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1、外文参考文献译文1 锁相环11.1 锁相特性11.2 历史与应用21.3 其它应用42 光通信元件52.1 光纤52.2 调制器和检测器6外文参考文献原文Phase Lock Loop9Nature of Phaselock9History and Application1()Other Applications13Optical Communication Components14The Optical Fiber14Modulators and Detectors171锁相环1.1锁相特性锁相环包含三个组成部分：1、相位检测器（PD）o2、环路滤波器。3、压控振荡器（VCO）,其频率由外部
2、电压控制。相位检测器将一个周期输入信号的相位与压控振荡器的相位进行比较。相位检测器 的输出是它两个输入信号之间相位差的度量。差值电压由环路滤波后，再加到压控振荡 器上。压控振荡器的控制电压使频率朝着减小输入信号与本振之间相位差的方向改变。当锁相环处于锁定状态时，控制电压使压控振荡器的频率正好等于输入信号频率的 平均值。对于输入信号的每一周期，振荡器输出也变化一周，且仅仅变化一周。锁相环 的一个显而易见的应用是自动频率控制（AFC）o用这种方法可以获得完美的频率控制， 而传统的自动频率控制技术不可避免地存在某些频率误差。为了保持锁定环路所需的控制电压，通常要求相位检测器有一个非零的输出，所以 环
3、路是在有一些相位误差条件下工作的。不过实际上对于一个设计良好的环路这种误差 很小。一个稍微不同的解释可提供理解环路工作原理的更好说明。让我们假定输入信号的 相位或频率上携带了信息，并且此信号不可避免地受到加性噪声地干扰。锁相接收机的 作用是重建原信号而水可能地去除噪声。为了重建原始信号，接收机使用一个输出频率与预计信号频率非常接近的木机振荡 器。本机振荡和输入信号的波形由相位检测器比较，其误差输出表示瞬时相位差。为了 抑制噪声，误差在一定的时间间隔内被平均，将此平均值用于建立振荡器的频率。如果原信号状态良好（频率稳定），本机振荡器只需要极少信息就能实现跟踪，此 信息可通过长时间的平均得到，从而
4、消除可能很强的噪声。环路输入是含噪声的信号, 而压控振荡器输出却是一个纯净的输入信号（的复本）。所以，有理由认为环路是一种 传输信号并抑制噪声的滤波器。环路滤波器有两个重要的特性：其一是带宽可以非常窄，其二是滤波器能自动跟踪 信号频率。自动跟踪和窄带的特点说明了锁相接收机的主要用途。窄带能够抑制大量的 噪声，难怪锁相环路常用来恢复深深地淹没在噪声中的信号。1.2历史与应用关于锁相的早期论述（思想）是Bellescize于1932年提出的，并在处理无线电信 号同步接收中得到应用。20世纪20年代开始使用超外差接收机，但人们一直努力寻求 更简单的接收技术。一种方法就是同步接收机或零差接收机。这种接
5、收机本质上只是由 一个本机振荡器，一个混频器和一个音频放大器组成。为了正常工作，必须调节振荡器 使其输出频率与输入的信号载波频率完全一致，于是载波被变换成0Hz的“中频”。混 频器输出含有解调出来的，由信号边带携带的信息。干扰与本地振荡器不同步，因此由 干扰信号引起的混频器输出是一个拍音，可用音频滤波器加以抑制。对于同步接收，本振的正确调谐至关重要，任何一点频率误差都将严重损坏信号。 此外，本振的相位必须与接收的载波相位一致，其间的误差限于周期的很小一部分。就 是说，本振与输入信号之间必须实现相位锁定。由于各种原因简单的同步接收机从未广泛应用过。现在锁相接收机儿乎无例外地 运用超外差原理，并趋
