第六讲光束调制原理

1、 光源光源传输传输调制调制激光化波导化电子化本讲主要内容本讲主要内容一、基本概念一、基本概念三、角度调制三、角度调制四、强度调制四、强度调制二、振幅调制二、振幅调制五、脉冲调制五、脉冲调制 由激光由激光“携带携带”的信息的信息(包括语言、文字、图像、符号等包括语言、文字、图像、符号等)通过一定的传通过一定的传输通道输通道(大气、光纤等大气、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这种将信息加载于激光的过程称之为调制调制。 激光是一种频率更高的电磁波，它具有激光是一种频率更高的电磁波，它具有单色性好单色

2、性好、 光发散角小光发散角小、时间时间和空间相干性好和空间相干性好等优点，因而象以往电磁波（收音机、电视等）一样可以等优点，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。用来作为传递信息的载波。一、基本概念一、基本概念31 完成这一过程的装置称为调制器完成这一过程的装置称为调制器(Modulator）。其中激光称为其中激光称为载波载波；起控制作用的低频信息称为；起控制作用的低频信息称为调制调制信号信号（需要调制的信息需转化为电信号）。（需要调制的信息需转化为电信号）。一、基本概念一、基本概念30调制器与激光器的相对关系可分为：内调制和外调制调制器与激光器的相对关系可分为：内

3、调制和外调制)cos()(cccctAtE振幅cA角频率c相位角c激光光波的电场强度是：激光光波的电场强度是：一、基本概念一、基本概念29光发调制（内调制） 指加载调制信号是在激光振荡过程中进行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，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。从而改变激光输出特性以实现调制。一、基本概念一、基本概念28内调制内调制一、基本概念一、基本概念27内调制内调制优优 点：调制效率高。点：调制效率高。缺缺 点：点： a. a.由于调制器放在腔内，等于增加腔由于调制器放在腔内，等于增加腔内的损耗内的损耗, ,

4、降低了输出功率。降低了输出功率。 b. b.调制器带宽受到谐振腔通带的限制调制器带宽受到谐振腔通带的限制 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调制器，用调制信号改变调制器上放置调制器，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。会使光波的某参量受到调制。一、基本概念一、基本概念26外调制外调制激光源激光源调制器调制器驱动和控制驱动和控制电信号输入电信号输入光纤光纤光信号输出光信号输出 激光调制按其调制的性质可以分为激光调制按其调制的性质可以分为调幅、调频、调相及调强等调幅、调频、调相及调强等

5、。 一、基本概念一、基本概念25优优 点：点： a.使用方便，不影响激光器的输出功率；使用方便，不影响激光器的输出功率； b.调制器的带宽不受谐振腔通带的限制；调制器的带宽不受谐振腔通带的限制； c.比内调的调制速率高（约一个数量级）。比内调的调制速率高（约一个数量级）。缺缺 点：点： 调制效率低。调制效率低。外调制外调制 Am 和和 m 分别是调制信号的振幅和角频率。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。)cos()(cccctAtEtAtammcos)(设激光载波的电场强度

6、如：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：如果调制信号是一个时间的余弦函数，即： 当进行光振幅调制时，激光振幅当进行光振幅调制时，激光振幅 Ac 不再是常量，而是与不再是常量，而是与调制信号成正比调制信号成正比。二、振幅调制二、振幅调制24其调幅波的表达式为：其调幅波的表达式为： 利用三角公式：利用三角公式： 得：得： cmcccmccccctAktAktAtE)(cos2)(cos2)cos()()cos(cos1)(ccmacttmAtE)cos()cos(21coscos称为调幅比例系数。称为调幅比例系数。cmAAk 二、振幅调制二、振幅调制23知识延展知识延展二

7、、振幅调制二、振幅调制调制系数：振幅的最大增量与振幅的平均值之比。调制系数：振幅的最大增量与振幅的平均值之比。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知识延展知识延展二、振幅调制二、振幅调制调制系数：振幅的最大增量与振幅的平均值之比。调制系数：振幅的最大增量与振幅的平均值之比。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决定决定(振幅比例系数振幅比例系数k和调制信号的振幅和调制信号的振幅Am)mckAAAminminmax

8、AAAAAcccAAmmkAA cmAkAm 21对调制系数对调制系数m的要求：的要求： m1，保证调制信号在传输过程中，保证调制信号在传输过程中不畸变。不畸变。 m1时，使调制信号失真。时，使调制信号失真。二、振幅调制二、振幅调制知识延展知识延展调制系数：振幅的最大增量与振幅的平均值之比。调制系数：振幅的最大增量与振幅的平均值之比。20cmccacmccaccctAmtAmtAtE)(cos2)(cos2)cos()(二、振幅调制二、振幅调制19m2调调幅幅波波频频谱谱2caAmmccmc2caAmcA调幅波的频谱是由三个频率成分组成的。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；

9、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()(二、振幅调制二、振幅调制18 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，因此统称为的变化，因此统称为角度角度调制调制。 )()()(takttfccc 不再是常数，而是随调制信号而变化，即：不再是常数，而是随调制信号而变化，即：

10、)cos()(cccctAtE、对于调频而言、对于调频而言三、角度调制三、角度调制17若调制信号是余弦函数，则调频波总相角为：若调制信号是余弦函数，则调频波总相角为： cmfcctmmfcctfcctfccttmtdtAktdtaktdtakdttsin)cos()()()()( 称为调频系数，称为调频系数，kf 称为比例系数。称为比例系数。mmmffAkm则调制波的表达式为：则调制波的表达式为： )sincos()(cmfcctmtAtE三、角度调制三、角度调制16 称为调相系数。称为调相系数。mAkmtAkttakttmmcccccos)()(则调相波的表达式为：则调相波的表达式为： )c

