《光传输设备开局与维护》复习大纲

《光传输设备开局与维护》重修复习大纲
一、光纤通信基础部分：
A、光纤与光缆：
1、名词解释：光纤通信、光纤通信的三个窗口。

2、简述光纤组成及各部分功能。

3、简述光纤导光的原理。

4、简述光纤最大数值孔径的定义及物理含义。

5、光纤波导的归一化频率的定义，它与什么有关？单模光纤单模传输的条件是什么？
6、简述光纤的传输特性。

B、光器件：
1、简述激光器的组成及工作原理。

2、从工作原理、特性、应用等方面说明LD与LED的区别。

3、简述光电检测器的工作原理。

4、常用光电检测器有哪两种，有何不同？
5、简述光纤放大器EDFA的工作原理及特性。

C、光端机：
1、简述光纤通信系统组成及各部分功能；
2、简述光源的两种调制方法：直接调制、间接调制。

3、简述光发射机、光接收机的主要指标。

二、SDH传输技术部分：
1、简述SDH的速率等级、帧结构及各部分功能；
2、简述E4/E1复用进STM-N的过程。

3、简述SDH四种设备的特点。

4、分析SDH线形网络的两种保护方式；
5、分析SDH环形网络：两纤单向通道保护环网的工作机制；
6、分析SDH环形网络：两纤双向复用段保护环网的工作机制。

三、WDM传输技术部分：
1、画出WDM系统的基本结构图，简述各部分作用。

2、简述WDM系统两种基本形式的特点。

3、简述WDM的关键技术。

重点知识点
光纤通信基础部分：
1、光纤的组成及各部分作用。

光纤(光导纤维的简称)由纤芯、包层和涂覆层3部分组成。

纤芯和包层的主要成分是SiO2，掺有不同杂质，作用是提高纤芯折射率n1，降低包层折射率n2，使得包层折射率略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，使得光信号封闭在纤芯中传
输。

涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，延长光纤寿命的作用。

2、光纤的导光原理(光信号为什么能在光纤中传播)以及光纤数值孔径的含义？
全反射是光信号在光纤中传播的必要条件。

光线在光纤端面以不同入射角θk 从空气入射到纤芯，不是所有的光线能够在光纤内传输，只有一定角度范围内的光线，在射入光纤时，产生的折射光线才能在光纤中传输。

过程分析如下：
① 光线从空气入射到光纤端面（纤芯），发生折射，入射角为θk ，折射角为θ1。

设空气、纤芯、包层折射率为n0、n1、n2。

② 若光从纤芯入射到包层时刚好处于临界状态，即θ1 > θ c(临界角)的光线将发生全反射，而θ < θ
c 的光线将进入包层泄漏出去。

利用临界状态求解：θk =θk max ,, θ1＝θc 。

θk ma x 表示最大入射角，只有在光纤端面入射角θk ＜θk ma x 的光线才能在光纤中传播。

对光纤而言，这个最大的入射角叫做光纤的接受角，它仅与n1、n2有关。

为此引入光纤数值孔径：表示光纤接收和传输光的能力 （捕捉光射线能力）的物理量，用NA 表示。

数值孔径的定义为：
NA 越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。

但 NA 越大，
经光纤传输后产生的输出信号展宽越大，0k 131111
sin sin sin(90)cos n n n n θθθθ===
－kmax 11min 10sin cos cos 1c n n n n n θθθ===，（） ==
=2c 1sin n n θ
＝
限制了信息传输容量。

所以要根据使用场合，选择适当的 NA 。

3、光纤归一化频率的含义，以及光纤单模传输的条件？
答：光纤的归一化频率定义：
式中，a 为纤芯半径，λ是传输光波的波长，n 1、n 2分别为纤芯和包层的折射率。

