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1、光电子技术Photoelectronic TechniquePhotoelectronic Technique第六讲第六讲第六讲第六讲 光束调制原理光束调制原理光束调制原理光束调制原理周自刚周自刚周自刚周自刚 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
2、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）一样可以用等优点，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。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
3、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：内调制和外调制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
4、。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,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 指指激激光光形形成成之之后后，在在激激光光器器外外的的光光路路上上放放置置调调制制器器，用用调调制制信信号号改改变变调调制制器器的的物物理理特特性性，当当激激光光通通过过调调制制器器时时，就就会会使使光波的某参量受到调制。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
5、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。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
6、而变化的振荡，简称调幅。设激光载波的电场强度如：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：称为调幅比例系数。称为调幅比例系数。二、振幅调制二、振幅调制23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
7、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22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m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)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
8、系数：振幅的最大增量与振幅的平均值之比。20二、振幅调制二、振幅调制19调调幅幅波波频频谱谱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；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 。二、振幅调制二、振幅调制18 调调频频或或调调相相就就是是光光载载波波的的频频率率或或相相位位随随着着调调制制信信号号的的变变化化规规律律而而改改变变的的振荡。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。c 不再是常数，
9、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：、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：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。则调制波的表达式为：则调制波的表达式为：三、角度调制三、角度调制16 称为调相系数。称为调相系数。则调相波的表达式为：则调相波的表达式为：、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：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
10、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：可得：可得：三、角度调制三、角度调制12 在在单单频频正正弦弦波波调调制制时时，其其角角度度调调制制波波的的频频谱谱是是由由光光载载频频与与在在它它两两边边对对称称分分布布的的无无穷穷多多对对边边频频所所组组成成的的。各各边边频频之之间间的的频频率率间
11、间隔隔是是 ,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。三、角度调制三、角度调制110.770.440.110.02角度调制波的频谱图角度调制波的频谱图 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 若若调调制制信信号号不不是是单单频频正正弦弦波波,则则其其频频谱谱将将更更加加复复杂杂。另另外外，当当角角度度调调制制系系数数较较小小（即即m1）时时，其其频频谱谱与与调调幅幅波波有有着相同的形式。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
12、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):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 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频谱分布除了载频及对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
13、，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8四、强度调制四、强度调制7当当mp 1时，时，以以上上几几种种调调制制形形式式所所得得到到的的调调制制波波都都是是一一种种连连续续振振荡荡的的波波,称称为为模模拟拟式式调调制制。另另外外,在在目目前前的的光光通通信信中中还还广广泛泛采采用用一一种种在在不不连连续续状状态态下下进进行行调调制制的的脉脉冲冲调调制制和和数数字字式式调调制制(也也称称为为脉脉冲冲编编码码调调制制)。它它们们一一般般是是先先进进行行电电调调制制（模拟脉冲调制或数字脉冲调制）（模拟脉冲调制或数字脉冲调制）,再对光载波进行光强度调
14、制。再对光载波进行光强度调制。五、脉冲调制五、脉冲调制6 脉脉冲冲调调制制是是用用一一种种间间歇歇的的周周期期性性脉脉冲冲序序列列作作为为载载波波，这这种种载载波波的的某某一一参参量量按按调调制制信信号号规规律律变变化化的的调调制制方法。方法。五、脉冲调制五、脉冲调制5 （1）先先用用模模拟拟调调制制信信号号对对一一电电脉脉冲冲序序列列的的某某参参量量(幅幅度度、宽宽度度、频频率率、位位置置等等)进进行行电电调调制制，使使之之按按调调制制信号规律变化，成为已信号规律变化，成为已调脉冲序列调脉冲序列。（2）再再用用已已调调电电脉脉冲冲序序列列对对光光载载波波进进行行强强度度调调制制，就可以得到相
15、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）先先用用模模拟拟调调制制信信号号对对一一电电脉脉冲冲序序列列的的某某参参量量(幅幅度度、宽宽度度、频频率率、位位置置等等)进进行行电电调调制制，使使之之按按调调制制信号规律变化，成为已信号规律变化，成为已调脉冲序列调脉冲序列。（2）再再用用已已调调电电脉脉冲冲序序列列对对光光载载波波进进行行强强度度调调制制，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（
16、PFM）脉冲调位（脉冲调位（PPM）脉冲调宽（脉冲调宽（PWM）脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM）(a)调制信号调制信号(b)脉冲幅度调制脉冲幅度调制(c)脉冲宽度调制脉冲宽度调制(d)脉冲频率调制脉冲频率调制(e)脉冲位置调制脉冲位置调制知识应用图像通信系统主要由图像输入设备、（）等组成。A、编码器、编码器 B、调制器、调制器 C、信道、信道 D、显示终端、显示终端ABCD2本讲小结本讲小结 内调制、外调制、振幅调制、角度调制、强度调制、脉冲调内调制、外调制、振幅调制、角度调制、强度调制、脉冲调制制等概念、表达形式、应用领域等概念、表达形式、应用领域1提示：掌握基本概念是后续解决问题的前提。提示：掌握基本概念是后续解决问题的前提。人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。西南科技大学西南科技大学 School of Science,Southwest University