第8章 相干检测方法与系统
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8.0相干检测解析
南京理工大学 何勇
相干检测
2．干涉测量中的调制和解调
从信息处理的角度来看，干涉测量实质上是被测信息对光频载波的调 制和解调的过程。各种类型的干涉仪或干涉装置是光频载波的调制器和解 调器。所谓光调制是将一个携带信息的信号叠加到光载波上。能完成这一 调制作用的装置称作光调制器。光调制器能使光载波的特征参量如振幅、 相位、频率、偏振、波谱分布等随被测信号的变化而改变。相对应的光调 制技术分为光振幅调制（AM）、相位调制（PM）、频率调制（FM）、 偏振调制（POM）和光波谱调制（SM）。解调是调制的相反过程，它能 从被调制的光载波中以与被测参量成比例的光强信号或电信号形式检测出 被测参量。解调器可以是光学的、电子的或光电混合的。
南京理工大学 何勇
相干检测
当二光束光频相同即单频光相干时，有 ω1＝ω2或Δω＝0，此时干涉条纹不随时 间改变，呈稳定的空间分布，上式变成 I(x,y)＝A(x,y){1+γ(x,y)cos[φ(x,y)]}
表明单一频率双光束干涉时，随着相 位差的变化，干涉条纹强度的分布表 现为有偏置的正弦分布如下图a所示。 以此为基础的干涉测量形成了干涉条 纹检测技术。图b为多光束干涉时的 条纹光强分布
终解算出被测几何参量和物理参量的技术统称作光电干涉测量技术。随着现代光
学和光电子技术的发展，光电干涉技术以其潜在的生命力在信息科学中崭露头角， 取得了长足的进展。本章将介绍几种物理变换的光电方法，着重讨论相干光信息 的调制和检测技术。
南京理工大学 何勇
相干检测
光学干涉和相干光信息分类 外差探测 相干光的相位调制和检测 相干光的频率调制和检测
单频光束干涉条纹的强度分布 a) 双光束干涉 b) 多光束干涉
精品文档-数字通信原理(李白萍)-第8章
11
第 8 章 同步原理
平方变换法实现载波提取的原理方框图如图8-1所示。
图 8-1 平方变换法提取同步载波原理方框图
12
第 8 章 同步原理
如果基带信号m(t)=±1， 那么该抑制载波的双边带信号为 二进制相移键控信号(2PSK信号)， 这时已调信号sm(t)经过平方 律部件后得
sm2
(t)
1 2
1 2
cos
2ct
(8-3)
13
第 8 章 同步原理
(2) 平方环法。 为了改善平方变换法的性能， 使恢复的相 干载波更为纯净， 可以在平方变换法的基础上， 把窄带滤波器 改为锁相环， 这种实现的载波同步的方法就是平方环法。 其原 理方框图如图8-2所示。 由于锁相环具有良好的跟踪、 窄带滤 波和记忆功能， 因此平方环法比一般的平方变换法具有 更好的性能， 在载波提取中得到了广泛的应用。
v6
1 2
m(t ) s in
v5、v6经过乘法器后得到
(8-6)
v7
v5
v6
1 m2(t)sin
4
cos
1 m2(t)sin 2
8
(8-7)
20
第 8 章 同步原理
当θ较小时， (t)
(8-8)
式中，v7的大小与相位误差θ成正比。v7相当于一个鉴相器的 输出， 通过环路滤波器后就可以控制压控振荡器的输出相位，
图 8-6 DSB信号的导频插入示意图
28
第 8 章 同步原理
图 8-7 (a) 发送端; (b) 接收端
29
第 8 章 同步原理
设基带信号为m(t)， 且无直流分量; 被调载波为acsinωct;
插入导频为被调载波移相90°形成的， 为－accosωct。 其中
第8章 OFDM调制 for student
为了删除ICI，加入循环前缀
为了删除ICI，OFDM符号被周期地扩展到保护 间隔中，这样在FFT间隔中，总是存在整数倍 的周期，如下图：
保护时间/ 循环前缀
2015-1-17
FFT积分时间=1/载波间隔
天津大学电子信息工程学院通信系 25
多径延时对OFDM的影响
2015-1-17
天津大学电子信息工程学院通信系
系统参数
– Bit Rate – Tolerable delay spread – Bandwidth
系统设计
20Mbps 200ns <15MHz
