第5章信號的中間轉(zhuǎn)換與記錄2調(diào)制解調(diào)

廣播電臺的發(fā)射塔搭+載調(diào)制Modulation調(diào)制與解調(diào)0為什么要調(diào)制與解調(diào)由于傳感器輸出的電信號一般是頻率較低的微弱信號，如果采用直接放大、傳送，則在傳輸過程中容易受到工頻（50Hz或60Hz的市電頻率）及其他信號的干擾。為了實(shí)現(xiàn)這種緩變微弱信號的遠(yuǎn)距離傳輸，必須采用有效措施抑制干擾信號的影響。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，即在被測低頻信號上疊加一高頻信號，將它從低頻區(qū)推移到高頻區(qū)，因?yàn)楦哳l信號不容易受到外界工頻信號的干擾，由此可以提高電路的抗干擾能力和信號的信噪比。1要使信號的能量以電場和磁場的形式向空中發(fā)射出去傳向遠(yuǎn)方，需要較高的振蕩頻率方能使電場和磁場迅速變化；同時信號的波長要與天線的長度相匹配。語言或音樂信號的頻率太低，無法產(chǎn)生迅速變化的電場和磁場；相應(yīng)地，它們的波長又太大，即使選用它的最高頻率20000Hz來計算，其波長仍為15000m，實(shí)際上是不可能架設(shè)這么長的天線的?？磥硪研盘杺鬟f出去，必須提高頻率，縮短波長?？墒浅^20kHz的高頻信號，人耳就聽不見了。為了解決這個矛盾，只有采用把音頻信號“搭乘”在高頻載波上，也就是調(diào)制，借助于高頻電磁波將低頻信號發(fā)射出去，傳向遠(yuǎn)方。

23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，隨調(diào)制信號而變化的過程，可以分為基本概念調(diào)制:

使一個高頻信號的某些參數(shù)在另一個緩變信號的控制下發(fā)生變化的過程；載波:參數(shù)希望改變的高頻信號；調(diào)制信號：也叫控制信號，通常是緩變信號；已調(diào)波：經(jīng)過調(diào)制以后的高頻信號解調(diào)：從高頻已調(diào)波中取出原調(diào)制信號的反調(diào)制過程。調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM）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。4調(diào)幅就是用調(diào)制信號去控制高頻載波信號的幅值。常用的是線性調(diào)幅，即讓調(diào)幅信號的幅值按調(diào)制信號線性函數(shù)變化。調(diào)幅與解調(diào)注意相位反向調(diào)制信號載波調(diào)幅波5調(diào)幅過程:用調(diào)制信號去控制高頻載波信號的幅值，則調(diào)幅波為二、調(diào)幅與解調(diào)（定性分析）結(jié)果相當(dāng)于在頻域把原信號頻譜圖形由原點(diǎn)“搬移”到載波頻率fz處，而幅值減半。這就是調(diào)幅過程

則調(diào)幅波的頻譜分析如下傅里葉變換定理6則調(diào)幅波的頻譜分析如下利用傅立葉變換得頻移性質(zhì)78對上式兩邊做傅立葉變換，得

同步解調(diào)過程：把調(diào)幅波xm(t)再次與載波z(t)信號相乘

9同步解調(diào)(a)調(diào)幅波頻譜(b)載波信號頻譜(c)同步解調(diào)后頻譜(d)調(diào)制信號頻譜0)(fXmf-mf1mf2?)(fY0?0f-0f??10為保證頻移后的頻譜不失真，載波頻率fz

必須高于兩倍原信號中的最高頻率fm，才能使已調(diào)制波仍能保持原信號的頻譜圖形，不致重疊。通常取數(shù)倍至數(shù)十倍的fm。Fz>10fm注意事項：當(dāng)載波頻率fz較低時，正頻端的下邊帶將與負(fù)頻端的下邊帶相重疊。11解調(diào)方法2：偏置調(diào)幅與包絡(luò)檢波

