31+光束调制原理

光源传输调制光束的调制和扫描第3章重点掌握：电光、声光调制原理由激光“携带”的信息(包括语言、文字、图像、符号等)通过一定的传输通道(大气、光纤等)送到接收器，再由光接收器鉴别并还原成原来的信息。这种将信息加载于激光的过程称之为调制。完成这一过程的装置称为调制器(Modulator）。其中激光称为载波；起控制作用的低频信息称为调制信号。§3.1光束调制原理激光是一种频率更高的电磁波，它具有很好相干性，因而象以往电磁波（收音机、电视等）一样可以用来作为传递信息的载波。例子：调幅波的调制过程解调（demodulate)：调制的反过程，把调制信号还原成原来的信息。电视传像的基本过程根据调制器和激光器的相对关系，可以分为内调制和外调制)cos()(cccctAtE振幅cA角频率c相位角c例如：光发调制（内调制）激光光波的电场强度是：内调制：是指加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出特性以实现调制。外调制：是指激光形成之后，在激光器外的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制。例如：视频信号传输调制过程外调制方便，且比内调的调制速率高（约一个数量级），调制带宽要宽得多，故倍受重视。激光调制按其调制的性质可以分为调幅、调频、调相及调强等。§补充基本概念1.光调制：指改变光波的振幅、强度、频率、相位、偏振等特性参数，通过光与物质相互作用所产生的物理效应实现的。2.调制器：指用于改变光波特性参数的物质或器件，可分为天然调制器和人工调制器，又可以分为体调制器和光波导调制器。3.调制种类：按照对光波参数的调制，可以分为强度调制、相位调制、频率调制和偏振调制等。4.调制方式：按照光受到的作用场的不同，可以分为电光调制、声光调制、磁光调制和光光调制等。§补充光调制的评价指标1.调制深度（或调制度）：指光载波由外加信号作用产生的变化能力。外加信号使光强减弱时，定义为η=(I0-I)/I0;ηmax=(I0-Im)/I0外加信号使光强增强时，定义为η=(I-I0)/Im;ηmax=(Im-I0)/Im2.调制带宽：指调制器件能工作的调制频率范围。定义为调制深度的最大值下降到50%时，取上下两个频率之差Δν。§补充光调制的评价指标3.插入损耗：指光在调制器中传输所产生的损耗，通常用分贝表示。外加信号使光强减弱时，定义为Li=10lg（It/Io）外加信号使光强增强时，定义为Li=10lg（It/Im）It:无调制器时光波的传输光强；Io：有调制器但无外加信号时的传输光强；Im：施加最大外界信号时的传输光强。4.隔离度：指输入端和输出端之间的最终损耗情况，也用分贝表示：Li=10lg（Io/Ii）Am和ωm分别是调制信号的振幅和角频率.振幅调制就是载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡，简称调幅。)11.3()cos()(cccctAtE)21.3(cos)(tAtamm设激光载波的电场强度如：如果调制信号是一个时间的余弦函数，即：§3.1.1振幅调制当进行激光振幅调制时，(3.1-1)式中的激光振幅Ac不再是常量，而是与调制信号成正比。例如：调幅波的调制过程其调幅波的表达式为：利用三角公式：得：cmccacmccaccctAmtAmtAtE)(cos2)(cos2)cos()()cos(cos1)(ccmacttmAtE(3.1-3))cos()cos(21coscos(3.1-4)称为调幅系数。cmaAAmm2调幅波频谱2caAmmccmc2caAmcA调幅波的频谱是由三个频率成分组成的。第一项是载频分量；第二、三项是因调制而产生的新分量，称为边频分量。cmccacmccaccctAmtAmtAtE)(cos2)(cos2)cos()(调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而改变的振荡。因为这两种调制波都表现为总相角(t)的变化，因此统称为角度调制。)5.1.3()()()(takttfccωc不再是常数，而是随调制信号而变化，即：)cos()(cccctAtEＡ、对于调频而言，就是(3.1-1)式§3.1.2频率调制和相位调制━调频和调相例如：光纤通信中相位调制若调制信号是余弦函数，则调频波总相角为：)6.1.3(sin)cos()()()()(cmfcctmmfcctfcctfccttmtdtAktdtaktdtakdtt其中称为调频系数，为频移幅值，即频率变化时偏移中心频率的程度，kf称为比例系数。mdmmffAkm则调制波的表达式为：)7.1.3()sincos()(cmfcctmtAtEd式中，称为调相系数。