– Guard time: 200ns 4 = 0.8 s – Symbol duration: 800ns 6 = 4.8 s – Subcarrier spacing: 1/(4.8-0.8)=1/4 s=250kHz
N 1
为了恢复出di,可以对s(n)进行DFT变换，有：
di
n 0
2015-1-17
N 1
in s(n) exp( j 2 ) (0 i N 1) T
天津大学电子信息工程学院通信系 18
在一个OFDM符号中，4个子载波
ห้องสมุดไป่ตู้
在这个例子中，所有的子载波有相同的相位和幅度。 2015-1-17 19 天津大学电子信息工程学院通信系 在实际应用中，每个子载波的相位和幅度可以不同。
由上式可以得到OFDM调制器
1
Input Signal
2015-1-17
Serial To parallel
e
天津大学电子信息工程学院通信系
j 2 ( N 1) ( t t s ) T
第八章-数字信号的最佳接收
E1 s (t )dt E2 s 2 2 (t )dt
0 2 1 0
T
T
（8-19）
s(t) n(t)
+
最佳接收机
输出
图8-3 接收机基本原理框图
根据上面的分析可知，在加性高斯白噪声条件下，最小差错概率准 则与似然比准则是等价的。可以直接利用似然比准则对确知信号做出 判决。在观察时间(0，T)内，接收机输入端的信号为s1(t)和s2(t)，信号 与噪声的混合波形为 发送s1(t) y(t ) s1 (t ) n(t ) 时 发送s2(t)时 由前面分析可知，当出现s1(t)或s2(t)时，观察空间的似然函数分别为
判为s1 判为s2
ps1 ( y) ps2 ( y)
（8-12）
在实际接收时，如果将信号与噪声的混合波形直接送入判决器， 接收端的判决器采用一次判决显然不可靠。从概念上来说，只要能 够看出接收到的信号与噪声的混合波形的“形态”更像哪个信号， 就该能够判决为哪个信号。采用多次判决能增加可靠性，且要求多 次抽样值必须是统计独立的。
根据式（8-10）判决规则，似然比为
T
T
0
y (t )[ s2 (t ) s1 (t )]dt}
式中，利用了式（8-19）的假设条件。进一步可得
2 exp{ n0
2 exp{ n0
0
P ( s2 ) y(t )[ s2 (t ) s1 (t )]dt} P( s1 )
y(t )[ s2 (t ) s1 (t )]dt} P ( s2 ) P( s1 )
若
2 e12 (t ) e2 (t )
则说明接收信号x(t)与s1(t)的均方误差更小，即更“像”s1(t)，因此，接 收判决时应判为s1(t)。反之，若
第八章 外差(相干)探测系统
y
KL K Ly Ks
K Lx
y
θ θ
O
x l z
O
D
x
图8.3– 1
坐标关系
注意到在探测器面上x=0， 则有 es=Es cosωst eL=EL cos(ωLt+KL sinθ·y) 在(0,y)点上的中频电流 iIF (0,y,t)=α·EsEL cos(ωIFt+KL·y·sinθ) =α·E E =α Es·EL cos(ωIFt+KL·y·θ) y θ) (8.3 - 6) (8.3 - 4) (8.3 - 5)
∆f =
C
λ
∆λ = 3 × 109 Hz 2
(8.1 - 15)
在外差探测中， 情况发生了根本变化。 如果取差 频宽度作为信息处理器的通频带∆f， 即
ωs − ωL ∆ f IF = 2π
= fs − fL
(8.1 - 16)
外差探测具有更窄的接收带宽， 外差探测具有更窄的接收带宽，即对背景光有良好 的滤波性能。 的滤波性能。
这里c是光速。
ω IF
c
(8.3 - 16)
总的中频电流为
iIF (t ) =
α
D∫
D/2
−D / 2
iIF (0, x, y )dy
∆ K IF Dθ sin 2 = α Es E L cos ω IF t ⋅ ∆ K IF ⋅ Dθ 2
(8.3 - 17)
y
K
s
K
L
θ
Kcos θ
O l
θ
Ksin θ
D
x
图 8.3 - 2 两束光平行但不垂直于探测器
考虑到sinθ≈θ， y点产生的中频电流iIF (0，y，t)可 以写为 iIF (0,y,t)=αEsEL cos(ωIFt+∆KIFy sinθ) 式中 (8.3 - 15)
第八章 外差(相干)探测系统
}
