第5章 信號(hào)的中間轉(zhuǎn)換與記錄2調(diào)制解調(diào)

1、0廣播電臺(tái)廣播電臺(tái)的發(fā)射塔的發(fā)射塔 搭搭+載載調(diào)制調(diào)制Modulation調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)1為什么要調(diào)制與解調(diào)為什么要調(diào)制與解調(diào) 由于傳感器輸出的電信號(hào)一般是頻率較低的微弱信由于傳感器輸出的電信號(hào)一般是頻率較低的微弱信號(hào)，如果采用直接放大、傳送，則在傳輸過程中容易受到號(hào)，如果采用直接放大、傳送，則在傳輸過程中容易受到工頻（工頻（50Hz50Hz或或60Hz60Hz的市電頻率）及其他信號(hào)的干擾。為了的市電頻率）及其他信號(hào)的干擾。為了實(shí)現(xiàn)這種緩變微弱信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，必須采用有效措施實(shí)現(xiàn)這種緩變微弱信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，必須采用有效措施抑制干擾信號(hào)的影響。在實(shí)際工程應(yīng)用中，往往采用先調(diào)抑制干擾信號(hào)

2、的影響。在實(shí)際工程應(yīng)用中，往往采用先調(diào)制、后交流放大的方法，即在被測(cè)低頻信號(hào)上疊加一高頻制、后交流放大的方法，即在被測(cè)低頻信號(hào)上疊加一高頻信號(hào)，將它從低頻區(qū)推移到高頻區(qū)，信號(hào)，將它從低頻區(qū)推移到高頻區(qū)，因?yàn)楦哳l信號(hào)不容易因?yàn)楦哳l信號(hào)不容易受到外界工頻信號(hào)的干擾，受到外界工頻信號(hào)的干擾，由此可以提高電路的抗干擾能由此可以提高電路的抗干擾能力和信號(hào)的信噪比。力和信號(hào)的信噪比。2 要使信號(hào)的能量以電場(chǎng)和磁場(chǎng)的形式向空中發(fā)射出去要使信號(hào)的能量以電場(chǎng)和磁場(chǎng)的形式向空中發(fā)射出去傳向遠(yuǎn)方，需要較高的振蕩頻率方能使電場(chǎng)和磁場(chǎng)迅速變傳向遠(yuǎn)方，需要較高的振蕩頻率方能使電場(chǎng)和磁場(chǎng)迅速變化；同時(shí)信號(hào)的波長(zhǎng)要與天線的長(zhǎng)

3、度相匹配。語(yǔ)言或音樂化；同時(shí)信號(hào)的波長(zhǎng)要與天線的長(zhǎng)度相匹配。語(yǔ)言或音樂信號(hào)的頻率太低，無(wú)法產(chǎn)生迅速變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)；相應(yīng)信號(hào)的頻率太低，無(wú)法產(chǎn)生迅速變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)；相應(yīng)地，它們的波長(zhǎng)又太大，即使選用它的最高頻率地，它們的波長(zhǎng)又太大，即使選用它的最高頻率 20000Hz 20000Hz 來(lái)計(jì)算，其波長(zhǎng)仍為來(lái)計(jì)算，其波長(zhǎng)仍為 15000m 15000m ，實(shí)際上是不可能架設(shè)這么，實(shí)際上是不可能架設(shè)這么長(zhǎng)的天線的?？磥?lái)要把信號(hào)傳遞出去，必須提高頻率，縮長(zhǎng)的天線的?？磥?lái)要把信號(hào)傳遞出去，必須提高頻率，縮短波長(zhǎng)。可是超過短波長(zhǎng)?？墒浅^ 20kHz 20kHz 的高頻信號(hào)，人耳就聽不見了。的高頻信號(hào)，

