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1、光纤频率调制技术的原理及其在实际应用中的优缺点一、前言光调制技术在光纤传感器中是极为重要的技术，各种光纤传感器，都是从不同的方面利用 了这些调制技术。按照调制方式分类，光调制可分为：强度调制、相位调制、偏振调制、频 率调制和波长调制等。所有这些调制过程都可以归结为是将一个携带信息的信号叠加到载波 光波上。完成这一过程的器件叫做调制器。调制器能使载波光波参数随外加信号变化而改变 这些参数包括光波的强度（振幅）、相位、频率、偏振、波长等。这种承载信息的调制光波在 光纤中传输，再由光探测系统解调，然后检测出所需要的信息1。本为将以光纤频率调制技 术为主，通过查阅大量资料和文献，来阐述它的原理及其在实
2、际应用中的优缺点。二、频率调制技术1.光纤频率调制技术的概述利用外界作用改变光纤中光的频率，通过检测光纤中光的频率的变化来测量各种物理 量，这种调制方式称为频率调制。2光纤频率调制技术的原理多普勒效应目前频率调制技术主要利用多普勒效应来实现。光纤常采用传光型光纤。光学多普勒效 应告诉我们：当光源S发射出的光，经运动的物体散射后，观察者所见到的光波频率fl相 对于原频率f 0发生了变化，如图所示。S为光源，N为运动物体，M为观察者所处的位置，若物体N的运动速度为u其运动 方向与NS和MN的夹角分别为也和申2，则从S发出的光频率f 0经运动物体N散射后， 观察者在M处观察到的运动物体反射的频率为f
3、 1，根据多普勒效应，它们之问有如下关系:1（式中c为光速）根据上述的近似公式，可以设计出激光多普勒光纤流速测量系统，如下图所示。设激光光源频率为f 0,经半反射镜和聚焦透镜进入光纤射入到被测物流体，当流体以速 度u运动时，根据多普勒效应，其向后散射光的频率为fO+Af或fO-Af （视流向而定），向 后散射光与光纤端面反射光（参考光）经聚焦透镜和半反射镜，由检偏器检出相同振动方向 的光，探测器检测出端面反射光f 0与向后散射光f O+Af或f O-Af的差拍的拍频Af，由此可 知流体的的流速。三、光纤的频率调制技术的应用及其优缺点脉冲频率调制传输方式是目前模拟视频光纤传输方式中传输质量最高的
4、方式之一，其 原理是调制脉冲重复频率随信号幅度大小呈线性变化，而脉宽保持不变。PFM （脉冲频率 调制）是信号光强度调制前的一种预处理过程，信号经过脉冲调制后，频谱会变宽，并以此 可以换取传输质量的提高。而PFM处理带来的传输带宽的增加，对于带宽极宽的光纤来说 并不存在什么问题，而且由于光源的非线性对系统的影响不大，故光调制深度可以增加，进 一步提高系统的信噪比。通过脉冲频率调制可实现单路视频传输，多路视频传输，视频/数据传输。下面对几种 方案做简要描述1 单路视频传输单路视频传输系统工作原理如图 1，在发射端基带视频信号经过预加重，进行 PFM 调制，然后去调制激光器。而在接收端通过 PIN
5、 管将光信号转化成电信号，经 过 PFM 解调恢复出视频信号。视频信号经过 PFM 后，频谱呈第一类贝塞尔函数分布，频谱中含有无穷多个频 率分量，但功率谱主要集中在载波和低次谐波分量上，高次边频分量可略去不计，因 此 PFM 信号可近似认为具有有限频谱。 基带视频信号的带宽为 8MHz ，经过 PFM 调 制后，信号带宽可限定在 30 MHz 以上而不会明显影响 PFM 性能。不同于基带视频信号直接光强度调制方式，该系统对发光器件没有特殊要求，可 以根据实际工程需要选用不同的发光器件。如多模 850nm 波长 LED 满足4 公里以 内应用，单模1310nm波长LD满足30公里以内应用，单模1
6、550nm波长DFB激 光器满足100公里以内应用。无论是多模LED，还是单模LD，系统都具有良好的性 能。批量测试结果表明， 系统经过光纤传输后， 系统主要指标为：加权信噪比为 60dB， 微分增益为 3% ，微分相位为 3。由于 PFM 信号解调输出噪声功率谱密度和调频信号解调输出噪声功率谱密度一 样，呈三角形噪声特性，造成高频端噪声大而低频端噪声小的现象。为了克服这种现 象，在设计中往往采用预加重和去加重电路。预加重使视频信号在频率上人为地加以 预倾斜，使高频端升高，低频端压低。在接收端解调时，由于信号高频端电平提升而 使解调信噪比有所提高， 而低频端则有所降低， 从而均衡了带内信噪比的
7、分布。 另外， 预加重对低频成分起着压缩作用，也压缩了亮度信号的动态范围，从而降低了微分增 益和微分相位的失真。2 多路视频传输 通过将多路视频分别调制于不同的频率范围，然后进行频分复用，可以在单根光 纤中实现多路视频传输。其发射部分原理框图如图 2，接收部分原理是发射部分的逆 过程。从理论上讲，光纤和光器件的带宽极大，完全满足 8 路以上多路视频频分复用的 带宽要求。但实际上由于目前采用的分立元件，特别是高频电容和电感的精密度和稳 定性不够，使得 PFM 中心频率的稳定性不好，中心频率会随时间和温度漂移，加上 带通滤波器的特性也会随温度变化，给多路视频复用带来很多不稳定因素。所以目前 较为成
8、熟的也只是四路图象的频分复用。3 视频 /数据传输通过 PFM 方式不仅可以完成较高质量的视频传输，而且可以完成一路甚至多路 双向数据传输。正向数据工作原理是在发射端首先将数据信号进行 FSK 调制，再将 FSK 信号和视频基带信号混合，然后将混合信号进行 PFM 调制。在接收端首先进 行 PFM 解调，通过带通滤波器分离出视频信号和 FSK 信号，最后进行 FSK 解调， 还原出数据信号。反向数据则直接对发光器件进行强度调制。原理框图如图3。视频、数据混合传输存在两个问题：（1） 视频和正向数据间相互干扰。由于数据信号经过FSK 调制和带通滤波后仍存在较丰富的谐波成分，这些谐波成分会影响视频
9、信号，使视频信号受到干扰。为 了降低这种干扰，可以通过降低 FSK 幅度的方法来实现，但 FSK 幅度过低会造成 数据解调不出来或数据误码过高。（2） 数据速率不高。目前比较成熟的 FSK 技术适合于速率为 1Mbps 的数据 信号的调制解调，在异步数据通信中往往采用 8 倍的过采样，所以这种 FSK 技术可 以传输一路速率为 115.2Kbps 的高速异步数据。 但如果要传输多路异步数据， 异步数 据的速率则远低于 115.2Kbps 。模拟光纤传输系统可采用基带视频信号直接光强度调制和脉冲频率调制方式。 基 带视频信号直接光强度调制方式设备简单、价格便宜，适合于单路视频传输。脉冲频 率调制方式得到的视频质量高，满足 0100 公里不同距离视频传输要求。该方式虽 然可以完成多路视频传输及视频和数据的混合传输，但由于模拟技术的局限，这种应 用不久将会被数字方案所取代。