可见光纤归一化频率不仅与光纤（a 、 n 1、n 2）有关，还与传输的光波长有关（λ）。

各传播模式都有其本身的归一化截止频率V c ，描述了各模式的截止条件。

某个模式在光纤中的导行、截止和临界条件为：导行条件：V ＞V c ；截止条件：V ＜V c ；临界条件：V ＝V c
保证光纤单模传输的条件是只有基模可以导行，高阶模都被截止，即
V ＞V c0 ，且 V ＜V c1， 可得 0＜V ＜2.405
4、光纤的传输特性，它们分别对光传输主要产生什么影响？
光纤的传输特性主要是指光纤的损耗特性和色散特性。

① 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用，称为光纤的损耗（或衰减）。

光纤的损耗限制了光信号的最大无中继传输距离。

描述光纤损耗的主要参数是衰减系数（损耗系数），是指光在单位长度光纤中传输时的光功率的衰减量，单位一般用dB/km 。

光纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗3种损耗。

② 光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽（畸变），这就是光纤的色散。

色散主要限制了光纤传输的码速率和传输距离。

描述色散一般用时延差来表示，所谓时延差，是指不同频率的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差。

脉冲展宽将使前后光脉冲发生重叠，形成码间干扰，码间干扰将引起误码。

光纤的色散可分为模式色散、色度色散、偏振模色散。

5、激光器的组成及工作原理。

002π()
V k an k a NA λ＝
激光器主要由工作物质、激励源、光学谐振器三部分组成。

用半导体材料做成的激光器，当激光器P-N结上外加的正向偏压（激励源）足够大时，使得P-N结的结区出现高能级粒子多、低能级粒子少的粒子数反转分布状态，会产生自发辐射，继而引起受激辐射【与谐振腔轴线平行的自发辐射光子在前进过程中遇到高能级上的粒子，使之产生受激跃迁，放出一个全同光子，即产生光的放大作用】。

被放大的光在由P-N 结构成的F-P光学谐振腔【谐振腔的两个反射镜是由半导体材料的天然解理面形成的】中来回反射，不断增强，当满足阈值条件后，激光器即可发出稳定激光。

6、从工作原理、特性、应用等方面说明半导体激光器（LD）与发光二极管（LED）的区别。

发光二极管（LED）没有解理面，即没有光学谐振腔，仅限于自发辐射，所发出的是荧光，是非相干光，不能形成激光。

半导体激光器（LD）有光学谐振腔，是受激辐射，有阈值，发出的是激光。

LED与LD相比，LED输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。

但LED性能
稳定，寿命长，使用简单且安全，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。

LED通常和多模光纤耦合，用于1.31μm或0.85μm波长的中、低速小容量、短距离光通信系统。

LD通常和单模光纤耦合，用于1.31μm或1.55μm大容量、长距离光通信系统。

7、半导体光电检测器的工作原理，常用的半导体光电检测器有哪两种，有何不同？
半导体光电检测器P-N结上外加反向偏压，外来光照射到半导体的P-N结上，若光子能量hf大于半导体材料的禁带宽度Eg时,则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光生载流子。

也即P-N结受到外来光照耀，发生受激吸收，产生一个光电子－空穴对。

光生载流子在外加负偏压和PN结内建电场的作用下定向运动，与外电路构成回路，形成光电流。

常用的半导体光电检测器有两种，PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。

PIN光电二极管在P型、N型半导体之间，加了一层轻掺杂的N型材料，即I层，由于电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，可吸收绝大多数光子,使光生电流增加，改善了光电检测器性能。

APD雪崩光电二极管是在P-N结上加高反向电压，在结区形成一个强电场，利用雪崩碰
撞效应使光电流在管子内部获得了倍增，即一个光子最终产生了许多的载流子，使得光信号在光电二极管内部就获得了放大。

