第六章--光辐射的调制

上页下页后退光调制器件第六章光辐射的调制上页下页后退光调制器件§6.1序言激光具有极好的时间和空间相干性，与无线电波相似，易于调制，且光波的频率极高，可供利用的频带很宽，故传递信息的容量很大。加之激光束发散角小，光能高度集中，既能传输较远距离，又易于保密。因而为光信息传递提供了一种理想的光源。1013~1015Hz上页下页后退光调制器件把欲传输的信息加载于光辐射，对光的参量（振幅、频率、相位、偏振状态和传播方向等）进行控制使其发生变化并携带信息的过程称为调制。载波调制信号（低频）()cos()ccccetAt概念上页下页后退光调制器件调制的目的：对所需处理的信号或被传输的信息做某种形式的变换，使之便于处理、传输和检测。一般应用最多的是对光的振幅调制。因为光强与光的振幅平方成正比例，因此对光的振幅调制也就是对光强的调制。上页下页后退光调制器件1.调制信号2.直流成分3.载波放大4.调制后信号振幅调制上页下页后退光调制器件传统调制方式光学调制盘(强度调制)现代调制方式现代调制器的工作基础是利用外场引起物质的非线性极化从而改变其光学性质产生的各种物理效应，实现光辐射振幅、相位等参数的调制。例如，电光效应、声光效应、磁光效应。上页下页后退光调制器件光调制分为内调制和外调制例如，半导体激光器和半导体发光二极管所发的光，都与通过它的电流强度成正比例，改变电流强度，也就改变了它们的发光强度，因此可用调制信号直接控制驱动电源来实现对所发射光的强度进行调制的目的；另外，激光器的发光都与光腔有关，如果把调制措施引入到光腔里面来，使调制器和光腔结成一个整体，也可以使出射光受到调制。内调制(直接调制)：把承载信息的电信号作为驱动电流直接施加在激光器上，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。上页下页后退光调制器件基本的直接调制方式内调制的特点：发光机制和调制机制紧密联系，实行起来，有的简单，有的复杂，多数情形不易调整；另外要求光源惰性小。上页下页后退光调制器件外调制是指发光器和调制器是分开设立的，使光在传播过程中受到调制的一种方式。即激光形成之后，在激光器外的光路上放置调制器，在调制器上加调制信号电压，改变调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使透过光波的某参量受到调制。所以外调制不是改变激光器参数，而是改变已经输出的激光的物理性质（强度、频率、相位、偏振等参数）。上页下页后退光调制器件外调制方式外调制的特点：发光器与调制器没有内在联系，实行起来比较简单，而且容易调整，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，所以，现在光电装置中多数都采用外调制方式。调制器的性能对调制质量影响很大，一般对调制器的要求是，性能稳定，调制度高，损耗小，相位均匀，有一定的带宽等。上页下页后退光调制器件§6.2调制的基本原理与无线电通信技术中利用无线电波作为传递语言或图像信息的载波相似，在光电技术中利用光波作为传递信息的载波。光波频率高于无线电波，因此用光波传递信息的容量大；光传播具有方向性，因此光波传递信息保密性好，抗干扰性强。调制不仅使光信号携带信息而具有与背景辐射不同的特征，便于抑制背景光的干扰，而且可以抑制系统中各环节的固有噪声和外部电磁场的干扰，使采用调制的光电系统在信号传输和探测过程中，具有更高的探测能力。上页下页后退光调制器件•使光波中的某种可测量参量随信号的变化而变化。•调制方式–相位调制－接收器为外差接收系统–强度调制－接收器为光探测器–频率调制－接收器有分光器–偏振态调制－接收器设有偏振片•内调制–直接对光源进行调制–简单方便，效率高–调制速度有限，带宽比较小•外调制–在光传输路径上进行调制（声光、电光、磁光等）–调制速度高，带宽较大光调制器上页下页后退光调制器件（一）光调制的形式模拟调制：信息信号连续改变载波的强度、频率、相位或偏振；任意时刻信息信号幅度与波参数幅度一一对应。包括调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)三种方式。脉冲调制：对信息信号的幅度按一定规律间隔取样，而用脉冲序列作载波。数字调制：把信息信号以编码的形式转换为脉冲序列。载波脉冲在时间上的位置固定，而幅度被量化。调角调角调角上页下页后退光调制器件时间信息信号时间振幅调制时间频率调制时间强度调制模拟调制上页下页后退光调制器件时间信息信号时间脉冲调宽抽样值(3)(1)(2)(5)(6)(4)时间脉冲调幅时间脉冲调频脉冲序列的某一参量随低频调制信号的变化而变化。脉冲调制上页下页后退光调制器件数字调制时间模拟信号电压时间数字信号电压76543210100（4）100110110（6）011（3）0110011001（1）100（4）数字系统与模拟系统相比不受噪声和失真的干扰；但系统的频带比相应的模拟信号带宽要大的多。取样量化编码上页下页后退光调制器件（二）调制信号的频谱利用信号频谱和噪声频谱的差别，可以抑制噪声，提高检测质量。因此，调制形式确立后，应分析所调制信号的频谱，以利于信号的电路处理。上页下页后退光调制器件时域描述和频域描述我们直接观测或记录的信号一般是随时间变化的物理量，即以时间作为独立变量，称为信号的时域描述。为了研究信号的频率结构和各频率成分的幅值大小，应对信号进行频谱分析，把时域信号通过分析变成频域信号，即对信号作频域描述。