第六講光束調(diào)制原理

1、 光源光源傳輸傳輸調(diào)制調(diào)制激光化波導(dǎo)化電子化本講主要內(nèi)容本講主要內(nèi)容一、基本概念一、基本概念三、角度調(diào)制三、角度調(diào)制四、強度調(diào)制四、強度調(diào)制二、振幅調(diào)制二、振幅調(diào)制五、脈沖調(diào)制五、脈沖調(diào)制 由激光由激光“攜帶攜帶”的信息的信息(包括語言、文字、圖像、符號等包括語言、文字、圖像、符號等)通過一定的傳通過一定的傳輸通道輸通道(大氣、光纖等大氣、光纖等)送到接收器，再由光接收器鑒別并還原成原來的信息送到接收器，再由光接收器鑒別并還原成原來的信息。這種將信息加載于激光的過程稱之為這種將信息加載于激光的過程稱之為調(diào)制調(diào)制。 激光是一種頻率更高的電磁波，它具有激光是一種頻率更高的電磁波，它具有單色性好單色

2、性好、 光發(fā)散角小光發(fā)散角小、時間時間和空間相干性好和空間相干性好等優(yōu)點，因而象以往電磁波（收音機、電視等）一樣可以等優(yōu)點，因而象以往電磁波（收音機、電視等）一樣可以用來作為傳遞信息的載波。用來作為傳遞信息的載波。一、基本概念一、基本概念31 完成這一過程的裝置稱為調(diào)制器完成這一過程的裝置稱為調(diào)制器(Modulator）。其中激光稱為其中激光稱為載波載波；起控制作用的低頻信息稱為；起控制作用的低頻信息稱為調(diào)制調(diào)制信號信號（需要調(diào)制的信息需轉(zhuǎn)化為電信號）。（需要調(diào)制的信息需轉(zhuǎn)化為電信號）。一、基本概念一、基本概念30調(diào)制器與激光器的相對關(guān)系可分為：內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制調(diào)制器與激光器的相對關(guān)系可分為：內(nèi)

3、調(diào)制和外調(diào)制)cos()(cccctAtE振幅cA角頻率c相位角c激光光波的電場強度是：激光光波的電場強度是：一、基本概念一、基本概念29光發(fā)調(diào)制（內(nèi)調(diào)制） 指加載調(diào)制信號是在激光振蕩過程中進行指加載調(diào)制信號是在激光振蕩過程中進行的，即以調(diào)制信號去改變激光器的振蕩參數(shù)，的，即以調(diào)制信號去改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光輸出特性以實現(xiàn)調(diào)制。從而改變激光輸出特性以實現(xiàn)調(diào)制。一、基本概念一、基本概念28內(nèi)調(diào)制內(nèi)調(diào)制一、基本概念一、基本概念27內(nèi)調(diào)制內(nèi)調(diào)制優(yōu)優(yōu) 點：調(diào)制效率高。點：調(diào)制效率高。缺缺 點：點： a. a.由于調(diào)制器放在腔內(nèi)，等于增加腔由于調(diào)制器放在腔內(nèi)，等于增加腔內(nèi)的損耗內(nèi)的損耗, ,

4、降低了輸出功率。降低了輸出功率。 b. b.調(diào)制器帶寬受到諧振腔通帶的限制調(diào)制器帶寬受到諧振腔通帶的限制 指激光形成之后，在激光器外的光路指激光形成之后，在激光器外的光路上放置調(diào)制器，用調(diào)制信號改變調(diào)制器上放置調(diào)制器，用調(diào)制信號改變調(diào)制器的物理特性，當(dāng)激光通過調(diào)制器時，就的物理特性，當(dāng)激光通過調(diào)制器時，就會使光波的某參量受到調(diào)制。會使光波的某參量受到調(diào)制。一、基本概念一、基本概念26外調(diào)制外調(diào)制激光源激光源調(diào)制器調(diào)制器驅(qū)動和控制驅(qū)動和控制電信號輸入電信號輸入光纖光纖光信號輸出光信號輸出 激光調(diào)制按其調(diào)制的性質(zhì)可以分為激光調(diào)制按其調(diào)制的性質(zhì)可以分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相及調(diào)強等調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相及調(diào)強等