包絡(luò)檢波法要求調(diào)制信號x(t)具有單極性，即要求x(t)>0.如果x(t)是過零的雙極性信號，可以通過偏置調(diào)幅的方法獲得單極性的調(diào)幅波.過調(diào)失真12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，檢波電路非常簡單。但是包絡(luò)檢波有兩個問題：一是解調(diào)的主要過程是對調(diào)幅信號進(jìn)行半波或全波整流，無法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號的相位。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的能力。對于不同載波頻率的信號它都以同樣方式對它們整流，以恢復(fù)調(diào)制信號，這就是說它不具有鑒別信號的能力。為了使檢波電路具有判別信號相位和頻率的能力，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)13解調(diào)方法3：(二極管相敏檢波電路)相敏檢波要求引入調(diào)制時的載波信號，與調(diào)幅波進(jìn)行比較，既能反映原信號的幅值，又能反映其極性。

調(diào)制信號調(diào)幅波調(diào)制信號過零點(diǎn)處，高頻載波相位有180°突變----載波反相點(diǎn)14差動相敏檢波電路的工作原理參考：互感型（差動變壓器式）傳感器（P45）15當(dāng)位移Δx>0時，Xm與Z同頻同相，當(dāng)Δx<0時Xm與Z同頻反相當(dāng)調(diào)制信號x(t)>0時（0～tl時間內(nèi)），xm(t)與z(t)同相。若xm(t)>0，z(t)>0，則二極管D1、D2導(dǎo)通，在負(fù)載上形成兩個電流回路：f—a—D1—b—e—g—f及f—g—e—b—D2—c—f，其中回路1在負(fù)載電容C及電阻Rf上產(chǎn)生的輸出為回路2在負(fù)載電容C及電阻Rf上產(chǎn)生的輸出為總輸出：uf(t)=uf1(t)+uf2(t)=xm(t)++--B的二次邊輸出遠(yuǎn)大于A的二次邊輸出16若xm(t)<0，z(t)<0，則二極管D3、D4導(dǎo)通，在負(fù)載上形成兩個電流回路：f—c—D3—d—e—g—f及f—g—e—d—D4—a—f，其中回路1在負(fù)載電容C及電阻Rf上產(chǎn)生的輸出為回路2在負(fù)載電容C及電阻Rf上產(chǎn)生的輸出為總輸出：uf(t)=uf1(t)+uf2(t)=xm(t)17x(t)>0時(0~t1)，ym(t)與z(t)同相，檢波器輸出uf(t)>0x(t)<0時(t1~t2)，ym(t)與z(t)反相，檢波器輸出uf(t)<0112233t1t1132213t1t2t2t218由上述分析可知，x(t)>0時，無論調(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)制信號極性相同。同時可知，這種電路相當(dāng)于在0～t1段對xm(t)全波整流，故解調(diào)后的頻率比原調(diào)制波高一倍當(dāng)調(diào)制信號x(t)<0時(tl—t2時間內(nèi))，xm(t)與z(t)反相，同樣可以分析得出：x(t)<0時，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x(t)一致。同時，電路在tl～t2段相當(dāng)于對xm(t)全波整流后反相，解調(diào)后的頻率為原調(diào)制波的二倍。綜上所述，調(diào)幅波經(jīng)相敏檢波后，得到一隨原調(diào)制信號的幅值與相位變化而變化的高頻波uf(t)，該波形的包絡(luò)線即是所需要的信號，再經(jīng)過適當(dāng)頻帶的低通濾波，即可獲得與調(diào)制信號一致的信號。19動態(tài)電阻應(yīng)變儀20調(diào)頻是用低頻調(diào)制信號去控制高頻載波的頻率變化，使其隨調(diào)制信號的幅度變化而變化。由于調(diào)頻比較容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，特別使再傳送過程中不易受到干擾，所以在測量、通信和電子技術(shù)的許多領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。調(diào)頻波與調(diào)制信號幅值的關(guān)系調(diào)頻與解調(diào)21調(diào)頻原理x(t)=X0cos2π?mt調(diào)制信號

