光电技术第7章3节模板.ppt

7 5时变光电信息的调制 7 5 1光辐射的调制的基本原理与类型 1 光辐射调制的原因 1 使有用光信号与杂散光等区别开来 光信号应以某一频率变化 2 采用调制检测可消除探测器暗电流的影响 3 交流放大器稳定性好 零漂小 受电源电压波动 温度和老化的影响较小 若和光信号的调制特性相匹配 采用选频放大器或锁相放大等技术方案 可有效抑制噪声 从而实现高精度的检测 光辐射的调制是使光信号的一个或几个特征参量按被传送信息的特征变化 以实现信息检测传送的方法 2 光电信息调制的分类 在辐射源或光路系统中进行光通量调制的装置称为调制器 从已调制信号中分离并提取出有用的信息 即恢复原始信息的过程称为解调 根据调制器与激光器的关系分为 内调制 直接调制 与外调制内调制 是指加载信号是在激光振荡过程中进行的 以调制信号改变激光器的振荡参数 从而改变激光器的输出特性以实现调制 外调制 是在光传播过程中进行调制 常用各种调制器来实现 是用调制信号改变调制器的物理性能 当激光束通过调制器时 使光波的某个参量受到调制 按调制性质分为 模拟调制 调幅 调频和调相 调角 脉冲调制 调幅 调宽 调频和调位 脉冲调相或脉冲时间调制 和数字调制 光学调制按时空状态和载波性质可分为以下几种类型 1 按时空状态分类 时域调制 载波随时间和信息变化 空域调制 载波随空间位置变化后再按信息规律调制 时空混合调制 载波随时间 空间和信息同时变化 2 按载波波形和调制方式分类 直流载波 载波不随时间变化而只随信息变化的调制 交变载波 载波随时间周期变化的调制 按调制次数分 一次调制和二次调制一次调制 将信息直接调制到光载波上 二次调制 将光载波先人为地调制成随时间或空间变化 然后再将被测信息调制到光载波上 交变载波又分为连续载波与脉冲载波方式 连续载波调制方式 模拟调制 包括调幅波 调频波 调相波 在任何时刻信息的幅度与载波参数之间都有一一对应关系 脉冲载波调制方式包括脉冲调宽 调幅 调频等内容 3 典型的调制方法 直接调制光通量的直接调制是指光通量随时间或被测信息的变化而变化 被测信息直接调制光通量 被测信息载荷在光通量的幅度 变化的频率和变化的相位上 通过直接检测光通量的这些参量 就可以测量出被测信息 直接调制应用最多的是半导体激光器LD和半导体发光器件LED 载波的交变分量叠加在直流分量之上 被测信息可以对交流分量的振幅 频率或者初相位等参数进行调制 使之随信息变化 一般情况下 调制后的载波信号的形式为 式中 V t 为由被测信息决定的调制函数 根据调制参量的不同可以分为 振幅调制 AM 调制参量为 频率调制 FM 调制参量为 相位调制 PM 调制参量为载波的初始相位 7 77 2 连续波调制 模拟调制 连续波调制的光载波通常具有谐波的形式 用下列函数描述 振幅调制 光载波信号的幅度瞬时值随调制信息成比例变化 而频率 相位保持不变的调制方法称幅度调制或调幅 7 78 式中V t 是调制函数 规定 m是调制度或调制深度 表示V t 对载波幅度的调制能力 并且 7 79 以最简单的正弦调制函数为例讨论幅度调制的一般规律 分析调幅波的形成过程和它的频谱分布 对于频谱分布在F0 F 2 F0 范围内的任意函数V t 所对应的调幅波频谱是由以载波频率f0为中心的一系列边频组成 分别为f0 F1 f0 F2 f0 F 式中F1 F2 均为 F内的频谱分量 频谱图如图7 48 e 所示 若调制信号具有连续的带宽Fmax 则调幅波的频带是f0 Fmax 带宽为Bm 2Fmax 其中Fmax是调制信号的最高频率 图中虚线 调制载波的频谱是选择检测通道带宽的依据 