第5章 信号的中间转换与记录2调制解调

1、0广播电台广播电台的发射塔的发射塔 搭搭+载载调制调制Modulation调制与解调调制与解调1为什么要调制与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号，如果采用直接放大、传送，则在传输过程中容易受到工频（工频（50Hz50Hz或或60Hz60Hz的市电频率）及其他信号的干扰。为了的市电频率）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，往往采用先调抑制干扰信号

2、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，信号，将它从低频区推移到高频区，因为高频信号不容易因为高频信号不容易受到外界工频信号的干扰，受到外界工频信号的干扰，由此可以提高电路的抗干扰能由此可以提高电路的抗干扰能力和信号的信噪比。力和信号的信噪比。2 要使信号的能量以电场和磁场的形式向空中发射出去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

3、度相匹配。语言或音乐化；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地，它们的波长又太大，即使选用它的最高频率 20000Hz 20000Hz 来计算，其波长仍为来计算，其波长仍为 15000m 15000m ，实际上是不可能架设这么，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。可是超过短波长。可是超过 20kHz 20kHz 的高频信号，人耳就听不见了。的高频信号，

4、人耳就听不见了。为了解决这个矛盾，只有采用把音频信号为了解决这个矛盾，只有采用把音频信号“搭乘搭乘”在高频在高频载波上，也就是载波上，也就是调制调制，借助于高频电磁波将低频信号发射，借助于高频电磁波将低频信号发射出去，传向远方。出去，传向远方。 34在调制过程中，一般载波都采用高频正（余）弦波，则在调制过程中，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，可以分为调制信号而变化的过程，可以分为基本概念基本概念调制调制: : 使一个高频信号的某些参数在另一个缓变信号使一个高频信号的某些参数在

5、另一个缓变信号 的控制下发生变化的过程；的控制下发生变化的过程；载波载波: : 参数希望改变的高频信号；参数希望改变的高频信号；调制信号：调制信号： 也叫控制信号，通常是缓变信号；也叫控制信号，通常是缓变信号；已调波：已调波： 经过调制以后的高频信号经过调制以后的高频信号解调：解调： 从高频已调波中取出原调制信号的反调制过程。从高频已调波中取出原调制信号的反调制过程。 调幅调幅（AMAM）、调频、调频（FMFM）和调相和调相（PMPM）三种调制方式。三种调制方式。其波形分别称为调幅波、调频波和调相波。其波形分别称为调幅波、调频波和调相波。 5调幅调幅就是用调制信号去控制高频载波信号的幅值。常用

6、的是线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。性调幅，即让调幅信号的幅值按调制信号线性函数变化。调幅与解调调幅与解调注意注意相位相位反向反向调制信号调制信号载波载波调幅波调幅波6调幅过程调幅过程: :用调制信号去控制高频载波信号的幅值，则调幅波为用调制信号去控制高频载波信号的幅值，则调幅波为su二、调幅与解调（定性分析）二、调幅与解调（定性分析） 0cos2mxtx tf t结果相当于在频域把原信号频谱图形由原点结果相当于在频域把原信号频谱图形由原点“搬移搬移”到载波频率到载波频率fzfz处，而幅值减半。处，而幅值减半。 这就是调幅过

7、程这就是调幅过程 则调幅波的频谱分析如下则调幅波的频谱分析如下傅里叶变换傅里叶变换定理定理7则调幅波的频谱分析如下则调幅波的频谱分析如下 0 ( )cos2mmyfF xtF x tf t利用傅立叶变换得频移性质利用傅立叶变换得频移性质0022001 ( ( )( )211( )()()22jf tjf tFx t ex t eX fffff 001122X fffX fff0011()()22X ffff89tf02cos )(tym)(21txtftx02cos)()4cos1 (21)(0tftxtf02costftx04cos)(21)2()2(41)(21)(2cos2cos)()(

8、0000ffXffXfXfYtftftxtymm对上式两边做傅立叶变换，得对上式两边做傅立叶变换，得 同步解调过程：同步解调过程：把调幅波把调幅波x xmm( (t t) )再次与载波再次与载波z z( (t t) )信号相乘信号相乘 10同步解调同步解调02 fmfmf(a)调幅波频谱调幅波频谱(b)载波信号频谱载波信号频谱(c)同步解调后频谱同步解调后频谱(d)调制信号频谱调制信号频谱0)( fXmfmf1mf2)( fY00f0f11为保证频移后的频谱不失为保证频移后的频谱不失真，载波频率真，载波频率f fz z 必须高必须高于于两倍两倍原信号中的最高频原信号中的最高频率率f fmm，才