mAkmtAkttakttmmcccccos)()((3.1.8)则调相波的表达式为：)coscos()(cmcctmtAtE(3.1.9))cos()(cccctAtEＢ、对于调相而言，不再是常数，而是随调制信号而变化，即：c由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可写成统一的形式利用sinsincoscos)cos(cmcctmtAtEsincos)(（3.1.10）)sinsin(sin()sincos(cos()())tmttmtAtEmccmccc(3.1.11)三角公式展开(3.1-10)式，得：将式中)sinsin()sincos(tmtmmm和1)2cos()(2)()sincos(20ntnmJmJtmmnm112)12(sin)(2)sinsin(nmnmtnmJtm知道了调制系数m，就可从贝塞尔函数表查得各阶贝塞尔函数的值。两项按贝塞尔函数展开：将以上两式代入(3.1-11)式利用三角函数关系式：)cos()cos(21sinsincmcncmcncccccmccmccmccmcccctnntnmJAtmJAtmJtmJtmJtmJtmJAtE)(1cos)1()cos()()cos()()2(cos)()2(cos)()(cos)()(cos)()cos()()(022110)cos()cos(21coscos(3.1.12)可得：可见，在单频正弦波调制时，其角度调制波的频谱是由光载频与在它两边对称分布的无穷多对边频所组成的。各边频之间的频率间隔是,各边频幅度的大小由贝塞尔函数决定。m)(mJncmcncmcncccctnntnmJAtmJAtE)(1cos)1()cos()()cos()()(00.770.440.110.02m6mc角度调制波的频谱图1fm例题：如下图是m=1时的角度调制波的频谱。若调制信号不是单频正弦波,则其频谱将更加复杂。另外，当角度调制系数较小（即m1）时，其频谱与调幅波有着相同的形式。强度调制是光载波的强度(光强)随调制信号规律而变化的激光振荡。激光调制通常多采用强度调制形式，这是因为接收器(探测器)一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘故。激光的光强度定义为光波电场的平方，其表达式为(光波电场强度有效值的平方):)13.1.3)(cos)()(222（ccctAtEtI§3.1-3强度调制线性调制将其代入上式,并令)(cos)(12)(22ccpcttakAtIpk)cos()(tAtammpmpmAk)(coscos12)(22ccmpcttmAtI于是，强度调制的光强表达式可写为:(3.1.14)比例系数设调制信号是单频余弦波m光强调制波的频谱可用前面所述类似的方法求得，但其结果与调幅波的频谱略有不同，其频谱分布除了载频及对称分布的两边频之外，还有低频和直流分量。(3.1.15)(称为强度调制系数)则I(t)t调制信号载波强度调制]}1cos])2cos[(2])2cos[(2)2{cos(4]1)2[cos(21cos12)(coscos12)(0002222tmttmttmtAttmAttmAtImpcmpcmpccccmpcccmpc§3.1-4脉冲调制以上几种调制形式所得到的调制波都是一种连续振荡的波,称为模拟式调制。另外,在目前的光通信中还广泛采用一种在不连续状态下进行调制的脉冲调制和数字式调制(也称为脉冲编码调制)。它们一般是先进行电调制（模拟脉冲调制或数字脉冲调制）,再对光载波进行光强度调制。脉冲调制是用一种间歇的周期性脉冲序列作为载波，这种载波的某一参量按调制信号规律变化的调制方法。先用模拟调制信号对一电脉冲序列的某参量(幅度、宽度、频率、位置等)进行电调制，使之按调制信号规律变化，成为已调脉冲序列，再用已调电脉冲序列对光载波进行强度调制，就可以得到相应变化的光脉冲序列。周期脉冲序列载波线性矩形调制矩形调制(a)调制信号(b)脉冲幅度调制(c)脉冲宽度调制(d)脉冲频率调制(e)脉冲位置调制图3脉冲调制形式§3.1-5脉冲编码调制这种调制是把模拟信号先变成电脉冲序列，进而变成代表信号信息的二进制编码，在对光载波进行强度调制，主要包括抽样、量化和编码三个过程。1.抽样。抽样就是把连续信号波分割成不连续的脉冲波，用一定的脉冲列来表示，且脉冲列的幅度与信号波的幅度相对应。也就是说，通过抽样将原来的模拟信号变成一脉冲幅度调制信号。2.量化。量化就是把抽样后的脉幅调制波进行分级取整处理，用有限个数的代表值取代抽样值的大小。经抽样再通过量化过程变成数字信号。§3.1-5脉冲编码调制3.编码。编码就是把量化后的数字信号变换成相应的二进制码的过程。即一组等幅度、等宽度的脉冲作为“码子”，用“有”脉冲和“无”脉冲分别表示二进制数码的“1”和“0”。再将这一系列反应数字信号规律的电脉冲加到一个调制器上，以控制激光的输出，有激光载波的极大值代表二进制变化的“1”，而用激光载波的零值代表“0”。这种调制方式具有很想的抗干扰能力，在数字激光通信中得到了广泛的应用。尽管光束调制方式不同，但其调制的工作原理都是基于电光、声光、磁光等各种物理效应。