湘潭大学信号与系统课程学习论文

1、湘潭大学信号与系统课程学习论文学院:物理与光电工程学院专业：测控技术与仪器标题：我身边的频谱搬移姓名：尹孟琪 刘涛 孟繁朴黄枫 朱玥任课老师：曾金芳日期:2016年12月1日目录第一章 频谱搬移 1 频谱搬移概况 2频谱搬移的两种应用 2.1调制与解调1 2.2混频电路2.3频谱搬移的目的和意义第二章 频谱搬移的应用技术 1 高分辨率激光成像技术2 1.1 AFT成像技术 1.2“频谱搬移法” 1.3两种高分辨率激光成像技术比较 2 收音机混频电路3 2.1混频电路的功用 2.2混频器 2.3超外差收音机 2.4混频如何改善收音机的其性能 2.5收音机提高性能的方法 3 二次调频一伪码调相复合

2、信号的伪码盲估计4 4 利用频谱搬移控制语音转换中的共振峰5 摘要： 随着时代发展，通讯事业进步，学术应用更加广泛，频谱搬移遍布在我们周围的角角落落。本文中的频谱搬移主要从两个应用电路接近我们生活。一个是调制和解调应用电路，信号的调使得制解调使得生活中的噪声和干扰得到有效抑制。另一个就是混频电路，混频电路的应用则使得不能直接得到的频率经过混频得到我们所需的信号频率。频谱搬移也广泛应用于各种科技，例如：激光成像技术应用于雷达，数字电视信号的接收；收音机中的混频器，广播信号的处理；改善收音机在灵敏度、选择性、稳定性方面的性能；进行伪码扫盲，控制语音转换中的共振峰。关键词：频谱搬移、混频电路、应用、

3、调制解调第一章 频谱搬移1频谱搬移概况 频谱搬移就是在发射端将调制信号从低频端搬移到高频端, 便于天线发送或实现不同信号源,不同系统的频分复用。频分复用即利用正弦幅度调制把相互重叠信号的频谱在频率上进行搬移，使这些已调信号的频谱不再重叠，从而能够在同一个宽带信道上同时传输这些信号。频谱搬移的实质就是要产生两个不同频率（w1,w2）的信号的和频（w1+w2）信号和（或）差频（w1-w2）信号。2频谱搬移的两种应用2.1调制与解调1 根据所控制信号的信号参量不同，调制可分为：调幅，调频，调相。而调幅是测量中最常用的调制方式。调幅就是用调制信号X去控制高频载波信号的幅值。其中线性调幅就是让调幅信号的

4、幅值按调制信号X的线性函数变化。线性调幅信号Us一般表达式为式中 ：载波信号的角频率：调幅信号中载波信号的幅值：调制度当调制信号为时，调幅信号可写为：它包含三个不同的频率的信号：角频率为的载波信号，和角频率分别为的上下边频。为了提高功率的利用率，只保留两个边频信号，称为双边带调制。根据上式，可以得到该调幅信号的频谱图：频谱图由上述频域图可知，双边带调幅信号的频谱调制过程就是将调制信号的频谱不失真的搬移到载波频谱的两边，其实质是一种线性频谱搬移过程。根据调幅的定义，当载波的振幅值随低频调制信号的大小作线性变化时，即为调幅信号，则已调波的波形如下图（c）所示，图（a）、（b）则分别为调制信号和载波

5、的波形。由图可见已调幅波振幅变化的包络形状与调制信号的变化规律相同，而其包络内的高频振荡频率仍与载波频率相同，表明已调幅波实际上是一个高频信号。所谓调制，其实就是将低频信号加载到高频信号上。为了提高信号频率，以便天线将信号辐射出去，所以通常采用调制。解调就是调制的逆过程，它的作用是从已调波信号中取出原来的调制信号。从频谱上看，解调就是将调幅波中的边带信号不失真地从载频附近搬移到零频附近。 对于幅度调制来说，解调是从它的幅度变化提取调制信号的过程。即从调制后的载波中分离出音乐或语言信号。2.2混频电路混频电路就是两个不同频率的信号同时加载在一个非线性响应的器件上，会在输出负载上产生两个信号频率的

