光电子技术第7课

1、221221)(arnrn212cLnoiPPL10log10 =2 / z(a)fA z /2 / 2 / 3 / (b)自聚焦光纤的透镜特性自聚焦光纤的透镜特性 群迟延差为群迟延差为衰减系数衰减系数 2EEPtEtEE2cos21cos2120020)cos()cos() 12(cos2) 12(cos22121020112021201ttEEtEtE倍频混频3.1 光调制的基本概念原理光源光源 信息加载信息加载或光控制或光控制 光传输光传输 处理处理存储存储 光信号光信号接收接收 光源器件光源器件光调制器件光调制器件光传输器件光传输器件光探测器件光探测器件光显示器件光显示器件光存储器件光

2、存储器件按信息传递的各个环节划分按信息传递的各个环节划分调制调制将信息加载于载波（激光）的过程。将信息加载于载波（激光）的过程。调制器调制器完成调制过程的装置称为完成调制过程的装置称为调制器调制器(Modulator） 激光是一种频率更高的电磁波，它具有很好相干性，象电磁波（收音机、激光是一种频率更高的电磁波，它具有很好相干性，象电磁波（收音机、电视等）一样可以用来作为传递信息的载波。电视等）一样可以用来作为传递信息的载波。 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)通过一定的传输通过一定的传输通道通道(光纤等光纤等)送到接收器，再由光接收

3、器鉴别并还原成原来的信息。这种将送到接收器，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调制。信息加载于激光的过程称之为调制。其中激光称为载波；起控制作用的低频其中激光称为载波；起控制作用的低频信息称为调制信号。信息称为调制信号。根据调制器和激光器的相对关系，可以分为内调制和外调制根据调制器和激光器的相对关系，可以分为内调制和外调制)cos()(cccctAtEcA振幅角频率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：内调制内调制：是指加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即是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，从而改变

4、激光输出特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性以实现调制。 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、调相及调幅、调频、调相及调强等调强等。 外调制外调制：是指激光形成之后，在激光器外的光路上放置是指激光形成之后，在激光器外的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理特性，当激光通过调调制器，用调制信号改变调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制制器时，就会使光波的某参量受到调制。外调制方便，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。调制带宽是指可以输出的或者加载的最高信号速率 波特

5、率即调制速率，指的是信号被调制以后在单位时间内的变化，即单位时间内载波参数变化的次数。它是对符号传输速率的一种度量，1波特即指每秒传输1个符号。 外内 Am 和和 m 分别是调制信号的分别是调制信号的振幅振幅和和角频率角频率.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。振荡，简称调幅。) 1 . 1 . 3()cos()(cccctAtE)2 . 1 . 3(cos)(tAtamm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： 当进行激光振幅调制时，

6、当进行激光振幅调制时，(3.1.1)式中的激光振幅式中的激光振幅 Ac 不再是不再是常量，而是与常量，而是与调制信号成正比调制信号成正比。3.1.1 振幅调制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： cmccacmccaccctAmtAmtAtE)(cos2)(cos2)cos()()cos(cos1)(ccmacttmAtE(3.1.3)cos()cos(21coscos(3.1.4)称为调幅系数。称为调幅系数。cmaAAm )cos()(cccctAtEtAtammcos)(m2调调幅幅波波频频谱谱2caAmmccmc2caAmcA调幅波的频谱是由三

7、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。第一项是第一项是载频分量载频分量；第二、三项是因调制而产生的新分量，称为第二、三项是因调制而产生的新分量，称为边频分量边频分量 。cmccacmccaccctAmtAmtAtE)(cos2)(cos2)cos()( 调频或调相调频或调相就是光载波的就是光载波的频率频率或或相位相位随着调制信号的变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化规律而改变的振荡。因为这两种调制波都表现为总相角总相角 (t) 的的变化，因此统称为变化，因此统称为角度调制角度调制。 )5 . 1 . 3()()()(takttfccc 不再是常数不再

8、是常数，而是随调制信号而变化，即：，而是随调制信号而变化，即： )cos()(cccctAtE、对于调频而言，就是、对于调频而言，就是(3.1.1)式式3.1.2 频率调制和相位调制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： ) 6 . 1 . 3 (sinsin)cos()()()()(0000cmfccmmmfcctmmfctcfcctfctctmttAktdttAktdttaktdttakdttt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。mmmffAkm则调制波的表达式为：则调制波的表达式为： )7 .1 .3()sin

9、cos()(cmfcctmtAtE)cos()(cccctAtE)()(taktfc式中，式中， 称为调相系数。称为调相系数。mAkmtAkttakttmmcccccos)()(3.1.8)则调相波的表达式为：则调相波的表达式为： )coscos()(cmcctmtAtE(3.1.9)cos()(cccctAtE、对于调相而言，、对于调相而言，不再是常数不再是常数，而是随调制信号而变化，即：，而是随调制信号而变化，即： c)sincos()(cmfcctmtAtE由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可写成由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可写成统一的形式统一的形式 利用利用s

10、insincoscos)cos(cmcctmtAtEsincos)(（3.1.10）)sinsin(sin()sincos(cos()()tmttmtAtEmccmccc(3.1.11)三角公式展开三角公式展开(3.1-10)式，得：式，得：)coscos()(cmcctmtAtE)sincos()(cmfcctmtAtE将式中将式中)sinsin()sincos(tmtmmm和1)2cos()(2)()sincos(20ntnmJmJtmmnm112) 12(sin)(2)sinsin(nmnmtnmJtm知道了调制系数知道了调制系数m，就可从贝塞尔函数表查得各阶贝塞尔，就可从贝塞尔函数表查