5、。 一、基本概念一、基本概念25優(yōu)優(yōu) 點：點： a.使用方便，不影響激光器的輸出功率；使用方便，不影響激光器的輸出功率； b.調(diào)制器的帶寬不受諧振腔通帶的限制；調(diào)制器的帶寬不受諧振腔通帶的限制； c.比內(nèi)調(diào)的調(diào)制速率高（約一個數(shù)量級）。比內(nèi)調(diào)的調(diào)制速率高（約一個數(shù)量級）。缺缺 點：點： 調(diào)制效率低。調(diào)制效率低。外調(diào)制外調(diào)制 Am 和和 m 分別是調(diào)制信號的振幅和角頻率。分別是調(diào)制信號的振幅和角頻率。振幅調(diào)制就是載波的振幅隨著調(diào)制信號的規(guī)律而變化的振蕩，簡稱調(diào)幅振幅調(diào)制就是載波的振幅隨著調(diào)制信號的規(guī)律而變化的振蕩，簡稱調(diào)幅。)cos()(cccctAtEtAtammcos)(設(shè)激光載波的電場強度

6、如：設(shè)激光載波的電場強度如：如果調(diào)制信號是一個時間的余弦函數(shù)，即：如果調(diào)制信號是一個時間的余弦函數(shù)，即： 當(dāng)進行光振幅調(diào)制時，激光振幅當(dāng)進行光振幅調(diào)制時，激光振幅 Ac 不再是常量，而是與不再是常量，而是與調(diào)制信號成正比調(diào)制信號成正比。二、振幅調(diào)制二、振幅調(diào)制24其調(diào)幅波的表達(dá)式為：其調(diào)幅波的表達(dá)式為： 利用三角公式：利用三角公式： 得：得： cmcccmccccctAktAktAtE)(cos2)(cos2)cos()()cos(cos1)(ccmacttmAtE)cos()cos(21coscos稱為調(diào)幅比例系數(shù)。稱為調(diào)幅比例系數(shù)。cmAAk 二、振幅調(diào)制二、振幅調(diào)制23知識延展知識延展二

7、、振幅調(diào)制二、振幅調(diào)制調(diào)制系數(shù)：振幅的最大增量與振幅的平均值之比。調(diào)制系數(shù)：振幅的最大增量與振幅的平均值之比。振幅的最大值振幅的最大值振幅的最小值振幅的最小值振幅的最大增量振幅的最大增量mckAAAmaxmckAAAminminmaxAAAAAcc22知識延展知識延展二、振幅調(diào)制二、振幅調(diào)制調(diào)制系數(shù)：振幅的最大增量與振幅的平均值之比。調(diào)制系數(shù)：振幅的最大增量與振幅的平均值之比。振幅的最大值振幅的最大值振幅的最小值振幅的最小值振幅的最大增量振幅的最大增量mckAAAmaxm主要由主要由k，Am決定決定(振幅比例系數(shù)振幅比例系數(shù)k和調(diào)制信號的振幅和調(diào)制信號的振幅Am)mckAAAminminmax

8、AAAAAcccAAmmkAA cmAkAm 21對調(diào)制系數(shù)對調(diào)制系數(shù)m的要求：的要求： m1，保證調(diào)制信號在傳輸過程中，保證調(diào)制信號在傳輸過程中不畸變。不畸變。 m1時，使調(diào)制信號失真。時，使調(diào)制信號失真。二、振幅調(diào)制二、振幅調(diào)制知識延展知識延展調(diào)制系數(shù)：振幅的最大增量與振幅的平均值之比。調(diào)制系數(shù)：振幅的最大增量與振幅的平均值之比。20cmccacmccaccctAmtAmtAtE)(cos2)(cos2)cos()(二、振幅調(diào)制二、振幅調(diào)制19m2調(diào)調(diào)幅幅波波頻頻譜譜2caAmmccmc2caAmcA調(diào)幅波的頻譜是由三個頻率成分組成的。調(diào)幅波的頻譜是由三個頻率成分組成的。第一項是載頻分量；

9、第一項是載頻分量；第二、三項是因調(diào)制而產(chǎn)生的新分量，稱為邊頻分量第二、三項是因調(diào)制而產(chǎn)生的新分量，稱為邊頻分量 。cmccacmccaccctAmtAmtAtE)(cos2)(cos2)cos()(二、振幅調(diào)制二、振幅調(diào)制18 調(diào)頻或調(diào)相就是光載波的頻率或相位隨著調(diào)制信號的變化規(guī)律而改變的調(diào)頻或調(diào)相就是光載波的頻率或相位隨著調(diào)制信號的變化規(guī)律而改變的振蕩。因為這兩種調(diào)制波都表現(xiàn)為總相角振蕩。因為這兩種調(diào)制波都表現(xiàn)為總相角 (t) 的變化，因此統(tǒng)稱為的變化，因此統(tǒng)稱為角度角度調(diào)制調(diào)制。 )()()(takttfccc 不再是常數(shù)，而是隨調(diào)制信號而變化，即：不再是常數(shù)，而是隨調(diào)制信號而變化，即：

