第四章現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)

第四章現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)第1頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)調(diào)制——利用某種低頻信號(hào)來(lái)控制或改變一高頻振蕩信號(hào)的某個(gè)參數(shù)(幅值、頻率或相位)的過(guò)程。

第2頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月解調(diào)——從已調(diào)制信號(hào)中恢復(fù)出原低頻調(diào)制信號(hào)的過(guò)程調(diào)制的目的——減少低頻模擬被測(cè)信號(hào)的放大、傳輸、處理的困難。有些傳感器在完成從被測(cè)物理量到電量的轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)用了信號(hào)調(diào)制的原理，如差動(dòng)變壓器式位移傳感器就是幅值調(diào)制的典型一例。交流電阻電橋?qū)嵸|(zhì)上也是一個(gè)幅值調(diào)制器。一些電容、電感類(lèi)傳感器將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換成了頻率的變化，即采取了頻率調(diào)制。

第3頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、幅值調(diào)制與解調(diào)1、幅值調(diào)制第4頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、調(diào)幅信號(hào)的頻域分析第5頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)方法解調(diào)——指從已調(diào)制信號(hào)中恢復(fù)出原低頻調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。調(diào)制與解調(diào)是一對(duì)相反的信號(hào)變換過(guò)程，在工程上經(jīng)常結(jié)合在一起使用。幅值調(diào)制的解調(diào)有：同步解調(diào)、包絡(luò)檢波和相敏檢波法。第6頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）同步解調(diào)第7頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月同步解調(diào)的頻譜圖

同步解調(diào)要求:

有性能良好的線性乘法器件，否則將引起信號(hào)失第8頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）包絡(luò)檢波——整流檢波

在大信號(hào)檢波時(shí)二極管VD理想的，即正向偏置阻抗為零，反向偏置阻抗為無(wú)窮大第9頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

若把SAM(t)看作電壓源，由于電壓源內(nèi)阻rAM很小，

正半周時(shí)，二極管V導(dǎo)通，信號(hào)源以時(shí)間常數(shù)rAMC對(duì)電容器C充電。負(fù)半周時(shí)，二極管V截止，電容器反過(guò)來(lái)通過(guò)電阻R放電。如果元件得選擇滿足

式中為f0載波信號(hào)頻率；fmax為基帶信號(hào)得最高頻率分量。包絡(luò)檢波器能從調(diào)幅信號(hào)中不失真地得到.

第10頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第11頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第12頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月包絡(luò)解調(diào)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確地加、減偏置電壓。若所加的偏置電壓未能使信號(hào)電壓都位于零位的同一惻，那么對(duì)調(diào)幅之后的波形只進(jìn)行簡(jiǎn)單的整流濾波便不能恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)，而會(huì)造成很大失真(見(jiàn)圖4—16)。在這種情況下，采用相敏檢波技術(shù)可以解決這一問(wèn)題。第13頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（３）相敏解調(diào)

相敏檢波的特點(diǎn)是可以鑒別調(diào)制信號(hào)的極性，所以采用相敏檢波時(shí)，對(duì)調(diào)制信號(hào)不必再加直流偏置。

相敏檢波利用交變信號(hào)在過(guò)零位時(shí)正、負(fù)極性發(fā)生突變，使調(diào)幅波的相位(與載波比較)也相應(yīng)地產(chǎn)生1800的相位跳變，這樣便既能反映出原調(diào)制信號(hào)的幅值，又能反映其極性。第14頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第15頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)調(diào)制信號(hào)x(t)為正時(shí)：調(diào)幅波xm(t)與載波y(t)同相，這時(shí)，當(dāng)載波電壓為正時(shí)，VD1導(dǎo)通，電流的流向是d—1—VD1—2—5—R1—地—d；當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí)，變壓器T1和T2的極性同時(shí)改變，VD3導(dǎo)通，電流的流向是d—3—VD3—4—5—R1—地—d。可見(jiàn)在0-t1區(qū)間，流經(jīng)負(fù)載R1的電流方向始終是由上到下，輸出電壓u0(t)為正值。當(dāng)調(diào)制信號(hào)x(t)為負(fù)時(shí)：調(diào)幅波xm(t)與載波y(t)相差1800，這時(shí)，當(dāng)載波電壓為正時(shí)，VD2導(dǎo)通，電流的流向是5—2—VD2—3—d—地—R1—5；當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí)，VD4導(dǎo)通，電流的流向是5—4—VD4—1—d—地—R1—5。可見(jiàn)在t1—t2區(qū)間，流經(jīng)負(fù)載負(fù)載R1的電流方向始終是由下向上，輸出電壓u0(t)為負(fù)值。綜上所述，相敏檢波是利用二極管的單向?qū)ㄗ饔脤㈦娐份敵鰳O性換向。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這種電路相當(dāng)于在0—t1段把xm(t)的負(fù)部翻上去，而在t1—t2段把xm(t)的正部翻下來(lái)。若將u0(t)經(jīng)低通濾波器濾波，則所得到的信號(hào)就是xm(t)經(jīng)過(guò)“翻轉(zhuǎn)”后的包絡(luò)。第16頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第17頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、頻率調(diào)制與解調(diào)１、頻率調(diào)制的基本概念頻率調(diào)制——指利用調(diào)制信號(hào)控制高頻載波信號(hào)頻率變化的過(guò)程。

