调制与解调幅度调制与解调过程课件

第五章第五章 信号调理技术信号调理技术信号调理的目的信号调理的目的信号调理的目的信号调理的目的传感器传感器传感器传感器信号放大电路信号放大电路信号放大电路信号放大电路调制解调电路调制解调电路调制解调电路调制解调电路滤波电路滤波电路滤波电路滤波电路第五章信号调理技术信号调理的目的1 1 目的目的 解决微弱缓变信号的放大以及解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。信号的传输问题。5.4调制与解调1目的解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输 先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。输出信号中取出放大了的缓变信号。例：交流电桥例：交流电桥VinVoR1R3R2R4先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交调制与解调调制与解调2 2 种类种类调制信号调制信号x(t)x(t)0 0t t载波信号载波信号z(t)z(t)0 0t t调制与解调2种类调制信号x(t)0t载波信号z(t)0t调制与解调调制与解调a)a)幅度调制幅度调制(AM)(AM)b)b)频率调制频率调制(FM)(FM)c)c)相位调制相位调制(PM)(PM)调制与解调a)幅度调制(AM)b)频率调制(FM)c)调制与解调调制与解调3 3 幅度调制幅度调制 调调幅幅是是将将一一个个高高频频正正弦弦信信号号（或或称称载载波波）与与测测试试信信号号相相乘乘，使使载载波波信信号号幅幅值值随随测测试试信信号号的的变化而变化变化而变化缓变信号缓变信号调制调制高频信号高频信号放大放大放大高放大高频信号频信号解调解调放大缓放大缓变信号变信号调制与解调3幅度调制调幅是将一个高频正弦信号（调制与解调调制与解调幅度调制与解调过程（波形分析）幅度调制与解调过程（波形分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)调制与解调幅度调制与解调过程（波形分析）乘法器放大器x(t)调制与解调调制与解调幅度调制与解调过程（频谱分析）幅度调制与解调过程（频谱分析）乘法器乘法器放大器放大器x(tx(t)z(tz(t)x x m m(t)(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(tz(t)x(tx(t)调制与解调幅度调制与解调过程（频谱分析）乘法器放大器x(t)调制与解调调制与解调幅度调制与解调过程（数学分析）幅度调制与解调过程（数学分析）乘法器乘法器放大器放大器x(tx(t)z(tz(t)x x m m(t)(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(tz(t)x(tx(t)调制与解调幅度调制与解调过程（数学分析）乘法器放大器x(t)调制与解调调制与解调实验：同步调制与解调实验实验：同步调制与解调实验 上述调制方法，将信号上述调制方法，将信号x(t)x(t)直接与载波直接与载波z(t)z(t)相乘相乘这种调幅波具有极性变这种调幅波具有极性变化，解调时必须再乘与化，解调时必须再乘与z(t)z(t)相位相同的相位相同的z z(t)(t)方能复原出原信号，故称方能复原出原信号，故称同步解调同步解调 调制与解调实验：同步调制与解调实验上述调制方法，将信号x(调制与解调调制与解调非抑制调幅非抑制调幅 若对信号若对信号x(t)x(t)进行偏置，叠加一个直流分量进行偏置，叠加一个直流分量D D，使偏置后的信号都具有正电压。，使偏置后的信号都具有正电压。调制与解调非抑制调幅若对信号x(t)进行偏置，叠加一个调制与解调调制与解调调幅调幅调制与解调调幅调制与解调调制与解调解调解调二极管检波二极管检波低通滤波低通滤波调制与解调解调二极管检波低通滤波 调制与解调调制与解调调幅波的波形失真调幅波的波形失真a a）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则置必须足够大，否则x(t)x(t)的相位将发生的相位将发生180180。调制与解调调幅波的波形失真a）过调失真：对于非抑制调幅，要 调制与解调调制与解调b)b)重叠失真：调幅波是由一对每边为重叠失真：调幅波是由一对每边为fmfm的双边带信的双边带信号组成当载波频率号组成当载波频率fzfz较低时，正频端的下边带将较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠要求与负频端的下边带相重叠要求:fz fzfm fm 调制与解调b)重叠失真：调幅波是由一对每边为fm的双边带信调制与解调调制与解调4 4 频率调制频率调制 调调频频是是利利用用信信号号x(t)x(t)的的幅幅值值调调制制载载波波的的频频率率，或或者者说说，调调频频波波是是一一种种随随信信号号x(t)x(t)的的电电压压幅值而变化的疏密度不同的等幅波幅值而变化的疏密度不同的等幅波.调制与解调4频率调制调频是利用信号x(t)的幅值调制与解调调制与解调调制与解调调制与解调调制与解调鉴频：鉴频：T1T2T3T4F调制与解调鉴频：T1T2T3T4F调制与解调调制与解调优点：抗干扰能力强。优点：抗干扰能力强。