光学信号的调制-(1)

第08章光学信号的调制8.2光信号调制的基本原理8.3光信号调制的基本方法8.4调制信号的解调8.1光信号调制的概述8.1光信号调制的概述光波是信息的载体，通常称为光载波。1.载波的特征参数？2.调制：一次调制和二次调制3.二次调制的意义1.光载波的特征参数－－人眼和探测器起作用的是光波的电场强度00cos(2)EEvt振幅频率相位特征参数：－－光强、振幅、频率、相位、－－偏振方向、传播方向，······20IE光的强度（辐通量）－－光强是使用最为广泛的特征参数2.调制：一次调制和二次调制光学调制是指改变光载波的一个或者几个特征参数的过程。特征参数：－－光强、振幅、频率、相位、－－偏振方向、传播方向，······一次调制二次调制广义的光学调制例1.卫星遥感农作物产量－－地面植物反射太阳光的光谱，生长状况信息将信息直接加载到光载波上的调制，称为一次调制例2光纤通信系统－－将声音、图像信息加载到光波上人为地按确定的规律变换载波信号，称为二次调制驱动电路放大器判别电路InGaAsP激光器PINRL光纤C输入输出例3：利用调制光测量液体浓度液体浓度（信息）对光强参数的调制一次调制调制盘（确定时间规律）对光强参数的调制为二次调制驱动电路放大器判别电路InGaAsP激光器PINRL光纤C输入输出二次调制的意义？？？声音、图像－－加载信息抑制干扰－－改善品质8.1光信号调制的概述－－小结光波是信息的载体，通常称为光载波。光学调制是指改变光载波的一个或者几个特征参数的过程。将信息直接加载到光载波上的调制，称为一次调制人为地按确定的规律变换载波信号，称为二次调制光电系统中常用的调制大多是二次调制20IE光的强度（辐通量）－－光强是使用最为广泛的调制参数第08章光学信号的调制8.2光信号调制的基本原理8.3光信号调制的基本方法8.4调制信号的解调8.1光信号调制的概述8.2光信号调制的基本原理8.2.1模拟调制8.2.2脉冲调制8.2.3编码调制以光信号的强度（辐通量）调制为例讨论，适用于光波的振幅、相位和频率等参数的调制8.2.1模拟调制0m()sin()tt0m()[()]sin{[()][()]}tVtVttVt振幅调制(AM)频率调制(FM)相位调制(PM)－－又称为连续波调制线性调制（频谱的线性搬移）非线性调制（产生新的频率）1.振幅调制(AM)光载波调制波（信息）调幅波0m()[1()]sin()tmVtt0m()sin()tt载波的包络变化－－信息()sin()Vtt例.利用调制光测量液体的浓度载波信息思考：如果溶液的浓度逐步加大，调制波形？m1mm0m()[1sin()]sin()tmtt载波信息振幅讨论：（1）调制指数m对调幅波形的影响0m()sin()tt()sin()Vtt电学中的振幅调制(AM)载波调制波调幅波信息振幅调制：载波的包络变化－－信息ttttmt0Amt载波AMstHHMAMScc000()[()]cos[1()]cosAMccStAmttmVtAt()()()()sin()mtmtVtmtt0()mtmA调制指数0m()[1sin()]sin()tmttmmm00()[()]cos[1()]cosAMccStAmttmVtAt0()mtmA•波形图–由波形可以看出，当满足条件：时，其包络与调制信号波形相同，因此用包络检波法很容易恢复出原始调制信号。–否则，出现“过调幅”现象。这时用包络检波将发生失真。但是，可以采用其他的解调方法，如同步检波。0()1mtmA0()1mtmA0m()[1()]sin()tmVtt()sin()Vtt0m()[1sin()]sin()tmtt0mm()sin()1{cos[()]cos[()]}2ttmtt载波信息振幅单一频率调制信号讨论：（2）调幅对频谱的影响Φ0Φm12mΦm12mΦf0-Ff0+Ff0fO/2πFΦm0mm()sin()1{cos[()]cos[()]}2ttmtt调幅波频谱()sin()Vtt信息“频率”载波“频率”信号变换－－频率搬移调幅波带宽B=2F5KHz2×100Hz滤波器调幅波频谱：单一频率调制信号频谱图由频谱可以看出，AM信号的频谱由：载频分量上边带下边带三部分组成。上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。ttttmt0Amt载波AMstHHMAMScc0载频分量载频分量上边带上边带下边带下边带调幅波带宽B=2F信号变换－－频率搬移多个频率调制信号调幅波频谱：启动虚拟仪器LabVIEW8.6仿真信号多个频率调制信号振幅调制应用实例振幅调制应用实例2.频率调制(FM)(a)(b)载波信息频率调制：载波的频率变化－－信息载波的频率变化－－信息2.频率调制(FM)0m()[()]sin{[()][()]}tVtVttVt0[()]()VtVt0m00()sin[()]tttVtdt00()sin[sin()]mfttmtffmF--频率调制指数mf1宽带调频mf1窄带调频【例】设调制信号是fm=15kHz的单频余弦信号，NBFM信号的载频f1=200kHz，最大频偏f1=25Hz；求NBFM信号的调频指数-3113251.67101510mfmf讨论：调制指数m对调频波形的影响00()sin[sin()]mfttmt000sincos[sin()]cossin[sin()]mfftmttmtmf1窄带调频时cos[sin()1fmt000sincossin()mftmttsin[sin()]sin()ffmtmtmf1窄带调频0m0f00m0fm00()[sincossin()]1sin{sin[()]sin[()]}2ttmtttmtt调频信号波形调频信号频谱调频波带宽B=2(Δf+F)=2(mf+1)F调制指数m对调频波形的影响00()sin[sin()]mfttmt例：利用V/F（电压/频率）变换器产生调频光信号U0－－载波频率Ui－－调制频率电压/频率变换器工作示意图调频光信号产生实例•PM信号和FM信号波形(a)PM信号波形(b)FM信号波形tmttmtttttc0PMsttFMsttc000003.