后退
和频频率太高， 和频频率太高，光混频 器不响应， 器不响应，故均值为零
上页 下页
外差探测系统
从数学运算和相应物理过程考虑， 从数学运算和相应物理过程考虑，用平均信号光功率 Ps和平均本振光功率 L表示： 和平均本振光功率P 表示; Ps PL cos ωIF t + (φL − φs ) 2 2
∞ Es ( t ) = A0 1 + ∑ cos ( Ωn + φn ) cos(ωst + φs ) 调幅系数 n=1 ∞ mn A0 = A0 cos(ωst + φs ) + ∑ cos (ωs + Ωn ) t + (φs + φn ) 2 n =1 ∞ mn A0 +∑ cos (ωs − Ωn ) t + (φs − φn ) 2 n =1
2 IF
上页 下页 后退
外差探测系统
经推导
2 2
对中频周期求平均
PIF = 4α Ps PL cos [ωIF t + (φL − φs ) ] ⋅ RL = 2α 2 Ps PL RL
在直接探测中，探测器输出的电功率为： 在直接探测中，探测器输出的电功率为：
PL = is2 RL = α 2 Ps2 RL
上页 下页 后退
外差探测系统
若调幅信号光E 与本振光 与本振光E 相干后，瞬时中频电流为： 若调幅信号光 s(t)与本振光 L(t) 相干后，瞬时中频电流为：
iIF = α A0 AL cos (ωL −ωs ) t + (φL −φs ) mn A0 +α AL ∑ cos (ωL −ωs −Ωn ) t + (φL −φs −φn ) 2 n=1 ∞ mn A0 +α AL ∑ cos (ωL −ωs +Ωn ) t + (φL −φs +φn ) 2 n=1
通信原理(张会生)课后习题答案
思考题1-1 什么是通信？常见的通信方式有哪些？1-2 通信系统是如何分类的？1-3 何谓数字通信？数字通信的优缺点是什么？1-4 试画出模拟通信系统的模型，并简要说明各部分的作用。
1-5 试画出数字通信系统的一般模型，并简要说明各部分的作用。
1-6 衡量通信系统的主要性能指标是什么？对于数字通信具体用什么来表述？1-7 何谓码元速率?何谓信息速率?它们之间的关系如何?习题1-1 设英文字母E出现的概率=0.105，X出现的概率为＝0.002，试求E和X的信息量各为多少？1-2 某信源的符号集由A、B、C、D、E、F组成，设每个符号独立出现，其概率分别为1/4、1/4、1/16、1/8、1/16、1/4，试求该信息源输出符号的平均信息量。
1-3 设一数字传输系统传送二进制信号，码元速率RB2=2400B，试求该系统的信息速率Rb2=？若该系统改为传送16进制信号，码元速率不变，则此时的系统信息速率为多少？1-4 已知某数字传输系统传送八进制信号，信息速率为3600b/s，试问码元速率应为多少？1-5 已知二进制信号的传输速率为4800b/s，试问变换成四进制和八进制数字信号时的传输速率各为多少（码元速率不变）？1-6 已知某系统的码元速率为3600kB，接收端在l小时内共收到1296个错误码元，试求系统的误码率=？1-7 已知某四进制数字信号传输系统的信息速率为2400b/s，接收端在0.5小时内共收到216个错误码元，试计算该系统=？l-8 在强干扰环境下，某电台在5分钟内共接收到正确信息量为355Mb，假定系统信息速率为1200kb/s。
（l）试问系统误信率=？（2）若具体指出系统所传数字信号为四进制信号，值是否改变？为什么？（3）若假定信号为四进制信号，系统传输速率为1200kB，则＝？习题答案第一章习题答案1-1 解：1-2 解：1-3 解：1-4 解：1-5 解：1-6 解：1-7 解：1-8 解：思考题2-1 什么是狭义信道？什么是广义信道？（答案）2-2 在广义信道中，什么是调制信道？什么是编码信道？2-3 试画出调制信道模型和二进制无记忆编码信道模型。
第八章-相干变换与检测
如果把信号的测量限制在差频的通带范围内，则可得到通过以IF 为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为
iIF 2 AS AL cos L S t L S
在中频滤波器输出端，瞬时中频电压为
VIF 2 AS ALRL cos L S t L S