调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的所要求带宽的2020倍；调频系统较之调幅系统复倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制足一种非线性调制。杂，因为频率调制足一种非线性调制。因为调频信号所携带的信息包含在频率变化因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中要表现在振幅之中 缺点：占频带宽度大，复杂缺点：占频带宽度大，复杂调制与解调优点：抗干扰能力强。调频波通常要求很宽的频 调制与解调调制与解调案例：案例：铁路机车调度铁路机车调度 信号检测信号检测调制频率调制频率8.6Hz8.6Hz，绿灯，绿灯调制频率调制频率23.6Hz23.6Hz，红灯，红灯调制与解调案例：铁路机车调度调制频率8.6Hz，绿灯调制与解调幅度调制与解调过程课件调制与解调幅度调制与解调过程课件调制与解调幅度调制与解调过程课件调制与解调幅度调制与解调过程课件调制与解调幅度调制与解调过程课件调制与解调幅度调制与解调过程课件调制与解调幅度调制与解调过程课件调制与解调幅度调制与解调过程课件 滤波器是一种选频装置，可以使滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分衰减其他频率成分5.5 5.5 信号的滤波信号的滤波滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过按照电气和电子工程师学会按照电气和电子工程师学会(IEEE)(IEEE)制定的频谱划分制定的频谱划分低频频率为低频频率为30300kHz30300kHz，中频频率为中频频率为3003000kHz3003000kHz，高频频率为高频频率为330MHz330MHz，频率范围在频率范围在30300MHz30300MHz的为甚高频，的为甚高频，在在3001000MHz3001000MHz的为特高频。的为特高频。相对于低频信号，高频信号变化非常快、有突相对于低频信号，高频信号变化非常快、有突变；低频信号变化缓慢、波形平滑。变；低频信号变化缓慢、波形平滑。按照电气和电子工程师学会(IEEE)制定的频谱划分相对于低频1 1 理想滤波器理想滤波器 理理想想滤滤波波器器是是指指能能使使通通带带内内信信号号的的幅幅值值和和相相位位都都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。fcH(f)fQ(f)1理想滤波器理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和理想滤波器的物理不可实现理想滤波器的物理不可实现 理理想想滤滤波波器器在在时时域域内内的的脉脉冲冲响响应应函函数数 h h（t t）为为 sincsinc函函数数。脉脉冲冲响响应应的的波波形形沿沿横横坐坐标标左、右无限延伸。左、右无限延伸。给理想滤波器一个脉冲激励，在给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0t=0时刻单时刻单位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了。位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了。故物理不可实现。故物理不可实现。fcH(f)理想滤波器的物理不可实现理想滤波器在时域内的脉2 2 实际滤波器实际滤波器 理理想想滤滤波波器器是是不不存存在在的的，实实际际滤滤波波器器幅幅频频特特性中通带和阻带间没有严格界限性中通带和阻带间没有严格界限,，存在过渡带。，存在过渡带。0fA2实际滤波器理想滤波器是不存在的，实际滤波器0 0f ff fc1c1f fc2c2A A0 00.707A0.707A0 01)1)截止频率截止频率fcfc：0.707A0.707A0 0所对应的频率所对应的频率 d d2)2)纹波幅度纹波幅度d d：绕绕幅频特性均值幅频特性均值A A0 0波动值波动值3)3)带宽带宽B B和品质因数和品质因数Q Q：下两截频间的频率范围称下两截频间的频率范围称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数 。B BQ Q=W W0 0/B/B0ffc1fc2A00.707A01)截止频率fc：0.703 3 滤波器分类滤波器分类 1 1）：通带和阻带的分布不同）：通带和阻带的分布不同 3滤波器分类1）：通带和阻带的分布不同滤波器的串滤波器的串/并联并联 低低通通滤滤波波器器和和高高通通滤滤波波器器是是滤滤波波器器的的两两种种最最基基本本的的形形式式，其其它它的的滤滤波波器器都都可可以以分分解解为这两种类型的滤波器。为这两种类型的滤波器。滤波器的串/并联低通滤波器和高通滤波器是2 2）：按滤波器以何种方法逼近理想滤波器来分，）：按滤波器以何种方法逼近理想滤波器来分，（1 1）巴特沃斯滤波器）巴特沃斯滤波器特点：而不考虑相频特性，具有最大平坦幅度特性，特点：而不考虑相频特性，具有最大平坦幅度特性，即在其通带和阻带内的幅频特性都没有起伏变化即在其通带和阻带内的幅频特性都没有起伏变化 2）：按滤波器以何种方法逼近理想滤波器来分，（1）巴特沃斯滤（2 2）：切比雪夫滤波器）：切比雪夫滤波器是是决定通带波纹大小的系数决定通带波纹大小的系数，纹波的产生是由于实际滤纹波的产生是由于实际滤波网络中含有电抗元波网络中含有电抗元件；件；T Tn n为为第一类切贝雪夫多项式第一类切贝雪夫多项式。