11、得各阶贝塞尔函数的值。函数的值。两项按贝塞尔函数展开：两项按贝塞尔函数展开：)sinsin(sin()sincos(cos()()tmttmtAtEmccmccc将以上两式代入将以上两式代入(4.1.11) 式利用三角函数关系式：式利用三角函数关系式： )cos()cos(21sinsin)cos()cos(21coscos)cos()cos(21coscos可得：可得：)sinsin(sin()sincos(cos()()tmttmtAtEmccmccc 可见，在单频正弦波调制时，其角度调制波的频谱是由可见，在单频正弦波调制时，其角度调制波的频谱是由光载光载频频与在它与在它两边对称分布的无穷

12、多对边频所组成两边对称分布的无穷多对边频所组成的。各边频之间的的。各边频之间的频率间隔是频率间隔是 , 各边频幅度的大小由贝塞尔函数各边频幅度的大小由贝塞尔函数 决定。决定。 m)(mJn1)(cos) 1()(cos)()cos()()(0ntntnmJAtmJAtEcmcncmcncccccmcctmtAtEsincos)()cos()(cccctAtE0.770.440.110.02m6mc角度调制波的频谱图角度调制波的频谱图 1fm例题：如下图是例题：如下图是m=1时的角度调制波的频谱。时的角度调制波的频谱。若调制信号不是单频正若调制信号不是单频正弦波弦波, 则其频谱将更加复则其频谱将

13、更加复杂。另外，当角度调制杂。另外，当角度调制系数较小（即系数较小（即m1）时）时，其频谱与调幅波有着，其频谱与调幅波有着相同的形式。相同的形式。1)(cos) 1()(cos)()cos()()(0ntntnmJAtmJAtEcmcncmcncccccmccacmccaccctAmtAmtAtE)(cos2)(cos2)cos()(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随调制信号规律而变化的激光振荡激光振荡。 激光调制通常多采用强度调制形式，这是因为激光调制通常多采用强度调制形式，这是因为接收器接收器(探测探测器器)一般都是直接地一般都是直接地响应响应

14、其所接收的其所接收的光强光强度变化的缘故。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(光波电光波电场强度有效值的平方场强度有效值的平方): 222( )( )cos ()3.1.12)cccI tEtAt（3.1.3强度调制将其代入上式将其代入上式, 并令并令 )(cos)(12)(22ccpcttakAtIpk)cos()(tAtammpmpmAk)(coscos12)(22ccmpcttmAtI于是，强度调制的光强表达式可写为于是，强度调制的光强表达式可写为 : :(3.1.13)光强比例系数光强比例系数设调制信号是单频余弦波设

15、调制信号是单频余弦波m光强调制波的频谱可用前面所述类似的方法求得，但其结果与光强调制波的频谱可用前面所述类似的方法求得，但其结果与调幅波的频谱略有不同，其频谱分布除了调幅波的频谱略有不同，其频谱分布除了载频载频及及对称分布的两对称分布的两边频边频之外，还有之外，还有低频低频 和和直流分量直流分量。(3.1.14)( (称为强度调制系数称为强度调制系数) )则则222( )( )cos ()cccI tEtAtI(t)t调制信号载波 强度调制 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连续振荡的波的波, 称为称为模拟式调制模拟式调制。另外。另外, 在目前

16、的光通信中还广泛采用在目前的光通信中还广泛采用一种在一种在不连续状态不连续状态下进行调制的下进行调制的脉冲调制和数字式调制脉冲调制和数字式调制(也称也称为为脉冲编码调制脉冲编码调制)。它们一般是先进行电调制（模拟脉冲调制。它们一般是先进行电调制（模拟脉冲调制或数字脉冲调制）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。 3.1.4脉冲调制 脉冲调制脉冲调制是用一种间歇的周期性脉冲序列作为载波，这种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方法。载波的某一参量按调制信号规律变化的调制方法。 先用模拟调制信号对一电脉冲序列的某参量先用

17、模拟调制信号对一电脉冲序列的某参量(幅度、宽度、频幅度、宽度、频率、位置等率、位置等)进行电调制，使之按调制信号规律变化，成为进行电调制，使之按调制信号规律变化，成为已调已调脉冲序列脉冲序列，再用已调电脉冲序列，再用已调电脉冲序列对光载波进行强度对光载波进行强度调制，调制， 就可就可以得到相应变化的光脉冲序列。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(a) (a) 调制信号调制信号(b) (b) 脉冲幅度调制脉冲幅度调制(c) (c) 脉冲宽度调制脉冲宽度调制(d) (d) 脉冲频率调制脉冲频率调制(e) (e) 脉冲位置调制脉冲位置调制图图3 3 脉冲调制形式脉冲调制形式周期脉冲序列载波周期脉冲序列载波课堂测试1.画出调幅波频谱图（2 2分）分）2.画出是m=1时的角度调制波的频谱图（3 3分）分）3.求光强调制波的频谱公式的最后形式并画出频谱图（6 6分）分）NoImage)(coscos12)(22ccmpcttmAtIcos 2=2*(cos )2-1cmccacmccaccctAmtAmtAtE)(cos2)(cos2)cos()(1)(cos) 1()(cos)()cos()()(0ntntnmJAtmJAtEcmcncmcncccc附录附录 贝塞尔函数表贝塞尔函数表mJ0J1J2J3J4J5J60.20.9900.10