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1、第一章第一章激光调制激光调制1.1 1.1 调制的基本概念与分类调制的基本概念与分类1.2 1.2 电光调制电光调制1.3 1.3 声光调制声光调制1.4 1.4 磁光调制磁光调制1.5 1.5 直接调制直接调制1.6 1.6 空间光调制空间光调制1)激光特点:三好一高(四性)。a)单色性好单色性好:激光发射的各个光子频率相同,因此激光是最好的单色光源。而激光发射的各个光子频率相同,因此激光是最好的单色光源。而普通光源发射的光子,在频率上是各不相同的,所以包含有各种颜色。普通光源发射的光子,在频率上是各不相同的,所以包含有各种颜色。b)相干性好相干性好:由于受激辐射的光子在相位上是一致的,再加
2、之谐振腔的选模作由于受激辐射的光子在相位上是一致的,再加之谐振腔的选模作用,使激光束横截面上各点间有固定的相位关系,所以激光的空间相干性很好(而由用,使激光束横截面上各点间有固定的相位关系,所以激光的空间相干性很好(而由自发辐射产生的普通光则是非相干光)。自发辐射产生的普通光则是非相干光)。c)c)方向性好方向性好:激光束的发散角很小,几乎可以视为平行的光线,激光照射到月球激光束的发散角很小,几乎可以视为平行的光线,激光照射到月球上形成的光斑直径仅有上形成的光斑直径仅有1 1公里左右。而普通光源发出的光射向四面八方,即便是最好公里左右。而普通光源发出的光射向四面八方,即便是最好的探照灯,如将其
3、光投射到月球上,光斑直径将扩大到的探照灯,如将其光投射到月球上,光斑直径将扩大到1 0001 000公里以上。公里以上。d)亮度高亮度高:激光的亮度可比普通光源高出激光的亮度可比普通光源高出10001000倍,是目前最亮的光源,强激光甚倍,是目前最亮的光源,强激光甚至可产生上亿度的高温。至可产生上亿度的高温。2)2)激光是电磁波激光是电磁波(10-100THz)(10-100THz)的一种的一种 ,如果把每个波段的频率由低至高依次排列如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话,它们是的话,它们是无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X X射线、射线、射线
4、射线。3 3)因而激光和电磁波一样可以用来作为传递信息的因而激光和电磁波一样可以用来作为传递信息的载波载波,这种将信息加载于激光的这种将信息加载于激光的过程称之为过程称之为调制调制。1.1 1.1 调制的基本概念与分类调制的基本概念与分类回顾一下激光的几个基本概念:回顾一下激光的几个基本概念:1)激光特点?2)激光频率范围?激光是电磁波吗?3)电磁波谱如何排列?激光是可以被调制的吗?解调(demodulate):调制的反过程,即把调制信号还原成原来的信息。激光调制的引入:激光调制的引入:由激光由激光“携带携带”的信息的信息(包括语言、文字、图像等包括语言、文字、图像等)通过一定的传输通道通过一
5、定的传输通道(大大气、光纤等气、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(modulate)。完成这一过程的完成这一过程的装置称为装置称为调制器调制器。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信号调制信号。目的目的:通过调制进行信息的传递。通过调制进行信息的传递。激光光波的电场强度是:激光光波的电场强度是:式中:式中:,。例如:1)注入式半导体激光器(也称直接调制)。2)调Q技术外调制:外调制:用调制信号改变
6、调制器的物理特性,使光波的某参量受到调制用调制信号改变调制器的物理特性,使光波的某参量受到调制。根据调制器和激光器的相对关系,可以分为根据调制器和激光器的相对关系,可以分为内调制内调制和和外调制外调制。内调制内调制: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,从而改变激光输出特性以实现调制光器的振荡参数,从而改变激光输出特性以实现调制。内调制特点内调制特点:优点优点:调制效率高;调制效率高;缺点:因缺点:因腔内损耗增加,腔内损耗增加,降低了输出功率,降低了输出功率,调制带宽受限。调制带宽受限。外调制特点外调
7、制特点:优点优点:输出功率不变;:输出功率不变;调制带宽大;调制带宽大;缺点:缺点:调制效率低。调制效率低。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振幅、强度、频率、位相振幅、强度、频率、位相调制等。调制等。其中其中Am和和m 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。振幅调制后,振幅调制后,Ac不再是常量,而是与调制信号成正比的量。不再是常量,而是与调制信号成正比的量。1.1.1振幅调制振幅调制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。设激光载波的电场强为:设激光载波
8、的电场强为: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:其调幅波的表达式为:其调幅波的表达式为:(1.1-3)利用三角公式:利用三角公式:(1.1-3)得到:得到:式中:式中:ma=Am/Ac 称为调幅系数。可见,调幅波的频谱是由三个频率成分组成称为调幅系数。可见,调幅波的频谱是由三个频率成分组成的,其中,第的,其中,第1项是载频分量,第项是载频分量,第2、3项是因调制而产生的新分量,称为边频分项是因调制而产生的新分量,称为边频分量量(见下图见下图1.1所示所示)。若令:若令:对对m m的要求:的要求:m m1,1,保证调制信号在传输过程中不畸变。保证调制信号在
9、传输过程中不畸变。m m1 1时,使调制信号失真。时,使调制信号失真。强度调制强度调制是光载波的强度是光载波的强度(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。(强度调制形式最为常用,因为探测器一般都是直接地响应光强度变化。(强度调制形式最为常用,因为探测器一般都是直接地响应光强度变化。光强度定义为光波电场的平方,其表达式为光强度定义为光波电场的平方,其表达式为(光波电场强度有效值的平方光波电场强度有效值的平方):1.1-2强度调制强度调制则则:(1.1-14)式中,式中,为比例系数。设调制信号是单频余弦波为比例系数。设调制信号是单频余弦波,将其代入上式将其代入上