6、成分，除此以外，还有两个频率任意线性组合的频率成分，这个现象叫混频。在应用中利用两个信号频率之差的输出，称为基波下变频，这种情况比较普通。合理设计的电路可以压制除此之外的其他频率成分输出，获得较高的能量转换效率，即混频效率。混频器通常由非线性元件和选频回路构成。混频器常用于解调，例如将音频信号从微波载波上“卸”下来，只要将调制信号与载波信号进行混频，取出差频成分即可。一般用混频器产生中频信号：混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频其中，为信号频率量，为本振频率量。当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。

7、由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记录下来，就得到了被测信号的频谱。从频谱观点看，混频的作用就是将已调波的频谱不失真地从搬移到中频的位置上，因此，混频电路是一种典型的频谱搬移电路，可以用相乘器和带通滤波器来实现这种搬移。混频电路原理图如下图 图（d） 2.3频谱搬移的目的和意义随着无线电通讯的日益发展和其应用的愈加广泛性，无线通讯的实现是社会的必然产物。而无线通讯是以电磁波为载体，天线的作用是用来发送和接收电磁波，从电磁波的理论可以知道，天线的

8、尺寸和电磁波的波长差不多时，才可以获得较高的发射效率，所以，需要把信号调制到较高的频率，以得到较小的天线尺寸。这个时候，频谱搬移就发挥了巨大作用。由于频谱搬移的目的就是：1)使天线大小正比于波长，搬到高频减少波长缩小天线尺寸。2) 频分复用：把不同用户的信道放到不同频率上，这样可以一起传，提高效率。所以频谱搬移是应社会通讯发展，科技进步而生。第二章 频谱搬移的应用技术1 高分辨率激光成像技术21.1 AFT成像技术现有的激光成像雷达均采用传统的成像技术，分辨率受到衍射极限的限制，且作用距离较短，一般在几公里到几十公里。为了实现远距离高分辨率成像，发展了一种新型的激光成像技术。这种新型的主动式激

9、光成像技术利用AFT（主动式傅里叶望远术）成像技术，可以对深空暗弱目标进行成像，其成像方式突出的优点：1、 对激光器的功率及时间相干性要求不高；2、 图像角分辨率比较高；3、 升级方便，为提高图像分辨率及信噪比而付出的代价相对较低； AFT的基本成像原理是：利用三个不同位置处的孔径主动发射激光束照射目标，并在目标表面形成直线干涉条纹。通过调制发射光束的频率实现干涉条纹对目标的扫描，直线干涉条纹扫描目标的过程完成了对目标空间信息的时间调制，接收器接收时间调制信号。回波信号中，解调出幅度和相位信息，利用相位闭合技术得到目标的傅里叶幅度和相位，然后重建目标的图像。AFT技术可以实现对深空暗弱目标的成

10、像，分辨率达到nrad量级。 1.2“频谱搬移法” Lukosz提出：“光学系统所传递信息的自由度不变，即空间带宽积不变。可以通过减小物体空域面积，来增加光学频域带宽”。当时有人提出了一系列的新技术来增加系统的带宽，但这些光路复杂，实现起来比较困难。 “频谱搬移法”是在不增加光学系统带宽的情况下获取高分辨率像的方法，利用余弦条纹对目标图像频谱的搬移搬移作用，使光学系统截止频率外的一部分高频分量通过成像系统，从而获取目标更宽的图像频谱。用多幅条纹场照射目标并分别成像，各条纹空间频率相同而相位按照一定规律变化，对所获得的图像序列进行综合处理，可以将叠加在一起的频谱分量分离开来，并将高频分量恢复到相

