信号的中间转换和记录调制解调.ppt

信号的中间转换和记录2调制解调,为什么要调制与解调,由于传感器输出的电信号一般是频率较低的微弱信号，如果采用直接放大、传送，则在传输过程中容易受到工频（50Hz或60Hz的市电频率）及其他信号的干扰。为了实现这种缓变微弱信号的远距离传输，必须采用有效措施抑制干扰信号的影响。在实际工程应用中，往往采用先调制、后交流放大的方法，即在被测低频信号上叠加一高频信号，将它从低频区推移到高频区，,因为高频信号不容易受到外界工频信号的干扰，,由此可以提高电路的抗干扰能力和信号的信噪比。,1,要使信号的能量以电场和磁场的形式向空中发射出去传向远方，需要较高的振荡频率方能使电场和磁场迅速变化；同时信号的波长要与天线的长度相匹配。语言或音乐信号的频率太低，无法产生迅速变化的电场和磁场；相应地，它们的波长又太大，即使选用它的最高频率 20000Hz 来计算，其波长仍为 15000m，实际上是不可能架设这么长的天线的。看来要把信号传递出去，必须提高频率，缩短波长。可是超过 20kHz 的高频信号，人耳就听不见了。为了解决这个矛盾，只有采用把音频信号“搭乘”在高频载波上，也就是,调制,，借助于高频电磁波将低频信号发射出去，传向远方。,2,3,在调制过程中，一般载波都采用高频正（余）弦波，则根据正（余）弦载波的三要素：幅值、频率和相位，随调制信号而变化的过程，可以分为,基本概念,调制:,使一个高频信号的某些参数在另一个缓变信号 的控制下发生变化的过程；,载波:,参数希望改变的高频信号；,调制信号：,也叫控制信号，通常是缓变信号；,已调波：,经过调制以后的高频信号,解调：,从高频已调波中取出原调制信号的反调制过程。,调幅,（AM）,、调频,（FM）,和调相,（PM）,三种调制方式。,其波形分别称为调幅波、调频波和调相波。,4,调幅,就是用调制信号去控制高频载波信号的幅值。常用的是线性调幅，即让调幅信号的幅值按调制信号线性函数变化。,调幅与解调,注意相位反向,调制信号,载波,调幅波,5,调幅过程:,用调制信号去控制高频载波信号的幅值，则调幅波为,二、调幅与解调（定性分析）,结果相当于在频域把原信号频谱图形由原点“搬移”到载波频率,fz,处，而幅值减半。这就是调幅过程,则调幅波的频谱分析如下,傅里叶变换定理,6,则调幅波的频谱分析如下,利用傅立叶变换得频移性质,7,8,对上式两边做傅立叶变换，得,同步解调过程：,把调幅波,x,m,(,t,)再次与载波,z,(,t,)信号相乘,9,同步解调,(a)调幅波频谱,(b)载波信号频谱,(c)同步解调后频谱,(d)调制信号频谱,0,),(,f,X,m,f,-,m,f,1,m,f,2,),(,f,Y,0,0,f,-,0,f,10,为保证频移后的频谱不失真，载波频率f,z,必须高于,两倍,原信号中的最高频率f,m，,才能使已调制波仍能保持原信号的频谱图形，不致重叠。,通常取数倍至数十倍的,fm。,F,z,10,f,m,注意事项：,当载波频率fz较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠。,11,解调方法2：偏置调幅与包络检波,包络检波法要求调制信号x(t)具有单极性，即要求x(t)0.如果x(t)是过零的双极性信号，可以通过偏置调幅的方法获得单极性的调幅波.,过调失真,12,包络检波法的最大优点是不需要传送同步载波信号，检波电路非常简单。但是包络检波有两个问题：一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。第二，包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信号的能力。对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。,为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路,包络检波法的优缺点,13,解调方法3：(二极管相敏检波电路),相敏检波要求引入调制时的载波信号，与调幅波进行比较，,既能反映原信号的幅值，又能反映其极性。