相位调制(PM)载波的相位变化－－信息•非线性调制（角度调制）的原理•角度调制：频率调制和相位调制的总称。频率调制简称调频(FM)，相位调制简称调相(PM)。•这两种调制中，载波的幅度都保持恒定，而频率和相位的变化都表现为载波瞬时相位的变化。PM是相位偏移随调制信号m(t)线性变化，FM是相位偏移随m(t)的积分呈线性变化。如果预先不知道调制信号m(t)的具体形式，则无法判断已调信号是调相信号还是调频信号。•已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分，故又称为非线性调制。•与幅度调制技术相比，角度调制最突出的优势是其较高的抗噪声性能。)](cos[)(tmKtAtspcPM()cos[()]FMcfstAtKmdΦ0tΦ0tΦ0tΦ0t原始脉冲波形脉冲幅度调制（PAM）脉冲相位调制（PPM)脉冲宽度调制（PDM)应用：－－激光测距、目标跟踪与识别等······8.2.2脉冲调制（a）模拟基带信号(b)PAM信号(c)PDM信号(d)PPM信号例.测量液体的浓度（脉冲幅度调制）载波信息思考：如果溶液的浓度逐步加大，调制波形？调制盘图案由一系列明暗相间的扇形格子构成，设置在接收光学系统的像面上，调制盘的圆心与光轴重合。目标与太阳光照射的云层(背景)均成像于调制盘上，当调制盘高速旋转时，并缓慢地向右移动以便穿越目标和云层的像。调制盘越过目标时，由于调制盘上的透明格子尺寸与目标像点尺寸近似相等，故探测器输出的电信号是斩频为入的一列脉冲，从而形成脉冲宽度调制。例.区别目标和背景（脉冲宽度调制）8.2.3编码调制抽样量化编码把模拟信号先变成脉冲序列，再变成代表信号信息的二进制编码，然后对载波进行强度调制。模拟量4，8，……0100，1000，……脉冲量数字信号第8章光学信号的调制8.2光信号调制的基本原理8.3光信号调制的基本方法8.4调制信号的解调8.1光信号调制的概述8.3光信号调制的基本方法可调参数：－－光强、振幅、频率、相位、－－偏振方向、传播方向，······8.3.2光信号相位的调制8.3.1光信号强度的调制8.3.3光信号频率的调制8.3.4光信号偏振的调制8.3.1光信号强度的调制可实现强度调制典型的方法2.机电调制3.光电子调制1.辐射源调制1)半导体激光器调制－－调制频率40GHz摘自国家精品课程《光纤通信技术》--深圳职业技术学院制作摘自国家精品课程《光纤通信技术》--深圳职业技术学院制作1.辐射源调制--改变输入电流来实现光强度的调制2)发光二极管调制－－调制频率100MHz摘自国家精品课程《光纤通信技术》--深圳职业技术学院制作摘自国家精品课程《光纤通信技术》--深圳职业技术学院制作－中短距离光电测距－光通信，······2.机电调制1)调制盘调制2)光栅莫尔条纹调制——典型的光强度调制器应用：－－红外被动制导系统、红外跟踪系统－－激光波束制导，······光电扫描式调幅旋转调频调相式脉冲调宽最基本的作用：恒定的辐通量－－周期性辐通量a用调制盘抑制背景噪声b用调制盘进行空间滤波c用调制盘确定目标方位1)调制盘调制a.用调制盘抑制背景噪声有源带通滤波器b.用调制盘进行空间滤波利用目标和背景相对于系统的张角不同，调制盘可以抑制背景以突出目标，从而把目标从背景中分离出来－－空间滤波目标小张角背景大张角空间滤波分析：初升太阳调制盘小张角目标调制图大张角背景调制图目标方位：目标M'（ρ΄，θ'）像点M（ρ，θ）c.用调制盘确定目标方位目标方位：像点M（ρ，θ）调制信号幅度－－ρtABtBtA调制信号初相位－－θ比较目标像在A、B位置输出初相位目标A调制盘小结：调制盘是一种光强度调制器恒定辐射通量－－周期性辐射通量（1）静止目标像－交流信号，抑制噪声和光源波动的影响；（2）进行空间滤波，抑制背景噪声；（3）提供目标方位空间信息。2)光栅调制光栅是具有周期性空间结构或光学性能（如透射率、反射率等）的光学元件。计量光栅（空间周期Pλ）衍射光栅（空间周期P≈λ）－－光栅莫尔条纹典型的计量光栅结构：BP小夹角主光栅--定光栅指示光栅--动光栅tΦ光栅莫尔条纹原理：光通量明暗交替变化两光栅移动，莫尔条纹移动光栅位移信息－－光强信号mΔcos(2π)xP用计量光栅实现光通量幅度调制：莫尔条纹图案光栅每移动一个栅距P，条纹就跟着移动一个条纹宽度B。mcos(2)xPx＝NP2)光栅调制－－光栅莫尔条纹典型的计量光栅结构：数控机床中的光栅，根据光线在光栅中是反射还是透射分为反射光栅和透射光栅。还可以按形状分为圆光栅和长光栅。应用举例：光栅线位移传感器测量范围：100mm-3000mm分辨率：10、5、1、0.5、0.1µm主(标尺)光栅--定光栅（长光栅）指示光栅--动光栅（短光栅）刻线密度---测量精度(10、25、50、100、125线/mm)直线透射式光栅1.组成由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，光栅读数头包括光源、透镜、