【正文】 ............................................................ 1 歷 史與應用 ............................................................................................................... 2 其它應用 ................................................................................................................... 4 2 光通信元件 ......................................................................................................................... 5 光纖 ........................................................................................................................... 5 調制器和檢測器 ....................................................................................................... 6 外文參考文獻原文 1 Phase Lock Loop................................................................................................................ 9 Nature of Phaselock .................................................................................................. 9 History and Application .......................................................................................... 10 Other Applications .................................................................................................. 13 2 Optical Communication Components ........................................................................... 14 The Optical Fiber .................................................................................................... 14 Modulators and Detectors ....................................................................................... 17 1 1 鎖相環(huán) 鎖相特性 鎖相環(huán)包含三個組成部分： 相位檢測器（ PD）。 環(huán)路濾波器。 相位檢測器將一個周期輸入信號的相位與壓控振蕩器的相位進行比較。差值電壓由環(huán)路濾波后，再加到壓控振蕩器上。 當鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時，控制電壓使壓控振蕩器的頻率正好等于輸入信號頻率的平均值。鎖 相環(huán)的一個顯而易見的應用是自動頻率控制（ AFC）。 為了保持鎖定環(huán)路所需的控制電壓，通常要求相位檢測器有一個非零的輸出，所以環(huán)路是在有一些相位誤差條件下工作的。 一個稍微不同的解釋可提供理解環(huán)路工作原理的更好說明。鎖相接收機的作用是重建原信號而盡可能地去除噪聲。本機振蕩和輸入信號的波形由相位檢測器比較，其誤差輸出表示瞬時相位差。 如果原信號狀態(tài)良好（頻率穩(wěn)定），本機振蕩器只需要極少信息就能實現跟蹤，此信息可通過長時間的平均得到，從而消除可能很強的噪聲。所以，有理由認為環(huán)路是一種傳輸信號并抑制噪聲的濾波器。自動跟蹤和窄帶的特點說明了鎖相接收機的主要用途。 歷史與應用 關于鎖相的早期論述（思想）是 Bellescize 于 1932 年提出的，并在處理無線電信號同步接收中得到應用。一種方法就是同步接收機或零差接收機。為了正常工作，必須調節(jié)振蕩器使其輸出頻率與輸入的信號載波頻率完全一致，于是載 波被變換成 0Hz 的“中頻”。干擾與本地振蕩器不同步，因此由干擾信號引起的混頻器輸出是一個拍音，可用音頻濾波器加以抑制。此外，本振的相位必須與接收的載波相位一致，其間的誤差限于周期的很小一部分。 由于各種原因簡單的同步接收機從未廣泛應用過。鎖相接收機最重要的應用之一是接收來自遙遠的宇宙 飛行器的極微弱信號。與視頻信號一起傳送的脈沖發(fā)出電視圖像每一行的開始信號和隔行掃描的半幀開始信號。 一個較為復雜的途徑是利用一對自由振蕩的張弛振蕩器驅動掃描發(fā)生器。 將振蕩器的自由振蕩頻率設置得略低于水平和垂直（掃描）脈沖頻率，剝離出來的脈沖用于提前觸發(fā)振蕩器從而使振蕩器與行頻和半幀頻同步（由于美國電視在交 替的垂直掃描時進行隔行交織，所以是半幀頻）。不幸的是噪聲總是存在的，并且任何觸發(fā)電路對噪聲都是特別敏感的。 3 在不是極端惡劣的條件下，噪聲將造成起始時間抖動和偶爾的誤觸發(fā)。嚴重的水平誤觸發(fā)通常會造成畫面出現狹窄的水平黑帶。另外，相繼半幀之間的隔行掃描行還會相對移動，使圖像進一步惡化 。鎖相技術靠檢查各振蕩器和許多同步脈沖之間的相位關系來調節(jié)振蕩頻率，使得平均相位偏差很小，而不是僅用一個脈沖進行觸發(fā)。目前電視接收機中使用的飛輪同步器實際上就是鎖相環(huán)路。通過鎖相可以獲得同步性能的重大改進。 宇宙飛行的需要強烈地刺激了鎖相技術的應用。這些飛行體攜帶低功率（ 10 毫瓦）的連續(xù)波發(fā)射機，相應的接收信號很微弱。在最初使用的 108MHz頻率上，多普勒頻移可在 ?3kHz 范圍內。 接收機中的噪聲功率與帶寬成正比，所以如果使用傳統的技術，就不得不接受 1000倍（ 30dB）噪聲的代價。