第4章习题答案
1 什么是光纤通信？它有哪些特点？
光纤通信是以光波信号作为载体，以光导纤维作为传输媒介的一种通信手段。 光纤通信的特点如下：
（1）传输损耗小，中继距离长（2）传输频带宽，通信容量大（3）抗电磁干扰，保密效果好（4）体积小、重量轻、便于运输和敷设（5）原材料丰富、节约有色金属、有利于环保。（6）技术上较复杂：光纤质地脆弱易断，需要增加适当保护层加以保护，保证其能承受一定的敷设张力；切断和连接需要高精度溶接技术和器具。 2 光纤的结构是怎样的？
光纤通常是多层同轴圆柱体，自内向外为纤芯、包层、涂覆层。如图所示。
涂敷层包层直径2b包层125μm纤芯5~10μm包层125μm纤芯50~70μm2b纤芯直径2a2b单模光纤(a) 裸纤的结构3 从不同的角度来看，光纤有哪些分类？
根据光纤制造材料的成分、折射率的分布、传输模式、工作波长以及ITU-T的建议标准可以把光纤按照下表做出分类。
分类方法具体名称全石英系列光纤用途与特点长途大容量通信。制造技术复杂、价格较贵短距离光信号传输、容易制造、价格便多组分玻璃纤维多种材料组合成分宜短距离高速数据传输，如IEEE1394。线塑料包层石英芯光纤线芯是SiO2材料，包层是硅树脂径较粗，易耦合短距离中速数据传输。挠曲性好、易加全塑料光纤纤芯和薄层均由塑料制成工、易耦合、成本低纤芯和包层折射率均匀，但包阶跃型光纤层的折射率低于纤芯，交界处带宽较窄，适于小容量短距离通信产生跃变。从纤芯到包层的折射率呈抛物渐变型光纤带宽较宽，适于中容量中距离通信线规律逐渐变小仅允许与光纤轴平行的光波传单模光纤宽带、大容量、长途通信输，即只有一个基膜传输光波可以以多个特定的角度射多为渐变型。渐变型多模光纤主要用于多模光纤入光纤的端面传播局域网短波长光纤0.8~0.9μm长波长光纤1.0~1.7μm超长波长光纤2.0μm以上G.651渐变多模光纤工作波长为1.31μm和1.55μ主要用于计算机局域网或接入网。当工作波长在1.3μm时，光纤色散很小，G.652标准单模光纤是目前应用最广的光纤系统的传输距离只受光纤衰减所限制用于超高速率、单信道、长中继距离通在1.55μm处实现最低损耗与G.653色散位移单模光纤信。不利于多信道的WDM传输，易发生零色散波长一致。四波混频导致信道间发生串扰在1.55μm处具有极低损耗G.654最佳性能单模光纤（大约0.15dB/km）特别适合于密集波分复用传输，所以非这种光纤综合了标准光纤和色G.655非零色散位移单模光纤零色散光纤是新一代光纤通信系统的最散位移光纤最好的传输特性，佳传输介质。消除了常规光纤在1385nm附近全波光纤由于OH-造成的损耗峰，使光纤处于推广实用阶段可利用的波长增加100nm左右表4.1 光纤的分类列表说明以SiO2为主要材料2a多模光纤(b)光纤的尺寸2a
按照材料的成分 按照折射率的分布 按照传输模式 按照工作波长按照ITU-T建议
4 简述阶跃型光纤中光的传输原理。
空气n0θθ1θ折1入折2包层n2纤芯n1光锥θθθ反θ纤芯n1包层n2 包层n2纤芯n1入射光θ折折射光θ入θ反反射光
根据光的反射定律和光的折射定律，下面两式成立： θ入=θ反
在阶跃型光纤中，光的传输是依靠全反射实现的。因为n2/n1是一个常数并且设计成n1>n2，因此，可以通过调整入射角θ入的大小来调整折射角θ折的大小使之产生全反射。发生全反射现象时，光线基本上在纤芯内纵向传播，绝大部分光能量被保存在纤芯中，而只有极少部分被折射到包层中去，因此可以大大降低光纤的传输损耗。如图所示，为了实现光在光纤中的全反射传输，当使用光源与光纤纤芯横截面进行入射光耦合时，入射光线的角度θ不能太大。只有当θ小于某个角度时才可以获得全反射传输的条件。我们称这个角度为光纤的数值孔径角NA=sinθ。由于θ围绕着纤芯纵向中心轴形成一个立体圆锥，所以又称为光锥。 5 光纤有哪些传输特性？
光纤的传输特性主要包括传输损耗、色散和非线性效应。
（1）光纤的传输损耗：光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加光功率逐渐下降。衡量损耗特性的参数称为光纤的损耗系数
dB/km
（2）光纤的色散：光源信号难以做到纯粹的单色光，所以含有不同波长成分，这些不同波长成分在折射率为n1的传输介质中传输速度不同，从而导致部分光信号分量产生不同的延迟，这种现象称为光纤的色散。有模式色散、材料色散和波导色散。多模光纤主要考虑模式色散，可以忽略波导色散。单模光纤没有模式色散，所以主要考虑材料色散和波导色散。