載波信號

調(diào)頻時z0和φ0保持不變,調(diào)頻波的瞬時角頻率f(t)圍繞著f0隨調(diào)制信號作線性的變化，即f(t)=f0+Δf=f0+KFMx(t)=f0+(KFMX0)cos2π?mtKFM為頻率調(diào)制指數(shù)，或稱頻率調(diào)制靈敏度z(t)=Z0cos(2πf0t+φ0)調(diào)頻信號的瞬時相位φ(t)是瞬時角頻率2πf(t)對時間的積分,即得到調(diào)頻波的瞬時表達(dá)式22調(diào)頻波的解調(diào)可采用鑒頻器，下圖為其等效框圖

首先對調(diào)頻波xFM(t)進(jìn)行微分表明，經(jīng)過微分后，其幅度和頻率都攜帶了調(diào)制信號x(t)的信息，因此可以用包絡(luò)檢波器檢出幅值的包絡(luò)線信號

隔去直流分量后，可得到信號它正比于測試信號x(t),也即完成了解調(diào)（鑒頻）的過程。23測量小范圍變化參數(shù)時，可采用諧振調(diào)頻方式，即將電容C或電感L直接作為LC自激振蕩器諧振回路的一個調(diào)諧參數(shù)，使振蕩器按照被測信號規(guī)律變化。振蕩器的初始頻率：

諧振電路作調(diào)頻器變?nèi)荻O管調(diào)制信號

諧振電路諧振調(diào)頻與鑒頻24電容變化為ΔC，則此時振蕩頻率為當(dāng)ΔC<<C0時，對上式進(jìn)行線性化處理，可以得到f與ΔC之間的線性關(guān)系因ΔC變化引起的載波頻率變化為可見，在小范圍內(nèi)，振蕩器輸出頻率與被測信號呈近似線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻。25

振幅鑒頻器調(diào)頻波（等幅波）所傳送的調(diào)制信號信息包含在高頻振蕩的頻率變化之中，所以鑒頻器輸出的信號必須與輸入調(diào)頻波的瞬時頻率保持一致，即成線性關(guān)系。描述這種變換關(guān)系的特性曲線稱為“鑒頻特性曲線”，它是鑒頻器的輸出電壓uo與輸入調(diào)頻信號的頻偏Δf（或瞬時頻率f）之間的關(guān)系曲線諧振特性曲線1）Δf＝f－fc＝0時，調(diào)頻信號的瞬時頻率f=調(diào)頻信號的中心頻率（載頻）fc，對應(yīng)的鑒頻輸出電壓uo＝0；2）當(dāng)調(diào)頻信號的載頻fc受調(diào)制信號控制時，頻偏Δf按一定的變化規(guī)律在Δf＝0的兩邊正、負(fù)范圍內(nèi)變動，鑒頻器就檢出了調(diào)頻信號中所包含的頻率變化信息，從而還原了原始調(diào)制信號（振幅鑒頻）26頻-幅轉(zhuǎn)換原理波形等幅調(diào)頻波的頻率等于回路諧振頻率，線圈中的耦合電流最大亞諧振區(qū)27

VD、R、C2：組成大信號包絡(luò)檢波器（功能是將調(diào)頻-調(diào)幅波u2變成調(diào)制信號輸出）。（1）當(dāng)f＞fC時，回路失諧↓→輸出電壓振幅↑；（2）當(dāng)f＜fC時，回路失諧↑→輸出電壓振幅↓；（3）當(dāng)調(diào)頻波的瞬時頻率隨調(diào)制信號變化時，使回路輸出電壓振幅變化，這時的并聯(lián)回路L1C1電壓u2是一個調(diào)頻-調(diào)幅波，它的包絡(luò)變化規(guī)律已反映了調(diào)制信號的變化，通過包絡(luò)檢波器的振幅檢波便可還原出調(diào)制信號。調(diào)頻波－>調(diào)頻調(diào)幅波－>幅值檢波對不同頻率信號呈現(xiàn)不同的阻抗