如若载波频率为f0 10kHz 调制信号频率为F0 500Hz 则调幅后的载波频谱分布在fL 10 0 5 kHz 9 5kHz和fH 10 0 5 kHz 10 5kHz之间 也就是调幅波的带宽为Bm 1kHz 因此 检测通道的带宽满足Bm的要求 对带宽外的信号进行有选择地滤波 以便减少噪声和干扰 有利于提高信噪比 频率调制频率调制 调频 是指光载波的频率按调制信号的幅度改变 使调制后的调频波频率偏离开原有的载波频率 其瞬时偏离值与调制信号幅度瞬时值成正比 载波的振幅保持不变 7 82 式中V t 为调制函数 规定 是载波频率相对于中心频率f0的最大频率偏差 简称频偏 0 当时 载波频率的变化最大 为 7 83 对于最简单的余弦调制函数的情况 式中为调制角频率 式中为频率调制指数 为偏频 F为调制频率 表示单位调制频率引起频偏变化的大小 f 当时称为宽带调频 时称为窄带调频 7 85 7 84 7 86 频谱的基波频率为 组合频率为和 一般情况下 调制信号形式比较复杂时 频谱是以载波频率为中心的一个带宽域 带宽因而异 窄带调频时的带宽为 宽带调频时的带宽 例如 对光通量调频 若F 300Hz 则当 40时 24 6kHz 4时 3kHz 0 4时 0 6kHz 在窄带调频的情况下 相位调制相位调制为载波的相位角随着调制信号的变化而变化的调制 调频和调相两种调制波最终都表现为总相角的变化 则调相波可写为 7 87 7 88 式中为相位比例系数 为光载波的初相位 2 脉冲调制脉冲调制是用间歇的周期性脉冲序列作为载波 使载波的某一参量按调制信号规律变化的调制方法 即先用模拟调制信号对某一电 脉冲调制有脉冲幅度调制 脉冲宽度调制 脉冲频率调制 脉冲时间调制 脉冲相位调制 脉冲计数调制 脉冲编码调制等 图7 50所示为各种类型的脉冲调制方式的波形图 脉冲序列的参量进行电调制 使之按调制信号规律变化 成为已调电脉冲序列 然后再用这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 3 编码调制 数字调制 编码调制把模拟信号先变成序列脉冲 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 要实现编码调制 必须进行三个过程 即采样 量化和编码 采样 就是将连续信号分割成不连续的脉冲 用一定的脉冲序列来表示 且序列脉冲的幅度与信号波的幅度相对应 即通过采样 原来的模拟信号变成脉幅调制信号 根据采样定理 只要采样频率比所传递信号的最高频率大两倍以上 就能够恢复原信号 量化 将采样后的调幅脉冲进行分级 取 整 处理 用有限个数的代表值取代采样值的大小 经采样再通过量化过程即变成数字信号 编码 将量化后的数字信号变换成相应的二进制码的过程 即用一组等幅度 等宽度的脉冲作为 码 用 有 脉冲和 无 脉冲分别表示二进制数码的 1 和 0 再将这一系列反映数字信号规律的电脉冲加到一个调制器上 由激光载波的极大值代表二进制编码的 1 而用激光载波的零值代表 0 这种编码调制方式具有很强的抗干扰能力 在数字通信中得到广泛的应用 3 编码调制 数字调制 数字调制 1 模拟信号转换为数字编码的过程 数字系统比模拟系统所具有的最大优点是不受噪声和失真的干扰 为此付出的代价是系统频带比相应的模拟信号带宽要大得多 具体采用何种调制方式取决于下面几点 1 应有效地 失真最小地携带并检测信息 2 有利于抑制噪声 满足精度要求 3 系统易于实现 注意 由于光电探测器仅响应于光功率 辐射通量 所以各种光波参数的调制最终均需转化为光功率的变化 在模拟调制形式中 