光纖調制技術之頻率調制的原理及其在實際應用中的優(yōu)缺點

1、f 1f o1cos,coscflf0 1 cos 1 cos 2c光纖頻率調制技術的原理及其在實際應用中的優(yōu)缺點一、前言光調制技術在光纖傳感器中是極為重要的技術，各種光纖傳感器，都是從不同的方面利用了這些調制技術。按照調制方式分類，光調制可分為：強度調制、相位調制、偏振調制、頻率調制和波長調制等。所有這些調制過程都可以歸結為是將一個攜帶信息的信號疊加到載波 光波上。完成這一過程的器件叫做調制器。調制器能使載波光波參數隨外加信號變化而改變 這些參數包括光波的強度（振幅卜相位、頻率、偏振、波長等。這種承載信息的調制光波在 光纖中傳輸，再由光探測系統(tǒng)解調，然后檢測出所需要的信息1。本為將以光纖頻率

2、調制技 術為主，通過查閱大量資料和文獻，來闡述它的原理及其在實際應用中的優(yōu)缺點。二、頻率調制技術1 .光纖頻率調制技術的概述利用外界作用改變光纖中光的頻率，通過檢測光纖中光的頻率的變化來測量各種物理 量,這種調制方式稱為頻率調制。2 .光纖頻率調制技術的原理一一多普勒效應目前頻率調制技術主要利用多普勒效應來實現。光纖常采用傳光型光纖。光學多普勒效應告訴我們：當光源 S發(fā)射出的光，經運動的物體散射后，觀察者所見到的光波頻率fl相對于原頻率f 0發(fā)生了變化，如圖所示。圖1多普勒效應圖S為光源，N為運動物體，M為觀察者所處的位置，若物體 N的運動速度為 U,其運動 方向與NS和MN的夾角分別為 心和

3、膽，則從S發(fā)出的光頻率f 0經運動物體N散射后， 觀察者在M處觀察到的運動物體反射的頻率為fl,根據多普勒效應，它們之問有如下關系：f1 f0 1 - cos 1 cos 2 （式中 c 為光速） c根據上述的近似公式，可以設計出激光多普勒光纖流速測量系統(tǒng)，如下圖所示。設激光光源頻率為f0,經半反射鏡和聚焦透鏡進入光纖射入到被測物流體，當流體以速度U運動時，根據多普勒效應，其向后散射光的頻率為f 0+Af或f 0-Af （視流向而定），向后散射光與光纖端面反射光（參考光）經聚焦透鏡和半反射鏡，由檢偏器檢出相同振動方向 的光，探測器檢測出端面反射光 f 0與向后散射光f 0+A£f 0

4、-A f的差拍的拍頻 Af由此可 知流體的的流速。三、光纖的頻率調制技術的應用及其優(yōu)缺點脈沖頻率調制傳輸方式是目前模擬視頻光纖傳輸方式中傳輸質量最高的方式之一，其 原理是調制脈沖重復頻率隨信號幅度大小呈線性變化，而脈寬保持不變。PFM （脈沖頻率調制）是信號光強度調制前的一種預處理過程，信號經過脈沖調制后，頻譜會變寬，并以此可以換取傳輸質量的提高。而PFM處理帶來的傳輸帶寬的增加，對于帶寬極寬的光纖來說并不存在什么問題，而且由于光源的非線性對系統(tǒng)的影響不大，故光調制深度可以增加，進一步提高系統(tǒng)的信噪比。通過脈沖頻率調制可實現單路視頻傳輸，多路視頻傳輸，視頻/數據傳輸。下面對幾種方案做簡要描述1

