光信息调制传输技术

        光信息调制传输技术在光电信息系统与安防监控系统中应用很多，因为只有把信息经过调制后再把这种调制光作为载波进行传输，才能不怕干扰稳定地传输到远处终端，从而在终端将信息解调显示出来，如安防监控系统的信息调制传输，以及到监控中心终端的解调与电视墙显示。本节主要介绍光信息的调制与解调技术。

        在光电信息系统中，光通量是信息的载体，称为载波。使光载波信号的一个或几个特征参数按被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法便称为调制。光载波可以利用复合光波合成的非相干光通量，也可以利用窄带单色、有确定初相位的相干光波。

       许多种光学参量都可以作为载波的特征参数。例如，非相干光通量的幅度、频率、相位和脉冲时间；相干光的波振幅、光频、相位、偏振方向以及光束的传播方向或光学介质的光学常数等。众多的可调制参量增加了光载波信号的处理灵活性和多样性。

       光载波可以是只随信息而不随时间变化的，这是将信息直接调制到光载波上的广义调制。在更多的情况下是使载波光通量人为地随时间或空间变化，形成多变量的载波信号，然后再使其特征参数随被测信息改变。这种方法称为二次调制，因为它是对已随时间调制的光通量特征参数的再调制。

       调制技术给辐射参数以确定的时间或空间变换，初看起来似乎增加了信号的复杂性，但是它可以改善光电信息系统的工作品质，有助于传输过程的信号处理，而提高传输能力。并且,还能更好地从背景噪声干扰中分离出有用的信号，以提高信噪比和测量灵敏度。此外，调制信号还可以简化系统的结构，改善工作条件。有时利用调制还可以扩大目标定位系统的视场和搜索范围，因此调制技术是光电信息系统与安防监控系统中最常用的技术方法。

光信息调制按时空状态和载波性质可分作以下几种类型。

(1)按时空状态分。

(2)按载波波形分。

(3)按调制方式分。

       (1)连续波调制。一般情况下，调制后的载波具有的形式为

式中，Φ0是光通量的直流分量，一般不载荷任何信息；Φm和ω是载波交变分量的振幅和频率；V（t）是由被测信息决定的调制函数，根据调制参量的不同可以分为

由于这些调制在电子技术等基础书籍中均有详细介绍，这里就不再赘述。

       (2)脉冲调制。若将直流光通量用斩光盘调制，使光通量间歇通断可以得到连续的光脉冲载波。若使载波脉冲的幅度、重复频率、脉宽、相位等参量或它的组合按调制信息改变，可以得到如图6-19给出的各种类型的脉冲调制方式。

图6-19   脉冲调制类型

       ①脉幅调制。如图6-19(a)所示，它的脉冲周期、相位、宽度保持不变，只有脉冲幅度N随信号改变，就是脉幅调制。

       ②脉冲频率调制。如图6-19(b)所示，它是脉冲的幅度和持续时间而(或称为脉宽)与脉冲相位保持不变，只改变脉冲的重复周期Tu,就是脉冲频率调制。

       ③脉宽调制。如图6-19(c)所示，它是脉冲序列的幅度4和重复周期7；与脉冲相位保持不变，只是脉冲的持续时间tu随调制信息改变，则称为脉宽调制。

       ④脉冲相位调制。如图6-19(d)所示，它是脉冲的振幅、脉宽、周期保持不变，只是相对于确定时间的脉冲位置乃随信息改变，则称为脉冲相位调制。

       ⑤脉冲复合调制。如图6-19(e)所示，表示了两个同样采用脉幅调制的光信号，它们的脉宽不同，但它们的周期与相位不变。将这两个信号放在同一信道中传送，只要在接收端设置脉宽鉴别电路，利用光脉冲宽度不同的特点就能将它们分离到两个通路上。在各自的通路里，从已调幅的脉冲序列中解调出信号包络线，即可得到被传送的信息。

       调制方法不仅能提高光电系统的测量灵敏度，而且能在同一光学通路中实现多个信息的多路传输。利用激光器的多路信号传输，已广泛应用于光纤通信传输中。

       (3)编码调制。编码调制是首先把连续的模拟信号先变成脉冲序列，再变成代表信号信息的二进制编码，最后对载波进行强度调制，因此实现编码调制有如下的三个过程。

       ①采样。即把连续的模拟信号波分割成不连续的脉冲波，并用一定的脉冲序列来表示，且脉冲序列的幅度与信号波的幅度相对应。根据采样定理，只要釆样频率比所传输信号的最高频率大两倍以上，就能够恢复原信号。