發(fā)射頻率上升到了 S波段，使多普勒頻移范圍達到 ?75kHz，而接收機帶寬則已減小到 3Hz。這是無法接受的，也就是要使用窄帶的鎖相跟蹤接收機的原因所在。一個可用的窄帶濾波器必須有跟蹤信號的能力。而且，非常窄的帶寬也能方便地獲得（對于空間應用典型的是３到 1000Hz）。 對于多普勒信號，用于確定飛船速度的信息是多普勒頻移。 4 其它應用 以下的應用闡述了目前鎖相技術的一些應用，這些應用將在本書其他章節(jié)進一步討論。飛船上的相干應答器必須如此工作以使輸入和輸出頻率嚴格地成 m/n的比例關系，此處 m和 n 都是整數。 鎖相環(huán)可用作頻率解調器，鎖相環(huán)在其中比傳統的鑒頻器具有更優(yōu)越的性能。如果環(huán)路帶 有的帶寬，振蕩器檢測出自已的噪聲，其輸出被大大凈化。 數字信號的發(fā)射通常應用鎖相技術實現。 5 2 光通信元件 光纖 正如先前所討論的，大氣不能被用來作為地面光通信的傳輸信道。光纖基本上由一個中心透明的稱為纖芯的區(qū)域和一個環(huán)繞纖芯的稱為包層的折射率較低的區(qū)域所組成。前一種光 纖也稱為勻芯光纖由于在纖芯包層的界面處的全內反射現象而形成光導 。 在光波導中，存在著不改變場結構并以固定的相位和群速傳播的特殊的場分布。這些模以不同的傳播常數和不同的群速度為特征。每種模式的大部分能量都在纖芯內部，但由于纖芯外部存在的迅衰場（泄漏場），一部分能量也在包層中傳播。 正如已經討論過 的那樣，在光纖通信系統中，信息以離散脈沖的形式編碼，通過光纖傳輸。為了在輸出端恢復信息，各個脈沖必須能在時間上被正確分辨。 因此，即使兩個脈沖在輸入端可以很好地分辨，因脈沖展寬他們在輸出端可能無法分辨。因此，對于某一給定的展寬，脈沖之間必須以一 個最小的時間間隔分開，這個時間間隔就確定了系統的最大信息容量。由于每一種模式一般都以不同的特征群速度傳播，所以入射光脈沖隨著傳播而展寬，稱為模間展寬。但是，由于傳播常數依賴于波長，仍然存在著某種展寬，稱為模內展寬。材料效應是由于光源為有限帶寬，以及對不同波長的光有不同的折射率而產生的一種效應。 例如，使用 LED， 6 由于材料色散脈沖展寬可能是每公里４毫微秒左右，而使用激光器，材料色散每公里小于 毫微秒。光脈沖注入勻芯光纖時會產生與軸線成不同夾角的光線。所以，光脈沖在光纖中傳播時就會展寬。于是較長的光程被較高速的傳播部分地補償。事實上情況確實如此，對于寬帶應用漸變光纖比勻芯光纖更適用。這類光纖稱為單模光纖。這種光纖確實可望用于將來的超帶寬系統中。 由于實際可獲得的光纖傳輸損耗極低，人們可以獲得更大的中繼距離，從而節(jié)約大量資金。這使光纖的重量和所占空間都大大縮減，這一點對于敷設在已經布滿電纜的管道中十分重要。 光纖不受電磁干擾影響，而且沒有串音。 由于不存在任何由短路等原因造成的危險，光纖可使用在易爆和高壓環(huán)境中。事實上，目前光纖已經被用來在 Lawrence Livemore 實驗室和 Los Alamos 科學實驗室的大型聚變激光器中傳送數據和控制信息，也使用在 Nevada 試驗場監(jiān)控地下核爆炸。 調制器和檢測器 上面我們所討論的只是光波通信系統各組成部分之一。我們將簡單討論調制器和檢測器的原理。用在光纖通訊 系統中最有前途的光源即半導體激光源很容易通過改變輸入電流來調制。實際上半導體光源能以上升時間小于 1 毫微秒的高速來鍵控調制。這里激光二極管起LED 的作用，以較低的輸出功率發(fā)射非相干光。通過將“關閉”狀態(tài)保持略低于閾值可使加在激光二極管上的電脈沖與所產生的光輸出之間的延遲最 小。 值得注意的一個重要因素是輸出光功率的溫度靈敏度。通常由收集激光器背面射出的光來實現輸出功率監(jiān)控，激光器前面發(fā)出的光則全部耦合到光纖中去。外部調制器利用不同材料所具有的不同特性。如果把 這個晶體放在正交的偏振鏡之間，人們就可以進行光強調制。傳播的聲波產生一個折射率光柵，反過來使光波發(fā)生衍射。光波通信中應用的三種重要檢測器是光電倍增管， PIN 光二極管和雪崩光二極管。最簡單的固態(tài)光檢測器由一個具有開闊中心區(qū)域的反偏PN 結構成，為了接收入射光，該區(qū)域涂有抗反 射的涂層。由此產生的電子和空穴被外加電場分離，產生通過 PN 結的光電流。光子產生的電子 空穴對在這種 8 器件中被加速，釋放出更多的電子 空穴對，以此獲得增益。對于 微米波長范圍的最有前景的光檢測器似乎是硅晶體光二極管。量子效率即所產生的一次光電子與入射在檢測器上的光子之比也很大。 this signal is inevitably corrupted by additive noise. The task of a phaselock receiver is to reproduce the original signal while removing as much of the noise as possible. To reproduce the signal the receiver makes use of a local oscillator whose frequency is very close to that expected in the signal. Local oscillator and ining signal waveforms are 10 pared with one another by a phase detector whose error output indicates instantaneous phase difference. To suppress noise the error is averaged over some length of time, and the average is used to establish frequency of the oscillator. If the original signal is well behaved (stable in frequency), the local oscillator will need very little information to be able to track, and that information can be obtained by averaging for a long period of time, thereby eliminating noise that could be very large. The input to the loop is a noisy signal, whereas the output of the VCO is a cleanedup version of the input. It is reasonable, therefore, to consider the loop as a kind of