11、oscos()(cmcctmtAtE)cos()(cccctAtE、对于调相而言，、对于调相而言，不再是常数，而是随调制信号而变化，即：不再是常数，而是随调制信号而变化，即： c三、角度调制三、角度调制15由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此统一的形式由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此统一的形式 利用利用sinsincoscos)cos(cmcctmtAtEsincos)()sinsin(sin()sincos(cos()()tmttmtAtEmccmccc进一步得到：进一步得到：三、角度调制三、角度调制14将式中将式中)sinsin()sincos(tmtmmm和1)2co

12、s()(2)()sincos(20ntnmJmJtmmnm112)12(sin)(2)sinsin(nmnmtnmJtm知道调制系数知道调制系数m，就可从贝塞尔函数表查得各阶贝塞尔函数的值。，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：两项按贝塞尔函数展开：三、角度调制三、角度调制13再利用三角函数关系式：再利用三角函数关系式： )cos()cos(21sinsin)(1cos) 1()cos()cos()()2cos()()2cos()()cos()()cos()()cos()()(022110cmcncmcncccccmccmccmccmcccctnntnmJAtmJA

13、tmJtmJtmJtmJtmJAtE)cos()cos(21coscos可得：可得：三、角度调制三、角度调制12 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 , 各各边频幅度的大小边频幅度的大小 由贝塞尔函数决定。由贝塞尔函数决定。 m)(mJn)(1cos) 1()cos()cos()()(0cmcncmcncccctnntnmJAtmJAtE三、角度调制三、角度调制110.770.440.110.02m6mc角

14、度调制波的频谱图角度调制波的频谱图 1fm例题：如例题：如m=1时，角度调制波的频谱时，角度调制波的频谱 若调制信号不是单频正弦若调制信号不是单频正弦波波, 则其频谱将更加复杂。另则其频谱将更加复杂。另外，当角度调制系数较小（即外，当角度调制系数较小（即m1）时，其频谱与调幅波）时，其频谱与调幅波有着相同的形式。有着相同的形式。三、角度调制三、角度调制10 强度调制是光载波的强度强度调制是光载波的强度(光强光强)随调制信号规律而变化的激光振荡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(探测器探测器)一般都是直一般

15、都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘故。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(光波电场强度有光波电场强度有效值的平方效值的平方): )(cos)()(222ccctAtEtI四、强度调制四、强度调制9将其代入上式，将其代入上式， 并令并令 )(cos)(12)(22ccpcttakAtIpk)cos()(tAtammmppAkm )(coscos12)(22ccmpcttmAtI强度调制的光强表达式强度调制的光强表达式 :比例系数比例系数设调制信号是单频余弦波设调制信号是单频余弦波m频谱分布除了载频及对

16、称分布的两边频之外，还有低频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。和直流分量。(强度调制系数强度调制系数)则则四、强度调制四、强度调制80000()2()2ppK AImII光强最大增量光强平均值四、强度调制四、强度调制7当当mp 1时，时，001sin2pmImtI 波形不失真 以上几种调制形式所得到的调制波都是一种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连续振荡的波, 称为称为模拟模拟式调制式调制。另外。另外, 在目前的光通信中还广泛采用一种在在目前的光通信中还广泛采用一种在不连续状态不连续状态下进行调制下进行调制的的脉冲调制和数字式调制脉冲调制和数字式调

17、制(也称为脉冲编码调制也称为脉冲编码调制)。它们一般是先进行电调。它们一般是先进行电调制（模拟脉冲调制或数字脉冲调制）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。再对光载波进行光强度调制。 五、脉冲调制五、脉冲调制6 脉冲调制是用一种间歇的周期性脉冲序列作为载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波，这种载波的某一参量按调制信号规律变化的调制方法。方法。五、脉冲调制五、脉冲调制5 （1）先用模拟调制信号对一电脉冲序列的某参量）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、位置等幅度、宽度、频率、位置等)进行电调制，

18、使之按调制进行电调制，使之按调制信号规律变化，成为已信号规律变化，成为已调脉冲序列调脉冲序列。 （2）再用已调电脉冲序列对光载波进行）再用已调电脉冲序列对光载波进行强度强度调制，调制， 就可以得到相应变化的光脉冲序列。就可以得到相应变化的光脉冲序列。 （1）先用模拟调制信号对一电脉冲序列的某参量）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、位置等幅度、宽度、频率、位置等)进行电调制，使之按调制进行电调制，使之按调制信号规律变化，成为已信号规律变化，成为已调脉冲序列调脉冲序列。 （2）再用已调电脉冲序列对光载波进行）再用已调电脉冲序列对光载波进行强度强度调制，调制， 就可以得到相应变化的光脉冲序列。就可以得到相应变化的光脉冲序列。五、脉冲调制五、脉冲调制4五、脉冲调制五、脉冲调制3脉冲调制的类型：脉冲调制的类型： 脉冲调幅（脉冲调幅（PAM） 脉冲强度调制（脉冲强度调制（PIM） 脉冲调频（脉冲调频（PFM） 脉冲调位（脉冲调位（PPM） 脉冲调宽（脉冲调宽（PWM） 脉冲编