2024年北京郵電大學(xué)光纖通信系統(tǒng)分析與設(shè)計試題解析及答案考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項字母填入括號內(nèi)）1.在給定的石英光纖中，以下哪種波長的光傳輸損耗最低？(A)0.85微米(B)1.31微米(C)1.55微米(D)1.39微米2.光纖的色散主要來源于？(A)材料色散和模式色散(B)模式色散和偏振色散(C)材料色散和偏振色散(D)材料色散、模式色散和偏振色散3.在光放大器中，EDFA主要工作在哪個波段？(A)0.8微米(B)1.3微米(C)1.55微米(D)2.1微米4.對于高速率光通信系統(tǒng)，以下哪種色散是需要重點補償?shù)模?A)材料色散(B)模式色散(C)色度色散(D)偏振色散5.WDM系統(tǒng)中，DWDM技術(shù)指的是？(A)密集波分復(fù)用(B)稀疏波分復(fù)用(C)帶外波分復(fù)用(D)帶內(nèi)波分復(fù)用6.光纖連接時，最主要的損耗來源是？(A)色散(B)衰減(C)非線性效應(yīng)(D)模式色散7.SDH/OTN幀結(jié)構(gòu)中，哪一部分主要用于承載用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)？(A)段開銷(B)管理單元指針(C)信息凈負(fù)荷(D)復(fù)用段開銷8.在光網(wǎng)絡(luò)中，STM-1的傳輸速率是？(A)51.84Mbps(B)155.52Mbps(C)622.08Mbps(D)1.25Gbps9.光放大器工作時，會產(chǎn)生增益飽和現(xiàn)象，其主要原因是？(A)激光器閾值電流過高(B)放大器輸出功率過大，導(dǎo)致粒子數(shù)反轉(zhuǎn)減少(C)輸入信號光功率過弱(D)放大器溫度不穩(wěn)定10.OTN幀結(jié)構(gòu)與SDH幀結(jié)構(gòu)相比，主要優(yōu)勢之一是？(A)幀速率更高(B)更適合短距離傳輸(C)具有更強的前向糾錯能力(D)更容易實現(xiàn)光層保護二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填入橫線處）1.光纖通信系統(tǒng)中，常用的光波長有__0.85__微米、__1.31__微米和__1.55__微米。2.光纖的衰減主要是由材料吸收、__散射__和連接損耗引起的。3.在數(shù)字光通信系統(tǒng)中，衡量系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)是__誤碼率__。4.光放大器EDFA的增益峰值通常位于__1530__納米附近。5.WDM系統(tǒng)中，為了避免信道間相互干擾，需要使用__濾波器__。6.SDH/OTN體系中，STM-N信號是通過__字節(jié)復(fù)用__方式形成的。7.光纖的色散會使光脈沖展寬，導(dǎo)致信號傳輸?shù)腳_碼間干擾__增加。8.OTN標(biāo)準(zhǔn)中，OCh指代的是__光通道__信號。9.光網(wǎng)絡(luò)中，為了提高傳輸距離，可以采用__色散補償__技術(shù)。10.光放大器除了EDFA，還有__拉曼放大器__和__摻鉺光纖放大器（EDFA）__（寫一種即可）。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述光纖色散對光信號傳輸?shù)挠绊憽?.簡要說明光放大器EDFA的基本工作原理。3.簡述WDM/CDM系統(tǒng)中色度色散管理的重要性。4.簡要解釋SDH/OTN系統(tǒng)中的“通道開銷”（POH）主要包含哪些內(nèi)容。四、計算題（每題10分，共30分）1.一根標(biāo)準(zhǔn)單模光纖在1550納米波長的衰減系數(shù)為0.2dB/km。若系統(tǒng)允許的最小接收光功率為-25dBm，光源輸出功率為0dBm，求該光纖的最大傳輸距離是多少？（假設(shè)不考慮其他損耗）2.某系統(tǒng)使用EDFA進行放大，已知EDFA在1550納米波長的增益為30dB，噪聲系數(shù)為4dB。輸入信號光功率為-10dBm，計算放大器輸出端的光信噪比（OSNR）是多少？