11、应的位置，经过变换获得高分辨率的图像。1.3两种高分辨率激光成像技术比较 不同点：1、 AFT利用动态的直线干涉条纹，通过调制激光束之间的频率实现干涉条纹对目标的扫描；“频谱搬移法”利用静态的条纹直线直接照射目标。2、 AFT采用多个发射孔径形成不同空间频率的条纹，条纹分别扫描完成了对目标空间频谱的抽取过程；“频谱搬移法”采用空间频率相同、相位不同的条纹照射，完成对目标空间频谱的搬移作用。3、 AFT采用点探测器阵列，接收到的是光强对时间的信号；“频谱搬移法”采用了面探测器接收信号，对照射条纹后的目标进行成像。4、 ATF处理的是时间信号，从时间信号中调解出多个空间频率点的信息；“频谱搬移法”

12、处理的是多幅图像序列，通过处理多幅图像将重叠在一起的频谱分量分离开，并还原到原始位置。相同点：1、 利用激光束照射目标来获取目标信息；2、 两种成像技术都能获取足够多目标空间频谱信息，进而进行反变换获得目标高分辨率图像。2 收音机混频电路3 2.1混频电路的功用 两个不同频率的信号同时加载在一个非线性响应的器件上会在输出负载上产生两个信号频率的成分以外，还有两个频率任意线性组合的频率成分，这个现象叫混频。在应用中利用两个信号频率之差的输出，称为基波下变频，的情况比较普通。合理设计的电路可以压制除此之外的其他频率成分输出，获得较高的能量转换效率，即混频效率。混频器常用于解调，例如将音频信号从微波

13、载波上“卸”下来，只要将调制信号与载波信号进行混频，取出差频成分即可，这也就是超外差收音机的核心原理。2.2混频器晶体管的基极电压为： 则晶体管的输出电流ic可表示为：若把振幅较大的本振电压看作变化的偏置电压，则晶体管的偏置电压为：此偏置电压为时变的，它使工作点Q沿转移特性曲线上下移动 而另一电压us幅度较小，在其变化范围内，可以近似地认为晶体管处于线性工作状态，即晶体管混频器工作于线性时变工作状态。 晶体管混频器的输出电流为：设输入信号电压为则输出中频电流的振幅与输入信号电压的振幅Usm成正比，即混频后只改变了信号的载频，而其包络不变。利用带通滤波器，滤除无用的谐波及组合频率分量，取出中频信

14、号，即实现了混频。2.3超外差收音机超外差收音机中把接收来的外来信号频率变换为465KHz（或450KHz）的固定中频信号，并通过这种方式来提高收音机的灵敏度及邻道选择性。 因为中频比外来信号频率低且固定不变，中频放大器容易获得比较大的增益，从而提高收音机的灵敏度。在较低而又固定的中频上，还可以用较复杂的回路系统或滤波器进行选频。它们具有接近理想矩形的选择性曲线，因此有较高的邻道选择性。一般来说，如果器件本身即产生振荡信号又实现变频，则称之为变频器；如果器件仅实现变频，振荡信号由其它器件产生则称之为混频器。现在多将它们混为一谈。混频电路实现了信号频谱的搬移，在理论上主要是通过两个信号相乘来实现

15、。如设输入信号，本地振荡信号，a、b代表频率，若在混频器中实现相乘，则输出FiFs*Fo，由三角变换式可知其中含有Cos(a-b)t，从而实现了频谱搬移。2.4混频如何改善收音机的其性能（1）提高灵敏度-中频放大器增益高（2）提高选择性混频、中放的选频作用（3）提高稳定性工作频率降低2.5收音机提高性能的方法： 改善调幅收音机的信噪比是最为重要的，因为这样一方面可以提高音质，另一方面可以大大地提高超远程电台信号的接收，这样才不致于发生噪声信号淹没微弱电台信号的现象。因为在信噪比比较差的情况下，虽然微弱电台信号也被磁棒线圈接收到了，但是它将被噪声信号所严重的干扰，收音机里放出的声音是很大的噪声和

