第七章_光電信息變換

1、 將光學信息變換為電學信息的設備或系統(tǒng)稱為光將光學信息變換為電學信息的設備或系統(tǒng)稱為光電信息變換器。電信息變換器。 光電信息變換器常由光源、光學系統(tǒng)、光電傳感器、偏置光電信息變換器常由光源、光學系統(tǒng)、光電傳感器、偏置電路和處理電路構成。電路和處理電路構成。探探測測器器放放大大器器示波器示波器背景背景目標目標信信 號號處處 理理第七章第七章 光電信息變換光電信息變換7.1 7.1 光電信息變換的分類光電信息變換的分類 光電信息變換的分類：光電信息變換的分類： 根據(jù)根據(jù)信息載入光學信息的方式分：信息載入光學信息的方式分：信息載荷于光源的方式；信息載荷于透明體的方式；信信息載荷于光源的方式；信息載荷

2、于透明體的方式；信息載荷于反射光的方式；信息載荷于遮擋光的方式；信息載荷于反射光的方式；信息載荷于遮擋光的方式；信息載荷于光學量化器的方式；光通信方式的信息變換。息載荷于光學量化器的方式；光通信方式的信息變換。 根據(jù)根據(jù)光電變換電路輸出信號與信息的函數(shù)關系分光電變換電路輸出信號與信息的函數(shù)關系分為模為模擬光電變換與模擬光電變換與模- -數(shù)光電變換兩類。數(shù)光電變換兩類。 1. 1. 信息載荷于光源的方式信息載荷于光源的方式 信息載荷于光源中的情況（或光學信息為光源本信息載荷于光源中的情況（或光學信息為光源本身），如光源的溫度信息，光源的頻譜信息，光源的身），如光源的溫度信息，光源的頻譜信息，光源

3、的強度信息等。強度信息等。 應用范圍：鋼水溫度的探測、光譜分析、火災報應用范圍：鋼水溫度的探測、光譜分析、火災報警、武器制導、夜視觀察等。警、武器制導、夜視觀察等。 舉例：利用全輻射測溫原理測量物體溫度。舉例：利用全輻射測溫原理測量物體溫度。 物體的全輻射出射度物體的全輻射出射度M Me, e, 與物體溫度的關系為與物體溫度的關系為 Me, =Me, ，s= T4 式中式中M Me, e, ，s s為同溫度黑體的輻射出射度，為同溫度黑體的輻射出射度，為物體為物體的發(fā)射系數(shù)，與物體的性質、溫度及表面狀況有關。的發(fā)射系數(shù)，與物體的性質、溫度及表面狀況有關。T T為被測體的溫度，即測量的信息量。為被

4、測體的溫度，即測量的信息量。 在近距離測量時，不考慮大氣的吸收，光電傳感器的變換在近距離測量時，不考慮大氣的吸收，光電傳感器的變換電路輸出的電壓信號為電路輸出的電壓信號為 式中，式中，m m為光學系統(tǒng)的調制度，為光學系統(tǒng)的調制度，為光學系統(tǒng)的透過濾，為光學系統(tǒng)的透過濾，S S為光電為光電器件的靈敏度，器件的靈敏度，G G為變換電路的變換系數(shù)，為變換電路的變換系數(shù)，K K為放大器的放大倍數(shù)，為放大器的放大倍數(shù)，= mSGK= mSGK稱為系統(tǒng)的光電變換系數(shù)。稱為系統(tǒng)的光電變換系數(shù)。而而Me, =Me, ，s= T4 ,SeeUm SGKMM4SUT 表明變換電路輸出的電壓信號表明變換電路輸出的電

5、壓信號U US S是溫度是溫度T T的函數(shù)，溫度變化必的函數(shù)，溫度變化必然引起電壓的變化。因此，通過測量輸出電壓，并進行相應的標然引起電壓的變化。因此，通過測量輸出電壓，并進行相應的標定就能夠測出物體的溫度。定就能夠測出物體的溫度。 2. 2. 信息載荷于透明體的方式信息載荷于透明體的方式 利用透明體的透明度、透明密利用透明體的透明度、透明密度分布、厚度、介質材料對光的吸度分布、厚度、介質材料對光的吸收系數(shù)等信息測量。收系數(shù)等信息測量。 應用范圍：液體或氣體的透明度（或混濁度）、應用范圍：液體或氣體的透明度（或混濁度）、透明薄膜的厚度、均勻度及雜質含量等。透明薄膜的厚度、均勻度及雜質含量等。

