1、光源光源传输传输调制调制第第3章章光束的调制和扫描光束的调制和扫描重点掌握：重点掌握：电光、声光、磁光调制原理电光、声光、磁光调制原理 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)通通过一定的传输通道过一定的传输通道(大气、光纤等大气、光纤等)送到接收器，再由光接收器送到接收器，再由光接收器鉴别并还原成原来的信息。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这种将信息加载于激光的过程称之为调制为调制。 完成这一过程的装置称为完成这一过程的装置称为调制器调制器(Modulator）。其中激光。其中激光称为载波；起控制作用的低频信息称为
2、调制信号。称为载波；起控制作用的低频信息称为调制信号。 3.1 光束调制原理光束调制原理 激光激光是一种频率更高的电磁波，它具有很好相干性，因而是一种频率更高的电磁波，它具有很好相干性，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。的载波。解调（解调（demodulate)：调制的反过程，把调制信号还原：调制的反过程，把调制信号还原成原来的信息。成原来的信息。电视传像的基本过程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()(cccctAtE振幅cA角频
3、率c相位角c例如：光发调制（内调制）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。 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。例如：视频信号传输
4、调制过程外调制方便，且比内调的调制速率高（约一个数量级），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。调制带宽要宽得多，故倍受重视。 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。 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。) 11 . 3()cos()(cccctAtE)21 . 3(cos)(tAtamm设激光载波的电场强度如：设激光载
5、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： 3.1.13.1.1振幅调制振幅调制 当进行激光振幅调制时，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。例如：调幅波的调制过程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。
6、称为调幅系数。cmaAAm m2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()( 调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信号的变化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
7、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 3.1.2 频率调制和相位调制频率调制和相位调制调频和调相调频和调相例如：光纤通信中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 (sin)cos()()()()(cmfcctmmfcctfcctfccttmtdtAktdtaktdtakdtt其中其中 称为调频系
8、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()sincos()(cmfcctmtAtE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
9、，因此可写成统一的形式统一的形式 利用利用sinsincoscos)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：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得各阶贝塞尔函数的值。函数的值。两项按
10、贝塞尔函数展开：两项按贝塞尔函数展开：将以上两式代入将以上两式代入(3.1-11) 式利用三角函数关系式：式利用三角函数关系式： )cos()cos(21sinsincmcncmcncccccmccmccmccmcccctnntnmJAtmJAtmJtmJtmJtmJtmJAtE)(1cos) 1()cos()()cos()()2(cos)()2(cos)()(cos)()(cos)()cos()()(022110)cos()cos(21coscos(3.1.12)可得：可得：0.770.440.110.02m6mc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
11、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。 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频与在它两边对称分布的无穷多对边频所组成的。各边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频之间的频率间隔是 , 各边频幅度的大小各边频幅度的大小 由贝塞尔函由贝塞尔函数决定。数决定。 m)(mJncm
12、cncmcncccctnntnmJAtmJAtE)(1cos) 1()cos()()cos()()(0 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，这是因为接激光调制通常多采用强度调制形式，这是因为接收器收器(探测器探测器)一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘故。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(光波光波电场强度有效值的平方电场强度有效值的平方): )13. 1 . 3)(cos)
13、()(222（ccctAtEtI3.1-33.1-3强度调制强度调制线性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 : :(3.1.14)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，其频谱分布除了载频及对称分布的两调幅波的频谱略有不同，其频谱分布除
14、了载频及对称分布的两边频之外，还有低频边频之外，还有低频 和直流分量。和直流分量。(3.1.15)( (称为强度调制系数称为强度调制系数) )则则I(t)t调制信号载波 强度调制3.1-43.1-4脉冲调制脉冲调制 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(也称也称为脉冲编码调制为脉冲编码调制)。它们一般是先进行电调制（模拟脉冲调制。它们一般
15、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。 脉冲调制是用一种间歇的周期性脉冲序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。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先用模拟调制信号对一电脉冲序列的某参量量(幅度、宽度、频率、位置等幅度、宽度、频率、位置等)进行电调制，进行电调制，使之按调制信号规律变化，成为已调脉冲序使之按调制信号规律变化，成为已调脉冲序列，再用已调电脉冲序列对光载波进行强度列，再用已调电脉冲序列对光载波进行强度调制，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。周期脉冲序列载波周期脉冲序列载波线性矩形调制矩形调制矩形调制调制器及波形调制器及波形(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