（3）非线性效应：随着光纤中光功率的增大、WDM的应用，光纤非线性效应成为影响系统的主要因素。光纤中的非线性效应分为两类:非弹性过程和弹性过程。由受激散射引起的非弹性过程主要有受激布里渊散射和受激喇曼散射。由非线性折射率引起的弹性过程主要有自相位调制、交叉相位调制和四波混频。 6 导致光纤损耗有哪些原因？
光纤损耗产生的主要原因是吸收和散射造成的；其次，光纤结构不完善也有可能导致损耗。 吸收损耗是由于光纤材料和杂质对光能进行吸收，使得光以热能的形式消耗于光纤中。
散射损耗是由于制造材料的密度和成份不是很均匀，进而使折射率不均匀，当光波通过不均匀媒介时，部分光束将偏离原来方向而分散传播。光纤弯曲到一定程度后，会使光的传输途径改变，使一部分光线渗透到包层或穿过包层成为辐射模向外泄漏损失掉，从而产生辐射损耗。
7简述光纤通信系统的工作过程。
光纤通信系统是以光为载波，以光导纤维为传输媒介来传输消息的通信系统。光纤通信系统主要由电端机、光端机、光中继器和光缆组成。图示出了光纤通信系统的组成框图。
在发送端，电发送端机把信源消息转换成电数字信号，光发送端机使用该电数字信号来调制光源，产生光脉冲信号并直接送入光缆传输，到达远端的光接收端机后，用光检测器把光脉冲信号还原成电数字信号，再由电接收端机恢复成原始消息，送达信宿。光中继器起到放大信号，增大传输距离的作用。
光缆光发送端机光源中继器光缆中继器光检测电接收端机信宿光缆光接收端机信源电发送端机
8 什么是光波分复用技术？
在同一根光纤中同时耦合传输n个不同波长的光载波信号，称为光波分复用（WDM），其中每个光载波信号携带一路调制后的光脉冲信号。如图所示。
λλ1λλ1+λ2?+λ合波器光纤n12λ分波器2??
根据波分复用时波长间隔的大小可以将波分复用系统分为三种类型：DWDM和CWDM以及OFDM。
9 什么是相干光通信？
相干光通信要求接收端有一个与发送端同频同相的本振光源，其基本组成框图如图4.13所示。要求本振光源的频率与相位与发送光源严格匹配，否则会产生中频误差，导致判断出错。
10 什么是光孤子通信？
在光纤通信系统中，光孤子是一种能在光纤中传输，并且长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲。因为它很窄，所以可使邻近光脉冲间隔很小而不至于发生重叠干扰，从而实现超长距离、超大容量光通信。
11全光通信系统有哪些特点？关键技术是什么？
全光通信系统可使通信网具备更强的可管理性、灵活性和透明性，其主要特点如下： （1）大大提高传输速率（2）提供多种协议的业务（3）组网灵活性高（4）可靠性高 全光网中的关键主要有光交换、光放大和光分插复用等技术。特别是光纤放大器是建立全光通信网的核心技术之一。
λnλ?? n第5章习题参考答案
1. 什么是微波通信？微波通信具有哪些特点？
微波通信指的是以微波频率作为载波，通过中继接力方式实现的一种通信方式。 微波通信的特点：（1）频带宽，传输容量大；（2）适于传送宽频带信号；（3）天线增益高，方向性强；（4）外界干扰小，通信线路稳定可靠；（5）投资少，建设快，通信灵活性大；（6）中继通信方式。
2. 根据所传基带信号的不同可将微波通信系统分为几类？ 根据所传基带信号的不同，可将微波通信系统分为模拟微波通信系统和数字微波通信系统两大类。
3. 微波的自由空间传播损耗是如何产生的？ 电波的能量向周围空间扩散。 4. 地面对电波传播有何影响？
地面对电波传播的影响主要表现在以下两个方面：（1）传播路径上障碍物的阻挡或部分阻挡引起的损耗；（2）电波在平滑地面（如水面、沙漠、草原等）的反射引起的多径传播，进而产生接收信号的干涉衰落。
5. 数字微波通信线路是如何构成的？
一条数字微波通信线路由两端的终端站、若干中继站和颠簸的传播空间构成。 6. 数字微波通信系统由几个部分组成？
数字微波通信系统可以分为用户终端、交换机、数字终端机、微波站等几个部分。 7. 数字微波中继站的中继方式有几种？
数字微波中继站的中继方式有3种：基带中继（再生转接）、外差中继（中频转接）和直接中继（射频转接）。
8. 在对微波通信频率进行配置时应考虑哪些因素？
