Егоров Лабораторный практикум Физические основы модуляции лазерного излучения 2008

Очевидно, что дифференцирование и/или интегрирование управляющего и восстановленного сигнала дает возможность работать с ЧМ и ФМ как с единым типом модуляции. Например, в УКВ ЧМ вещании реально используют не ЧМ, а ФМ; таким способом ослабление верхних частот в восстановленном сигнале из-за ограниченной полосы пропускания приемника компенсируют увеличением доли этих верхних частот в спектре излучения передатчика. Если для формирования такого ФМ сигнала приходится использовать модуляцию частоты, то управляющий сигнал просто предварительно подвергают дифференцированию по времени (так наз. предискажению), то есть в нем намеренно поднимают верхние частоты в сравнении с нижними.

Детектирование ЧМ/ФМ сигналов. Простой квадратичный де-

тектор (детектор интенсивности) здесь непригоден, так как при идеальной ФМ интенсивность модулированного излучения неизменна.

При тональной АМ напряженность поля

E ( t ) [1 K cos(2 ft )]exp( i t ) ,

и интенсивность, на которую реагирует квадратичный детектор,

E ( t ) E * ( t ) [1 K cos(2 ft )] 2 1 2 K cos(2 ft ) K 2 cos(2 2 ft )

Для ФМ колебаний с малым индексом модуляции,

после несложных по существу, но пространных по объему расчетов получим выражение для интенсивности:

этот результат точен и при произвольном индексе модуляции , как это уже было показано ранее для общего случая ФМ. Отсюда следует, что квадратичное детектирование не может выявить ЧМ/ФМ

непосредственно, без применения специального частотного или фазового детектора ( дискриминатора ), в отличие от АМ.

Ранее было отмечено различие фазовых соотношений между несущей и боковыми в АМ и ФМ колебаниях. Это различие при квадратичном детектировании дает разные результаты для АМ и ФМ. Подчеркнем, что следует рассматривать фазовые соотношения не между какими-либо двумя спектральными компонентами модулированного колебания, а между всеми спектральными компонентами, включая и несущую. Нетрудно показать, что смешение излучения двух разных частот на квадратичном детекторе дает сигнал фототока на разностной частоте, и при любом соотношении между их фазами магнитуда колебаний фототока не меняется, а от разности фаз зависит только фаза колебаний фототока, обычно несущественная.

Если на квадратичном детекторе действуют три спектральных компоненты, то результат может быть качественно иным. Если положительные частоты – , 0 , + (по порядку увеличения) произвольные, то на выходе квадратичного детектора образуются колебания на частотах ( 0 – – ), ( + – 0 ), ( + – – ).

Если колебания на частотах ( 0 – – ), ( + – 0 ) взаимно когерентны , что возможно только при ( 0 – – ) = ( + – 0 ), то результат зависит от разности фаз между ними. В частности, если разность фаз равна , а магнитуды одинаковы, то сигнал на частоте ( 0 – – ) = ( + – 0 ) на выходе детектора равен нулю. Этот случай, как нетрудно убедиться, соответствует ЧМ/ФМ.

Если же указанная разность фаз равна нулю, то сигнал на частоте ( 0 – – ) = ( + – 0 ) на выходе детектора максимален. Сигнал на частоте ( + – – ), формально равной нулю, дает постоянную составляющую фототока. Произвольной, но стабильной разности фаз соответствует сложная совместная модуляция, АМ+ФМ. Такой же результат дает неравенство магнитуд колебаний ( 0 – – ), ( + – 0 ), то есть неравенство напряженностей в боковых компонентах. Отсюда следуют и два возможных вида дискриминаторов – частотный и фазовый (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Частотные и фазовые дискриминаторы:

а – частотный дискриминатор с резонансом пропускания,

б – фазовый дискриминатор, в – векторная диаграмма для частотного дискриминатора, г – векторная диаграмма исходного сигнала с угловой модуляцией, д – векторная диаграмма для фазового дискриминатора

В частотном дискриминаторе (рис. 2.17, а , в ) угловую модуляцию выявляет различие коэффициентов передачи верхней и нижней боковых частот к квадратичному детектору. В фазовом дискриминаторе (рис. 2.17, б , д ) угловую модуляцию выявляет различие сдвигов фаз верхней и нижней боковых частот. На практике некоторые сдвиги фаз присутствуют в частотных дискриминаторах, а в фазовых дискриминаторах разница в коэффициенте передачи двух боковых может быть очень малой, так как обычно стараются настроить дискриминатор на резонанс с несущей частотой, как показано на рис. 2.17, б .