6、提取信息的方法常用光通過透明介質時光通量提取信息的方法常用光通過透明介質時光通量的損耗與入射通量及材料對光吸收的規(guī)律求解。即的損耗與入射通量及材料對光吸收的規(guī)律求解。即 le0 式中式中為透明介質對光的吸收系數(shù)，它與介質的濃為透明介質對光的吸收系數(shù)，它與介質的濃度度C C成正比，即成正比，即=C C。顯然，。顯然，為與介質性質有關為與介質性質有關的系數(shù)。上式可改寫為的系數(shù)。上式可改寫為 Cle0 由上式可見，當透明介質的系數(shù)由上式可見，當透明介質的系數(shù)為常數(shù)時，光通量的損耗為常數(shù)時，光通量的損耗與介質的濃度與介質的濃度C C與介質的厚度與介質的厚度l l有關，采用如圖有關，采用如圖7-1(a)

7、7-1(a)所示的變換所示的變換方式，變換電路的輸出信號電壓方式，變換電路的輸出信號電壓U Us s為即將變換電路的輸出信號電為即將變換電路的輸出信號電壓壓U Us s送入對數(shù)放大器后，便可以獲得與介質的濃度送入對數(shù)放大器后，便可以獲得與介質的濃度C C與介質的厚度與介質的厚度l l有關信號。有關信號。0sUCle兩邊取自然對數(shù)后兩邊取自然對數(shù)后 lnUs=lnU0Cl 測量液體或氣體的透明度（或混濁度），檢測透明薄膜的厚度、測量液體或氣體的透明度（或混濁度），檢測透明薄膜的厚度、均勻度及雜質含量等質量問題。均勻度及雜質含量等質量問題。 Cle03. 3. 信息載荷于反射光的方式信息載荷于反射

8、光的方式 利用鏡面反射或漫反射信息進行測量利用鏡面反射或漫反射信息進行測量 應用范圍：利用鏡面反射來判斷光信號有無等信應用范圍：利用鏡面反射來判斷光信號有無等信息，如光電準值儀、邁克爾孫干涉儀；測量物體的運息，如光電準值儀、邁克爾孫干涉儀；測量物體的運動、轉動的速度、相位等。漫反射主要是測量物體表動、轉動的速度、相位等。漫反射主要是測量物體表面性質的信息，如反射系數(shù)載荷表面粗糙度及表面疵面性質的信息，如反射系數(shù)載荷表面粗糙度及表面疵病。病。 在檢測產品外觀質量時，變換電路輸出的疵病信號電壓在檢測產品外觀質量時，變換電路輸出的疵病信號電壓 US=E(r1-r2)B式中式中E E為被測表面的照度，

9、為被測表面的照度，r r1 1為正品（無疵?。┍砻娴姆瓷湎禂?shù)，為正品（無疵?。┍砻娴姆瓷湎禂?shù)，r r2 2為疵病表面的反射系數(shù)，為疵病表面的反射系數(shù)，B B為光電器件有效視場內疵病所占的為光電器件有效視場內疵病所占的面積，面積，為光電變換系數(shù)。為光電變換系數(shù)。 當當E E，r r1 1和和已知時，輸出電壓已知時，輸出電壓U US S是是r r2 2和和B B的函數(shù)，因此，可的函數(shù)，因此，可以通過輸出信號電壓以通過輸出信號電壓U US S的幅度判斷表面疵病的程度和面積。的幅度判斷表面疵病的程度和面積。 4. 4. 信息載荷于遮擋光的方式信息載荷于遮擋光的方式 利用物體部分或全部遮擋入射利用物體部

10、分或全部遮擋入射光束，或以一定的速度掃過光電器光束，或以一定的速度掃過光電器件的視場進行測量。件的視場進行測量。 應用范圍：光電測微儀、光電投影顯微測量儀、光應用范圍：光電測微儀、光電投影顯微測量儀、光電計數(shù)、光控開關和主動式防盜報警。電計數(shù)、光控開關和主動式防盜報警。 例如，設光電器件光敏面的寬度為例如，設光電器件光敏面的寬度為b b，高度為，高度為h h，當被測物體的寬度大于光敏面的寬度當被測物體的寬度大于光敏面的寬度b b時，物體沿光時，物體沿光敏面高度方向運動的位移量為敏面高度方向運動的位移量為l l，則物體遮擋入射，則物體遮擋入射到光敏面上的面積變化為到光敏面上的面積變化為 A A=