在对微波通信频率进行配置时一般应考虑的因素有以下几点：① 整个频率的安排要紧凑，使得每个频段尽可能获得充分利用；②在同一中继站中，一个单向传输信号的接收和发射必须使用不同的频率，以避免自调干扰；③ 在多路微波信号传输频率之间必须留有足够的频率间隔以避免不同信道间的相互干扰； ④因微波天线和天线塔建设费用很高，多波道系统要设法共用天线，因此选用的频率配置方案应有利于天线共用，达到既能使天线建设费用低又能满足技术指标的目的； ⑤ 避免某一传输信道采用超外差式接收机的镜像频率传输信号。
9. 如何对单个波道和多波道进行频率配置？
单波道的频率配置有两种方案：二频制和四频制。
多波道的频率配置也有两种方案：收发频率相间排列和收发频率集中排列。 10. 微波通信系统中的监控系统和勤务联络系统各有何作用？
监控系统实现对组成微波通信线路的各种设备进行监视和控制，其作用是将各微波站上的通信设备、电源设备的工作状态、机房环境情况，以及传输线路的情况实时地报告给维护工作人员，以便于日常维护和运行管理。
勤务联络的作用是为线路中各微波站上的维护人员传递业务联络电话，以及为监控系统提供监控数据的传输通道。
第6章习题参考答案
1. 什么是卫星通信？卫星通信具有哪些特点？
卫星通信是指设置在地球上（包括地面、水面和低层大气中）的无线电通信站之间利用人造地球卫星作中继站转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。
卫星通信的特点：具有覆盖面广、通信容量大、距离远、不受地理条件限制、性能稳定可靠、独特的广播特性、组网灵活、易于实现多址联接等优点，同时也存在通信时延较长、易受外部条件影响、星蚀和日凌中断现象。 2. 什么是日凌中断和星蚀？
每年春分（3月21日或20日）或者秋分（9月23日或24日）前后数日，太阳、地球和卫星三者将运行到一条直线上且卫星运行到太阳和地球站之间时，这是地球站的抛物面接收天线不仅对准卫星，也正好对着太阳，地球站在接收卫星下行信号的同时，也会接收到大量的频谱很宽的太阳噪声，造成对卫星信号的干扰，从而使接收信杂比大大下降，严重时甚至使信号被太阳噪声淹没，信号完全中断，把这种现象称为日凌。当卫星、地球和太阳三者处于同一直线时，并且卫星进入地球的阴影区时，会出现星蚀现象。 3. 为何将卫星通信的工作频段选在微波频段？
卫星通信的频率范围应选在微波频段（300MHz ~ 300GHz），原因有二，其一是因为微波频段具有很宽的频谱，频率高，可以获得较大的通信容量，天线的增益高，天线尺寸小，而且现有的微波通信设备稍加改造就可以利用。其二是考虑到卫星处于外层空间（即在电离层之外），地面上发射的电磁波必须能穿透电离层才能到达卫星，同样，从卫星到地面上的电磁波也必须能穿透电离层，不会被电离层所反射，而微波频段恰好能满足这一条件。 4. 试说明卫星通信系统的组成及其工作过程。
一般的卫星通信系统主要由空间段和地面段两大部分组成，空间段主要以空中的通信卫星（1颗或多颗），也就是通信装置为主体，还包括所有用于卫星控制和监测的地面设施，即卫星控制中心（SCC：Satellite Control Center），及其跟踪、遥测和指令站（TT&C，Tracking，Telemetry and Command），以及能源装置等，地面段包括所有的地球站，这些地球站通常通过1个地面网络连接到终端用户设备，或者直接连接到终端用户设备。
卫星通信系统的工作过程：上行链路指的是从发送地球站到卫星之间的链路；下行链路指的是从卫星到接收地球站之间的链路。如果空中有多个通信卫星，则从一个卫星到另一个卫星之间还存在着星间链路，利用电磁波或光波将多颗卫星直接连接起来。 5. 通信卫星有几个部分组成？
通信卫星由通信分系统、天线分系统、跟踪遥测和指令分系统、姿态和轨道控制分系统，以及电源分系统5个部分组成。
通信分系统是一个提供卫星发射天线和接收天线之间链路连接的设备，是构成卫星通信的中枢，其功能是使卫星具有接收、处理并重发信号的能力。
天线分系统承担了接收上行链路信号和发射下行链路信号的双重任务。
跟踪设备用来为地球站跟踪卫星发送信标。遥测部分用来对所有的卫星分系统进行监测，获得有关卫星姿态及星内各部分工作状态等的数据，经放大、多路复用、编码、调制等处理后，通过专用的发射机和天线发给地面的TT&C站。指令部分专门用来接收和译出TT&C站发给卫星的指令，控制卫星的运行。它还产生一个检验信号发回地面进行校对，待接收到TT&C站核对无误后发出的“指令执行”信号后，才将存储的各种指令送到控制分系统，使有关的执行机构正确地完成控制动作。
控制分系统由一系列机械的或电子的可控调整装置组成，如各种喷气推进器、驱动装置、