10、)cos()(cccctAtE、對于調(diào)頻而言、對于調(diào)頻而言三、角度調(diào)制三、角度調(diào)制17若調(diào)制信號是余弦函數(shù)，則調(diào)頻波總相角為：若調(diào)制信號是余弦函數(shù)，則調(diào)頻波總相角為： cmfcctmmfcctfcctfccttmtdtAktdtaktdtakdttsin)cos()()()()( 稱為調(diào)頻系數(shù)，稱為調(diào)頻系數(shù)，kf 稱為比例系數(shù)。稱為比例系數(shù)。mmmffAkm則調(diào)制波的表達(dá)式為：則調(diào)制波的表達(dá)式為： )sincos()(cmfcctmtAtE三、角度調(diào)制三、角度調(diào)制16 稱為調(diào)相系數(shù)。稱為調(diào)相系數(shù)。mAkmtAkttakttmmcccccos)()(則調(diào)相波的表達(dá)式為：則調(diào)相波的表達(dá)式為： )c

11、oscos()(cmcctmtAtE)cos()(cccctAtE、對于調(diào)相而言，、對于調(diào)相而言，不再是常數(shù)，而是隨調(diào)制信號而變化，即：不再是常數(shù)，而是隨調(diào)制信號而變化，即： c三、角度調(diào)制三、角度調(diào)制15由于調(diào)頻和調(diào)相實質(zhì)上最終都是調(diào)制總相角，因此統(tǒng)一的形式由于調(diào)頻和調(diào)相實質(zhì)上最終都是調(diào)制總相角，因此統(tǒng)一的形式 利用利用sinsincoscos)cos(cmcctmtAtEsincos)()sinsin(sin()sincos(cos()()tmttmtAtEmccmccc進一步得到：進一步得到：三、角度調(diào)制三、角度調(diào)制14將式中將式中)sinsin()sincos(tmtmmm和1)2co

12、s()(2)()sincos(20ntnmJmJtmmnm112)12(sin)(2)sinsin(nmnmtnmJtm知道調(diào)制系數(shù)知道調(diào)制系數(shù)m，就可從貝塞爾函數(shù)表查得各階貝塞爾函數(shù)的值。，就可從貝塞爾函數(shù)表查得各階貝塞爾函數(shù)的值。兩項按貝塞爾函數(shù)展開：兩項按貝塞爾函數(shù)展開：三、角度調(diào)制三、角度調(diào)制13再利用三角函數(shù)關(guān)系式：再利用三角函數(shù)關(guān)系式： )cos()cos(21sinsin)(1cos) 1()cos()cos()()2cos()()2cos()()cos()()cos()()cos()()(022110cmcncmcncccccmccmccmccmcccctnntnmJAtmJA

13、tmJtmJtmJtmJtmJAtE)cos()cos(21coscos可得：可得：三、角度調(diào)制三、角度調(diào)制12 在單頻正弦波調(diào)制時，其角度調(diào)制波的頻譜是由光載頻與在它兩邊在單頻正弦波調(diào)制時，其角度調(diào)制波的頻譜是由光載頻與在它兩邊對稱分布的無窮多對邊頻所組成的。各邊頻之間的頻率間隔是對稱分布的無窮多對邊頻所組成的。各邊頻之間的頻率間隔是 , 各各邊頻幅度的大小邊頻幅度的大小 由貝塞爾函數(shù)決定。由貝塞爾函數(shù)決定。 m)(mJn)(1cos) 1()cos()cos()()(0cmcncmcncccctnntnmJAtmJAtE三、角度調(diào)制三、角度調(diào)制110.770.440.110.02m6mc角

14、度調(diào)制波的頻譜圖角度調(diào)制波的頻譜圖 1fm例題：如例題：如m=1時，角度調(diào)制波的頻譜時，角度調(diào)制波的頻譜 若調(diào)制信號不是單頻正弦若調(diào)制信號不是單頻正弦波波, 則其頻譜將更加復(fù)雜。另則其頻譜將更加復(fù)雜。另外，當(dāng)角度調(diào)制系數(shù)較?。赐?，當(dāng)角度調(diào)制系數(shù)較?。磎1）時，其頻譜與調(diào)幅波）時，其頻譜與調(diào)幅波有著相同的形式。有著相同的形式。三、角度調(diào)制三、角度調(diào)制10 強度調(diào)制是光載波的強度強度調(diào)制是光載波的強度(光強光強)隨調(diào)制信號規(guī)律而變化的激光振蕩隨調(diào)制信號規(guī)律而變化的激光振蕩。激光調(diào)制通常多采用強度調(diào)制形式，這是因為接收器激光調(diào)制通常多采用強度調(diào)制形式，這是因為接收器(探測器探測器)一般都是直一般