11、 =b bl l變換電路輸出的面積變化信號電壓為變換電路輸出的面積變化信號電壓為 U U= =E EA A=E bE bl l 5. 5. 信息載荷于光學量化器的方式信息載荷于光學量化器的方式 光學量化是指通過光學的光學量化是指通過光學的方法將連續(xù)變化的信息變換成方法將連續(xù)變化的信息變換成有限個離散量的方法。光學量有限個離散量的方法。光學量化器主要包括光柵摩爾條紋量化器主要包括光柵摩爾條紋量化器、各種干涉量化器和光學化器、各種干涉量化器和光學碼盤量化器等。碼盤量化器等。 應用范圍：精密尺度測量、角度測量和精密機床加應用范圍：精密尺度測量、角度測量和精密機床加工的自動控制方面。工的自動控制方面。

12、 長度或角度的信息量經光學量化裝置（光柵、碼盤、干涉長度或角度的信息量經光學量化裝置（光柵、碼盤、干涉儀等）變?yōu)闂l紋或代碼等數(shù)字信息量，再由光電變換電路變?yōu)閮x等）變?yōu)闂l紋或代碼等數(shù)字信息量，再由光電變換電路變?yōu)槊}沖數(shù)字信號輸出。脈沖數(shù)字信號輸出。 光源發(fā)出的光經光學量化器量化后送給光電器件轉換成脈光源發(fā)出的光經光學量化器量化后送給光電器件轉換成脈沖數(shù)字信號，再送給數(shù)字電路處理或送給計算機進行處理或運沖數(shù)字信號，再送給數(shù)字電路處理或送給計算機進行處理或運算。例如，將長度信息量算。例如，將長度信息量L L經光學量化后形成經光學量化后形成n n個條紋信號，量個條紋信號，量化后的長度信息化后的長度信息

13、L L為為 L L=q=qn n 式中，式中，q q稱為長度的量化單位，它與光學量化器的性質有關，稱為長度的量化單位，它與光學量化器的性質有關，量化器確定后它是常數(shù)。例如，采用光柵摩爾條紋變換器時，量化器確定后它是常數(shù)。例如，采用光柵摩爾條紋變換器時，量化單位量化單位q q等于光柵的節(jié)距，在微米量級；而采用激光干涉量等于光柵的節(jié)距，在微米量級；而采用激光干涉量化器時，化器時，q q為激光波長的為激光波長的1/41/4或或1/81/8，視具體的光學結構而定。，視具體的光學結構而定。6. 6. 光通信方式的信息變換光通信方式的信息變換 信息首先對光源進行調制，信息首先對光源進行調制，發(fā)出載有各種信

14、息的光信號，發(fā)出載有各種信息的光信號，通過光纖傳送到目的地，再通通過光纖傳送到目的地，再通過解調器還原信息。廣泛用于過解調器還原信息。廣泛用于聲音和視頻圖像等信息通信中。聲音和視頻圖像等信息通信中。二、光電信息變換的類型二、光電信息變換的類型 1. 1. 模擬光電變換模擬光電變換 被測的非電量信息（如溫度、介質厚度、均被測的非電量信息（如溫度、介質厚度、均勻度、溶液濃度、位移量、工件尺寸等）載荷于光勻度、溶液濃度、位移量、工件尺寸等）載荷于光信息量時，常為光度量（通量、照度和出射度等）信息量時，常為光度量（通量、照度和出射度等）的方式送給光電器件，光電器件則以模擬電流的方式送給光電器件，光電器

15、件則以模擬電流IpIp或或電壓電壓UpUp信號的形式輸出。即輸出信號量是被測信號信號的形式輸出。即輸出信號量是被測信號量量Q Q的函數(shù)，或稱輸出信號量與被測信號量之間的的函數(shù)，或稱輸出信號量與被測信號量之間的關系為模擬函數(shù)關系?？杀硎緸殛P系為模擬函數(shù)關系?？杀硎緸?Ip=f(Q)2. 2. 模模- -數(shù)光電變換數(shù)光電變換 在這類光電變換中，被測信息量在這類光電變換中，被測信息量Q Q通過光學變換量化為數(shù)字通過光學變換量化為數(shù)字信息（包括光脈沖、條紋信號和數(shù)字代碼等），再經光電變換信息（包括光脈沖、條紋信號和數(shù)字代碼等），再經光電變換電路輸出。電路輸出。 模模- -數(shù)光電變換中的光電變換電路只要