信息信号连续改变载波的参量 脉冲调制和数字调制是对信息信号的幅度按一定规律间隔采样 而用脉冲序列做载波 4 其它参量调制 光偏振调制 能够表征光波的几何或物理特性的参量除光强 变化频率和相位之外还有许多其他的参量 比如光传输中偏振方向和传播方向等 这些参量也能作为调制的对象 用来传送有用的信息 如光波在旋光性物质中传播时 偏振面的转动可以用来取得有关该物质性质的信息 例如糖溶液或松节油可使通过该溶液偏振光的偏振面转角 它不仅与通过溶液的路程l有关 而且还正比于溶液的浓度c 即 7 89 式中 a为溶液的旋光率 由于偏振面的旋转角有方向性 例如葡萄糖为右旋 果糖为左旋 因此 通过测量偏振的旋转角可以获得溶液的浓度和物质的性质 典型光调制器 1 振幅调制 电光光强调制器 调制盘 2 频率调制 声光频移器 3 相位调制 电光相位调制器 声光相位调制器或利用干涉现象实现光相位调制 4 偏振面调制 电光调制器 磁光调制器 5 光束方向调制 声光偏转器 光学相位调制 利用干涉现象 一 光学相位调制的基本原理光学相位调制是基于光的干涉原理 它利用两束相干光束的叠加而产生的干涉条纹随被测量的变化而变化的现象 使被测量载荷在光的相位上 光波的相位由光传播的物理长度 传播介质的折射率等参数决定 也就是说改变上述参量即可产生光波相位的变化 实现相位调制 但是 目前市场上的各类光探测器都是不能感知光波相位的变化 必须采用光的干涉技术将相位变化转变为光强变化 才能实现对外界物理量的检测 因此 光学相位调制应包括两部分 一是产生光波相位变化的物理机理 二是光的干涉 两相干光波的复振幅分布 两束光叠加形成的干涉场光强分布为 若 干涉条纹的强度取决于相干光的相位差 相位差又可以看成为光程差 当光传输介质的折射率为n时 相位差是光传输距离的线积分 对均匀介质 这说明光传输介质的折射率和光程长度的变化都将导致相位差的变化 从而引起干涉强度的变化 这一性质被用于改变光载波的特征参量 作为光学相位调制的基本手段 光学相位调制是在单一频率的相干光路中 被测量使光波的相位受到被测量的调制 通过干涉作用把光相位的变化变换为光振幅的变化 利用干涉现象实现光相位调制利用干涉现象调制的关键是对光程差或相位差进行调制 光学干涉仪有 迈克耳逊干涉仪 马赫 泽德干涉仪 法布里 珀罗干涉仪等 这种干涉仪的特点是条纹对比度好 信噪比高 测量灵敏度高等 光学频率调制 利用外差检测和多普勒效应 光学频率调制是被测物理量载荷于光学差频上 根据光频差的获得和差频信号检测方式不同 大致可分为三种类型 参量调频 固定频移和直接调频 固定频移 使用频移器件使参考光波相对于信号光形成一固定的频率偏移 或利用双频光源形成有一定频差的两束相干光束 被测信号对其中一束光波进行调制 用外差检测其差频信号就可以测定被测参量利用固定频移进行外差检测的例子是双频激光干涉仪 双频激光干仪 光学多普勒频移 参考信号 1 电光调制器 典型光学调制器 3 电光调制主要用于激光调制 是利用晶体在外加电场的作用下折射率的变化使光强的振幅及相位发生变化来实现光调制的 作用 纵向电光强度调制 电光晶体KDP 电光调制的基本原理及公式推导 强度调制 电光晶体KDP置于两个正交的偏振器之间P1的偏振方向平行于电光晶体的x轴 P2的偏振方向平行于y轴当沿晶体z轴方向加电场后 x和y轴旋转45 变为感应主轴x 和y 1 电光调制器 1电光晶体KDP置于两个正交的偏振器之间2P1的偏振方向平行于电光晶体的x轴 P2的偏振方向平行于y轴3当沿晶体z轴方向加电场后 x和y轴旋转45 变为感应主轴x 和y 4在调制器的光路上插入一个1 4波片 使其快慢轴与晶体主轴x成45角 