4、人耳就聽不見了。為了解決這個(gè)矛盾，只有采用把音頻信號(hào)為了解決這個(gè)矛盾，只有采用把音頻信號(hào)“搭乘搭乘”在高頻在高頻載波上，也就是載波上，也就是調(diào)制調(diào)制，借助于高頻電磁波將低頻信號(hào)發(fā)射，借助于高頻電磁波將低頻信號(hào)發(fā)射出去，傳向遠(yuǎn)方。出去，傳向遠(yuǎn)方。 34在調(diào)制過程中，一般載波都采用高頻正（余）弦波，則在調(diào)制過程中，一般載波都采用高頻正（余）弦波，則根據(jù)正（余）弦載波的三要素：幅值、頻率和相位，隨根據(jù)正（余）弦載波的三要素：幅值、頻率和相位，隨調(diào)制信號(hào)而變化的過程，可以分為調(diào)制信號(hào)而變化的過程，可以分為基本概念基本概念調(diào)制調(diào)制: : 使一個(gè)高頻信號(hào)的某些參數(shù)在另一個(gè)緩變信號(hào)使一個(gè)高頻信號(hào)的某些參數(shù)在

5、另一個(gè)緩變信號(hào) 的控制下發(fā)生變化的過程；的控制下發(fā)生變化的過程；載波載波: : 參數(shù)希望改變的高頻信號(hào)；參數(shù)希望改變的高頻信號(hào)；調(diào)制信號(hào)：調(diào)制信號(hào)： 也叫控制信號(hào)，通常是緩變信號(hào)；也叫控制信號(hào)，通常是緩變信號(hào)；已調(diào)波：已調(diào)波： 經(jīng)過調(diào)制以后的高頻信號(hào)經(jīng)過調(diào)制以后的高頻信號(hào)解調(diào)：解調(diào)： 從高頻已調(diào)波中取出原調(diào)制信號(hào)的反調(diào)制過程。從高頻已調(diào)波中取出原調(diào)制信號(hào)的反調(diào)制過程。 調(diào)幅調(diào)幅（AMAM）、調(diào)頻、調(diào)頻（FMFM）和調(diào)相和調(diào)相（PMPM）三種調(diào)制方式。三種調(diào)制方式。其波形分別稱為調(diào)幅波、調(diào)頻波和調(diào)相波。其波形分別稱為調(diào)幅波、調(diào)頻波和調(diào)相波。 5調(diào)幅調(diào)幅就是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波信號(hào)的幅值。常用

6、的是線就是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波信號(hào)的幅值。常用的是線性調(diào)幅，即讓調(diào)幅信號(hào)的幅值按調(diào)制信號(hào)線性函數(shù)變化。性調(diào)幅，即讓調(diào)幅信號(hào)的幅值按調(diào)制信號(hào)線性函數(shù)變化。調(diào)幅與解調(diào)調(diào)幅與解調(diào)注意注意相位相位反向反向調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)載波載波調(diào)幅波調(diào)幅波6調(diào)幅過程調(diào)幅過程: :用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波信號(hào)的幅值，則調(diào)幅波為用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波信號(hào)的幅值，則調(diào)幅波為su二、調(diào)幅與解調(diào)（定性分析）二、調(diào)幅與解調(diào)（定性分析） 0cos2mxtx tf t結(jié)果相當(dāng)于在頻域把原信號(hào)頻譜圖形由原點(diǎn)結(jié)果相當(dāng)于在頻域把原信號(hào)頻譜圖形由原點(diǎn)“搬移搬移”到載波頻率到載波頻率fzfz處，而幅值減半。處，而幅值減半。 這就是調(diào)幅過

7、程這就是調(diào)幅過程 則調(diào)幅波的頻譜分析如下則調(diào)幅波的頻譜分析如下傅里葉變換傅里葉變換定理定理7則調(diào)幅波的頻譜分析如下則調(diào)幅波的頻譜分析如下 0 ( )cos2mmyfF xtF x tf t利用傅立葉變換得頻移性質(zhì)利用傅立葉變換得頻移性質(zhì)0022001 ( ( )( )211( )()()22jf tjf tFx t ex t eX fffff 001122X fffX fff0011()()22X ffff89tf02cos )(tym)(21txtftx02cos)()4cos1 (21)(0tftxtf02costftx04cos)(21)2()2(41)(21)(2cos2cos)()(