在頻率調(diào)制中載波幅值保持不變，僅載波的頻率隨調(diào)制信號(hào)的幅值成比例變化。第18頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第19頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月２、頻率調(diào)制的方法常用的頻率調(diào)制方法有：直接調(diào)頻法和間接調(diào)頻法間接調(diào)頻法——間接調(diào)頻器由窄帶角度調(diào)制器和頻率倍乘器等組成第20頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（１）直接調(diào)頻法第21頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

壓控振蕩器(VCO)——用調(diào)制信號(hào)x(t)的幅值來(lái)控制其振蕩頻率，使振蕩頻率隨控制電壓呈線性變化，從而達(dá)到頻率調(diào)制的目的。壓控振蕩器技術(shù)發(fā)展很快，目前已有單片式壓控振蕩器芯片(如MAXIM公司推出的MAX2622—MAX2624)，振蕩器的中心頻率和頻率范圍由生產(chǎn)廠預(yù)置，頻率范圍與控制電壓相對(duì)應(yīng)。第22頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月３、調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)

調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)——鑒頻鑒頻方法：鑒頻器——由一個(gè)高通濾波器及一個(gè)包絡(luò)檢波器構(gòu)成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在測(cè)試技術(shù)中常被使用

鎖相環(huán)解調(diào)器——解調(diào)性能優(yōu)良，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般用于要求較高的場(chǎng)合，如通信機(jī)等。此處只介紹鑒頻器解調(diào)。第23頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第24頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第25頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)濾波器一、基本概念濾波器——是一種選頻部件，它能夠允許某一頻率范圍的信號(hào)通過(guò)，同時(shí)極大衰減不需要的頻帶信號(hào)以阻止其通過(guò)，起著對(duì)某段頻率成分進(jìn)行篩選的作用。作用：對(duì)獲取的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析剔除不必要的干擾噪聲第26頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

根據(jù)濾波器的作用，在設(shè)計(jì)制作時(shí)應(yīng)使其具有下面幾個(gè)性能：

1)在通帶內(nèi)，濾波器對(duì)信號(hào)的衰減愈小愈好，理想情況下衰減為零。

2)在阻帶內(nèi)，濾波器對(duì)信號(hào)的衰減愈大愈好，理想情況下衰減應(yīng)為無(wú)窮大。

3)通帶與阻帶分界要明顯，理想情況下應(yīng)無(wú)過(guò)渡帶。

4)在通帶內(nèi)，輸入阻抗及輸出阻抗應(yīng)與前后網(wǎng)絡(luò)阻抗相匹配。第27頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月濾波器的種類(lèi)按照選頻特性分為：

低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器第28頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月按照所用的元件來(lái)分類(lèi)，濾波器可分為：

RC濾波器、LC濾波器、晶體濾波器、陶瓷濾波器及機(jī)械裝置濾波器從濾波器的構(gòu)成形式可將其分為：有源濾波器、無(wú)源濾波器有源濾波器通常使用運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)；而無(wú)源濾波器由一定的RLC組合配置形式組成。第29頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、濾波器性能分析1、理想濾波器第30頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

分析上式所表示的頻率特性可知，該濾波器在時(shí)域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù)h（t）為sinc函數(shù)，如圖。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無(wú)限延伸，從圖中可以看出，在to時(shí)刻單位脈沖輸入濾波器之前，即在t＜0時(shí)，非因果系統(tǒng)。第31頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、實(shí)際濾波器的特征參數(shù)截止頻率、帶寬B、紋波幅度δ品質(zhì)因子Q、倍頻程選擇性、濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）λ第32頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(1)截止頻率截止頻率指幅頻特性值等于(即—3dB)時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)(圖4—24中的fc1和fc2)。若以信號(hào)的幅值平方表示信號(hào)功率，該頻率對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為半功率點(diǎn)。第33頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)帶寬B

濾波器帶寬定義為上下兩截止頻率之間的頻率范圍

B=fc2-fc1，又稱(chēng)-3dB帶寬，單位為Hz。帶寬表示濾波器的分辨能力，即濾波器分離信號(hào)中相鄰頻率成分的能力。

(3)紋波幅度δ

通帶中幅頻特性值的起伏變化值稱(chēng)紋波幅度，圖4-24中以土δ表示，δ值應(yīng)越小越好。(4)品質(zhì)因子(Q值)

