光电子技术实验讲义
实验三 光源调制与解调实验
一、实验目的
1、了解光源调制及其解调的原理 2、了解光源调制及其解调的实现方法
二、实验内容
1、幅度调制解调实验 2、脉冲调制解调实验 3、光音频调制解调实验
三、实验仪器
1、光源及光调制解调实验仪 1台 2、20M双踪示波器 1台 3、连接导线 若干 4、电源线 1根
四、实验原理
1、调制的基本概念
调制就是使载波的某一参量(例如其幅度、频率、相位等)按欲传输信号规律变化的过程。调制不仅可以使光信号携带信息，从而具有与背景辐射不同的特征，便于抑制背景光的干扰，而且可以抑制系统中各环节的固有噪声和外部电磁场的干扰。因此采用调制的光电系统在信号的传输和探测过程中，具有更高的探测能力。
光波的调制形式很多，可以分为三类：模拟调制、脉冲调制和数字调制。 在模拟调制形式中，信息信号连续改变载波的强度、频率、相位或偏振，因此在任何时刻，信息信号的幅度与波参数的幅度之间都有一—对应的关系。模拟调制包括调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)三种方式。其中调频和调相又称为调角，如图1所示；调频(或调角)系统比调幅系统有较高的抗干扰能力。在调频系统中，噪声叠加在信号幅度上，可以通过限幅去削掉一部分噪
声而不影响信息的检出。但是调幅系统实现起来相对简单一些。
图1 模拟调制 图2 脉冲调制
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脉冲调制和数字调制则是对信息信号的幅度按一定规律间隔取样，而用脉冲序列作载波。如图2所示，在脉冲调制中，脉冲序列的某一参量随低频调制信号的变化而变化。脉冲调制主要有脉冲调幅(PAM)、脉冲调宽(PWM)、脉冲调频(PFM)和脉冲调位(脉冲调相或脉冲时间调制PPM)等形式。
数字调制本实验不做讨论。 2、解调的基本概念
解调就是将调制后的信号还原。
本实验仪通过光电探测器接收调制光信号，然后通过放大处理电路将调制之后的信号还原。
锁相环解调原理：
锁相环芯片使用LM567(其它型号有NE567、JRC567等)。 LM567 为通用音调译码器，当输入信号于通带内时提供饱和晶体管对地开关，电路由 I与 Q检波器构成，由电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。
主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路。如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。 其内部电路如图3。
图3 LM567内部原理
图4为红外接收解调控制电路。图中，IC2 是 LM567。LM567 是一片锁相环电路，采用 8 脚双列直插塑封。其⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率 f2，f2≈1/1.1RC。其①、②脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。②脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带宽越窄。①脚所接电容的容量应至少是②脚电容的 2 倍。③脚是输入端，要求输入信号≥25mV。⑧脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为 100mA。LM567 的工作电压为4.75～9V，工作频率从直流到 500kHz，静态工作电流约 8mA。LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：当 LM567 的③脚输入幅度≥25mV、频率在其带宽内的信号时，⑧脚由高电平变成低电平，②脚输出经频率/电压变换的调制信号；
如果在器件的②脚输入音频信号，则在⑤脚输出受②脚输入调制信号调制的调频方波信
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号。
在图 4 的电路中我们仅利用了 LM567 接收到相同频率的载波信号后⑧脚电压由高变低这一特性，来形成对控制对象的控制。
图4 红外接收解调控制电路
五、实验步骤
注意事项
1、不得随意摇动和插拔面板上元器件和芯片，以免损坏，造成实验仪不能正常工作。 2、在使用过程中，出现任何异常情况，必须立即关机断电以确保安全。 实验仪介绍
（1）面板各功能模块介绍
麦克风放大电路：麦克风接入音频插孔，通过麦克风产生音频信号经过放大电路后由T9孔输出，输出信号可通过实验仪配套连接线引出。输出音频信号大小可以通过该电路模块的音量调节钮控制。
（2）音频放大电路：T20孔输入音频信号，经过放大后直接驱动扬声器发声。音量大小可以通过该模块音量调节旋钮控制。
（3）波形发生电路：该模块电路用来产生方波和正弦波信号，分别通过T1和T2对应输出，TP1和TP2用来接示波器观测对应输出波形，GND接示波器地。调节频率调节旋钮可以调整输出信号频率。J2上黑色短路块用来选择输出频率范围：从上之下共三档，范围分别是1-100Hz，10-1KHz，50-8KHz。
（4）脉冲调制电路：该电路用于将波形发生电路输出的方波信号调制成红外光信号，通过 TPP测量其波形。
（5）幅度调制电路：该电路用于将波形发生电路输出的正弦波信号和麦克风放大电路输出的音频信号调制成红外光信号输出。通过TPA测量其波形。
（6）放大电路：该电路将光接收输出信号进行放大。通过TP_PD可测量放大器输入信号，TP3用来观测对应输出波形。该电路调节旋钮用来调整放大增益。