（假設(shè)信號帶寬為0.1nm）3.一個DWDM系統(tǒng)中心波長為1550nm，信道間隔為100GHz（0.8nm），系統(tǒng)使用8個信道，總帶寬為8×0.8nm=6.4nm。若每個信道中心波長偏移為±0.2nm，求該系統(tǒng)的色度色散容限是多少？（假設(shè)色散系數(shù)為17ps/nm/km，不考慮光纖長度影響）五、設(shè)計/分析題（15分）某SDH系統(tǒng)設(shè)計如下：STM-64信號（1.56Gbps）通過1550nm光纖傳輸，距離為2000km。已知光纖在1550nm的衰減為0.2dB/km，色散為17ps/nm/km，系統(tǒng)要求的最小OSNR為25dB，色散容限為20ps。請簡要設(shè)計該系統(tǒng)，回答以下問題：(1)是否需要色散補償？如果需要，每公里需要補償多少色散？(2)若系統(tǒng)總色散（包括光纖色散和色散補償）超過色散容限，會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生什么影響？(3)簡述該系統(tǒng)可能需要哪些光器件，并說明其作用。試卷答案一、選擇題1.(C)2.(D)3.(C)4.(C)5.(A)6.(B)7.(C)8.(B)9.(B)10.(C)二、填空題1.0.85,1.31,1.552.散射3.誤碼率4.15305.濾波器6.字節(jié)復(fù)用7.碼間干擾8.光通道9.色散補償10.拉曼放大器(或摻鉺光纖放大器（EDFA）)三、簡答題1.解析思路：色散導(dǎo)致不同頻率成分的光信號傳播速度不同，使得光脈沖在傳輸過程中展寬。脈沖展寬會增加碼間干擾（ISI），降低信號傳輸速率，限制傳輸距離。對于高速率系統(tǒng)，色散的影響更為顯著。2.解析思路：EDFA是摻鉺光纖放大器。其基本原理是在摻有稀土元素鉺（Er）的光纖中，利用泵浦激光器注入的能量激發(fā)鉺離子。當(dāng)1550nm附近的光信號通過時，會誘導(dǎo)受激態(tài)鉺離子從上能級躍遷到下能級，同時釋放出光子，從而實現(xiàn)對該波長光信號的放大。泵浦激光器通常工作在980nm或1480nm波長。3.解析思路：WDM系統(tǒng)中，每個信道不僅存在由色散引起的脈沖展寬（與波長有關(guān)），還存在由光纖材料折射率隨波長變化引起的色度色散。色度色散同樣會導(dǎo)致脈沖展寬和碼間干擾。色度色散管理是指在系統(tǒng)設(shè)計時，通過選擇合適的光器件（如色散補償模塊）或調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，使得整個鏈路的色度色散效應(yīng)得到控制，保證信號在接收端仍具有足夠的質(zhì)量，尤其是在高速率、長距離或色散較大的系統(tǒng)中至關(guān)重要。4.解析思路：通道開銷（POH）是SDH/OTN幀結(jié)構(gòu)中為通道層（或物理層）附加的管理信息。它主要用于對通道信號進行監(jiān)控、管理和控制，確保信號傳輸?shù)目煽啃浴Ｖ饕瑑?nèi)容有：幀定位開銷（FPO）、通道開銷字符（POH字符，如S1,J1,K1,A1等）、通道級同步狀態(tài)信息（CSS）等。這些開銷負(fù)責(zé)通道的同步、通道狀態(tài)監(jiān)測、告警指示、遠端缺陷指示等。四、計算題1.解析思路：計算最大傳輸距離，需要使用公式Pout=Pin-αL，其中Pout是接收端最小光功率，Pin是光源輸出功率，α是衰減系數(shù)，L是傳輸距離。將已知數(shù)值代入公式求解L。注意單位統(tǒng)一，0dBm=1mW。計算：L=(Pin-Pout)/α=(0dBm-(-25dBm))/0.2dB/km=(1mW-0.01mW)/(0.2dB/km*10lg(10))=25mW/(0.2*10lg(10)dB/km)=25mW/2dB/km=12.5km。(此處dB/km轉(zhuǎn)換為尼培/km，或直接用分貝進行計算，結(jié)果相同)。更準(zhǔn)確的計算應(yīng)考慮光功率單位轉(zhuǎn)換和衰減單位，通常結(jié)果約為112.2km。2.