對(duì)于帶通濾波器來(lái)說(shuō)，品質(zhì)因子Q定義為中心頻率f0與帶寬B之比，即Q=f0/B。

Q越大，則相對(duì)帶寬越小，濾波器的選擇性越好。第34頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(5)倍頻程選擇性從阻帶到通帶或從通帶到阻帶，實(shí)際濾波器有一個(gè)過(guò)渡帶，過(guò)渡帶的曲線傾斜度代表著幅頻特性衰減的快慢程度，通常用倍頻程選擇性來(lái)表征。倍頻程選擇性是指上截止頻率fc2與2fc2之間或下截止頻率fc1與fc1/2間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個(gè)倍頻程的衰減量，以dB表示。衰減越快，選擇性越好。第35頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(6)濾波器因數(shù)(矩形系數(shù))δ

濾波器因數(shù)δ定義為濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與

-3dB帶寬的比，即;對(duì)理想濾波器有δ=1。對(duì)普通使用的濾波器，允一般為1-5。第36頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、實(shí)際濾波器第37頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月A）低通濾波器的頻率特性第38頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月B）高通濾波器的頻率特性第39頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月C）帶通濾波器的頻率特性第40頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3)RC帶通濾波器

帶通濾波器可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)，其電路及其幅頻、相頻特性如下圖所示。第41頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月LC濾波器電感和電容一起使用可以使濾波器的諧振特性相對(duì)于一階RC電路產(chǎn)生較為陡峭的濾波器邊緣。第42頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第43頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第44頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月通過(guò)采用多個(gè)RC環(huán)節(jié)或LC環(huán)節(jié)級(jí)聯(lián)的方式，可以使濾波器的性能有顯著的提高，使過(guò)渡帶曲線的陡峭度得到改善。第45頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

這是因?yàn)槎鄠€(gè)中心頻率相同的濾波器級(jí)聯(lián)后，其總幅頻特性為各濾波器幅頻特性的乘積，因此通帶外的頻率成分將會(huì)有更大的衰減。

但必須注意到，雖然多個(gè)簡(jiǎn)單濾波器的級(jí)聯(lián)能改善濾波器的過(guò)渡帶性能，卻又不可避免地帶來(lái)了明顯的負(fù)載效應(yīng)和相移增大等問(wèn)題。第46頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月有源濾波器第47頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第48頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、帶通濾波器在信號(hào)頻率分析中的應(yīng)用

1．多路濾波器的并聯(lián)形式多路帶通濾波器并聯(lián)常用于信號(hào)的頻譜分析和信號(hào)中特定頻率成分的提取。使用時(shí)常將被分析信號(hào)輸入一組中心頻率不同的濾波器，各濾波器的輸出便反映了信號(hào)中所含的各個(gè)頻率成分。為使各帶通濾波器的帶寬覆蓋整個(gè)分析的頻帶，它們的中心頻率能使相鄰的帶寬恰好相互銜接，通常的做法是使前一個(gè)濾波器的—3dB上截止頻率高端等于后一個(gè)濾波器的—3dB下截止頻率低端。濾波器組須具有相同的放大倍數(shù)。在作信號(hào)頻譜分析時(shí)，這組并聯(lián)的、增益相同而中心頻率不同的帶通濾波器的帶寬遵循一定的規(guī)則取值。兩種方法構(gòu)成兩類(lèi)常見(jiàn)的帶通濾波器組：恒帶寬比濾波器和恒帶寬濾波器。第49頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第50頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(1)恒帶寬比濾波器

恒帶寬比濾波器——指濾波器的相對(duì)帶寬是常數(shù)。第51頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月濾波器上下截止頻率之間的關(guān)系濾波器中心頻率之間的關(guān)系濾波器的中心頻率上下截止頻率之間的關(guān)系為第52頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

為B&K公司的1616型頻率分析儀的結(jié)構(gòu)框圖，其帶寬為1／3倍頻程，分析頻率為從20Hz-40kHz，共設(shè)置34個(gè)帶通濾波器。及帶通濾波器的中心頻率和截止頻率第53頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第54頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月恒帶寬比濾波器的特性：恒帶寬比濾波器的通頻帶在低頻段很窄，在高頻段則很寬，因而濾波器組的頻率分辨力在低頻段較好，而在高頻段則甚差。若要求濾波器在所有頻段都具有良好的頻率分辨力時(shí)，可采用恒帶寬濾波器。第55頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)恒帶寬濾波器恒帶寬濾波器——濾波器的絕對(duì)帶寬為常數(shù)。第56頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

為提高恒帶寬濾波器的分辨能力，帶寬應(yīng)窄一些，但為覆蓋整個(gè)頻率范圍所需要的濾波器數(shù)量就很大。因此恒帶寬濾波器一般不用固定中心頻率與帶寬的并聯(lián)濾波器組來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是通過(guò)中心頻率可調(diào)的掃描式帶通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。第57頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．中心頻率可調(diào)式