16、微弱的电台信号的叠加。改善调幅收音机信噪比的重要措施就是尽量地提高所接收的电台信号的强度。可以在降低本机固有噪声方面作一些改进，越处于前级的噪声源对整机的信噪比影响越大，因此，应该首先针对高频放大电路或者混频电路作一些改进，首先要考虑的是高频放大三极管或者混频三极管，因为它们是噪声的主要来源，要减小其噪声，应选择噪声系数小的高频三极管；另外混频电路三极管的工作电流也要选择合适，混频电路三极管的工作电流静态工作点调整得太高或太低了都会引起信噪比的恶化。要降低噪声，混频电路三极管的外围电路的电子元件也应该选择低噪声的，比如选择金属膜电阻。对噪声影响较大的主要是在三极管的基极上和发射极上连接的电阻器

17、。中频放大器的噪声对整机的噪声也有一定影响，也应该加以改进。3 二次调频一伪码调相复合信号的伪码盲估计4针对二次调频一伪码调相复合信号的伪码盲估计难题，提出一种基于三次相位函数和频谱搬移的伪码盲估计算法。首先利用平方法消去伪码和信息码的相位突变，针对平方法带来的噪声恶化问题，采用对三次相位函数累加平均的方法估计二、三阶系数，利用估计的高精度系数重构指数项，对原复合信号进行降阶，再对降阶后的信号取实部可得正弦载波与伪码调相的复合信号，最后采用频谱搬移的方法可恢复出原伪码序列。 图1、图2为通过仿真实验给出了基于累加平均的三次相位函数来估计二、三阶系数的性能曲线。图1是的估计性能，从中可看出，当累

18、加平均的次数为10时，均方误差在-1dB时达到最小，且随着信噪比的增大，均方误差保持不变;当累加平均的次数为20时，均方误差-2dB时达到最小，可见适当增大累加平均的次数可改善估计性能，该特性在图2中也清楚地反映出来。图2是的估计性能，从中可以看出随着信噪比的增大，均方误差呈递减趋势，当信噪比大于5dB时递减趋势趋于缓慢，且经过累加平均处理的均方误差小于未累加的。图3给出了信噪比为2 dB时.经过低通滤波后恢复出来的伪码序列波形。码序列与原序列相比.从图中可以看出.恢复出来的伪符号完全相同.只是长度减为原序列的一半，此时该伪码周期对应的信息码为正，当信息码为负时，估计的伪码序列呈反码，这是由信

19、息码的符号影响的。由于恢复伪码时采用了低通滤波器，使得恢复出来的伪码波形的幅值呈现微小波动，但不影响符号的判定，通过下采样及取符号可得伪随机二进序列为-1，1，-1，1，-1，-1，1。 图4是在其他参数不变而子脉冲个数为7和15时的性能曲线，其中正确估计率是指伪码完全估计正确的次数与总次数之比。从图中可以看出，随着信噪比的增大，伪码估计的正确率逐渐增大;在同一信噪比下，子脉冲个数为巧的正确率要远大于子脉冲为7的正确率，比如信噪比为0 dB时，其正确估计率为0.8771高于7个子脉冲的0.5583。为了达到相同的估计性能，子脉冲个数为15的抗噪性能比7个的提高了约8 dB，由此可见当子脉冲个数

20、15时具有更好的估计性能. 图5显示了在子脉冲个数为巧的条件下不同采样频率对伪码估计性能的影响(即信号长度的影响)。从图中可以看出在同一信噪比下，采样频率越大，则信号长度越长，伪码估计的正确率越高，且采样频率大的具有更好的抗噪性能。仿真结果表明，该算法具有可行性，当信噪比大于等于1 dB时，伪码估计的正确率大于0.9，表现出较好的性能。4 利用频谱搬移控制语音转换中的共振峰5在语音信号分析中，语音转换定义为通过算法分析提取语音信号中典型的物理参数，并按照某一规律改变某些参数，将某一个人的语音转换为另一个人的语音，或者改变同一个发音人语音的某些特征。不同说话人在发同一个音节的语音时，虽然耳朵可以感觉到很多不同，但在语音信号中还是有一定规律可循的，可以从反应说话人发音器官生理特性的声学参数中找到这些特定规律，并按照这些规律制定出相应的转