16、輸出數(shù)光電變換中的光電變換電路只要輸出“0”0”和和“1”1”（高、低電平）兩個狀態(tài)的脈沖即可。脈沖的頻率、間隔、寬（高、低電平）兩個狀態(tài)的脈沖即可。脈沖的頻率、間隔、寬度、相位等都可以載荷信息。因此，這類光電變換電路的輸出度、相位等都可以載荷信息。因此，這類光電變換電路的輸出信號不再是電流或電壓，而是數(shù)字信息量信號不再是電流或電壓，而是數(shù)字信息量F F。它與被測信息量。它與被測信息量Q Q的函數(shù)關系為的函數(shù)關系為 F = f(Q)F = f(Q)7.2 7.2 光電變換電路的分類光電變換電路的分類 1 1、什么是模擬變換電路，有哪幾種常用的、什么是模擬變換電路，有哪幾種常用的電路，各自的功能

17、及優(yōu)缺點是什么？電路，各自的功能及優(yōu)缺點是什么？2 2、什么是模、什么是模- -數(shù)變換電路，有哪幾種常用的數(shù)變換電路，有哪幾種常用的電路，各自的功能及優(yōu)缺點是什么？電路，各自的功能及優(yōu)缺點是什么？一、長、寬尺寸信息的光電變換一、長、寬尺寸信息的光電變換 7.3 7.3 幾何光學法的光電信息變換幾何光學法的光電信息變換1. 1. 投影放大法投影放大法投影放大測量方法的原理很簡單，就是測得像，通過光學系統(tǒng)的放大倍數(shù)，得到被測物的尺寸。/yy 對像的測量方法有兩種：對像的測量方法有兩種： 用投影屏上的十字線或米字刻線對工件被用投影屏上的十字線或米字刻線對工件被測部位的輪廓邊緣分別進行對準，通過工作測

18、部位的輪廓邊緣分別進行對準，通過工作臺的移動在讀數(shù)機構上測得工件的尺寸；臺的移動在讀數(shù)機構上測得工件的尺寸；另一種是在投影屏上放大的影像與標準圖另一種是在投影屏上放大的影像與標準圖樣（工件的公差帶）比較，檢驗工件是否樣（工件的公差帶）比較，檢驗工件是否合格。合格。2. 2. 激光三角法激光三角法 隨著半導體技術、光電子技術等發(fā)展，三角隨著半導體技術、光電子技術等發(fā)展，三角法測試技術在位移、物體表面形態(tài)和質量測試應法測試技術在位移、物體表面形態(tài)和質量測試應用多，其原理如下：用多，其原理如下：cossinxbaxx11212cossin()cos()axxbxtanzbtanfxfzbx 三角法測

19、量精度影響因素：三角法測量精度影響因素：內因內因像差、光點大小和形狀、探測器的固有位像差、光點大小和形狀、探測器的固有位置檢測不確定度和分辨力，探測器的暗電流、外置檢測不確定度和分辨力，探測器的暗電流、外界雜散光、電路噪聲、溫度漂移界雜散光、電路噪聲、溫度漂移外因外因被測表面傾斜、光澤、粗糙度、顏色等，被測表面傾斜、光澤、粗糙度、顏色等，解決方法：實驗標定解決方法：實驗標定產品有：產品有：日本日本KeyenceKeyence，ReinshawReinshaw公司公司OP2OP2，美國，美國MEDARMEDAR公司的公司的21012101型型3.3.光學靈敏杠桿法光學靈敏杠桿法 用來測量微小長度

20、用來測量微小長度（或長度改變量）（或長度改變量）4.4.激光掃描法激光掃描法 這種方法是利用掃描光束周期性地照明被測這種方法是利用掃描光束周期性地照明被測物體，在物體邊緣上形成強對比度隨時間周期性物體，在物體邊緣上形成強對比度隨時間周期性變化的光分布，通過測量通光與遮光的時間差進變化的光分布，通過測量通光與遮光的時間差進行測長。行測長。 將物體位移量變換成光電信號，以將物體位移量變換成光電信號，以便進行非接觸測量，是工業(yè)和計量檢測便進行非接觸測量，是工業(yè)和計量檢測中的重要工作。中的重要工作。 采用線、面陣采用線、面陣CCDCCD圖像傳感器、圖像傳感器、CMOSCMOS圖圖像傳感器、像傳感器、P