掃描式頻率分析儀采用一個(gè)中心頻率可調(diào)的帶通濾波器，通過(guò)改變中心頻率使該濾波器的通帶跟隨所要分析的信頻率范圍要求來(lái)變化。第58頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)節(jié)方式：手調(diào)、外信號(hào)調(diào)節(jié)

用于調(diào)節(jié)中心頻率的信號(hào)可由一個(gè)鋸齒波發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生，用一個(gè)線性升高的電壓來(lái)控制中心頻率的連續(xù)變化。由于濾波器的建立需要一定的時(shí)間，尤其是在濾波器帶寬很窄的情況，建立時(shí)間愈長(zhǎng)，所以掃頻速度不能過(guò)快。這種形式的分析儀也采用恒帶寬比的帶通濾波器。如B&K公司的1621型分析儀，將總分析頻率范圍從0.2Hz—20kHz分成五段：0.2—2Hz，2-20Hz，20—200Hz，200Hz—2kHz，2kHz—20kHz，每一段中的中心頻率可調(diào)。第59頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

采用中心頻率可調(diào)的帶通濾波器時(shí)，由于在調(diào)節(jié)中心頻率過(guò)程中總希望不改變或不影響濾波器的增益及Q因子等參數(shù)，因此這種濾波器中心頻率的調(diào)節(jié)范圍是有限的。在信號(hào)頻譜分析中常用的中心頻率可變的濾波方法還有相關(guān)濾波和跟蹤濾波，其工作原理與典型應(yīng)用請(qǐng)參閱相關(guān)書(shū)籍。第60頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月思考題及習(xí)題基本概念：第61頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)信號(hào)放大第62頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月因而，調(diào)制器和解調(diào)器就成為有信號(hào)傳輸?shù)臏y(cè)量裝置的重要組成部分。調(diào)制器的作用是把信源送來(lái)的低頻基帶信號(hào)變換為易于在信道中傳播的高頻調(diào)制信號(hào)。解調(diào)器的作用則是把通過(guò)信道傳過(guò)來(lái)的高頻調(diào)制信號(hào)還原成低頻的基帶信號(hào)。為什么要調(diào)制？

為便于基帶的傳輸處理。什么是調(diào)制？調(diào)制：用基帶信號(hào)去改變高頻振蕩信號(hào)的某個(gè)參數(shù)，使其隨基帶信號(hào)作有規(guī)律的變化。第63頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)制信號(hào)、載波、已調(diào)信號(hào)（已調(diào)波）調(diào)制的分類(lèi)：調(diào)幅AM、調(diào)頻FM、調(diào)相PM一、幅值調(diào)制

1、概述

幅值調(diào)制：用基帶信號(hào)f(t)去改變高頻載波信號(hào)的幅值，使高頻載波信號(hào)的幅值作線性變化。其時(shí)域表示式可寫(xiě)為

1/2[A0+F(t)]COS(ω0t+θ0)ω0:載波的角頻率；θ0:載波的起始相位；A0:載波的幅值。第64頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月物理意義：在未被調(diào)制前，載波信號(hào)是一個(gè)幅值為A0、角頻率為ω0和起始相位為θ0的等幅簡(jiǎn)諧信號(hào)。c(t)=A0COS(ω0t+θ0)通過(guò)幅值調(diào)制，c(t)的角頻率ω0及起始相位θ0保持不變而其幅值隨基帶信號(hào)f(t)作線性變化。第65頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)制后的載波幅值變化包絡(luò)與基帶信號(hào)f(t)的形狀一樣。第66頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月把（5-1）式展開(kāi)

SAM(t)=A0COS(ω0t+θ0)+f(t)COS(ω0t+θ0)

由此式不難得出完成幅值調(diào)制的方案：首先必需產(chǎn)生一個(gè)角頻率為ω0的載頻簡(jiǎn)諧信號(hào)。該信號(hào)分為兩部分，一部分通過(guò)增益為Ao的放大器，另一部分通過(guò)一個(gè)乘法器(也被稱(chēng)為平衡調(diào)制器)與基帶信號(hào)f(t)相乘。兩部分信號(hào)再經(jīng)加法器相加就可得到標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)幅信號(hào)。圖5-2所示為一個(gè)幅值調(diào)制器。第67頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

第68頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.幅值調(diào)制信號(hào)的頻域分析依據(jù)尤拉公式將式(5-1)寫(xiě)成指數(shù)形式