6、于高度复杂化。锁相接收机最重要的应用之一是接收来自遥远的 宇宙飞行器的极微弱信号。锁相技术的首次广泛使用是在电视接收机中的行和帧的同步 扫描。与视频信号一起传送的脉冲发出屯视图像每一行的开始信号和隔行扫描的半帧开 始信号。作为一种非常粗糙的重建电视显象管扫描光栅的方法，这些脉冲可以剥离出来 单独用于触发一对扫描发生器。一个较为复杂的途径是利用一对自由振荡的张弛振荡器驱动扫描发生器。用这种方 法，即使失去同步（消失），扫描还是存在的。将振荡器的自由振荡频率设置得略低于水平和垂直（扫描）脉冲频率，剥离出来的 脉冲用于提前触发振荡器从而使振荡器与行频和半帧频同步（由于美国电视在交替的垂 直扫描时进行
7、隔行交织，所以是半帧频）。在噪声不存在的情况下这种方案可提供良好的同步，这就完全可以了。不幸的是噪 声总是存在的，并且任何触发电路对噪声都是特别敏感的。在极端情况下触发扫描将完 全失效，水管在这样的信噪比条件下电视图像虽然较差却还能辩认。在不是极端恶劣的条件下，噪声将造成起始时间抖动和偶尔的误触发。行抖动将降 低行清晰度，并使得垂直线条呈现锯齿状。严重的水平误触发通常会造成画面出现狭窄的 水平黑带。帧扫描抖动会引起图像的垂直滚动。另外，相继半帧之间的隔行扫描行还会相对 移动，使图像进一步恶化。将两个振荡器与剥离出来的同步脉冲锁相可大大减小噪声起伏。锁相技术靠检查各 振荡器和许多同步脉冲之间的相
8、位关系来调节振荡频率，使得平均相位偏差很小，而不 是仅用一个脉冲进行触发。由于锁相同步器检测许多脉冲，因此它不会被偶发的破坏同 步器触发的大幅度脉冲噪声所干扰。目前电视接收机中使用的飞轮同步器实际上就是锁 相环路。使用飞轮一词是因为此电路能够跟踪增加的噪声或微弱信号的周期。通过锁相 可以获得同步性能的重大改进。在彩色电视接收机中彩色副载波是由锁相环路同步的。宇宙飞行的需要强烈地刺激了锁相技术的应用。锁相的空间应用是随着早期美国人 造卫星的发射而开始的。这些飞行体携带低功率（10毫瓦）的连续波发射机，相应的接 收信号很微弱。由于多普勒频移和发射振荡器的频率漂移，接收信号的精确频率难以确 定。在最
9、初使用的108MHz频率上，多普勒频移可在3kHz范围内。因此使用普通的固定调谐接收机时，带宽至少应为6kHz,然而信号本身却只占非 常窄的频谱，大约在6Hz带宽内。接收机中的噪声功率与带宽成正比，所以如果使用传统的技术，就不得不接受1000 倍（30dB）噪声的代价。随着技术的进步这些数字变得更加惊人。发射频率上升到了 S 波段，使多普勒频移范围达到75kHz,而接收机带宽则已减小到3Hz。这样一来常规技 术的代价就将是47dB左右。这是无法接受的，也就是要使用窄带的锁相跟踪接收机的 原因所在。窄带滤波器能抑制噪声，但是如果滤波器被固定，则信号将儿乎总是落在通带之外。 一个可用的窄带滤波器必
10、须有跟踪信号的能力。锁相环路既提供了窄带，又提供了所需 的跟踪能力。而且，非常窄的带宽也能方便地获得（对于空间应用典型的是3至lj 1000Hz）o 如果需要的话，还能容易地改变带宽。对于多普勒信号，用于确定飞船速度的信息是多普勒频移。锁相接收机很适合用于 多普勒恢复，因为当锁相环路锁定时不存在频率误差。L3其它应用以下的应用阐述了目前锁相技术的一些应用，这些应用将在本书其他章节进一步讨 论。1、跟踪运动飞船的一种方法涉及到将相干信号发射到飞船上，将信号频率偏移并 转发回地面。飞船上的相干应答器必须如此工作以使输入和输出频率严格地成m/n的比 例关系，此处m和n都是整数。锁相技术经常被用来建立
11、相干性。2、锁相环可用作频率解调器，锁相环在其中比传统的鉴频器具有更优越的性能。3、带有噪声的振荡器可被包围在环路内，并使之锁定在一个纯净的信号上。如果 环路带有的带宽，振荡器检测出自已的噪声，其输出被大大净化。4、用锁相环路可构成频率倍乘器和分频器。5、数字信号的发射通常应用锁相技术实现。6、频率合成器可方便地用锁相环路构成。2光通信元件2.1光纤正如先前所讨论的，大气不能被用来作为地面光通信的传输信道。最有前途的信道 是光纤波导。光纤基本上由一个中心透明的称为纤芯的区域和一个环绕纤芯的称为包层 的折射率较低的区域所组成。纤芯的折射率既可以是均匀的，也可以是从中心向外具有 递减梯度的。前一种