在中频滤波器输出端输出的有效中频功率就是瞬时中频功率在中 频周期内的平均值，即
举例：如果取差频信号宽度(S L ) / 2 为探测器后面放大器的通 频带 f ，即f (S L ) / 2 fS fL ，那么只有与本地振荡光束混
频后相干信号落在此频带内所对应的杂光才可以进入系统，其它
杂光所形成的噪声均被放大器滤掉。因此，相干探测系统中不加
光谱滤光片其效果仍比加滤光片的直接探测系统好得多。例如，
写成等式并展开，则有
iP Et2 t AS 2 cos2 St S AL2 cos2 Lt L
AS ALcos L S t L S AS ALcos L S t L S
用平均信号光功率PS 和平均本振光功率 PL 表示
iP
2
PS 2
PL 2
PS PL cos L S t L S
LS L S
相干探测的特点
从理论上讲，在探测能力方面相干探测与直接探测相比，有如 下几个特点。
1. 转换增益高 相干探测时，光电探测器经单位电阻输出的信号
功率为
PIF
2
e
hv
2
PS
PL
直接探测时，光电探测器经单位电阻输出的信号功率为
SP
e 2
hv
PS 2
在同样信号光功率条件下，这两种探测方法所得到的信号功率 比G（转换增益）为
PIF
VIF 2
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–迈克尔逊(Michelson)干涉仪,马赫-泽德 (Mach-Zehnder)干涉仪,萨纳克(Sagnac)干涉仪, 杨氏(Yong's)双缝干涉装置等
8.2.2 多光束干涉系统
利用多光束干涉原理的多光束干涉仪由于 具有干涉条纹细锐,分辨率高等特点 .
– F-P干涉仪
8.2.3光纤干涉仪 8.2.3光纤干涉仪
= 2π
λ0
( L n + nL )
8.3.2 同频相干信号的检测方法
1. 干涉条纹光强检测法 2.干涉条纹比较法 3.干涉条纹跟踪法
8.4光外差检测方法与系统 8.4光外差检测方法与系统
8.4.1光外差检测原理
8.4.2 光外差检测的特性
1.探测能力强 2.高的转换增益 3.良好的滤波性能 4.小的信噪比损失 5.光电探测器的外差检测极限灵敏度 6.良好的空间和偏振鉴别能力 7.稳定性和可靠性
光学多普勒效应示意图
8.4.5光外差检测方法与应用 8.4.5光外差检测方法与应用
1.直接频率调制的外差检测
–迈克尔逊干涉仪 –双频切换干涉法 –线性扫描调频干涉法
零差检测和超外差检测
�
光纤干涉仪的几种基本型式由上述几种干 涉仪变化而形成. 由于光纤具有径细,可挠曲性好,抗电磁 干扰能力强,可以进行远距离传送,以及 适用于易燃,易爆等复杂环境下工作等独 特特点 .
8.3 同频率相干信号的相位调制 与检测方法
当两束相干光束的频率相同时,若被测量 变化使相干光波的相位发生变化,再通过 干涉作用把光波相位的变化变换为干涉条 纹的强度的变化,这个过程称为单频光波 的相位调制. 8.3.1 相位调制与检测的原理
1.光外差检测的空间条件 2.光外差检测的频率条件 3.光外差检测的偏振条件
8.4.4光外差检测的调频方法 8.4.4光外差检测的调频方法
1.直接光频调制
–塞曼效应(磁光调制)激光频移 –半导体激光器的直接频率调制 –机械直接光频调制
2.外光频调制
–旋转波片(偏振调制)法 –声光效应法 –旋转光栅法 –多普勒频移法 –萨古纳克效应和转动差频
I ( x, y ) = a + a + 2a1a2 cos[ωt + ( x, y )]
2 1 2 2
ω = 0 ω ≠ 0
外差干涉
差动干涉仪
8.1.2 干涉测量技术中的 调制和解调
光调制器能使光载波的特征参量随被测信 号的变化而变化,成为调制光 .
8.2 基本干涉系统及应用
8.2.1典型的双光束干涉系统
8.4.3光外差检测条件 8.4.3光外差检测条件
信号光波和本征光波必须具有相同的模式结构. 信号光和本振光束在光混频面上必须相互重合. 信号光波和本振光波的能流矢量必须尽可能保持 同一方. 在传播方向一致的情况下,两束光的波前面还必 须曲率匹配,即或者是平面,或者有相同曲率的 曲面. 在上述条件都得到满足时,有效的光混频还要求 两光波必须同偏振,因为在光混频面上它们是矢 量相加.