（7）判决电路：由于方波信号经过调制解调后信号出现畸变，通过该电路可以将发生畸变的方波信号23整形还原成方波信号。T15为信号输入端，T16为信号输出端，TP4用来观测对应输出信号。该电路调节旋钮用来调节判决电平。
（8）锁相环电路：该电路输入方波信号，当输入方波信号与锁相环中心频率一致时，T19孔输出高低电平控制信号。该电路调节旋钮用来调整锁相环中信频率，TP6用来观测中心频率信号。TP5用来观测锁相环输出信号。
（9）信号指示电路：当T17孔输入高低电平时，对应发光二极管发光或者熄灭。
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（10）光发射和光接收。光发射通过5芯屏蔽线与HK_1相连接。光接收通过5芯屏蔽线与HK_2相连。
（11）电源模块：可以提供+5V/0.5A、-5V/0.5A和+12V/0.5A、-12V/0.5A电源。 1）波形产生实验
1、 打开实验仪电源开关，用示波器探头同时观测TP1（对应方波信号）和TP2（对应正弦波信号）。
2、 J2 短路块短接J2最上面两个引脚，调节频率调节旋钮，观测输出信号频率变化范围。
3、 关闭电源开关。
4、 J2短路块短接J2中间两个引脚，重复步骤1、2、3。 5、 J2短路块短接J2最下面两个引脚，重复步骤1、2、3。 2）幅度调制解调实验
1、将光发射模块上的开关拨到幅度调制一端。
2、波形发生电路正弦波输出端T2孔用导线连接至幅度调制模块的信号输入端T6孔。 3、光发射通过5芯屏蔽线与HK_1相连接。光接收通过5芯屏蔽线与HK_2相连。 4、打开电源，用示波器同时观察TP2（正弦波信号）和TP3（放大电路输出信号）。调节放大电路旋钮可以调整放大倍数，直至输出信号（TP3）效果最好为止。
5、对比调制之前的正弦波信号和解调放大之后的正弦波信号并分析。
6、挡住光路，对比调制之前的正弦波信号和解调放大之后的正弦波信号并分析。 7、关闭电源。拆除所有连线。 3）脉冲调制解调实验
1、将光发射模块上的开关拨到脉冲调制一端。
2、波形发生电路方波输出端T1孔用导线连接至脉冲调制模块的信号输入端T3孔。 3、光发射通过5芯屏蔽线与HK_1相连接。光接收通过5芯屏蔽线与HK_2相连。 4、打开电源，用示波器观察TP3（放大电路输出信号）。调节放大电路旋钮可以调整放大倍数，直至输出信号效果最好为止。关闭电源。
5、放大电路输出端T14通过导线连接至判决电路输入端T15，用示波器观察TP4（判决电路输出信号）。打开电源，调节判决电路旋钮，直至输出占空比大约50%的方波。关闭电源。
6、判决电路输出端T16通过导线连接至信号指示电路输入端T17。
7、打开电源，将波形频率从最低开始调节，观察对比脉冲调制指示灯和信号指示电路指示灯变化情况并分析。
8、挡住光路，观察对比脉冲调制指示灯和信号指示电路指示灯变化情况并分析。 9、关闭电源。拆除所有连线。 4）锁相环解调实验
1、打开电源，用示波器观察TP6（锁相环中心频率信号）。调节锁相环电路旋钮观察并记住中心频率调节范围。波形发生电路J2短路块短接中间两个引脚，用示波器观测TP1（方波输出信号），调节频率调节旋钮，使输出方波频率在锁相环中心频率范围内，关闭电源。
2、波形发生电路方波输出端T1孔用导线连接至脉冲调制模块的信号输入端T3孔。 3、光发射通过5芯屏蔽线与HK_1相连接。光接收通过5芯屏蔽线与HK_2相连。将光发射模块上的开关拨到脉冲调制一端。
4、打开电源，用示波器观察TP3（放大电路输出信号）。调节放大电路旋钮可以调整放大倍数，直至输出信号效果最好为止。关闭电源
5、打开电源，放大电路输出端T14通过导线连接至判决电路输入端T15，用示波器观
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察TP4（判决电路输出信号）。打开电源，调节判决电路旋钮，直至输出占空比大约50%的方波。关闭电源。
6、判决电路输出端T16通过导线连接至锁相环电路输入端T17。锁相环电路输出端T19通过导线连接至信号指示电路输入端T17。
7、打开电源，用示波器观测TP6（锁相环中心频率信号），调节锁相环电路旋钮使中心频率信号和方波信号频率相等。
8、遮挡光路，观察信号指示电路指示灯变化。用示波器观察TP5（锁相环输出）信号变化，分析锁相环工作过程，及其应用场合。
9、关闭电源。拆除所有连线。 5) 音频实验
1、将麦克风（也可以将其它音源设备输出）接至麦克风放大电路输入端（音频插孔），麦克风放大电路输出端T9通过导线连接至音频放大电路输入端T20。
2、打开电源，对着麦克风说话或播放音乐，调节两个音量调节旋钮，直至输出音量适中。分析音频传输过程。
3、关闭电源，拆除所有连线。 6) 音频调制解调实验
1、将麦克风（也可以将其它音源设备输出）接至麦克风放大电路输入端（音频插孔），麦克风放大电路输出端T9通过导线连接至音幅度调制电路输入端T6。将光发射模块上的开关拨到幅度调制一端。光发射通过5芯屏蔽线与HK_1相连接。光接收通过5芯屏蔽线与HK_2相连。将光发射模块上的开关拨到幅度调制一端。
2、放大电路输出端T14通过导线连接至音频放大电路输入端T20。
3、打开电源，对着麦克风说话或播放音乐，调节两个音量调节旋钮和放大电路旋钮，直至输出音量适中。分析音频调制解调过程。
4、遮挡光路，观察输出音频变化，并分析。 5、关闭电源，拆除所有连线。
六、思考题
1、解调出来的信号会发生畸变，分析原因。 2、根据锁相环原理，设计单路红外遥控电路。
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