Крутизна дискриминационной характеристики, dW / d или ее аналог, d / d , взаимосвязаны с шириной резонанса, так или иначе формирующего частотную и фазовую характеристики дискримина-

тора. Поэтому чем больше крутизна, тем уже тот допустимый диапазон частот, в который должен уложиться спектр модулированного сигнала, чтобы его можно было восстановить в приемнике с минимальными искажениями.

Некоторые технические варианты дискриминаторов для оптического диапазона описаны далее, в разделе 3.1.

2.4. Управление поляризацией излучения

Изменение поляризации непосредственно для формирования световых сигналов в системах связи до сих пор применяют редко, но уже описаны результаты успешных испытаний волоконнооптических систем, где модуляция поляризации совмещена с другими методами модуляции для увеличения информационной нагрузки оптического сигнала. Два взаимно-ортогональных направления поляризации, как информативный признак оптического сигнала, прибавляют еще один двоичный разряд к слову-коду, переносимому интенсивностью и/или фазой светового импульса.

В амплитудных модуляторах света неволноводного типа (на монокристаллах) изменение поляризации излучения фактически присутствует как первый этап преобразования волны, вслед за которым линейный поляризатор преобразует изменения поляризации падающей световой волны в изменения амплитуды прошедшей волны. Это же обстоятельство указывает на метод детектирования изменений поляризации световой волны – первоначальное преобразование к АМ и дальнейшее детектирование АМ сигнала. Принципы действия электрооптических амплитудных модуляторов по традиции часто описывают, рассматривая именно изменения поляризации света и дальнейшее преобразование этих изменений в АМ при помощи поляризатора. Такое представление в общем верное, но не самое наглядное и удобное.

Другой вариант управления поляризацией излучения – сочетание поворота плоскости поляризации в ячейке Фарадея с двулучепреломляющей пластиной, в частности, с четвертьволновой. Кроме того, для преобразования линейной поляризации в эллиптическую можно применять ромб Френеля или иные его эквиваленты с призмами полного внутреннего отражения.

Наиболее часто модуляцию поляризации используют в измерительных системах – поляриметрах, зеемановских спектрополяриметрических устройствах и т.п.

2.5. Изменение направления волнового вектора

Этот вид модуляции обычно используют не для формирования сигналов в прямом смысле, а для изменения диаграммы направленности излучения в пространстве – в устройствах сканирования объектов световым лучом, для формирования бегущим лучом видимого изображения на экране, для перемещения луча в технологических установках по обрабатываемой детали и т.п. Соответствующие технические устройства модуляции обычно называют дефлек-

торами или сканерами .

Примитивный механический аналог дефлектора или сканера – вращающееся зеркало, призма или антенна радара. Их применяют там, где невысоки требования к быстродействию системы, и реальное быстродействие ограничивает не инерционность механической системы, а какие-либо иные факторы.

В радиотехнике работают и существенно более быстрые системы отклонения излучения. Их называют фазированными антенными решетками (ФАР). Такие устройства представляют собой многоэлементные одномерные или двумерные решетки диполей, к каждому из которых возбуждение подают через управляемый фазовращатель (рис. 2.18, а ). В дальней зоне направление волнового вектора изменяется при изменении сдвига фаз между диполями за счет интерференции (модель Фраунгофера). Быстродействие ФАР зависит от скорости перестройки фазовращателей и на порядки превосходит быстродействие электромеханических дефлекторов.

На первый взгляд, в оптике построить аналог ФАР очень трудно. На самом деле известны чисто оптические методы эффективного решения этой задачи (рис. 2.18). Один из них – когерентное рассеяния света на ультразвуковых волнах в прозрачных материалах, в том числе и в жидкостях (рис. 2.18, в ). Здесь работает дифракция Фраунгофера на решетке, от управляемого (частотой ультразвука) периода которой зависит угол отклонения в первый или минус первый интерференционный порядок. Примечательно то, что дефлекторы подобного типа ( акустооптические модуляторы) дают возможность изменять не только направление световой волны в дальней зоне, но в одной и той же оптической схеме позволяют модулировать когерентный свет и по интенсивности, и по частоте.

Излучатель возбуждают сигналом y ( t ) на несущей вида y ( t ) = f ( t )sin t . Информацию содержит функция f ( t ), а несущая

соответствует резонансной частоте излучателя. Сигнал y ( t ) возбуждает акустическую волну, бегущую в среде звукопровода со скоростью звука v и с амплитудой f ( x – vt ). Световая волна, пересекающая светозвукопровод по направлению y , в тот момент, когда весь сигнал y ( t ) уложился в апертуре, пространственно модулируется по фазе ультразвуковым сигналом. Индекс фазовой модуляции в данной точке примерно пропорционален амплитуде ультразвука; тогда под углом Брэгга распространяется изображение сигнала f ( t ).