       ②量化。即把釆样后的脉冲幅度调制波进行分级取“整”处理，然后用有限个数的代表值，来取代釆样值的大小。

       ③编码。即把量化后的数字信号，变换成相应的二进制编码的过程。 由上看出，实际上编码调制也就是用二进制数字信号“1”码和“0”码对光载波进行调制，即数字调制。而数字信号大都釆用这种脉冲编码调制(即PCM)。总之，它首先将连续的模拟信号通过“釆样”变换成一组调幅的脉冲序列；其次通过“量化”和“编码”过程，形成一组等幅度、等宽度的矩形脉冲作为“码元”，即用“有脉冲”和“无脉冲”的不同组合(有一定位数的脉冲码元)代表釆样值的幅度，这就是脉冲编码，结果将连续的模拟信号变成了PCM数字信号：最后将PCM数字信号直接对LD光源进、行光强度调制。

       这种编码调制方式，具有很强的抗干扰能力，在数字光通信中己得到广泛应用。其原因是：首先，因为数字光信号在信道上传输的过程中引进的噪声和失真，可采用间接中继器的方式去掉，因而抗干扰能力强；其次，用数字光信号对数字光纤通信系统的线性要求不高，从而可充分利用LD光源的功率：最后，使设备便于和PCM电话终端、PCM数字彩色电视终端、电子计算机终端相连接，从而组成既能传输电话、彩色电视信号，又能传输计算机数据的多媒体综合通信系统。

       (4)其他光学参量的调制。表征光波几何的或物理特性的参量除了有光强，变化频率之外还有许多其他的参数，如光传输中偏振面的方向和光束的传播方向等的调制。

       ①偏振面方向的调制。当光波在旋光性物质中传播时，偏振面的转动可以用来取得有关该物质性质的信息。例如，糖溶液或松节油，当偏振光通过该溶液后，偏振面的转角△卩不仅与通过溶液的路程长度/有关，而且还正比于溶液的浓度c,即为

△ψ=alc                                                     (6-6)

式中，a是溶液的旋光率。因为偏振面的旋转角有方向性，如葡萄糖为右旋，果糖为左旋。因此，测量偏振面的旋转角可以测量溶液的浓度和物质的性质。这样，对于糖溶液浓度的测量,可以釆用光度测量方法中的指零法，也可以采用调制入射偏振角方式进行调制测量，此时如图6-20所示。

        周期性地改变起偏器偏振角的位置，使入射光辐射的电场强度矢量E相对平均位置周期性变化，单位时间内E的变化次数为调制频率，最大偏转角伽就。当未插入溶液试样时，检偏器的输出光通量是平均值为零的交变分量。插入溶液后输出光通量平均值改变。利用后面提及的解调方法可判断平均值的大小和极性。调制偏振角的测量方法可应用于偏振糖度计中。典型的工作参数：照明波长λ=0.59μm，调制频率fo=50Hz,最大偏振角ψmax=3.5°。

图6-20偏振角调制

       ②光束传播方向的调制。对于光束传播方向的调制，可以通过周期性地改变光路中光学元件,例如反射镜的方位角来实现。这种光束传播方向的调制，主要用于对空间目标的扫描中。

        可实现单色光波或复合光通量信息调制作用的装置称为光信息调制器，调制器包括光控、辐射源、机电和电子调制器。这里主要介绍光电信息系统中应用较多的前二类调制器。

     （1）光控调制器。对于光学性质随方向而异的一些介质，常发生一束入射光分解为两束折射光的现象，称为双折射，相应的介质称为各向异性材料。由于它们两个方向折射率不同，这种材料具有旋光性，可以改变入射偏振光的偏振方向。材料折射率各向异性的性质能在电场、磁场和机械力等外力作用下形成和改变。利用这些光控效应，可以进行光波振幅、频率、相位、偏振状态和传播方向等参量的调制。这些调制的器件又称为光电控制器件，简称光控器件。通常用得最多的是对光的振幅进行调制，由于光强与光振幅的平方成反比，因此对光的振幅进行调制也就是对光强的调制。根据引起光控效应外因形式的不同，光控调制器有以下三种。