10、式,并令并令(称为强度调制系数称为强度调制系数),则(当,则(当mp1时时)(1.1-15)光光强强调调制制波波的的频频谱谱可可用用前前面面所所述述类类似似的的方方法法求求得得,但但其其结结果果与与调调幅幅波波的的频频谱谱略略有有不同,其频谱分布除了载频及对称分布的两边频之外,不同,其频谱分布除了载频及对称分布的两边频之外,还有低频还有低频和直流分量和直流分量。考虑经过光强调制以后不失真,则平均光强应选在考虑经过光强调制以后不失真,则平均光强应选在 I0/2。对对mp的要求:的要求:mp1,这样就要求:,这样就要求:1.1.3 1.1.3 频率调制和相位调制频率调制和相位调制简称调频和调相简称
11、调频和调相使使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振荡荡。因因为为这这两两种调制波都表现为总相角种调制波都表现为总相角(t)的变化,因此统称为的变化,因此统称为角度调制角度调制。对于调频对于调频,就是,就是(1.1-1)式式 中的角频率中的角频率c 不再不再是常数,而是随调制信号而变化是常数,而是随调制信号而变化,即即:若调制信号仍是一个余弦函数,则调频波的总相角为:若调制信号仍是一个余弦函数,则调频波的总相角为:其中:其中: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:同同样
12、样地地,相相位位调调制制就就是是(1.1-1)式式中中的的相相位位角角也也不不再再是是常常数数,而而是是随随调调制制信信号的变化规律而变化,调相波的总相角为:号的变化规律而变化,调相波的总相角为:式中,式中,称为调相系数。称为调相系数。(1.1-8)则调相波的表达式为:则调相波的表达式为:(1.1-9)调调频频/调调相相波波的的频频谱谱:由由于于调调频频和和调调相相实实质质上上最最终终都都是是调调制制总总相相角角,因因此此可可写写成成统统一的形式:一的形式:(1.1-10)利用利用三角公式展开三角公式展开(1.1-10)式,得:式,得:(1.1-11)将式中将式中两项按贝塞尔函数展开:两项按贝
13、塞尔函数展开:(调制系数调制系数m可从贝塞尔函数表查得各阶贝塞尔函数的值。)可从贝塞尔函数表查得各阶贝塞尔函数的值。)(1.1-11)将以上两式代入将以上两式代入(1.1-11)式并利用三角函数关系式式并利用三角函数关系式:可得:可得:(1.1-12)可可见见,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间隔隔是是,各各边边频频幅幅度度的的大大小小由贝塞尔函数决定。由贝塞尔函数决定。0.770.440.110.02图图1.1-2角
14、度调制波的频谱角度调制波的频谱当当m=1时,角度调制波的频谱时,角度调制波的频谱如右图如右图1.1-2所示:所示:显显然然,若若调调制制信信号号不不是是单单频频正正弦弦波波,则其频谱将更加复杂。则其频谱将更加复杂。另外,当角度调制系数较小另外,当角度调制系数较小(m1)时时,其其频频谱谱与与调调幅幅波波有着相同的形式。有着相同的形式。强度调制的实际应用强度调制的实际应用中的中的FM/IM调制:即为了得到较强的抗干扰效果,调制:即为了得到较强的抗干扰效果,经常利用经常利用二次调制二次调制方式,即:先将低频信号对一高频副载波进行频率调制,方式,即:先将低频信号对一高频副载波进行频率调制,然后再利用
15、这个已调制频波对光载波进行强度调制,使光的强度按副载波然后再利用这个已调制频波对光载波进行强度调制,使光的强度按副载波信号的变化而变化。信号的变化而变化。1.1.4 1.1.4 脉冲调制脉冲调制 (了解)(了解)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。而而在在目目前前的的光光通通信信中中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(模模拟拟脉脉冲调制或
16、数字脉冲调制)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。周期脉冲序列载波周期脉冲序列载波优点优点:在传输过程中,尽管大气抖动等干扰波会直接叠加到光信号波上,:在传输过程中,尽管大气抖动等干扰波会直接叠加到光信号波上,但经解调后,其信息是包含在调频的副载波中,故其信息不会受到干扰,但经解调后,其信息是包含在调频的副载波中,故其信息不会受到干扰,可以无失真的再现出原来的信息。可以无失真的再现出原来的信息。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
17、的的调调制制方方法法。即即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信号号规规律律变变化化,如如下下图图所所示示,成成为为已已调调脉脉冲冲序序列列,然然后后再再用用这这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度调制强度调制,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。周期脉冲序列载波周期脉冲序列载波先先把模拟信号先变换成电脉冲序列把模拟信号先变换成电脉冲序列,进而变成代表信号信息的二进制编码进而变成代表信号信息的二进制编码(PCM数字信号数字信号),再对光载波进行强度调制来传递信息的。再对光载波进行强度调制来传递信息的。要实现脉冲编码调制要实现脉冲编码调制,必须经过三个过程:抽样、量化和编码(如何进行必须经过三个过程:抽样、量化和编码(如何进行抽样、量化和编码,课后看书)。抽样、量化和编码,课后看书)。脉冲编码调制(一般了解)脉冲编码调制(一般了解)尽管激光调制有各种不同的各分类,但其调制的尽管激光调制有各种不同的各分类,但其调制的工作机理工作机理主要都是基于主要都是基于电电光、声光、磁光等各种物理效应。(下一节论述)光、声光、磁光等各种物理效应。(下一节论述)
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