第5章信號的中間轉換與記錄2調制解調

廣播電臺的發射塔搭+載調制Modulation調制與解調0為什么要調制與解調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。為了實現這種緩變微弱信號的遠距離傳輸，必須采用有效措施抑制干擾信號的影響。在實際工程應用中，往往采用先調制、后交流放大的方法，即在被測低頻信號上疊加一高頻信號，將它從低頻區推移到高頻區，因為高頻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射出去傳向遠方，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，無法產生迅速變化的電場和磁場；相應地，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，實際上是不可能架設這么長的天線的。看來要把信號傳遞出去，必須提高頻率，縮短波長。可是超過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，也就是調制，借助于高頻電磁波將低頻信號發射出去，傳向遠方。

23在調制過程中，一般載波都采用高頻正（余）弦波，則根據正（余）弦載波的三要素：幅值、頻率和相位，隨調制信號而變化的過程，可以分為基本概念調制:

使一個高頻信號的某些參數在另一個緩變信號的控制下發生變化的過程；載波:參數希望改變的高頻信號；調制信號：也叫控制信號，通常是緩變信號；已調波：經過調制以后的高頻信號解調：從高頻已調波中取出原調制信號的反調制過程。調幅（AM）、調頻（FM）和調相（PM）三種調制方式。其波形分別稱為調幅波、調頻波和調相波。4調幅就是用調制信號去控制高頻載波信號的幅值。常用的是線性調幅，即讓調幅信號的幅值按調制信號線性函數變化。調幅與解調注意相位反向調制信號載波調幅波5調幅過程:用調制信號去控制高頻載波信號的幅值，則調幅波為二、調幅與解調（定性分析）結果相當于在頻域把原信號頻譜圖形由原點“搬移”到載波頻率fz處，而幅值減半。這就是調幅過程

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

同步解調過程：把調幅波xm(t)再次與載波z(t)信號相乘

9同步解調(a)調幅波頻譜(b)載波信號頻譜(c)同步解調后頻譜(d)調制信號頻譜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，才能使已調制波仍能保持原信號的頻譜圖形，不致重疊。通常取數倍至數十倍的fm。Fz>10fm注意事項：當載波頻率fz較低時，正頻端的下邊帶將與負頻端的下邊帶相重疊。11解調方法2：偏置調幅與包絡檢波

包絡檢波法要求調制信號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，可以通過偏置調幅的方法獲得單極性的調幅波.過調失真12包絡檢波法的最大優點是不需要傳送同步載波信號，檢波電路非常簡單。但是包絡檢波有兩個問題：一是解調的主要過程是對調幅信號進行半波或全波整流，無法從檢波器的輸出鑒別調制信號的相位。第二，包絡檢波電路本身不具有區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，以恢復調制信號，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

包絡檢波法的優缺點13解調方法3：(二極管相敏檢波電路)相敏檢波要求引入調制時的載波信號，與調幅波進行比較，既能反映原信號的幅值，又能反映其極性。

調制信號調幅波調制信號過零點處，高頻載波相位有180°突變----載波反相點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當位移Δx>0時，Xm與Z同頻同相，當Δx<0時Xm與Z同頻反相當調制信號x(t)>0時（0～tl時間內），xm(t)與z(t)同相。若xm(t)>0，z(t)>0，則二極管D1、D2導通，在負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在負載電容C及電阻Rf上產生的輸出為回路2在負載電容C及電阻Rf上產生的輸出為總輸出：uf(t)=uf1(t)+uf2(t)=xm(t)++--B的二次邊輸出遠大于A的二次邊輸出16若xm(t)<0，z(t)<0，則二極管D3、D4導通，在負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在負載電容C及電阻Rf上產生的輸出為回路2在負載電容C及電阻Rf上產生的輸出為總輸出：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，無論調制波是否為正，相敏檢波器的輸出波形均為正，即保持與調制信號極性相同。同時可知，這種電路相當于在0～t1段對xm(t)全波整流，故解調后的頻率比原調制波高一倍當調制信號x(t)<0時(tl—t2時間內)，xm(t)與z(t)反相，同樣可以分析得出：x(t)<0時，不管調制波極性如何，相敏檢波器的輸出波形均為負，保持與x(t)一致。同時，電路在tl～t2段相當于對xm(t)全波整流后反相，解調后的頻率為原調制波的二倍。綜上所述，調幅波經相敏檢波后，得到一隨原調制信號的幅值與相位變化而變化的高頻波uf(t)，該波形的包絡線即是所需要的信號，再經過適當頻帶的低通濾波，即可獲得與調制信號一致的信號。19動態電阻應變儀20調頻是用低頻調制信號去控制高頻載波的頻率變化，使其隨調制信號的幅度變化而變化。由于調頻比較容易實現數字化，特別使再傳送過程中不易受到干擾，所以在測量、通信和電子技術的許多領域中得到了越來越廣泛的應用。調頻波與調制信號幅值的關系調頻與解調21調頻原理x(t)=X0cos2π?mt調制信號

載波信號

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

首先對調頻波xFM(t)進行微分表明，經過微分后，其幅度和頻率都攜帶了調制信號x(t)的信息，因此可以用包絡檢波器檢出幅值的包絡線信號

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（鑒頻）的過程。23測量小范圍變化參數時，可采用諧振調頻方式，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諧參數，使振蕩器按照被測信號規律變化。振蕩器的初始頻率：

諧振電路作調頻器變容二極管調制信號

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

振幅鑒頻器調頻波（等幅波）所傳送的調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頻波的瞬時頻率保持一致，即成線性關系。描述這種變換關系的特性曲線稱為“鑒頻特性曲線”，它是鑒頻器的輸出電壓uo與輸入調頻信號的頻偏Δf（或瞬時頻率f）之間的關系曲線諧振特性曲線1）Δf＝f－fc＝0時，調頻信號的瞬時頻率f=調頻信號的中心頻率（載頻）fc，對應的鑒頻輸出電壓uo＝0；2）當調頻信號的載頻fc受調制信號控制時，頻偏Δf按一定的變化規律在Δf＝0的兩邊正、負范圍內變動，鑒頻器就檢出了調頻信號中所包含的頻率變化信息，從而還原了原始調制信號（振幅鑒頻）26頻-幅轉換原理波形等幅調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27

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