21、SDPSD位置傳感器等與成像物鏡位置傳感器等與成像物鏡配合，很容易構成被測物像的位移信息變配合，很容易構成被測物像的位移信息變換系統(tǒng)，實現(xiàn)對物體位移量、運動速度、換系統(tǒng)，實現(xiàn)對物體位移量、運動速度、振動周期和頻率等參數(shù)的測量。振動周期和頻率等參數(shù)的測量。二、位移信息的光電變換二、位移信息的光電變換 在成像系統(tǒng)中，物像之間有嚴格的幾何關系，被在成像系統(tǒng)中，物像之間有嚴格的幾何關系，被測物體離開理想物面時就會引起像面上的光照度分布測物體離開理想物面時就會引起像面上的光照度分布的變化，利用這種現(xiàn)象可以測量軸向位移。的變化，利用這種現(xiàn)象可以測量軸向位移。 光焦點法光焦點法：以聚焦光：以聚焦光斑光密度分

22、布的集中斑光密度分布的集中程度來判斷物體軸向程度來判斷物體軸向位移的方法。位移的方法。1.1.像點軸上偏移檢測的光焦點法像點軸上偏移檢測的光焦點法02/ ZfZZ 像偏移法又叫光切法。它是一種三角測量方式的軸像偏移法又叫光切法。它是一種三角測量方式的軸向位移測量方法。向位移測量方法。2.2.像點軸外偏移檢測的像偏移法像點軸外偏移檢測的像偏移法Az 將電機等物體的轉動速度、運行速度、信息的將電機等物體的轉動速度、運行速度、信息的變化速度等物理量變換成光電信號的過程稱為速度變化速度等物理量變換成光電信號的過程稱為速度信息的光電變換。能夠完成速度信息的光電變換的信息的光電變換。能夠完成速度信息的光電

23、變換的方法有多種，其中利用光電耦合器（光電開關）、方法有多種，其中利用光電耦合器（光電開關）、旋轉光閘、頻閃式轉速表等方法實現(xiàn)的速度信息光旋轉光閘、頻閃式轉速表等方法實現(xiàn)的速度信息光電變換即簡單又容易實現(xiàn)多種用途的變換。電變換即簡單又容易實現(xiàn)多種用途的變換。 7.3.37.3.3、速度信息的光電變換、速度信息的光電變換 利用光電開關可以實現(xiàn)速度信息的光電轉換。同利用光電開關可以實現(xiàn)速度信息的光電轉換。同時，光電開關是一種簡單的編碼器，可以實現(xiàn)自動控時，光電開關是一種簡單的編碼器，可以實現(xiàn)自動控制和自動檢測。制和自動檢測。1.1.光電耦合器件（光電開關）測速光電耦合器件（光電開關）測速2.2.光

24、電耦合器件（光電開關）測速光電耦合器件（光電開關）測速頻閃效應：頻閃效應：依據(jù)人眼的視覺暫存效應，物消失后的一依據(jù)人眼的視覺暫存效應，物消失后的一定時間內，人眼視網膜能在一段時間內保持視覺印象，定時間內，人眼視網膜能在一段時間內保持視覺印象，大維時間為大維時間為1/201/5s1/201/5s。測量原理：測量原理：用一個可調頻率的閃光燈照射頻閃盤時，用一個可調頻率的閃光燈照射頻閃盤時，在閃光頻率與頻閃盤轉動頻率相同時頻閃盤在某一位在閃光頻率與頻閃盤轉動頻率相同時頻閃盤在某一位置燈恰好閃亮，使人眼清晰地看到頻閃像在同一位置置燈恰好閃亮，使人眼清晰地看到頻閃像在同一位置靜止不動，閃光頻率乘以靜止不

25、動，閃光頻率乘以6060即為頻閃盤每分鐘的轉數(shù)。即為頻閃盤每分鐘的轉數(shù)。7.5 7.5 時變光電信息的調制時變光電信息的調制n調制的基本原理與類型調制的基本原理與類型n信號的調制信號的調制n調制信號的解調調制信號的解調7.5.1 調制的基本原理與類型n1. 載波與調制載波與調制載波：在光電信息系統(tǒng)中，光通量為信息的載波：在光電信息系統(tǒng)中，光通量為信息的載體，稱為載波。載體，稱為載波。調制：使光載波信號的一個或幾個特征參數(shù)調制：使光載波信號的一個或幾個特征參數(shù)按被傳送信息的特征變化，以實現(xiàn)信息檢按被傳送信息的特征變化，以實現(xiàn)信息檢測傳送目的的方法稱為調制。測傳送目的的方法稱為調制。解調：從已調制