从而使Ex 和Ey 二分量间产生 2的固定相位差 2 声光调制器 典型光学调制器 声光调制是利用声光效应将信息加载于光载波上的一种物理过程 调制信号是以电信号 调幅 形式作用于电 声换能器上 再转化为以电信号形式变化的超声场 当光波通过声光介质时 由于声光作用 使光载波受到调制而成为 携带 信息的强度调制波 声光调制器由声光介质 电 声换能器 吸收 反射 装置 驱动电源等组成 2 声光调制器 典型光学调制器 声光调制是声波和光波作用的一种调制方式 声波是一种机械波 而且又是纵波 当声波在介质中传播时 会引起介质密度周期性的疏密变化 由于介质密度的这种变化 会引起介质的介电系数及折射率也作周期变化 这种效应称为光弹效应 因此 介质折射率随超声波信号的变化而变化 从而影响着光在此介质中传播特性的变化 即光的强度 频率等参数随超声信号的变化而变化 称此效应为声光效应 介质中的折射率的这种疏密变化等效于一个光栅 等效光栅的栅距为声波的波长 光通过声光介质时产生衍射 声光衍射分为喇曼 奈斯和布拉格衍射 声光调制器 声光调制器 入射角满足布拉格衍射条件 时 布拉格衍射就能将入射能量全部转移到0级及1级的衍射光上 0级及1级衍射光的光强分别为 K1是和介质有关的常数 I是入射光强 Ps是介质中超声波的功率 V是换能器上的电压 因此衍射光光强的幅值受加到换能器上的调制电压控制 7 5 3调制信号的解调 从已调制信号中分离出有用信息的过程称为解调 所以也称作检波 是信号调制的相反过程 实现解调作用的装置是解调器 不同的调制信号有不同的解调方法 下面介绍调幅波解调的直线律检波和相位调制波的解调器 相敏检波 二极管峰值检波器原理 由二极管峰值检波电路完成 通过二极管正向快速充电达到待测电压的峰值 而二极管反向截止时 保持 该峰值 1 直线律检波 针对调幅波 1 二极管的检波特性解调是将调制信号从载波中分离出来 显然 这个信号的变换过程为非线性过程 需要利用非线性元件来完成 利用具有良好单向导电特性的二极管构成的如图7 57所示的检波电路可以实现调幅波的解调工作 图7 57所示的检波电路由检波二极管D 负载电阻R和滤波电容C构成 当如图7 58所示的调幅波Uin 如图7 58 a 所示 送入到检波电路输入端时 经二极管检波器输出如图7 58 b 所示的半波整流信号 即半波整流的输出电压为 7 91 2 调幅信号的解调用直线律检波器对调幅信号进行解调是最简单的解调方式 假设按正弦规律调幅的光载波信号经光电变换及隔直处理后具有下列形式 7 92 式中m为调制度 为调制频率 为载波频率 代入式 7 91 并用傅里叶级数展开 得 7 93 除去高次谐波后 得到调幅信号 7 94 2 相敏检波 主要针对调相波 1 相敏检波和同步解调 对于相位调制的载波信号 载波和参考信号间的相位差随被测信息改变 这种信号的解调 应该对载波的相位敏感 检波器的输出电压应反映出相位的变化 相应解调器的工作特性如图7 59所示 在另外的情况下 对于有些调幅信号 不仅要求检测变量变化的大小 而且希望确定变化的方向或极性 对这种有极性变量的调制 通常可用载波的幅度大小表示变量的数值而用载波的相位正反表示变量的极性 显然为处理这种调幅信号也需要有对相位敏感的解调方法 这种不仅能检测出调制信号的幅度 而且能确定载波相位数值的解调称作相敏检波或同步检相 它的基本原理是乘积检波 2 相敏检波器的基本原理如图7 60所示为相敏检波器的原理与频谱特性 它由乘法器构成的解调器和低通滤波器串联而成 这里 解调器被看成由已调制的信号和参考信号间的模拟乘法器组成 模拟乘法器对调制信号具有检波功能 因此又称为乘