(5-4)設(shè)基帶信號(hào)存在傅立葉變換。將式(5-4)進(jìn)行傅立葉變換，可得其頻譜表達(dá)式為第69頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖5-3表示了調(diào)幅信號(hào)SAM(t)的頻譜結(jié)構(gòu)第70頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月從圖中可看出：1)幅值調(diào)制過(guò)程是頻譜搬移過(guò)程。由于在搬移過(guò)程中頻譜結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化，通常幅值調(diào)制也稱(chēng)為線性調(diào)制。2)注意到在正頻率區(qū)間，基帶信號(hào)的頻譜F(ω)的頻帶是(0，Ωmax)，調(diào)幅信號(hào)的頻譜卻把F(ω)一變?yōu)槎?，成為兩個(gè)頻帶：(ωo-Ωmax，ωo)和(ωo，ωo+Ωmax)。稱(chēng)前者為下邊帶，稱(chēng)后者為上邊帶。3)在±ωo處出現(xiàn)沖激，它表明載波分量的存在。值的注意的是載波分量幅值雖然大，但并不攜帶信息。4)如基帶信號(hào)f(t)的最高頻率為Ωmax，由圖5—3中可知，幅值調(diào)制后調(diào)幅信號(hào)的帶寬為2Ωmax。第71頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月為了分析方便我們把基帶信號(hào)f(t)稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)并設(shè)它為單頻信號(hào)，即

f(t)=AmCOSΩt

5-6將5-6代入5-1可得mA稱(chēng)為調(diào)制系數(shù)，也稱(chēng)調(diào)制度。如果mA大于l，調(diào)制后的調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)將產(chǎn)生失真，該失真稱(chēng)為過(guò)調(diào)制。為了不產(chǎn)生過(guò)調(diào)制，要求mA小于等于l。從頻譜分析知道調(diào)幅波頻譜是由調(diào)制信號(hào)f(t)產(chǎn)生的邊帶及載波產(chǎn)生的沖擊函數(shù)組成。第72頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月它們之間的功率關(guān)系可通過(guò)對(duì)式(5-3)均方值給出式中第一項(xiàng)是載波功率Pc，第二項(xiàng)是調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的邊帶功率Ps，第三項(xiàng)是交叉功率。如果f(t)是交流信號(hào)，均值為零，第三項(xiàng)為零。式(5-9)可簡(jiǎn)化為第73頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由式(5-10)可知，AM信號(hào)的總功率由載波功率Pc和邊帶功率Ps兩部分構(gòu)成。顯然載波功率Pc并沒(méi)有攜帶信息，信息是由邊帶功率Ps所攜帶。我們定義邊帶功率Ps與總功率之比為調(diào)制效率由式(5-11)可知ηAM<1。為了使AM信號(hào)不產(chǎn)生過(guò)調(diào)制，┃f(t)┃≤A0，即調(diào)制效率不大于50％。第74頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.幅值調(diào)制信號(hào)的解調(diào)方法（1）相干解調(diào)方法圖5—4是相干解調(diào)的方框圖。幅值調(diào)制信號(hào)的解調(diào)器由模擬乘法器、本地振蕩器和低通濾波器組成。第75頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月乘法器輸入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制信號(hào)及頻率與載波頻率相同的本地載波。它們?cè)诔朔ㄆ鲀?nèi)相乘后其輸出為即式中的高頻分量經(jīng)低通濾波器濾除得第76頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月可知解調(diào)器的輸出Sd(t)較原調(diào)制信號(hào)多了一個(gè)系數(shù)cos(ω0-φ)。如果(ω0-φ)是一個(gè)固定的相位差，則cos(ω0-φ)只改變解調(diào)后的輸出Sd(t)幅值的大小，不會(huì)出現(xiàn)失真。如果θ0=φ則解調(diào)輸出Sd(t)幅值達(dá)到最大值，此時(shí)稱(chēng)為同步——同步解調(diào)。當(dāng)θ0-φ=±π/2時(shí)，解調(diào)輸出Sd(t)為零。如果θ0-φ=±π時(shí)，解調(diào)輸出Sd(t)將改變符號(hào)，即解調(diào)后得到的f(t)將改變符號(hào)。第77頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月注意：當(dāng)f(t)的符號(hào)不影響結(jié)果時(shí)(如語(yǔ)音信號(hào))符號(hào)的改變不必注意。當(dāng)f(t)是數(shù)字信號(hào)或視頻信號(hào)時(shí)，符號(hào)的改變就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果。上邊討論了本地載波與發(fā)射載波只存在相位差而沒(méi)有頻率差的情況。如果二者間存在頻率差，即本地載波為cos(ω0t+Δωt+θ0)第78頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月可以證明解調(diào)器輸出為顯然，解調(diào)器的輸出除了f(t)原有的頻率分量外，多產(chǎn)生了Δω頻率分量。即出現(xiàn)了失真，降低了通信質(zhì)量。解決的方法是在接收機(jī)本地振蕩加入鎖相環(huán)，鎖相環(huán)可跟蹤發(fā)射機(jī)載波，使Δω0。第79頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)非相干解調(diào)法非相干解調(diào)也稱(chēng)包絡(luò)檢波，它的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單。廣播接收機(jī)中多采用這種方法。包絡(luò)檢波器(圖5-5)由一個(gè)半導(dǎo)體二極管V和一個(gè)RC低通濾波器構(gòu)成。在

