干光是外调制，接收端为本振光相干检测。
• 非相干光的码型为幅度调制，差分相位调制，而相干光通信的码型为相位调制，正交幅度调制。
• 非相干光通信的系统结构简单，容易实现和集成，相干光通信的系统结构复杂，技术要求高
• 非相干光通信的频谱效率低，相干光通信的频谱效率高。
• 非相干光通信的色散容限低，而相干光通信的色散容限高。
• 非相干光通信的ROADM架构复杂，相干光通信的ROADM架构简洁。
• 非相干光通信应用于2.5G、10G的线路传输、早期的40G线路传输、多子波长100G城域传输中，相干光通信应用于100G线路传输、超100G线路传输的。
• 相干光通信发送端采用本振光进行相干检测的光传输系统，非相干系统的发送端不采用相干本振光的光传输系统。
• 相干光通信主要采用高阶调制如QPAM，DPSK等，非相干系统的发送端直接使用业务信号进行幅度调制
• 相干光通信在接收端需要使用相干接收的技术，但是非相干光通信在接收端的使用的是包络检测的办法。

3. 当前光放大器主要分为几个类型，阐述它们的基本原理并且进行比较。如何设计一个宽谱的拉曼光纤放大器（假设中心波长为1570nm，增益谱大于100nm），它与多阶拉曼放大器的设计方案有何不同？

• **掺铒光纤放大器 (EDFA)：**利用稀土金属离子 (铒) 作为激活工作物质的一种放大器。
• **拉曼光放大器 (RA)：**以传输光纤为增益介质，通过SRS效应把泵浦光能量转移给信号光，实现光放大。
• 半导体光放大器 (SOA)：与半导体激光器的机制类似，通过注入泵浦电流产生粒子数反转。

宽谱拉曼放大器设计：同时使用多个波长相近（大约相差30nm,即单个泵浦光的增益带宽）的泵浦光源，这样的增益谱可重叠，形成宽度增益

与多阶拉曼放大器设计方案的不同：多阶拉曼放大器通常使用多个不同的拉曼增益介质，而宽谱拉曼放大器通过优化泵浦源实现宽谱增益。

多阶拉曼放大器先由高阶泵浦光放大低阶泵浦光，然后再使用低阶泵浦光再放大信号光（多个不同的拉曼增益介质）

4.当前光交叉调度节点类型主要有哪几种？他们各自的主要特点是什么？

1. FOADM：固定的光分插复用站，结构和OTM站类似，通常用于中间站点的部分业务上下，另外一部分实现光层的穿通，支持非C非D的波长上下方式
2. ROADM：可重构的光分插复用，基于WSS技术的ROADM站点，可实现波长的灵活交叉。使得WDM光层从静态走向动态，运维和管理更方便，网络保护和业务生存能力更强；支持CD,，CDC，C非D三种波长上下方式。
3. 全光交叉系统与技术 （OXC）：OXC支路单元支持CD， CDC两种波长上下方式，光支路单元的上下接口需要支持单波长、连续多波长、非连续多波长的业务上下（更高效率的网络频谱资源利用）。

第八章

结合我们所学光通信应用实例，举一个生活中了解到的实际案例来说明光通信的应用？

光通讯各种通讯场合均有运用，如教育、医疗、军事、家居、远距离通信、卫星通讯等，合理即可。以下是参考案例：

光纤宽带接入网技术：

光通信技术在现代生活中最常见的实际应用之一是光纤宽带接入网技术，**该技术是通过光纤作为主要传输媒质，利用远程终端和各宽带用户支架进行数字传输，来实现网络信息的目标性的进行传输功能。**该技术分为有源光纤接入网技术、无源光纤接入网技术，全光接入网技术三种。它为家庭、企业和机构提供高速的互联网接入服务。相比于传统电缆接入网技术，光纤宽带接入网技术具有抗干扰能力强、传输效率高、信息的安全性高、分布灵活，不受地形的影响以及扩容便捷等优点。采用光纤传输技术，通过光信号进行数据的高效传输，大大提升了人们的上网体验，更好的为人们的工作和生活服务，推进了基于网络的新技术的发展，对经济的快速发展提供了巨大的支持。

第九章

试描述大气激光通信技术的应用优势及应用场合

1. 应用优势

   1. 无线优势：无需建设线路，安装便捷，使用方便，很适合特殊地形和地貌以及有线通信难以实现和机动性要求较高的场所工作。
   2. 容量优势：光波频率极高，信息承载能力极强，故超大容量的无线通信。
   3. 电磁兼容优势：不占用宝贵的无线电资源和抗电磁能力
   4. 保密优势：具有高度保密性
   5. 尺寸优势：光波天线的尺寸远小于微波等通信天线
   6. 价格优势：半导体激光通信系统的容量价格比极具优势
   7. 功耗优势：激光方向性极强，只需要很低的功耗

2. 应用场合

   1. 城域网扩展
   2. 局域网互联
   3. 最后1km接入
   4. 光纤链路的备份
   5. 宽带网的接入
   6. 无线基站数据回传
   7. 与DWDM设备集成
   8. 快速开通业务
   9. 其他特殊场合
   10. 军事应用

试描述星间激光通信的优点

1. 光载波频率高，可用频带极宽，潜在通信容量巨大
2. 激光通信系统所用的半导体光源功耗小，转换效率高，对电源要求低
3. 光波波长短，收发天线尺寸小，重量轻，减去卫星重量，提高载荷
4. 用于信息载体激光光束发散角小
5. 不受射频电磁场的干扰。

9.3 星间激光通信中PAT子系统的作用是什么？由哪些功能部件构成？（对应参考书习题9.8）

简言之，PAT系统的任务就是完成进行通信双方的光学天线的精确对准，并通过跟踪的方法克服各方面的扰动以维持正常的通信质量。在对准的过程中，主要考虑保证足够小的捕获时间，以便快速建立通信；在跟踪过程中，主要考虑跟踪精度以保证通信的有效性。

功能组成：

• 信标光源：提供捕获功能单元需要的光信标。
• 开环瞄准单元：根据星历计算通信双方相对位置计算初步的光束瞄准方向，实现光束的初步对准。
• 捕获：完成开环瞄准的基础上，该子系统通过卫星间相互交换信息以进行闭环方式的精确对准。
• 跟踪子系统：完成对准后，克服因素干扰保持通信工程中的对准状态，保持通信质量。
• 光束方向驱动子系统：实现光学天线方向的任意变换，光束对准的最终实施者。

务就是完成进行通信双方的光学天线的精确对准，并通过跟踪的方法克服各方面的扰动以维持正常的通信质量。在对准的过程中，主要考虑保证足够小的捕获时间，以便快速建立通信；在跟踪过程中，主要考虑跟踪精度以保证通信的有效性。

功能组成：

• 信标光源：提供捕获功能单元需要的光信标。
• 开环瞄准单元：根据星历计算通信双方相对位置计算初步的光束瞄准方向，实现光束的初步对准。
• 捕获：完成开环瞄准的基础上，该子系统通过卫星间相互交换信息以进行闭环方式的精确对准。
• 跟踪子系统：完成对准后，克服因素干扰保持通信工程中的对准状态，保持通信质量。
• 光束方向驱动子系统：实现光学天线方向的任意变换，光束对准的最终实施者。