8、掺铒光纤放大器EDFA的基本结构、工作原理、特性及应用。

①基本结构：主要由掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器、光隔离器及光滤波器等组成。

②工作原理：在泵浦光源（半导体激光器）的作用下，掺铒光纤中铒离子产生了受激吸收，出现了粒子数反转分布；外来信号光使之产生了受激辐射，从而使信号光得到放大。

③ EDFA的功率增益大小与铒离子浓度、掺铒光纤长度和泵浦光功率有关。

在光纤长度固定不变时，随泵浦功率的增加，增益迅速增加，但泵浦功率增加到一定值后，增益随泵浦功率的增加变得缓慢，甚至不变，EDFA具有增益饱和特性。

EDFA的最大输出能力取饱和增益下降3dB时所对应的输出光功率值。

EDFA的噪声系数为放大器的输入信噪比与输出信噪比之比，一般噪声系数越小越好。

④应用：用作光接收机的前置放大器时，可提高光接收机的灵敏度；、用在光发射机的输出端，做功率放大器，增加入纤光功率；用作线路放大器，代替传统的光/电/光中继器，直接放大线路光信号，延长中继距离。

9、数字光纤通信系统的组成及各部分的作用。

详细光发送机、光接收机、光中继器原
理图参见后面。

数字光纤通信系统一般由光发送机、光纤、中继器和光接收机四部分组成。

光发送
机与光接收机统称为光端机，光端机位于电端机和光纤传输线路之间。

光发送机的作用是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调
光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆中去传输。

光接收机作用是将光纤传输后的幅度被衰减的、波形产生畸变的光信号变换为电信
号（光/电转换），并对电信号进行放大、整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，
输入到电接收端机。

光纤或光缆：构成光的传输通路。

其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤
或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。

光中继器的作用是延长通信距离。

它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传
输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲进行整形。

光接收机的两个重要特性指标是灵敏度和动态范围。

光接收机的灵敏度P R是指在系统满足给定误码率指标的条件下，光接收机所需的最
小平均接收光功率Pmin（mW），工程中常用毫瓦分贝（dBm）来表示。

光接收机的动态范围D是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最低输入光
功率（dBm）和最大允许输入光功率（dBm）之差（dB）。

10、光发送机里的自动功率控制APC电路与自动温度控制ATC电路的功能。

自动功率控制APC电路能够解决由于器件老化和温度升高较小引起的输出光功率减少的问题。

自动温度控制ATC电路不能够解决由于器件老化引起的输出光功率减少的问题，但是可以解决由于温度升高较大引起的输出光功率减少的问题。

激光器的输出光功率与温度变化和器件老化密切相关。

温度变化会引起LD阈值电流的变化，从而使输出光功率变化。

当温度变化不大时，通过自动功率控制APC电路可以对光功率进行调节，但如果温度升高较多时，会使得阈值电流增加很多，经过APC电路调节，偏置电流会有较大增加，会使LD的结温更高，以致烧坏。

一般加自动温度控制ATC电路，使LD 管芯的温度恒定在20℃左右。

ATC只能控制温度变化引起的输出光功率的变化，不能控制由于器件老化而产生的输出功率的变化。

对于短波长激光器，一般只需加自动功率控制电路即可。

对于长波长激光器，由于其阀值电流随温度的漂移较大，因此，一般还需加自动温度控制电路，以使输出光功率达到稳定。

SDH、DWDM光传输技术部分：
PDH主要缺陷：
三种数字体制标准互不兼容；
无统一的光接口，无法实现横向兼容；
准同步结构缺乏灵活性；
网管能力不强（各级帧中预留开销比特较少）；
上下支路困难。

◆SDH具有如下明显的优点：SDH核心特点是：同步复用、标准光接口、强大网管能力。

同步复用，灵活的分插功能。

强大的网络管理能力。

有标准的光接口规范。

强大的自愈能力。

具有广泛的兼容性。

1．SDH网络的STM-N帧速率分析。

帧结构图参见后面
◆SDH帧结构：一种以字节为基本单元的矩形块状帧结构。

◆帧长：一个STM-N帧有9行，每行由270×N列个字节组成，每帧共有9×270
×N=2430N 字节。

◆每帧比特数：9×270×N×8=19440N bit
◆帧周期（帧频）：125 s/帧，即8000帧/秒
◆STM-1传输速率：f b=9×270×8×8 000=155.520Mbit/s
◆更高等级的STM-N信号是将N个STM-1信号按同步复用，经字节间插后的结
果，传输速率是STM-1的N倍。