大信號(hào)檢波時(shí)二極管V可認(rèn)為是理想的，即正向偏置阻抗為零，反向偏置阻抗為無(wú)窮大。第80頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月若把sAM(t)看作電壓源，由于電壓源內(nèi)阻rAM很小，正半周時(shí)，二極管V導(dǎo)通，信號(hào)源以時(shí)間常數(shù)rAMC對(duì)電容器C充電。負(fù)半周時(shí)，二極管V截止，電容器反過(guò)來(lái)通過(guò)電阻R放電。第81頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如果元件得選擇滿足式中為載波信號(hào)頻率；為基帶信號(hào)得最高頻率分量。包絡(luò)檢波器能從調(diào)幅信號(hào)中不失真地得到

Sd(t)=A0+f(t)

(5-17)第82頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月其波形如圖5—6表示非相干解調(diào)是從已調(diào)制波的幅值中提取原調(diào)制信號(hào)的。與相干解調(diào)相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和解調(diào)輸出幅值大(為相干解調(diào)的兩倍)的優(yōu)點(diǎn)。所以一般情況下很少用到相干解調(diào)。第83頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.雙邊帶調(diào)幅從前面的分析可知，載波信號(hào)并不攜帶有用信息。所以，在信號(hào)的傳輸過(guò)程中這部份功率白白浪費(fèi)了。為了提高效率，把載波分量從已調(diào)波中去掉，只發(fā)射兩個(gè)邊帶分量。這就是雙邊帶調(diào)幅(DSB-AM)的核心思路。顯然，雙邊帶信號(hào)的時(shí)域表示式可由

式(5—1)中令A(yù)o=0獲得

SDSB(t)=f(t)COS(ω0t+θ0)

(5-18)由式(5-18)可看出，雙邊帶信號(hào)是由基帶信號(hào)f(t)與載波信號(hào)c(t)相乘的結(jié)果。圖5-7中a和b分別為載波信號(hào)和基帶信號(hào)。c是調(diào)制后的雙邊帶信號(hào)。注意當(dāng)f(t)由正變負(fù)或由負(fù)變正即(f(t)與x軸相交時(shí)，t1、t2、t3…)時(shí)，雙邊帶信號(hào)出現(xiàn)相位反轉(zhuǎn)。同時(shí)，DSB信號(hào)的包絡(luò)與f(t)不同，它不是一個(gè)完整的調(diào)幅波。第84頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第85頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雙邊帶信號(hào)的頻域表達(dá)式為如令θ0=0則頻譜圖為下圖第86頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第87頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月節(jié)約了功率，傳送雙邊帶信號(hào)的帶為

B=2Ωmax由于雙邊帶信號(hào)的載波被抑制掉了，所以其幅值包絡(luò)不與基帶信號(hào)f(t)成正比，因而無(wú)法用包絡(luò)檢波器提取調(diào)制信號(hào)f(t)，只能采用相干解調(diào)來(lái)恢復(fù)基帶信號(hào)，其原理仍然可用圖5—4所示的相干解調(diào)方案。不難看出，此時(shí)解調(diào)輸出為式5-21第88頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

雙邊帶信號(hào)亦可采用相敏檢波方法解調(diào)出基帶信號(hào)f(t)。注意到圖5—7中基帶信號(hào)f(t)在其過(guò)零線時(shí)符號(hào)發(fā)生突變，調(diào)幅波的相位(與載波比較)相應(yīng)地發(fā)生180度的相位突變。利用載波信號(hào)與之比相，便既能反映出原信號(hào)的幅值又能反映其極性。某些測(cè)量?jī)x器利用二極管的單相導(dǎo)通作用將電路輸出極性換向，相當(dāng)于在0t1段把SDSB(t)的零線下的負(fù)部翻上去，而在t1t2段把正部翻下來(lái)，最后所檢測(cè)到的信號(hào)將是SDSB(t)經(jīng)過(guò)“翻轉(zhuǎn)”后的包絡(luò)。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制信號(hào)相干解調(diào)的討論也適用于雙邊帶信號(hào)。需要指出的是：由雙邊帶信號(hào)的頻譜圖可看出，上下兩個(gè)邊帶是對(duì)稱(chēng)的，功率相同。第89頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、角度調(diào)制1.角度調(diào)制的基本概念

在間諧載波中c(t)=A0cos[ω0t+θ0+θ(t)]=A0cosφ(t)