第8章 相干检测方法与系统
相干检测就是利用光的相干性对光载波 所携带的信息信号进行检测和处理,它 只有采用相干性好的激光器作为光源才 能实现. 干涉测量技术
8.1 相干检测的基本原理
8.1.1光学干涉和干涉测量 光学干涉和干涉测量
E1 ( x, y ) = a1 exp{ j[ω1t + 1 ( x, y )]} E2 ( x, y ) = a2 exp{ j[ω 2t + 2 ( x, y )]}
8.2.2 多光束干涉系统
利用多光束干涉原理的多光束干涉仪由于 具有干涉条纹细锐,分辨率高等特点 .
– F-P干涉仪
8.2.3光纤干涉仪 8.2.3光纤干涉仪
= 2π
λ0
( L n + nL )
8.3.2 同频相干信号的检测方法
1. 干涉条纹光强检测法 2.干涉条纹比较法 3.干涉条纹跟踪法
8.4光外差检测方法与系统 8.4光外差检测方法与系统
8.4.1光外差检测原理
8.4.2 光外差检测的特性
1.探测能力强 2.高的转换增益 3.良好的滤波性能 4.小的信噪比损失 5.光电探测器的外差检测极限灵敏度 6.良好的空间和偏振鉴别能力 7.稳定性和可靠性
光学多普勒效应示意图
8.4.5光外差检测方法与应用 8.4.5光外差检测方法与应用
1.直接频率调制的外差检测
–迈克尔逊干涉仪 –双频切换干涉法 –线性扫描调频干涉法
零差检测和超外差检测
�
光纤干涉仪的几种基本型式由上述几种干 涉仪变化而形成. 由于光纤具有径细,可挠曲性好,抗电磁 干扰能力强,可以进行远距离传送,以及 适用于易燃,易爆等复杂环境下工作等独 特特点 .
8.3 同频率相干信号的相位调制 与检测方法
当两束相干光束的频率相同时,若被测量 变化使相干光波的相位发生变化,再通过 干涉作用把光波相位的变化变换为干涉条 纹的强度的变化,这个过程称为单频光波 的相位调制. 8.3.1 相位调制与检测的原理
1.光外差检测的空间条件 2.光外差检测的频率条件 3.光外差检测的偏振条件
8.4.4光外差检测的调频方法 8.4.4光外差检测的调频方法
1.直接光频调制
–塞曼效应(磁光调制)激光频移 –半导体激光器的直接频率调制 –机械直接光频调制
2.外光频调制
–旋转波片(偏振调制)法 –声光效应法 –旋转光栅法 –多普勒频移法 –萨古纳克效应和转动差频
I ( x, y ) = a + a + 2a1a2 cos[ωt + ( x, y )]
2 1 2 2
ω = 0 ω ≠ 0
外差干涉
差动干涉仪
8.1.2 干涉测量技术中的 调制和解调
光调制器能使光载波的特征参量随被测信 号的变化而变化,成为调制光 .
8.2 基本干涉系统及应用
8.2.1典型的双光束干涉系统
8.4.3光外差检测条件 8.4.3光外差检测条件
信号光波和本征光波必须具有相同的模式结构. 信号光和本振光束在光混频面上必须相互重合. 信号光波和本振光波的能流矢量必须尽可能保持 同一方. 在传播方向一致的情况下,两束光的波前面还必 须曲率匹配,即或者是平面,或者有相同曲率的 曲面. 在上述条件都得到满足时,有效的光混频还要求 两光波必须同偏振,因为在光混频面上它们是矢 量相加.
第8章 相干检测方法与系统
相干检测就是利用光的相干性对光载波 所携带的信息信号进行检测和处理,它 只有采用相干性好的激光器作为光源才 能实现. 干涉测量技术
8.1 相干检测的基本原理
8.1.1光学干涉和干涉测量 光学干涉和干涉测量
E1 ( x, y ) = a1 exp{ j[ω1t + 1 ( x, y )]} E2 ( x, y ) = a2 exp{ j[ω 2t + 2 ( x, y )]}