,调制信号,调幅波,调制信号过零点处，高频载波相位有180突变-载波反相点,14,差动相敏检波电路的工作原理,参考,：,互感型（差动变压器式）传感器（P45）,15,当位移,x0时，Xm与Z,同频同相，当,x0时（0,t,l,时间内），,x,m,(,t,)与,z,(,t,)同相。若,x,m,(,t,)0，,z,(,t,)0，则二极管,D,1、,D,2导通，在负载上形成两个电流回路：,faD1begf,及,fgebD2cf,，其中回路1在负载电容,C,及电阻,R,f,上产生的输出为,回路2在负载电容C及电阻,Rf,上产生的输出为,总输出：,u,f,(,t,)=,u,f,1,(,t,)+,u,f,2,(,t,)=,x,m,(,t,),+,+,-,-,B的二次边输出远大于A的二次边输出,16,若,x,m,(,t,)0，,z,(,t,)0,时,(0,t,1,),，,y,m,(,t,),与,z,(,t,),同相，检波器输出,u,f,(,t,)0,x,(,t,)0,时,(,t,1,t,2,),，,ym,(,t,),与,z,(,t,),反相，检波器输出,u,f,(,t,)0时，无论调制波是否为正，相敏检波器的输出波形均为正，即保持与调制信号极性相同。同时可知，这种电路相当于在0,t,1段对,x,m,(,t,)全波整流，故解调后的频率比原调制波高一倍,当调制信号,x,(,t,)0时(,t,l,t,2时间内)，,x,m,(,t,)与,z,(,t,)反相，同样可以分析得出：,x,(,t,)0时，不管调制波极性如何，相敏检波器的输出波形均为负，保持与,x,(,t,)一致。同时，电路在,t,l,t,2段相当于对,x,m,(,t,)全波整流后反相，解调后的频率为原调制波的二倍。,综上所述，调幅波经相敏检波后，得到一随原调制信号的幅值与相位变化而变化的高频波,uf,(,t,)，该波形的包络线即是所需要的信号，再经过适当频带的低通滤波，即可获得与调制信号一致的信号。,19,动态电阻应变仪,20,调频是用低频调制信号去控制高频载波的频率变化，使其,随调制信号的幅度变化而变化,。由于调频比较容易实现数字化，特别使再传送过程中不易受到干扰，所以在测量、通信和电子技术的许多领域中得到了越来越广泛的应用。,调频波与调制信号幅值的关系,调频与解调,21,调频原理,x,(,t,)=,X,0,cos2,m,t,调制信号,载波信号,调频时,z,0,和,0,保持不变,调频波的瞬时角频率,f,(,t,)围绕着,f0,随调制信号作线性的变化，即,f,(,t,)=,f,0,+,f,=,f,0,+,K,FM,x,(,t,),=,f,0,+,(,K,FM,X,0,),cos2,m,t,K,FM,为频率调制指数，或称频率调制灵敏度,z,(,t,)=,Z,0,cos(2,f,0,t,+,0,),调频信号的,瞬时相位(,t,),是瞬时角频率2,f,(,t,),对时间的积分,即,得到调频波的,瞬时表达式,22,调频波的解调可采用鉴频器,，下图为其等效框图,首先对调频波,x,FM,(,t,)进行微分,表明，经过微分后，其幅度和频率都携带了调制信号,x,(,t,)的信息，因此可以用,包络检波器检出幅值的包络线信号,隔去直流分量后，可得到信号,它正比于测试信号x(t),也即完成了解调（鉴频）的过程。,23,测量小范围变化参数时，,可采用谐振调频方式，即将电容,C,或电感,L,直接作为,LC,自激振荡器谐振回路的一个调谐参数，使振荡器按照被测信号规律变化。,振荡器的初始频率,：,谐振电路作调频器,变容二极管,调制信号,谐振电路,谐振调频与鉴频,24,电容变化为,C,，则此时振荡频率为,当,C,调频调幅波幅值检波,对不同频率信号呈现不同的阻抗,28,sin2,0,t=j/2(e,-j2,0,t,-e,j2,0,t,),cos2,0,t=1/2(e,-j2,0,t,+e,j2,0,t,),sin2,o,t j/2(+,0,)-(,-,0,),cos2,o,t 1/2(+,0,)+(,-,0,),根据傅氏变换的频移性质（P129）,e,j2,0,t,(,-,0,),正、余弦函数的频谱,29,