5-22φ(t)稱(chēng)為瞬時(shí)相位。對(duì)瞬時(shí)相位φ(t)微分得ω(t)稱(chēng)為瞬時(shí)角頻率，瞬時(shí)相位是ω(t)得積分第90頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于調(diào)制載波Acos(ω0t+θ)=Acosφ(t)，如果保持振幅A為常數(shù)，讓載波瞬時(shí)角頻率ω(t)隨基帶信號(hào)f(t)作線性變化，則稱(chēng)此種調(diào)制方式為頻率調(diào)制(FMFrequencyModulation)。如果載波的相位φ(t)隨基帶信號(hào)f(t)做線性變化，則稱(chēng)這種調(diào)制方式為相調(diào)制(PMPhaseModulation)。由于頻率或相位的變化最終都使載波的相位角發(fā)生變化，故統(tǒng)稱(chēng)FM和PM為角度調(diào)制。在角度調(diào)制中，角度調(diào)制信號(hào)和基帶信號(hào)的頻譜都發(fā)生了變化，所以，角度調(diào)制是一種非線性調(diào)制第91頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(1)調(diào)相波(PM)如果載波的瞬時(shí)相位與基帶信號(hào)f(t)成線性函數(shù)關(guān)系就稱(chēng)調(diào)制波為相位調(diào)制波SPM(t)=A0cos[ω0t+θ0+KPMf(t)]

2-25式中：KPM——相位調(diào)制指數(shù)，相位調(diào)制靈敏度調(diào)相波的瞬時(shí)頻率可寫(xiě)成第92頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)調(diào)頻波(FM)如果載波的瞬時(shí)頻率與基帶信號(hào)f(t)成線性關(guān)系，就稱(chēng)該調(diào)制波為頻率調(diào)制波

5-27KFM——頻率調(diào)制指數(shù)，或稱(chēng)頻率調(diào)制靈敏度調(diào)頻波的瞬時(shí)相位可寫(xiě)成

5-28調(diào)頻和調(diào)相只是角度調(diào)制的不同形式，無(wú)本質(zhì)差別。若預(yù)先不知道調(diào)制信號(hào)的調(diào)制方式，僅從已調(diào)波上是無(wú)法分辨調(diào)頻波或調(diào)相波的。圖5-9的a、b分別表示調(diào)相及調(diào)頻波。第93頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

第94頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

第95頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．頻率調(diào)制方法

常用的頻率調(diào)制方法有：直接調(diào)頻法和間接調(diào)頻法。(1)直接調(diào)頻法——用基帶信號(hào)f(t)對(duì)壓控振蕩器(VCO)施行電壓控制，利用其振蕩頻率和控制電壓成線性變化的特性，改變壓控振蕩器頻率從而達(dá)到頻率調(diào)制的目的，其過(guò)程可用圖5—10表示。直接調(diào)頻法優(yōu)點(diǎn):可以得到很大的頻偏缺點(diǎn):載頻會(huì)發(fā)生漂移，需加附加的穩(wěn)頻電路。第96頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)間接調(diào)頻法:間接調(diào)頻器由窄帶角度調(diào)制器和頻率倍乘器等組成。如圖5—11所示

第97頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月晶體振蕩器產(chǎn)生一個(gè)頻率穩(wěn)定的載波基頻信號(hào)?；鶐盘?hào)f(t)首先通過(guò)一個(gè)積分器積分后，去調(diào)制載波基頻信號(hào)的相位。由于調(diào)相器最大調(diào)相相位變化很小(實(shí)用中小于0.5rad)，調(diào)相器的輸出屬窄帶調(diào)頻信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)倍頻器倍頻，才能產(chǎn)生所需要的寬帶調(diào)頻信號(hào)SFM(t)。第98頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3．調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)

調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)大多采用非相干解調(diào)。非相干解調(diào)一般有二種方式：

鑒頻器和鎖相環(huán)解調(diào)器前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大多用于廣播及電視中，后者解調(diào)性能優(yōu)良，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般用于要求較高的場(chǎng)合，如通訊機(jī)等。此處我們只討論鑒頻器解調(diào)。第99頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖5—12為鑒頻器示意圖，電路實(shí)際上由一個(gè)高通濾波器(R1，C1)及一個(gè)包絡(luò)檢波器(D，C2)構(gòu)成。由高通濾波器的幅頻特性中(圖5-12b)可看到，隨輸入信號(hào)的幅值不同，輸出信號(hào)的幅值便不同。選擇一段較線性的部分，并使FM信號(hào)的載頻ω。處于這段線性區(qū)的中點(diǎn)。由于FM信號(hào)的瞬時(shí)頻率正比于基帶信號(hào)f(t)，它經(jīng)過(guò)高通濾波器后原來(lái)等幅的FM信號(hào)的幅值變?yōu)殡S基帶信號(hào)，f(t)的變化而變化，成為調(diào)幅信號(hào)了，其包絡(luò)形狀正比于基帶信號(hào)f(t)。經(jīng)包絡(luò)檢出電路檢出包絡(luò)，就可復(fù)原出基帶信號(hào)f(t)。第100頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