切比切比雪夫滤波器雪夫滤波器的特点是幅频特性在通带内呈等波纹起伏，而的特点是幅频特性在通带内呈等波纹起伏，而在阻带内则呈单调下降。在阻带内则呈单调下降。（2）：切比雪夫滤波器是决定通带波纹大小的系数，纹波的产生（3 3）：贝塞尔滤波器）：贝塞尔滤波器 又又称称最最平平时时延延或或恒恒时时延延滤滤波波器器。其其相相移移和和频频率率成成正正比比，即即为为线线性性关关系系，但但是是由由于于它它的的幅幅频频特特性性欠欠佳佳，因因而而限限制制了了它它的的应用应用。（3）：贝塞尔滤波器又称最平时延或恒时延滤波器。其相3 3）：按处理信号的性质）：按处理信号的性质4 4）：按电路组成）：按电路组成无源滤波器和有源滤波器无源滤波器和有源滤波器模拟滤波器和数字滤波器两大类。模拟滤波器和数字滤波器两大类。5 5）:按传递函数的微分方程阶次：按传递函数的微分方程阶次：一阶滤波器、二阶滤波器和高阶滤波器一阶滤波器、二阶滤波器和高阶滤波器 3）：按处理信号的性质4）：按电路组成无源滤波器和有源滤波器一阶和二阶滤波器的传递函数一阶和二阶滤波器的传递函数阶次阶次低通低通高通高通带通带通带阻带阻一阶一阶二阶二阶一阶和二阶滤波器的传递函数阶次低通高通带通带阻一阶二阶4 RC4 RC无源滤波器无源滤波器 在在测测试试系系统统中中，常常用用RCRC滤滤波波器器。因因为为这这一一领领域域中中信信号号频频率率相相对对来来说说不不高高。而而RCRC滤滤波波器器电电路路简简单单，抗抗干干扰扰强强，有有较较好好的的低低频频性性能能，并并且且选选用用标标准阻容元件准阻容元件 。1)1)一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器4RC无源滤波器在测试系统中，常用RC滤波器调制与解调幅度调制与解调过程课件2)2)一阶一阶RCRC高通滤波器高通滤波器 2)一阶RC高通滤波器3)RC3)RC带通滤波器带通滤波器 可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联 3)RC带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联5 5 模拟有源滤波器模拟有源滤波器 1)1)压控电压源型滤波电路压控电压源型滤波电路 5模拟有源滤波器1)压控电压源型滤波电路有限增益有限增益LPF有限增益LPF有限增益高通滤波器有限增益高通滤波器有限增益高通滤波器有限增益带通滤波器有限增益带通滤波器有限增益带通滤波器有限增益带阻滤波器有限增益带阻滤波器有限增益带阻滤波器6 6：开关电容滤波器：开关电容滤波器 开关电容滤波器的基本原理是采用开关和电容来开关电容滤波器的基本原理是采用开关和电容来取代传统取代传统RCRC有源滤波器中的电阻，而等效电阻的阻有源滤波器中的电阻，而等效电阻的阻值由开关频率来决定。值由开关频率来决定。6：开关电容滤波器开关电容滤波器的基本原理是采用开关（a）一阶低通滤波器；b）等效开关电容滤波器（a）一阶低通滤波器；b）等效开关电容滤波器(1)(1)当时钟频率一定时，开关电容滤波器的特性仅取决于当时钟频率一定时，开关电容滤波器的特性仅取决于电容的比值。由于采用了特种工艺，这种电容的比值精度电容的比值。由于采用了特种工艺，这种电容的比值精度可达可达0.010.01，并且具有良好的温度稳定性。，并且具有良好的温度稳定性。(2)(2)当电路结构确定之后，开关电容滤波器的特性仅与时当电路结构确定之后，开关电容滤波器的特性仅与时钟频率有关，改变时钟频率即可改变其滤波器特性。钟频率有关，改变时钟频率即可改变其滤波器特性。(3)(3)开关电容滤波器可直接处理模拟信号，而不必像数字开关电容滤波器可直接处理模拟信号，而不必像数字滤波器那样需要滤波器那样需要A/DA/D、D/AD/A变换，简化了电路设计，提高了变换，简化了电路设计，提高了系统的可靠性。此外，由于系统的可靠性。此外，由于MOSMOS器件在速度、集成度、相器件在速度、集成度、相对精度控制和微功耗等方面都有独特的优势，为开关电容对精度控制和微功耗等方面都有独特的优势，为开关电容滤波器电路的迅猛发展提供了很好的条件。滤波器电路的迅猛发展提供了很好的条件。开关电容滤波器的特点开关电容滤波器的特点(1)当时钟频率一定时，开关电容滤波器的特性仅取决于电容的比7 7 滤波器的应用滤波器的应用超门限报警超门限报警案例：案例：旅游索道钢缆检测旅游索道钢缆检测7滤波器的应用超门限报警案例：旅游索道钢缆检测5.5信号的滤波信号的滤波由案例提炼的典型实验：由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤钢管无损探伤滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警5.5信号的滤波由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤滤除案例：机床轴心轨迹的滤波处理案例：机床轴心轨迹的滤波处理 滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律案例：机床轴心轨迹的滤波处理滤除信号中的高频噪声，以便于观