26、信號中分離并提取出有用的解調：從已調制信號中分離并提取出有用的信息，即恢復原始信息的過程稱為解調。信息，即恢復原始信息的過程稱為解調。n1. 1. 光電信息調制的分類光電信息調制的分類（1 1）按時空狀態(tài)分：）按時空狀態(tài)分：時間調制：載波隨時間和信息變化。時間調制：載波隨時間和信息變化?？臻g調制：載波隨空間位置變化后再按信空間調制：載波隨空間位置變化后再按信息規(guī)律調制。息規(guī)律調制。時空混合調制：載波隨時間、空間和信息時空混合調制：載波隨時間、空間和信息同時變化。同時變化。（2 2）按載波波形和調制方式分類：）按載波波形和調制方式分類：直流載波調制：不隨時間而只隨信息變化的調制。直流載波調制：不

27、隨時間而只隨信息變化的調制。交變載波調制：載波隨時間周期變化的調制。交變載波調制：載波隨時間周期變化的調制。交變載波又分為連續(xù)載波和脈沖載波方式：交變載波又分為連續(xù)載波和脈沖載波方式：連續(xù)載波調制方式包括調輻波、調頻波、調相波；連續(xù)載波調制方式包括調輻波、調頻波、調相波；脈沖載波調制方式包括脈沖調寬、調幅、調頻。脈沖載波調制方式包括脈沖調寬、調幅、調頻。3. 3. 典型的調制方法典型的調制方法 (1) 連續(xù)波調制 連續(xù)波調制的光載波通常具有諧波的形式，用下列函數(shù)描述 ttmsin)(0 式中0為光通量的直流分量，一般不載荷任何信息；m和為載波交變分量的振幅和頻率。 V（t）為由被測信息決定的調

28、制函數(shù) 一般情況下，調制后的載波信號的形式為一般情況下，調制后的載波信號的形式為 )()()(sin()(0tVttVtVtm 振幅調制 光載波信號的幅度瞬時值隨調制信息成比例變化，而頻率、相位保持不變的調制方法稱幅度調制或調幅。此時式中的 為 mmtmVtV)(1 )(則被調之后的載波信號可變成 ttmVtmsin)(1 )(0式中V（t）是調制函數(shù)，規(guī)定；m是調制度或調制深度，表示V（t）對載波幅度的調制能力，并且 1載波幅度化被調制波的最大幅度變mmm)( tVmttVsin 如圖如圖7-487-48（a a）所示為按單一諧波規(guī)律變化的被傳送）所示為按單一諧波規(guī)律變化的被傳送信息信息 ，

29、式中，式中， 為被測信息的為被測信息的諧波角頻率；諧波角頻率；F F、為相應的頻率和初相位。圖為相應的頻率和初相位。圖7-487-48（b b）所示為正弦載波。當被傳送信息所示為正弦載波。當被傳送信息 的初的初始相位始相位=0=0時，被調制的載波信號為時，被調制的載波信號為 ttVsinF2 ttmtmsinsin10載波信號按三角函數(shù)展開載波信號按三角函數(shù)展開 ttmttmmcoscos21sin0從上式可以看出正弦調制函數(shù)的調幅信號除了零頻率從上式可以看出正弦調制函數(shù)的調幅信號除了零頻率分量外還包含有三個諧波分量，即以分量外還包含有三個諧波分量，即以f f0 0為中心頻率的為中心頻率的基頻

30、和基波振幅之半、頻率分別為（基頻和基波振幅之半、頻率分別為（f f0 0+ +F F0 0）、（）、（f f0 0- -F F0 0）的兩個分量。）的兩個分量。 對于頻譜分布在對于頻譜分布在F F0 0 F F（=2=2F F0 0）范圍內的任意函）范圍內的任意函數(shù)數(shù)V V( (t t) ) ，所對應的調幅波頻譜是由以載波頻率，所對應的調幅波頻譜是由以載波頻率f f0 0為中心為中心的一系列邊頻組成，分別為的一系列邊頻組成，分別為f f0 0 F F1 1；f f0 0 F F2 2；f f0 0 F F。式中式中F F1 1，F(xiàn) F2 2均為均為F F內的頻譜分量；頻譜圖如圖內的頻譜分量；頻