15、都是直接地響應(yīng)其所接收的光強度變化的緣故。接地響應(yīng)其所接收的光強度變化的緣故。 激光的光強度定義為光波電場的平方，其表達(dá)式為激光的光強度定義為光波電場的平方，其表達(dá)式為(光波電場強度有光波電場強度有效值的平方效值的平方): )(cos)()(222ccctAtEtI四、強度調(diào)制四、強度調(diào)制9將其代入上式，將其代入上式， 并令并令 )(cos)(12)(22ccpcttakAtIpk)cos()(tAtammmppAkm )(coscos12)(22ccmpcttmAtI強度調(diào)制的光強表達(dá)式強度調(diào)制的光強表達(dá)式 :比例系數(shù)比例系數(shù)設(shè)調(diào)制信號是單頻余弦波設(shè)調(diào)制信號是單頻余弦波m頻譜分布除了載頻及對

16、稱分布的兩邊頻之外，還有低頻頻譜分布除了載頻及對稱分布的兩邊頻之外，還有低頻 和直流分量。和直流分量。(強度調(diào)制系數(shù)強度調(diào)制系數(shù))則則四、強度調(diào)制四、強度調(diào)制80000()2()2ppK AImII光強最大增量光強平均值四、強度調(diào)制四、強度調(diào)制7當(dāng)當(dāng)mp 1時，時，001sin2pmImtI 波形不失真 以上幾種調(diào)制形式所得到的調(diào)制波都是一種以上幾種調(diào)制形式所得到的調(diào)制波都是一種連續(xù)振蕩的波連續(xù)振蕩的波, 稱為稱為模擬模擬式調(diào)制式調(diào)制。另外。另外, 在目前的光通信中還廣泛采用一種在在目前的光通信中還廣泛采用一種在不連續(xù)狀態(tài)不連續(xù)狀態(tài)下進行調(diào)制下進行調(diào)制的的脈沖調(diào)制和數(shù)字式調(diào)制脈沖調(diào)制和數(shù)字式調(diào)

17、制(也稱為脈沖編碼調(diào)制也稱為脈沖編碼調(diào)制)。它們一般是先進行電調(diào)。它們一般是先進行電調(diào)制（模擬脈沖調(diào)制或數(shù)字脈沖調(diào)制）制（模擬脈沖調(diào)制或數(shù)字脈沖調(diào)制）, 再對光載波進行光強度調(diào)制。再對光載波進行光強度調(diào)制。 五、脈沖調(diào)制五、脈沖調(diào)制6 脈沖調(diào)制是用一種間歇的周期性脈沖序列作為載脈沖調(diào)制是用一種間歇的周期性脈沖序列作為載波，這種載波的某一參量按調(diào)制信號規(guī)律變化的調(diào)制波，這種載波的某一參量按調(diào)制信號規(guī)律變化的調(diào)制方法。方法。五、脈沖調(diào)制五、脈沖調(diào)制5 （1）先用模擬調(diào)制信號對一電脈沖序列的某參量）先用模擬調(diào)制信號對一電脈沖序列的某參量(幅度、寬度、頻率、位置等幅度、寬度、頻率、位置等)進行電調(diào)制，

18、使之按調(diào)制進行電調(diào)制，使之按調(diào)制信號規(guī)律變化，成為已信號規(guī)律變化，成為已調(diào)脈沖序列調(diào)脈沖序列。 （2）再用已調(diào)電脈沖序列對光載波進行）再用已調(diào)電脈沖序列對光載波進行強度強度調(diào)制，調(diào)制， 就可以得到相應(yīng)變化的光脈沖序列。就可以得到相應(yīng)變化的光脈沖序列。 （1）先用模擬調(diào)制信號對一電脈沖序列的某參量）先用模擬調(diào)制信號對一電脈沖序列的某參量(幅度、寬度、頻率、位置等幅度、寬度、頻率、位置等)進行電調(diào)制，使之按調(diào)制進行電調(diào)制，使之按調(diào)制信號規(guī)律變化，成為已信號規(guī)律變化，成為已調(diào)脈沖序列調(diào)脈沖序列。 （2）再用已調(diào)電脈沖序列對光載波進行）再用已調(diào)電脈沖序列對光載波進行強度強度調(diào)制，調(diào)制， 就可以得到相應(yīng)變化的光脈沖序列。就可以得到相應(yīng)變化的光脈沖序列。五、脈沖調(diào)制五、脈沖調(diào)制4五、脈沖調(diào)制五、脈沖調(diào)制3脈沖調(diào)制的類型：脈沖調(diào)制的類型： 脈沖調(diào)幅（脈沖調(diào)幅（PAM） 脈沖強度調(diào)制（脈沖強度調(diào)制（PIM） 脈沖調(diào)頻（脈沖調(diào)頻（PFM） 脈沖調(diào)位（脈沖調(diào)位（PPM） 脈沖調(diào)寬（脈沖調(diào)寬（PWM） 脈沖編