12、光 纤也称为匀芯光纤由于在纤芯包层的界面处的全内反射现象而 形成光导。后一种光纤称为渐变率光纤是由光束朝纤芯中央连续折射而产生光导。在光波导中，存在着不改变场结构并以固定的相位和群速传播的特殊的场分布。这 些场结构称为光波导的模。这些模以不同的传播常数和不同的群速度为特征。在多模光 波导中，存在着大量的这种传播模式，而在单模光波导中，只存在一种传播模式。每种 模式的大部分能量都在纤芯内部，但由于纤芯外部存在的迅衰场（泄漏场），一部分能 量也在包层中传播。通过将包层做得足够厚，可使传播模式的场在包层一空气界面处很 弱，使得光纤便于处置和支撑而不会严重地扰乱传播模式。正如己经讨论过的那样，在光纤通
13、信系统中，信息以离散脉冲的形式编码，通过 光纤传输。系统的信息容量将由单位时间内可发送的脉冲数来确定。为了在输出端恢复 信息，各个脉冲必须能在时间上被正确分辨。在光纤中由于不同模式之间的群速度不等, 以及各模式的传输常数依赖于波长等因素，光脉冲会在光纤传输过程中变宽。因此，即使两个脉冲在输入端可以很好地分辨，因脉冲展宽他们在输出端可能无法 分辨。在这种情况下，就不能在输出端恢复信息。因此，对于某一给定的展宽，脉冲之 间必须以一个最小的时间间隔分开，这个时间间隔就确定了系统的最大信息容量。当发射脉冲射入光纤时，就会激励光纤的各种模式。由于每一种模式一般都以不同 的特征群速度传播，所以入射光脉冲随
14、着传播而展宽，称为模间展宽。当光纤能只传播 一种模式时，即在单模 光纤中，这种展宽不存在。但是，由于传播常数依赖于波长， 仍然存在着某种展宽，称为模内展宽。模间扩散和模内扩散都是由于波导效应和材料效 应引起的。材料效应是由于光源为有限带宽，以及对不同波长的光有不同的折射率而产 生的一种效应。这里要提一下，由于激光器与发光二极管（LED）相比具有更小的频谱 宽度，因此使用激光器的系统与使用LED的系统相比其材料色散更小。例如，使用LED, 由于材料色散脉冲展宽可能是每公里4毫微秒左右，而使用激光器，材料色散每公里小 于0.2毫微秒。可以利用几何光学概念形象地说明光脉冲在光纤中传播时的展宽现象。光
15、脉冲注入 匀芯光纤时会产生与轴线成不同夹角的光线。由于与轴线夹角较大的光线必须经过较长 的光程，因此它们要用更长的时间到达输出端。所以，光脉冲在光纤中传播时就会展宽。 与此相对应的是，在渐变率光纤中，尽管与轴线夹角较大的光线必须通过较长的光程, 但它们是在折射率较低的媒介中传播。于是较长的光程被较高速的传播部分地补偿。所 以与匀芯光纤比较，渐变光纤中的脉冲展宽必定更小。事实上情况确实如此，对于宽带 应用渐变光纤比匀芯光纤更适用。这里要提到，纤芯半径很小，同时纤芯与包层间折射率差也较小时，可以制成只存 在一种传播模式的光纤。这类光纤称为单模光纤。因为只有一种模式存在，所以这些光 纤中的色散很小，
16、而且色散只是由模内展宽造成的。这种光纤确实可望用于将来的超带 宽系统中。使用光波的系统除了具有极大的信息容量外，与同轴电缆等传统金属系统相 比，通过光纤通信 或传输还有另一些优点。1、由于实际可获得的光纤传输损耗极低，人们可以获得更大的中继距离，从而节 约大量资金。2、光纤的平均直径大约是10()微米，基本上由石英或玻璃制成。这使光纤的重量 和所占空间都大大缩减，这一点对于敷设在已经布满电缆的管道中十分重要。重量和体 积的这种节约对于船用和航空使用光纤传送数据也十分重要。3、光纤不受电磁干扰影响，而且没有串音。这对于国防上的保密通信十分重要。4、由于不存在任何由短路等原因造成的危险，光纤可使用在易爆和高压环境中。除了在电通信方面的主要应用，预期光纤也将在计算机网络，宇