8、0000ffXffXfXfYtftftxtymm對(duì)上式兩邊做傅立葉變換，得對(duì)上式兩邊做傅立葉變換，得 同步解調(diào)過程：同步解調(diào)過程：把調(diào)幅波把調(diào)幅波x xmm( (t t) )再次與載波再次與載波z z( (t t) )信號(hào)相乘信號(hào)相乘 10同步解調(diào)同步解調(diào)02 fmfmf(a)調(diào)幅波頻譜調(diào)幅波頻譜(b)載波信號(hào)頻譜載波信號(hào)頻譜(c)同步解調(diào)后頻譜同步解調(diào)后頻譜(d)調(diào)制信號(hào)頻譜調(diào)制信號(hào)頻譜0)( fXmfmf1mf2)( fY00f0f11為保證頻移后的頻譜不失為保證頻移后的頻譜不失真，載波頻率真，載波頻率f fz z 必須高必須高于于兩倍兩倍原信號(hào)中的最高頻原信號(hào)中的最高頻率率f fmm，才

9、能使已調(diào)制波仍才能使已調(diào)制波仍能保持原信號(hào)的頻譜圖形，能保持原信號(hào)的頻譜圖形，不致重疊。不致重疊。通常取數(shù)倍至通常取數(shù)倍至數(shù)十倍的數(shù)十倍的fmfm。Fz10fm注意事項(xiàng)：注意事項(xiàng)：當(dāng)載波頻率當(dāng)載波頻率fzfz較低時(shí)，正較低時(shí)，正頻端的下邊帶將與負(fù)頻頻端的下邊帶將與負(fù)頻端的下邊帶相重疊。端的下邊帶相重疊。12解調(diào)方法解調(diào)方法2：偏置調(diào)幅與包絡(luò)檢波：偏置調(diào)幅與包絡(luò)檢波 包絡(luò)檢波法要求調(diào)制信號(hào)包絡(luò)檢波法要求調(diào)制信號(hào)x(t)具有單極性，即要求具有單極性，即要求x(t)0.如果如果x(t)是過零的雙極性信號(hào)，可以通過偏置是過零的雙極性信號(hào)，可以通過偏置調(diào)幅的方法獲得單極性的調(diào)幅波調(diào)幅的方法獲得單極性的調(diào)

10、幅波. 過調(diào)失真過調(diào)失真13 包絡(luò)檢波法的最大優(yōu)點(diǎn)是不需要傳送同步載波信號(hào)，包絡(luò)檢波法的最大優(yōu)點(diǎn)是不需要傳送同步載波信號(hào)，檢波電路非常簡(jiǎn)單。但是包絡(luò)檢波有兩個(gè)問題：一是檢波電路非常簡(jiǎn)單。但是包絡(luò)檢波有兩個(gè)問題：一是解調(diào)的主要過程是對(duì)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行半波或全波整流，解調(diào)的主要過程是對(duì)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行半波或全波整流，無(wú)法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號(hào)的相位。第二，包無(wú)法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號(hào)的相位。第二，包絡(luò)檢波電路本身不具有區(qū)分不同載波頻率的信號(hào)的能絡(luò)檢波電路本身不具有區(qū)分不同載波頻率的信號(hào)的能力。對(duì)于不同載波頻率的信號(hào)它都以同樣方式對(duì)它們力。對(duì)于不同載波頻率的信號(hào)它都以同樣方式對(duì)它們整流，以恢復(fù)調(diào)制信

11、號(hào)，這就是說(shuō)它不具有鑒別信號(hào)整流，以恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，這就是說(shuō)它不具有鑒別信號(hào)的能力。的能力。為了使檢波電路具有判別信號(hào)相位和頻率的為了使檢波電路具有判別信號(hào)相位和頻率的能力，提高抗干擾能力，需采用相敏檢波電路能力，提高抗干擾能力，需采用相敏檢波電路 包絡(luò)檢波法的優(yōu)缺點(diǎn)包絡(luò)檢波法的優(yōu)缺點(diǎn)14解調(diào)方法解調(diào)方法3：(二極管相敏檢波電路二極管相敏檢波電路)相敏檢波要求引入調(diào)制時(shí)的載波信號(hào)，與調(diào)幅波進(jìn)行比相敏檢波要求引入調(diào)制時(shí)的載波信號(hào)，與調(diào)幅波進(jìn)行比較，較，既能反映原信號(hào)的幅值，又能反映其極性。既能反映原信號(hào)的幅值，又能反映其極性。 調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)調(diào)幅波調(diào)幅波調(diào)制信號(hào)過零點(diǎn)處，高頻載波調(diào)制信號(hào)過零點(diǎn)處