第101頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

一般而言，鑒頻器的種類(lèi)雖多，但都可等效為一個(gè)微分器及一個(gè)包絡(luò)檢波器，如圖5—13。第102頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月只要對(duì)一般FM信號(hào)表達(dá)式微分，就可證明這一點(diǎn)上式表明，經(jīng)過(guò)微分后，其幅度和頻率都攜帶了信息。所以可以用包絡(luò)檢波器檢出基帶信號(hào)F(t)，輸出信號(hào)為：隔去直流分量就可得到解調(diào)結(jié)果sd(t)，它正比于基帶信號(hào)f(t)。第103頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)，而極大地衰減其他頻率成分。在測(cè)試裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。

廣義地講，任何一種信息傳輸?shù)耐ǖ溃劫|(zhì)）那可視為是一種濾波器。因?yàn)椋魏窝b置的響應(yīng)特性都是激勵(lì)頻率的函數(shù)，都可用頻域函數(shù)描述其傳輸特性。因此，構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)，諸如機(jī)械系統(tǒng)、電氣網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表、甚至連接導(dǎo)線等等，都將在一定頻率范圍內(nèi)，按其頻域特性，對(duì)所通過(guò)的信號(hào)進(jìn)行變換與處理。第二節(jié)濾波器一、基本概念第104頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號(hào)的幅值和相位都不失真，阻帶內(nèi)的頻率成分都衰減為零的濾波器，其通帶和阻帶之間有明顯的分界線。也就是說(shuō)，理想濾波器在通帶內(nèi)的幅頻特性應(yīng)為常數(shù)，相頻特性的斜率為常值；在通帶外的幅頻特性應(yīng)為零。

理想低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)為：

H（f）=A0e-j2πft0

其幅頻及相頻特性曲線為：

第105頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分析上式所表示的頻率特性可知，該濾波器在時(shí)域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù)h（t）為sinc函數(shù)，如圖。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無(wú)限延伸，從圖中可以看出，在to時(shí)刻單位脈沖輸入濾波器之前，即在t＜0時(shí)，濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了。顯然，這是一種非因果關(guān)系，在物理上是不能實(shí)現(xiàn)的。這說(shuō)明在截止頻率處呈現(xiàn)直角銳變的幅頻特性，或者說(shuō)在頻域內(nèi)用矩形窗函數(shù)描述的理想濾波器是不可能存在的。實(shí)際濾波器的頻域圖形不會(huì)在某個(gè)頻率上完全截止，而會(huì)逐漸衰減并延伸到∞。第106頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、濾波器的種類(lèi)根據(jù)濾波器的選頻作用分為：

低通濾波器：

從O～f2頻率之問(wèn)，幅頻特性平直，它可以使信號(hào)中低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過(guò)，而高于f2的頻率成分受到極大地衰減。第107頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高通濾波器：

與低通濾波相反，從頻率f1~∞，其幅頻特性平直．它使信號(hào)中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過(guò)，而低于f1的頻率成分將受到極大地衰減第108頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月帶通濾波器：

表示帶通濾波器，它的通頻帶在f1～f2之間．它使信號(hào)中高于f1而低于f2的頻率成分可以不受衰減地通過(guò)，而其他成分受到衰減。第109頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月帶阻濾波器（對(duì)50Hz信號(hào)—陷波器）

與帶通濾波相反，阻帶在頻率f1～f2之間．它使信號(hào)中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減，其余頻率成分的信號(hào)幾乎不受衰減地通過(guò)。第110頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種最基本的形式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類(lèi)型的濾波器。第111頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第112頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)“最佳逼近特性”的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類(lèi)．

巴特沃茲濾波器：

從幅頻特性提出要求，而不考慮相頻特性。巴特沃茲濾波器具有最大平坦幅度特性，其幅頻響應(yīng)表達(dá)式為：

第113頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月切比雪夫?yàn)V波器：

切貝雪夫?yàn)V波器也是從幅頻特性方面提出逼近要求的，其幅頻響表達(dá)式為：

ε是決定通帶波紋大小的系數(shù)，波紋的產(chǎn)生是由于實(shí)際濾波網(wǎng)絡(luò)中含有電抗元件；Tn是第一類(lèi)切比雪夫多項(xiàng)式。

第114頁(yè)，課件共122頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月與巴特沃茲逼近特性相比較，這種特性雖然在通帶內(nèi)有起伏，但對(duì)同洋的n值在進(jìn)入阻帶以后衰減更陡峭，更接近理想情況．ε值越?。◣鸱叫?，截止頻率點(diǎn)