5、單路視頻傳輸單路視頻傳輸系統(tǒng)工作原理如圖1,在發(fā)射端基帶視頻信號經過預加重，進行PFM 調制，然后去調制激光器。而在接收端通過PIN管將光信號轉化成電信號，經過PFM解調恢復出視頻信號。視頻信號經過 PFM 后，頻譜呈第一類貝塞爾函數分布，頻譜中含有無窮多個頻 率分量，但功率譜主要集中在載波和低次諧波分量上，高次邊頻分量可略去不計，因 此PFM 信號可近似認為具有有限頻譜?；鶐б曨l信號的帶寬為8MHz ,經過PFM 調制后，信號帶寬可限定在30 MHz以上而不會明顯影響PFM 性能。不同于基帶視頻信號直接光強度調制方式，該系統(tǒng)對發(fā)光器件沒有特殊要求，可以根據實際工程需要選用不同的發(fā)光器件。如多

6、模850nm 波長LED 滿足4公里以內應用，單模 1310nm 波長LD滿足30公里以內應用，單模 1550nm 波長DFB 激 光器滿足100公里以內應用。無論是多模LED,還是單模 LD,系統(tǒng)都具有良好的性能。批量測試結果表明，系統(tǒng)經過光纖傳輸后，系統(tǒng)主要指標為：加權信噪比為 60dB , 微分增益為3% ,微分相位為 3。由于PFM 信號解調輸出噪聲功率譜密度和調頻信號解調輸出噪聲功率譜密度一 樣，呈三角形噪聲特性，造成高頻端噪聲大而低頻端噪聲小的現象。為了克服這種現 象，在設計中往往采用預加重和去加重電路。預加重使視頻信號在頻率上人為地加以 預傾斜，使高頻端升高，低頻端壓低。在接收端

7、解調時，由于信號高頻端電平提升而 使解調信噪比有所提高，而低頻端則有所降低，從而均衡了帶內信噪比的分布。另外，預加重對低頻成分起著壓縮作用，也壓縮了亮度信號的動態(tài)范圍，從而降低了微分增 益和微分相位的失真。2多路視頻傳輸通過將多路視頻分別調制于不同的頻率范圍，然后進行頻分復用，可以在單根光纖中實現多路視頻傳輸。其發(fā)射部分原理框圖如圖2,接收部分原理是發(fā)射部分的逆過程。從理論上講，光纖和光器件的帶寬極大，完全滿足8路以上多路視頻頻分復用的帶寬要求。但實際上由于目前采用的分立元件，特別是高頻電容和電感的精密度和穩(wěn) 定性不夠，使得 PFM中心頻率的穩(wěn)定性不好，中心頻率會隨時間和溫度漂移，加上 帶通濾

8、波器的特性也會隨溫度變化，給多路視頻復用帶來很多不穩(wěn)定因素。所以目前 較為成熟的也只是四路圖象的頻分復用。3視頻/數據傳輸通過PFM方式不僅可以完成較高質量的視頻傳輸，而且可以完成一路甚至多路雙向數據傳輸。正向數據工作原理是在發(fā)射端首先將數據信號進行FSK調制，再將FSK信號和視頻基帶信號混合，然后將混合信號進行PFM 調制。在接收端首先進行PFM 解調，通過帶通濾波器分離出視頻信號和FSK信號，最后進行FSK解調，還原出數據信號。反向數據則直接對發(fā)光器件進行強度調制。原理框圖如圖3。視頻、數據混合傳輸存在兩個問題：(1) 視頻和正向數據間相互干擾。由于數據信號經過FSK調制和帶通濾波后仍存在較豐富的諧波成分，這些諧波成分會影響視頻信號，使視頻信號受到干擾。為 了降低這種干擾，可以通過降低FSK幅度的方法來實現，但FSK幅度過低會造成數據解調不出來或數據誤碼過高。(2)數據速率不高。目前比較成熟的FSK技術適合于速率為 1Mbps的數據信號的調制解調，在異步數據通信中往往采用8倍的過采樣，所以這種FSK技術可以傳輸一路速率為 115.2Kbps 的高速異步數據。但如果要傳輸多路異步數據，異步數據的速率則遠低于 115.2Kbps 。模擬光纖傳輸系統(tǒng)可采用基帶視頻信號直接光強度調