上页下页后退光调制器件从数学分析可知，任何周期函数在满足狄利克莱（Dirichlet）条件下，可以展开成正交函数线性组合的无穷级数，如正交函数集是三角函数集(sinnω0t，cosnω0t)或复指数函数集（ejnω0t），则可展开成为傅里叶级数。复数形式表达式：0jntnnxtCe2,1n0001cossin2nnnaxtantbnt100)cos(2nnntnAatx2,1n周期信号的幅值谱、相位谱、功率谱通常有实数形式表达式：正弦余弦式余弦相移式上页下页后退光调制器件三式中各参数及相应关系如下：常值分量：/20/22TTaxtdtT/20/22cosTnTaxtntdtT余弦分量的幅值：正弦分量的幅值：/20/22sinTnTbxtntdtT各频率分量的幅值：22nnnAab各频率分量的相位：nnnbarctga上页下页后退光调制器件傅里叶系数：nnjnTTtjneCtdetxTC2/2/1nnnnAbaC212122ImRennnCarctgC平均功率/2222/21TxnTnxtdtCT或22201142xnnaA以上，An、｜Cn｜—ω关系称为幅值谱；φn－ω关系称为相位谱；An2－ω、｜Cn｜2－ω关系称为功率谱。上页下页后退光调制器件持续信号的傅里叶级数f(t)=0.5c+S[ancos(2nft)]+bncos(2nft)]1次和3次谐波1,3,5及7次谐波全部谐波1,3和5次谐波上页下页后退光调制器件1,3和5次谐波傅立叶级数揭示了信号的频谱特性，使任何复杂的周期信号均可进行分解求其频谱（频谱分析），或者相反，实现信号合成（线性叠加）。上页下页后退光调制器件周期τ＝1/f0的矩形波函数的傅立叶展开一个周期内函数解析式：傅立叶级数的三角展开式：上页下页后退光调制器件矩形波的傅立叶综合：包括零频项(n=0)；基波(n=1，f0)；不同的谐波分量(频率为f0的整数倍)。其中，叠加的谐波分量项数越多，综合的波形越接近于原函数。便于理解频谱概念，但过程复杂绘制频谱图上页下页后退光调制器件矩形波的频谱图：指数形式的傅立叶级数展开式：频谱图描述了信号频谱中各分量的振幅、相位和频率的关系。上页下页后退光调制器件周期矩形脉冲信号f(t)在一个周期（-T/2，T/2）内表达式为上页下页后退光调制器件复数振幅频谱每条垂线代表频谱的一个分量，且按照谐波次数顺序排列；线的横坐标代表相应分量的频率，长度代表该分量的振幅，线的正负(方向)代表相位。上页下页后退光调制器件振幅频谱上页下页后退光调制器件相位频谱上页下页后退光调制器件基频：12T脉冲宽度τ不变，周期T增大，即脉冲变稀，则谱线变密，包络变低；4T8T16T264上页下页后退光调制器件16T264周期T不变，脉冲宽度τ减小，即脉冲变窄，则包络变宽，两零点内谱线增多，谐波收敛速度变慢。包络线反应了谱线幅度的大小，随频率增高而减小，总的趋势是收敛到零。上页下页后退光调制器件周期信号的频谱具有下列性质：离散性，谱线的分布为离散的而非连续的；谐波性，即谱线在频率轴（ω轴）上的位置刻度一定是ω1(基频)的整数倍，且任意两根谱线之间的间隔∆ω=ω1。收敛性，也称衰减性，即随着谐波次数的增高，各次谐波的振幅总趋势是频率增加而衰减。上页下页后退光调制器件非周期信号的幅值谱密度非周期信号一般为时域有限信号，具有收敛可积条件，其能量为有限值。这种信号频域分析的数学手段是傅里叶变换，时域信号x(t)与其傅里叶变换X(ω)构成时域，频域变换对，其表达式为：12jtxtXedjtXxtedt或2jftxtXfedf2jftXfxtedt非周期信号的频谱具有连续性。上页下页后退光调制器件上式中的X(ω)具有单位频率的幅值的量纲，而且是复数，所以有：jXXe22ReImXXXImReXarctgX｜X(ω)｜－ω关系为信号x（t）的幅值谱密度；｜X(ω)｜2－ω关系为信号x（t）的能量谱密度;φ(ω)－ω关系则称为信号x（t）的相位谱密度。由于非周期信号的周期T→∞，基频ω0→dω,所以它包含了从零到无限大的所有频率分量。各频率分量的幅值为X(ω)dω/2π，这是无穷小量，所以频谱不能再用幅值表示，而必须用密度函数描述。上页下页后退光调制器件典型周期信号及其频谱上页下页后退光调制器件典型非周期信号及其频谱上页下页后退光调制器件典型非周期信号及其频谱上页下页后退光调制器件其中Am和ωm分别是调制信号的振幅和角频率，当进行振幅调制之后，激光振幅Ac不再是常量，而是与调制信号成正比。振幅调制()cos()ccccetAt()cosmmatAt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：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。上页下页后退光调制器件cAtectate上页下页后退光调制器件)()1coscos(cmccetAmtt其调幅波的表达式为：利用三角公式：)cos()cos(21coscos()cos()cos()2cos()2cccccmcccmcmetAtAtmAt——调幅系数mcmAA上页下页后退光调制器件可见调幅波的频谱是由三个频率成分组成的，其中，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。调幅波频谱2cmAmccmcm22cmAcA上页下页后退光调制器件222001cos21cos22TTccccccAtAPAtdtdtTT调幅波的功率载波的平均功率：上下边频谐波分量的平均功率：221224cmcmccmAmPPP212cmcmccmPPPPP已调波在一个周期内的平均功率P等于各谐波功率之和：在调幅波中载波不能传送有用信号，只有边频才能传送。即总功率中至多有三分之一（调制最大m=1）被用来