◆字节发送顺序：由上往下逐行发送，每行先左后右。

◆STM-N帧中单独一个字节的比特传输速率是8bit/帧*8000帧/秒=64kbit/s
2．SDH网络的STM-N帧各部分功能分析。

STM-N帧由净负荷、管理单元指针（AU-PTR）、段开销（SOH）3部分组成。

✓段开销（SOH）区域用于存放帧定位，网络运行、维护和管理方面（OAM）的字节，以保证主信息净负荷正确灵活地传送。

段开销分为再生段开销（RSOH）
和复用段开销（MSOH）。

✓管理单元指针用来指示信息净负荷的第一个字节在STM-N帧内的准确位置，以便正确区分出所需的信息。

✓信息净负荷区存放各种电信业务信息和少量用于通道性能监控的通道开销字节。

◆再生段开销RSOH位于STM-N帧中的1~3行1~9×N列，用于帧定位、再生段的监控、维护和管理。

RSOH在SDH网中每个网元处都要终结。

◆复用段开销MSOH位于STM-N帧中的5~9行1~9×N列，用于复用段的监控、维护
MSOH在SDH网中复用段的始端产生，在复用段的末端终结，在中继器上透明传输。

◆例如2.5G系统，RSOH监控的是整个STM-16的信号传输状态；MSOH监控的是STM-16中每一个STM-1信号的传输状态；POH则是监控每一个STM-1中每一个“打包”了的低速支路信号（例如2Mbit/s ）的传输状态。

3．任何信号进入SDH组成STM-N帧需经过3个步骤：映射、定位和复用。

✓映射：相当于信号打包，使不同的支路信号和相应的虚容器同步
✓定位校准：即加入调整指针，校正支路信号频差和实现相位对准
✓复用：即字节间插复用，用于将多个低阶通道层信号适配进高阶通道层或将多个高阶通道层信号适配进复用段层
4. 我国基本的SDH复用映射结构。

复用映射图参见后面
◆标准容器C：容器是用来装载各种速率的业务信号的信息结构。

我国规定的标准容器有：C-12、、C-3和C-4。

◆虚容器VC：用于支持SDH通道层连接的信息结构。

VC是SDH中可以用来传输、交换、处理的最小信息单元。

VC在SDH传输网中传输的路径称为通道。

我国规定的标准虚容器有：VC-12、VC-3（低阶虚容器）和VC-4（高阶虚容器）。

它由容器输出的信息净负荷加上通道开销（POH）组成，即C−n + VC−n POH= VC−n C−12+ POH= VC−12
C−3+ POH= VC−3
C−4+ POH= VC−4
◆支路单元TU：提供低阶通道层和高阶通道层之间适配功能的信息结构。

它由低阶VC-n和相应的支路单元指针（TU-n PTR）组成，即: 低阶VC-n + TU-n PTR =TU-n
V C−12+ PTR= TU−12
V C−3+ PTR= TU−3
◆管理单元AU：提供高阶通道层和复用段层之间适配功能的信息结构。

它由高阶VC-n和相应的管理单元指针（AU-n PTR）组成，即: 高阶VC-n + AU-n
V C−4 + PTR = AU −3
◆ 同步传送模块（STM-N ）
N 个AUG 信号按字节间插同步复用后再加上SOH （段开销）就构成STM-N 信号（N =1，4，16，64），即： N ×AUG+SOH=STM-N
✓ 指针方式的采用是SDH 的重要创新，结合虚容器(VC)的概念， 解决了低速信号
复接成高速信号时，由于小的频率误差所造成的载荷相对位置漂移的问题。