       ①电光调制器。外电场加到光学介质上引起介质折射率的变化，就称为电光效应。具有电光效应的材料有半导体、绝缘晶体和有机聚合物。具有电光效应的电光晶体有從酸锂（LiNboa）晶体、碑化傢（GaAs）晶体、钮酸锂晶体以及半导体硅等。显然，利用某些物质的电光效应可以制成电光器件。一般地，电光效应有两种：一种是折射率的变化与外电场强度的一次方成正比例，称为泡克耳斯（Pockels）效应；另一种是折射率的变化与外电场强度的平方成比例，称为克尔（Kerr）效应。具有电光效应的材料，在外电场的作用下，材料的折射率随之发生变化，从而使同时通过该材料的光波的参量（如幅度、相位等）也发生改变，而获得光调制信号，这样制成的光控制器件就是电光调制器。利用泡克耳斯效应制成的调制器，称为泡克耳斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。泡克耳斯盒又分为纵向调制器和横向调制器两种。利用克尔效应制成的调制器称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。

        ②磁光调制器。原来没有旋光性的透明介质，如水、铅玻璃等，放在强磁场中，可产生旋光性，这种现象称为法拉第效应。具体的现象是，把磁光介质放到磁场中，使光线平行于磁场方向通过介质时，入射的平面偏振光的振动方向就会发生旋转，转移角的大小与磁光介质的性质、光程和磁场强度等因素有关。其规律为

0=VlHcosa                                                            （6-7） 

式中，θ为振动面旋转的角度；i为光程；H为磁场强度；a为光线与磁场的夹角；V为比例常数，称为费尔德常数，它与磁光介质和入射光的波长有关，是一个表征介质磁光特性强弱的参量。不同介质，振动面的旋转方向不同。顺着磁场方向看，使振动面向右旋的，称为右旋或正旋介质，V为正值。反之，则称为左旋或负旋介质，v为负值。

       对于给定的磁光介质，振动面的旋转方向只决定于磁场方向，与光线的传播方向无关，即无论光的传播方向与磁场方向平行或是反平行，线偏振光的旋转方向相同。利用法拉第磁光效应这一特点，还可用来制作光隔离器。这里讲磁光调制器。

       ③声光调制器。声波在介质中传播时，会引起介质密度(折射率)发生周期变化，可将此声波引起的介质密度周期变化的现象称为声光栅，声光栅的栅距等于声波波长。当光波入射于声光栅时，即发生光的衍射，这种现象称为声光效应。声光器件是基于声光效应的原理来工作的，它分为声光调制器和声光偏转器两类，它们的原理、结构、制造工艺相同，只是在尺寸设计上有所区别。

       ④其他的光控调制器具体有下列几种。

       (a)二硫化碳光控调制器。在正交放置的两偏振器之间，可放置一个装有二硫化碳的透明槽，当它们未加外部激励时，入射光束将不能通过该装置。但若对该介质作用以强功率的短脉冲激光时，则材料的旋光作用会使输入光束偏振方向改变，因而能透过该装置形成持续时间仅为纳秒级的超短光脉冲。显然，这种装置的旋光作用是在外部光辐射的激光下形成的。

       (b)热光调制器。热光调制器是利用热光效应的光调制器，它是利用硅的折射率随温度变化的特性，在硅基光调制器的光波导上制作薄膜加热器而成的。控制这个加热器，改变光波导的温度，即可实现光频调制。硅的温度变化系数为2X104/K数量级。

        马赫-曾德尔干涉仪型热光调制器，可获得几十GHz的调制带宽。

       (c)吸收效应调制器。吸收效应调制器是利用光吸收效应或电吸收的光调制器。光吸收效应的光调制器是因为吸收区耗尽层的宽度是随外加电压而变化的，再利用半导体吸收区载流子耗尽致使光吸收的原理，通过改变电压来控制耗尽层对光的吸收，而实现光调制的，这种光调制器具有宽的调制带宽，并且价格低廉。电吸收光调制器是利用半导体材料的电子耗尽的吸收特性，它不仅具有调制速率高、驱动电压低与尺寸小等优点，而且还可与分布反馈激光器单片集成，在调制器和激光器间获得高的耦合效率和调制光的高输出功率，从而减小系统尺寸和降低成本。