12、，高頻載波相位有相位有180突變突變-載波反相點(diǎn)載波反相點(diǎn)15差動(dòng)相敏檢波電路的工作原理差動(dòng)相敏檢波電路的工作原理 參考參考：互感型（差動(dòng)變壓器式）傳感器（互感型（差動(dòng)變壓器式）傳感器（P45） 16當(dāng)位移當(dāng)位移x0 x0時(shí)，時(shí)，XmXm與與Z Z同頻同相，當(dāng)同頻同相，當(dāng)x0時(shí)（時(shí)（0tl時(shí)間內(nèi)），時(shí)間內(nèi)），xm(t)與與z(t)同同相。若相。若xm(t)0，z(t)0，則二極管則二極管D1、D2導(dǎo)通，導(dǎo)通，在負(fù)載上形成兩個(gè)電流回在負(fù)載上形成兩個(gè)電流回路：路：faD1begf及及fgebD2cf，其中回路，其中回路1在負(fù)載電在負(fù)載電容容C及電阻及電阻Rf上產(chǎn)生的輸上產(chǎn)生的輸出為出為 221tx

13、tztumf回路回路2在負(fù)載電容在負(fù)載電容C及電阻及電阻Rf上產(chǎn)上產(chǎn)生的輸出為生的輸出為 222txtztumf總輸出：總輸出：uf(t)=uf1(t)+uf2(t)=xm(t) +-B的二次邊輸出遠(yuǎn)大于的二次邊輸出遠(yuǎn)大于A的二次邊輸出的二次邊輸出17若若xm(t)0，z(t)0時(shí)時(shí)(0t1)， ym(t)與與z(t)同相，檢波器輸出同相，檢波器輸出uf(t)0 x(t)0時(shí)時(shí)(t1t2)， ym(t)與與z(t)反相，檢波器輸出反相，檢波器輸出uf(t)0時(shí)，無(wú)論調(diào)制波是否為正，相敏檢時(shí)，無(wú)論調(diào)制波是否為正，相敏檢波器的輸出波形均為正，即保持與調(diào)制信號(hào)極性相同。同波器的輸出波形均為正，即保持

14、與調(diào)制信號(hào)極性相同。同時(shí)可知，這種電路相當(dāng)于在時(shí)可知，這種電路相當(dāng)于在0t1段對(duì)段對(duì)xm(t)全波整流，故解全波整流，故解調(diào)后的頻率比原調(diào)制波高一倍調(diào)后的頻率比原調(diào)制波高一倍 當(dāng)調(diào)制信號(hào)當(dāng)調(diào)制信號(hào)x(t)0時(shí)時(shí)(tlt2時(shí)間內(nèi)時(shí)間內(nèi))，xm(t)與與z(t)反相，同反相，同樣可以分析得出：樣可以分析得出：x(t)0時(shí)，不管調(diào)制波極性如何，相敏時(shí)，不管調(diào)制波極性如何，相敏檢波器的輸出波形均為負(fù)，保持與檢波器的輸出波形均為負(fù)，保持與x(t)一致。同時(shí)，電路一致。同時(shí)，電路在在tlt2段相當(dāng)于對(duì)段相當(dāng)于對(duì)xm(t)全波整流后反相，解調(diào)后的頻率全波整流后反相，解調(diào)后的頻率為原調(diào)制波的二倍。為原調(diào)制波的

15、二倍。 綜上所述，調(diào)幅波經(jīng)相敏檢波后，得到一隨原調(diào)制信號(hào)的綜上所述，調(diào)幅波經(jīng)相敏檢波后，得到一隨原調(diào)制信號(hào)的幅值與相位變化而變化的高頻波幅值與相位變化而變化的高頻波uf(t)，該波形的包絡(luò)線即，該波形的包絡(luò)線即是所需要的信號(hào)，再經(jīng)過適當(dāng)頻帶的低通濾波，即可獲得是所需要的信號(hào)，再經(jīng)過適當(dāng)頻帶的低通濾波，即可獲得與調(diào)制信號(hào)一致的信號(hào)。與調(diào)制信號(hào)一致的信號(hào)。20動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀21調(diào)頻是用低頻調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的頻率變化，使其調(diào)頻是用低頻調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的頻率變化，使其隨調(diào)制信號(hào)的幅度變化而變化隨調(diào)制信號(hào)的幅度變化而變化。由于調(diào)頻比較容易實(shí)現(xiàn)數(shù)。由于調(diào)頻比較容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，特別