✓ 一个STM-1帧中可容纳1个140 Mbit/s 的支路信号，或者3个34 Mbit/s 的支路
信号，或者63个2 Mbit/s 的支路信号。

需要注意的是，一个STM-1帧只能装入单一速率的信号，如34 Mbit/s 和2 Mbit/s 不能混装复用形成一个STM-1帧。

5、PDH 支路信号E1和E4复用映射成STM-N 信号的过程分析。

详细后面图。

① E4→STM-N 过程中各信息结构的标称速率：
标准C-4速率: 8000帧/秒 * [9行*260列] * 8bit=149.760Mbit/s
标准VC-4速率: 8000帧/秒 * [9行*261列] * 8bit=150.336Mbit/s
标准AU-4速率: 8000帧/秒 * [9行*261列+9字节] * 8bit=150.912Mbit/s
标准AUG-1速率:（同AU-4） 8000帧/秒 * [9行*261列+9字节] * 8bit=150.912Mbit/s STM-N 速率：8000帧/秒 * [9行*270*N 列] * 8bit=155.520*N Mbit/s
② E1→STM-N 过程中各信息结构的标称速率：
标准C-12速率: 8000帧/秒 * [9行*4列-2字节
] * 8bit=2.176Mbit/s
标准VC-12速率: 8000帧/秒 * [9行*4列-1字节] * 8bit=2.240Mbit/s
标准TU-12速率: 8000帧/秒 * [9行*4列] * 8bit=2.304Mbit/s
标准TUG-2速率: 8000帧/秒 * [9行*12列] * 8bit=6.912Mbit/s
标准TUG-3速率: 8000帧/秒 * [9行×（12*7+2）列] * 8bit=49.536Mbit/s 标准VC-4速率: 8000帧/秒 * [9行×（86*3+3）列] * 8bit=150.336Mbit/s 标准AU-4速率: 8000帧/秒 * [9行*261列+9字节] * 8bit=150.912Mbit/s
标准AUG-1速率:（同AU-4） 8000帧/秒 * [9行*261列+9字节] * 8bit=150.912Mbit/s STM-N 速率：8000帧/秒 * [9行*270*N 列] * 8bit=155.520*N Mbit/s
6、SDH 线性网的两种保护倒换方式。

SDH 线型网络通常采用线路保护倒换方式，可分为1+1保护和1：n 保护。

基本原理：当出现故障时，业务由工作通道倒换到保护通道。

① 1+1保护
每一个工作系统都配有一个专用的保护系统，两个系统互为主备用。

发端在主备两个信道上发同样的信息（并发），收端在正常情况下选收主用信道上的业务（优收）。

因为主备信道上的业务一模一样（均为主用业务），所以在主用信道损坏时，只要接收方通过切换选收备用信道，就可以使主用业务得以恢复。

此种倒换方式又叫做单端倒换（仅收端切换）。

无需APS 协议。

保护简单、快速可靠，是专用保护，不提供无保护的附加业务通路，信道利用率较低。

② 1：n 保护
n （n=1～14）个工作系统共享1个保护系统
，这时信道利用率较高，但一条备用信A B IN
OUT OUT IN 并发选收1+1保护
OUT A B
IN OUT IN
单发选收1:1保护
道只能同时保护一条主用信道，所以系统可靠性降低了。

1∶1方式指在正常时发端在主用信道上发主用业务，在备用信道上发额外业务（低级别业务），收端从主用信道收主用业务和从备用信道收额外业务。

当主用信道损坏时，额外业务被丢弃。

为保证主用业务的传输，发端进行倒换，将主用业务发到备用信道上，收端也切换到备用信道选收主用业务，主用业务传输得到恢复。

这种倒换方式称之为双端倒换（收/发两端均进行切换），倒换速率较快。

由于额外业务的传送在主用信道损坏时要被终结，所以额外业务也叫做不被保护的业务。

需要APS协议。

7、二纤单向通道保护环的工作原理。

通道保护环：业务的保护是以通道为基础的，也就是保护的是STM-N信号中的某个VC（某一路PDH信号），倒换与否按环上的某一个别通道信号的传输质量来决定的，通常利用收端是否收到简单的TU-AIS信号来决定该通道是否应进行倒换。