        (2)辐射源调制器。通常，在光辐射源供电源上，施加变或脉冲的激励电压而实现电源调制的方法，在许多情况下比起在电路中加入调制器的方式更为简单和有效。常用的光源，如白炽灯或气体放电灯都具有较大的发光惰性，因此实现电源调制的利用效率和调制频率较低。特别是白炽灯，即使釆用细灯丝的专用灯泡，对于调制频率为100〜200Hz的调制度也不超过百分之几，因此白炽灯的电源调制只能在很低的频率下进行。在直接利用工业频率50Hz激励时，会产生100Hz的调制光通量。为了提高调制度，常将工频电源经半波整流后再接到白炽灯上，这时会产生50Hz幅度较大的调制光通量。在工业测量中，这是一种提高调制度的极简单易行的方法。利用气体放电光源可以得到几千赫兹的调制频率和80%的调制度。但大功率的气体放电灯调制器是比较笨重的设备。

        固体发光器件，如半导体发光二极管就可以得到很高的调制频率，其上限频率可达到上百兆赫兹，且驱动设备简单，发光效率也较高，是目前应用最广泛的光通量调制器；对于半导体等激光器，也有许多利用激励电源直接调制光强度的应用实例，这里就不一一列举了。

        从已调制信号中分离出有用信息的过程称为解调，实现解调作用的装置就是解调器。由于解调是从载波信号中检测出有用信息的过程，所以也称为检波，实际上，解调或检波是信号调制的相反过程。

      在时域分析中，调制是将有用信息及其时间变化载荷到载波的特征参量之上，而解调则是从这些调制了的特征参量上再现出所需信息。从频域分析的角度，调制是将信号的频谱向以载波频率为中心频率的高频方向变换，而解调则是将变换了的频谱分布复原或反变换为初始的信号频谱分布。

        不同的调制信号有不同的解调方法。利用二极管的调幅波解调的直线律检波在电子技术中已很熟悉，因而就不再介绍了。这里主要介绍应用较多的能检测调制信号幅度与确定载波相位数值的解调的相敏检波。至于调频信号的解调，一般要用鉴频电路，这可参考有关的电子电路书籍与资料，就不再论述。

       对于相位调制的载波信号，载波和参考信号间的相位差随被测信号改变。这种信号的解调，应该对载波的相位敏感，其检波器的输出电压，应反映出相位的变化。相应解调器的输出特性如图6-21(a)所示。在另外的情况下，对于有些调幅信号，不仅要求检测变量变化的大小,而且希望确定变化的方向或极性，它的输出特性如图6-21(b)所示。对这种有极性变量的调制，通常可用载波的幅度大小表示变量的数值，而用载波的相位正反表示变量的极性。显然，为处理这种调幅信号也需要有对相位敏感的解调方法。这种不仅能检测出调制信号的幅度，而且能确定载波相位数值的解调，称为相敏检波或同步检相。其它由解调器和低通滤波器串联而成。这里，解调器被

看成是巳调制信号和参考信号间的模拟乘法器，因而又称为乘积检波。

图   6-21   相敏检波和同步解调的输出特性

相敏检波具有下述性质。

       (1)相敏检波器消除了高次谐波的影响，使输出信号幅度与载波信号的幅度成正比。因此，能解调和再现出调幅信号UmCOsQr：

       (2)相敏检波器的输出信号和载波与参考信号间的相位差歹有关。在载波信号幅度不变的条件下，能单值地确定载波信号和参考信号间的相位差。

       由于相敏检波的上述性质，在调制信号的处理中得到了广泛的应用。 

       (1)对于幅度不变而单纯相位调制的情况，能解调出相位调制信息。因此，可用于以调制盘检测光学目标方位角的测量中。

       (2)对有极性的调幅信号，载波信号的相位差只取ψ=0°和ψ=180。两种状态。这表明，当载波与参考信号同相位时，输岀信号为正值，反之为负值。因此，这个性质可用做几何位置偏差的极性判断。

图6-22     相敏检波的原理框图和频谱

       (3)对于幅度和相位同时变化的情况，相敏检波器的输出信号取决于载波信号和参考信号相位的瞬时值比较：同极性输出为正值；反极性输出为负值。这种方法在扫描调制测量中得到了应用。

       相敏检波的实际电路有许多种类型。图6-23给出了常用的二极管环形检相电路和三极管相敏检波电路。由图可知，已调制的载波信号通过放大器K由输入变压器输入，参考电压由中心抽头变压器引入。在参考电压的正负半周期内，分别控制两对二极管或三极管的通断，使输入信号在负载电阻上全波整流输出。显然，其输岀电流的流向，取决于参考电压和信号电压的相位关系，从而达到检相整流的目的。

图6-23   二极管和三极管环形检相电路