31、譜圖如圖7-7-48(e)48(e)所示。若調制信號具有連續(xù)的帶寬所示。若調制信號具有連續(xù)的帶寬F Fmaxmax，則調幅波，則調幅波的頻帶是的頻帶是f f0 0 F Fmaxmax，帶寬為，帶寬為B Bm m=2=2 F Fmaxmax，其中，其中F Fmamax x是調制信號是調制信號的最高頻率。的最高頻率。 調制載波的頻譜是選擇檢測通道帶寬的依據(jù)。如若載波頻率為f0=10 kHz，調制信號頻率為F0500Hz，則調幅后的載波頻譜分布在fL（100.5）kHz9.5kHz和fH（100.5）kHz10.5kHz之間，也就是調幅波的帶寬為Bm=1kHz。因此，檢測通道的帶寬滿足Bm的要求，對

32、帶寬外的信號進行有選擇地濾波，以便減少噪聲和干擾，有利于提高信噪比。 被調制后的載波中的調制項為被調制后的載波中的調制項為 tVtV0式中式中V V（t t）為調制函數(shù)，規(guī)定）為調制函數(shù)，規(guī)定 ； 是載波頻是載波頻率相對于中心頻率率相對于中心頻率f f 的最大頻率偏差，簡稱頻偏。的最大頻率偏差，簡稱頻偏。 1)(tV2f若有余弦調制函數(shù)的情況，即若有余弦調制函數(shù)的情況，即 ， ttVcos 頻率調制頻率調制是一種以載波的瞬時頻率變化來表示信是一種以載波的瞬時頻率變化來表示信息的調制方式，通過利用載波的不同頻率來表達不同的息的調制方式，通過利用載波的不同頻率來表達不同的信息。信息。 頻率調制頻率

33、調制式中式中 為調制角頻率。為調制角頻率。F2 sinsin00tmttfm sinsincossincossin000tmttmttffm（7-84） 00000sin =sinmtmtV t ttV t dt式中式中 為頻率調制指數(shù)。為頻率調制指數(shù)。 為偏頻，為偏頻，F(xiàn) F為調制頻率。為調制頻率。 m m 表示單位調制頻率引起偏頻變化的大小。表示單位調制頻率引起偏頻變化的大小。 在設計時在設計時確定。確定。 Ffmfffm在窄帶調頻的情況下，在窄帶調頻的情況下， sinsincossincossin000tmttmttffm1sincostmftmtmffsinsinsin，帶入上式可得：

34、帶入上式可得： tmtttfmsincossin000ttmtmfm0000sinsin21sin頻譜的基波頻率為頻譜的基波頻率為 ，組合頻率為，組合頻率為 和和 。 000一般情況下，調制信號形式比較復雜時，頻譜一般情況下，調制信號形式比較復雜時，頻譜是以載波頻率為中心的一個帶寬域，帶寬因是以載波頻率為中心的一個帶寬域，帶寬因 而異。窄帶調頻時的帶寬為而異。窄帶調頻時的帶寬為 ，寬帶，寬帶調頻時的帶寬為調頻時的帶寬為 。例如，對。例如，對光通量調頻，若光通量調頻，若F=300HzF=300Hz，則當，則當 fmFBf2FmFfBff122kHzmf6 .2440fBkHzmf34fB4 .

35、0fBkHzmf86. 0 相位調制為載波的相位角隨著調制信號的變相位調制為載波的相位角隨著調制信號的變化而變化的調制。調頻和調相兩種調制波最終都化而變化的調制。調頻和調相兩種調制波最終都表現(xiàn)為總相角的變化。表現(xiàn)為總相角的變化。 cmtktttsin則調相波可寫為則調相波可寫為 cmmmtkttVttsinsinsin00式中式中 為相位比例系數(shù)，為相位比例系數(shù)，c c為相位角。為相位角。 k 相位調制相位調制是調制信號的相位角隨調制信號的變化規(guī)律而變化，調相波的總相位角為 以上幾種調制方式所得到的以上幾種調制方式所得到的調制波都是連續(xù)振蕩波稱為調制波都是連續(xù)振蕩波稱為模模擬調制。擬調制。目前