这种环属于专用保护，保护时隙为整个环专用，在正常情况下保护段往往也传主业务信号。

类似于1+1保护方式（并发优收），信道利用率低。

二纤单向保护环的业务容量恒定是STM-N，与环上的节点数和网元间业务分布无关。

工作原理如图所示：
工作原理：
两根光纤，W1光纤为工作光纤，传主用业务信号；P1光纤为保护光纤，也传主用业务信号。

采用1+1保护方式。

A-C方向业务经W1纤沿顺时针经过B和P1纤沿逆时针经过D同时到C点；C正常接收时选择工作纤W1送来的信号。

C-A方向业务经W1纤沿顺时针经过D和P1纤沿逆时针经过B同时到A点，A正常接收时选择工作纤W1送来的信号。

发生某故障时（此时B-C之间光缆断，业务中断）：
A-C方向业务经W1纤沿顺时针和P1纤逆时针到C点。

收端C将开关切换到保护纤P1上，A-C的业务未受影响。

C-A方向工作系统不受影响， A点接收不需要倒换。

8、二纤双向复用段保护环的工作原理。

复用段保护环：业务量的保护是以复用段为基础的，倒换与否是根据环上传输的复用段信号的质量决定的。

倒换是由K1、K2（b1—b5）字节所携带的APS协议来启动的，当复用段出现问题时，环上整个STM-N或1/2STM-N的业务信号都切换到备用信道上。

复用段保护倒换的条件是LOF、LOS、MS-AIS、MS-EXC告警信号。

这种环多属于共享保护，即保护时隙由每一个复用段共享，正常情况下保护段往往是空闲的（可传额外业务）。

类似于1:1保护方式（单发），信道利用率高。

对于二纤双向复用段保护环，在每个区段（节点间）采用两根光纤，每条光纤上的一半通路规定作为工作通路（W），另一半通路作为保护通路（P）；一条光纤的工作通路（W1），由沿环的相反方向的另一条光纤上的保护通路（P1）来保护；反之亦然。

工作原
理如图：
CA AC
CA AC
工作原理：
Wl和W2为工作光纤，一发一收，方向相反；P1和P2为保护光纤，一发一收，方向相反。

P1保护Wl，方向相反； P2保护W2，方向相反。

利用时隙交换技术将W1的业务信号和P2的保护信号复用在一根光纤上，称W1/P2纤；将W2的业务信号和P1的保护信号复用在一根光纤上，称W2/P1纤。

正常工作时：
A-C的主用业务沿工作纤W1/P2的W1时隙经B点顺时针到C点；
A-C的额外业务（选传）沿保护纤W2/P1的P1时隙经D点逆时针到C点；
C-A的主用业务沿工作纤W2/P1的W2时隙经B点逆时针到A点；
C-A的额外业务（选传）沿保护纤W1/P2的P2时隙经D点顺时针到A点；
发生某故障时（此时B-C之间光缆断）：
额外业务取消，相邻的两个节点（即B、C节点）自动按APS协议执行环回功能。

A-C主业务沿W1/P2纤的W1时隙顺时针至B，在B处环回到W2/P1纤的P1时隙，然
后逆时针经网元A、D到C，在C处环回到W1/P2纤的W1时隙，下业务。

C-A主业务沿W2/P1纤的W2时隙逆时针发出，在A处环回到W1/P2纤的P1时隙，然后顺时针经网元D、A（不下）到B，在B处环回到W2/P1纤的W2时隙，然后逆时针到达A，下业务。

数字光发送机原理方框图
数字光接收机原理方框图
光接收放大电路
含通道开销
一帧STN-N帧结构图
3种接 口种类
高阶VC
我国基本的SDH 复用映射结构图
E1
E3
E4
PDH 四次群信号E4复用进STM-N 的过程
PDH 四次群E4信号复用映射进STM-N 的过程。