16、使再傳送過程中不易受到干擾，所以在測(cè)量、字化，特別使再傳送過程中不易受到干擾，所以在測(cè)量、通信和電子技術(shù)的許多領(lǐng)域中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。通信和電子技術(shù)的許多領(lǐng)域中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。調(diào)頻波與調(diào)制信號(hào)幅值的關(guān)系調(diào)頻波與調(diào)制信號(hào)幅值的關(guān)系調(diào)頻與解調(diào)調(diào)頻與解調(diào)22調(diào)頻原理調(diào)頻原理x(t)= X0cos2mt 調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào) 載波信號(hào)載波信號(hào) 調(diào)頻時(shí)調(diào)頻時(shí)z0和和0保持不變保持不變, 調(diào)頻波的瞬時(shí)角頻率調(diào)頻波的瞬時(shí)角頻率f(t)圍繞著圍繞著f0隨隨調(diào)制信號(hào)作線性的變化，即調(diào)制信號(hào)作線性的變化，即 f(t)= f0+f =f0+KFMx(t) = f0+(KFMX0)cos2mt KFM為頻率

17、調(diào)制指數(shù)，或稱頻率調(diào)制靈敏度為頻率調(diào)制指數(shù)，或稱頻率調(diào)制靈敏度 z(t)=Z0cos(2f0t+0) 調(diào)頻信號(hào)的調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)相位瞬時(shí)相位(t)是瞬時(shí)角頻率是瞬時(shí)角頻率2f(t)對(duì)時(shí)間的積分對(duì)時(shí)間的積分,即即 000000002222)(tFMtFMtdxKtfdxKfdft得到調(diào)頻波的得到調(diào)頻波的瞬時(shí)表達(dá)式瞬時(shí)表達(dá)式 0000022coscostFMFMdxKtfZtZtx23調(diào)頻波的解調(diào)可采用鑒頻器調(diào)頻波的解調(diào)可采用鑒頻器，下圖為其等效框圖，下圖為其等效框圖 首先對(duì)調(diào)頻波首先對(duì)調(diào)頻波xFM(t)進(jìn)行微分進(jìn)行微分 00000000022sin)(2222cos)(tFMFMtFMFMdxKt

18、ftxKfZdxKtfZdtddttdx表明，經(jīng)過微分后，其幅度和頻率都攜帶了調(diào)制信號(hào)表明，經(jīng)過微分后，其幅度和頻率都攜帶了調(diào)制信號(hào)x(t)的信息，的信息，因此可以用因此可以用包絡(luò)檢波器檢出幅值的包絡(luò)線信號(hào)包絡(luò)檢波器檢出幅值的包絡(luò)線信號(hào) )(2)(00txKfZtxFMb隔去直流分量后，可得到信號(hào)隔去直流分量后，可得到信號(hào) txKZtxFMd2)(0它正比于測(cè)試信號(hào)它正比于測(cè)試信號(hào)x(t),也即完成了解調(diào)（鑒頻）的過程。也即完成了解調(diào)（鑒頻）的過程。 24測(cè)量小范圍變化參數(shù)時(shí)，測(cè)量小范圍變化參數(shù)時(shí)，可采用諧振調(diào)頻方式，即將電容可采用諧振調(diào)頻方式，即將電容C或或電感電感L直接作為直接作為L(zhǎng)C自激振蕩器諧振回路的一個(gè)調(diào)諧參數(shù)，使自激振蕩器諧振回路的一個(gè)調(diào)諧參數(shù)，使振蕩器按照被測(cè)信號(hào)規(guī)律變化。振蕩器按照被測(cè)信號(hào)規(guī)律變化。振蕩器的初始頻率振蕩器的初始頻率： 0021LCf諧振電路作調(diào)頻器諧振電路作調(diào)頻器 變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào) 諧諧振振電電路路 諧振調(diào)頻與鑒頻諧振調(diào)頻與鑒頻 25電容變化為電容變化為C，則此時(shí)振蕩頻率為，則此時(shí)振蕩頻率為 00000/11/11121121CCfCCLCCCLf當(dāng)當(dāng)C調(diào)頻調(diào)幅波調(diào)頻調(diào)幅波幅值檢波幅值檢波對(duì)不同頻對(duì)不同頻