36、，廣泛地采用不目前，廣泛地采用不連續(xù)狀態(tài)的脈沖調制和數(shù)字式連續(xù)狀態(tài)的脈沖調制和數(shù)字式調制（編碼調制）。調制（編碼調制）。 如將直流信號用間歇通斷的如將直流信號用間歇通斷的方法方法(2) 2) 脈沖調制脈沖調制 編碼調制把模擬信號先變成序列脈沖，再變編碼調制把模擬信號先變成序列脈沖，再變成代表信號信息的二進制編碼，然后對載波進行成代表信號信息的二進制編碼，然后對載波進行強度調制。編碼調制，包含三個過程，即：強度調制。編碼調制，包含三個過程，即：采樣、量化采樣、量化和和編碼編碼。 (3) (3) 編碼調制編碼調制 將連續(xù)信號分割成不連續(xù)脈沖的過程稱為將連續(xù)信號分割成不連續(xù)脈沖的過程稱為采樣，序列脈

37、沖的幅度與信號的幅度相對應。根采樣，序列脈沖的幅度與信號的幅度相對應。根據(jù)采樣定理，只要采樣頻率比所傳遞信號的最高據(jù)采樣定理，只要采樣頻率比所傳遞信號的最高頻率大兩倍以上，就能夠恢復原信號。頻率大兩倍以上，就能夠恢復原信號。 將采樣后的調幅脈沖進行分級、取將采樣后的調幅脈沖進行分級、取“整整”處理的過程稱為量化，它用有限個數(shù)代表采樣值處理的過程稱為量化，它用有限個數(shù)代表采樣值的大小。的大小。 將量化后的數(shù)字信號變換成相應的二進制將量化后的數(shù)字信號變換成相應的二進制碼的過程稱為編碼。編碼調制方式具有很強的抗碼的過程稱為編碼。編碼調制方式具有很強的抗干擾能力，在數(shù)字通信中得到廣泛的應用。干擾能力，

38、在數(shù)字通信中得到廣泛的應用。 (4) (4) 其它參量調制其它參量調制 能夠表征光波的幾何或物理特性的參能夠表征光波的幾何或物理特性的參量除量除光強光強、變化頻率變化頻率和和相位相位之外還有許多之外還有許多其他的參量，比如光傳輸中其他的參量，比如光傳輸中偏振方向偏振方向和和傳傳播方向等播方向等，這些參量也能作為調制的對象，這些參量也能作為調制的對象，用來傳送有用的信息。用來傳送有用的信息。 7.5.2 7.5.2 信號的調制信號的調制n直接調制（內調制）直接調制（內調制）n外調制（調制器完成）外調制（調制器完成）1. 1. 機電調制器機電調制器2. 2. 光控調制器光控調制器3. 3. 輻射源

39、調制器輻射源調制器調制器分為：調制器分為：7.5.3 7.5.3 調制信號的解調調制信號的解調 從已調制信號中從已調制信號中分離分離出有用信息的過程稱為解出有用信息的過程稱為解調，所以也稱作檢波，是信號調制的相反過程。實調，所以也稱作檢波，是信號調制的相反過程。實現(xiàn)解調作用的裝置是解調器?，F(xiàn)解調作用的裝置是解調器。 不同的調制信號有不同的解調方法。下面介不同的調制信號有不同的解調方法。下面介紹調幅波解調的直線律檢波和相位調制波的解調紹調幅波解調的直線律檢波和相位調制波的解調器器相敏檢波。相敏檢波。 1 1直線律檢波直線律檢波(1)(1)二極管的檢波特性二極管的檢波特性 當如圖所示的調幅波當如圖

40、所示的調幅波U Uinin送入到檢波送入到檢波電路輸入端時，經二極管檢波器輸出如電路輸入端時，經二極管檢波器輸出如圖所示的半波整流信號。即半波整流的圖所示的半波整流信號。即半波整流的輸出電壓為輸出電壓為 000inininoUUUKUD 假設按正弦規(guī)律調幅的光載波信假設按正弦規(guī)律調幅的光載波信號經光電變換及隔直處理后具有下列號經光電變換及隔直處理后具有下列形式形式 ttmUisinsin1）（式中式中m m為調制度；為調制度；為調制頻率；為調制頻率；為為載波頻率。并用傅里葉級數(shù)展開，得載波頻率。并用傅里葉級數(shù)展開，得 12)2sin(2)2sin(22cos141sin12nDotnmtnmtnntmKU）