解析思路：OSNR的計算公式為OSNR=(Psignal/Pfundamental)+(NoiseFigure-1)，其中Psignal是信號光功率，Pfundamental是放大器輸出端的基本光功率（可以近似認(rèn)為與輸入信號功率相當(dāng)，因為增益通常遠大于噪聲系數(shù)），NoiseFigure是放大器噪聲系數(shù)。首先計算放大器輸出端的基本光功率Pout_fundamental≈Pin=-10dBm。然后代入公式計算OSNR。計算：OSNR=(-10dBm/-10dBm)+(4dB-1)=1+3=4。單位為dB。但更精確的OSNR計算涉及噪聲功率譜密度，通常公式為OSNR=OSNR_input+(Gain-1)+(NF-1)。若假設(shè)輸入端OSNR足夠高，則輸出OSNR≈Gain+NF-1=30+4-1=33dB。此處按基本公式，結(jié)果為4dB(或按更精確公式為33dB，需明確題目假設(shè))。3.解析思路：色度色散容限是指系統(tǒng)可以承受的最大色度色散值，超過該值會導(dǎo)致性能下降。計算方法通常是測量或計算整個系統(tǒng)（包括光纖、放大器等）的色度色散，并與容限比較。題目給出了信道波長偏移Δλ和色散系數(shù)D，可以近似認(rèn)為總色度色散主要由波長偏移引起。計算公式為Δτ_chroma≈D*Δλ*L。這里題目未給光纖長度L，但通常計算容限時考慮的是單位長度或特定條件下的值。若按單位長度（L=1km）計算，則Δτ_chroma=17ps/nm/km*0.4nm/km=6.8ps。系統(tǒng)容限是20ps，所以6.8ps小于20ps，滿足要求。但題目問的是“色度色散容限”，若理解為計算在此偏移下產(chǎn)生的色散值，則為6.8ps。若理解為系統(tǒng)設(shè)計需滿足的容限值，則為20ps。根據(jù)題意，更可能是問產(chǎn)生的色散值，故填6.8ps。4.解析思路：(1)計算總色散：總色散=光纖色散+色散補償色散。光纖色散=17ps/nm/km*2000km=34ps/nm。系統(tǒng)要求色散容限為20ps，即總色散不能超過20ps。因此，需要補償?shù)纳?總色散要求-光纖色散=20ps-34ps=-14ps。負(fù)值表示需要負(fù)色散補償（即預(yù)補償）。補償量=14ps。每公里補償色散=14ps/2000km=0.007ps/nm。(2)影響分析：若系統(tǒng)總色散超過色散容限（20ps），會導(dǎo)致脈沖展寬過度，碼間干擾嚴(yán)重增加，從而使得誤碼率升高，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致信號無法正常接收。(3)器件及作用：*光收發(fā)模塊：用于將電信號轉(zhuǎn)換為光信號（發(fā)射端）或?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)換為電信號（接收端）。*光放大器（EDFA）：用于放大信號光功率，補償光信號在光纖中傳輸?shù)膿p耗，延長傳輸距離。*色散補償模塊（DCM）：用于提供負(fù)色散，補償光纖正色散帶來的脈沖展寬，使信號脈沖在接收端保持較好形狀。（根據(jù)第1問計算結(jié)果，此處需要負(fù)色散補償）。*波分復(fù)用器/解復(fù)用器（WDM/DM）：用于將多個不同波長的光信號合并到一個光纖中傳輸（WDM），或?qū)鬏攣淼膹?fù)合光信號分開（DM）。*光纖：傳輸光信號的介質(zhì)。*光連接器/適配器：用于連接光纜和光器件。*光分路器（Splitter）：（如果系統(tǒng)有分路需求）用于將一個輸入光信號分配到多個輸出端口，或?qū)⒍鄠€輸入光信號合并到一個輸出端口。五、設(shè)計/分析題(1)解析思路：根據(jù)第1問計算，系統(tǒng)總色散需要補償14ps（負(fù)色散）。因此需要使用色散補償模塊（DCM）。每公里補償色散為0.007ps/nm。總距離2000km，需要補償?shù)目偵⒘繛?4ps。所需DCM長度L_DC=總補償色散/每公里補償色散=34ps/0.007ps/nm=4857.1km。這是一個非常大的數(shù)值，說明題目參數(shù)設(shè)置可能不現(xiàn)實，或者隱含了其他因素。但在計算層面，根據(jù)給定數(shù)據(jù)，所需長度