9、能使已调制波仍才能使已调制波仍能保持原信号的频谱图形，能保持原信号的频谱图形，不致重叠。不致重叠。通常取数倍至通常取数倍至数十倍的数十倍的fmfm。Fz10fm注意事项：注意事项：当载波频率当载波频率fzfz较低时，正较低时，正频端的下边带将与负频频端的下边带将与负频端的下边带相重叠。端的下边带相重叠。12解调方法解调方法2：偏置调幅与包络检波：偏置调幅与包络检波 包络检波法要求调制信号包络检波法要求调制信号x(t)具有单极性，即要求具有单极性，即要求x(t)0.如果如果x(t)是过零的双极性信号，可以通过偏置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调幅的方法获得单极性的调

10、幅波. 过调失真过调失真13 包络检波法的最大优点是不需要传送同步载波信号，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，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

11、号，这就是说它不具有鉴别信号整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。的能力。为了使检波电路具有判别信号相位和频率的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包络检波法的优缺点14解调方法解调方法3：(二极管相敏检波电路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，与调幅波进行比相敏检波要求引入调制时的载波信号，与调幅波进行比较，较，既能反映原信号的幅值，又能反映其极性。既能反映原信号的幅值，又能反映其极性。 调制信号调制信号调幅波调幅波调制信号过零点处，高频载波调制信号过零点处

12、，高频载波相位有相位有180突变突变-载波反相点载波反相点15差动相敏检波电路的工作原理差动相敏检波电路的工作原理 参考参考：互感型（差动变压器式）传感器（互感型（差动变压器式）传感器（P45） 16当位移当位移x0 x0时，时，XmXm与与Z Z同频同相，当同频同相，当x0时（时（0tl时间内），时间内），xm(t)与与z(t)同同相。若相。若xm(t)0，z(t)0，则二极管则二极管D1、D2导通，导通，在负载上形成两个电流回在负载上形成两个电流回路：路：faD1begf及及fgebD2cf，其中回路，其中回路1在负载电在负载电容容C及电阻及电阻Rf上产生的输上产生的输出为出为 221tx

13、tztumf回路回路2在负载电容在负载电容C及电阻及电阻Rf上产上产生的输出为生的输出为 222txtztumf总输出：总输出：uf(t)=uf1(t)+uf2(t)=xm(t) +-B的二次边输出远大于的二次边输出远大于A的二次边输出的二次边输出17若若xm(t)0，z(t)0时时(0t1)， ym(t)与与z(t)同相，检波器输出同相，检波器输出uf(t)0 x(t)0时时(t1t2)， ym(t)与与z(t)反相，检波器输出反相，检波器输出uf(t)0时，无论调制波是否为正，相敏检时，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。同波器的输出波形均为正，即保持

14、与调制信号极性相同。同时可知，这种电路相当于在时可知，这种电路相当于在0t1段对段对xm(t)全波整流，故解全波整流，故解调后的频率比原调制波高一倍调后的频率比原调制波高一倍 当调制信号当调制信号x(t)0时时(tlt2时间内时间内)，xm(t)与与z(t)反相，同反相，同样可以分析得出：样可以分析得出：x(t)0时，不管调制波极性如何，相敏时，不管调制波极性如何，相敏检波器的输出波形均为负，保持与检波器的输出波形均为负，保持与x(t)一致。同时，电路一致。同时，电路在在tlt2段相当于对段相当于对xm(t)全波整流后反相，解调后的频率全波整流后反相，解调后的频率为原调制波的二倍。为原调制波的

15、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幅值与相位变化而变化的高频波uf(t)，该波形的包络线即，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。与调制信号一致的信号。20动态电阻应变仪动态电阻应变仪21调频是用低频调制信号去控制高频载波的频率变化，使其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随调制信号的幅度变化而变化。由于调频比较容易实现数。由于调频比较容易实现数字化，特别

16、使再传送过程中不易受到干扰，所以在测量、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。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波与调制信号幅值的关系调频与解调调频与解调22调频原理调频原理x(t)= X0cos2mt 调制信号调制信号 载波信号载波信号 调频时调频时z0和和0保持不变保持不变, 调频波的瞬时角频率调频波的瞬时角频率f(t)围绕着围绕着f0随随调制信号作线性的变化，即调制信号作线性的变化，即 f(t)= f0+f =f0+KFMx(t) = f0+(KFMX0)cos2mt KFM为频率

17、调制指数，或称频率调制灵敏度为频率调制指数，或称频率调制灵敏度 z(t)=Z0cos(2f0t+0) 调频信号的调频信号的瞬时相位瞬时相位(t)是瞬时角频率是瞬时角频率2f(t)对时间的积分对时间的积分,即即 000000002222)(tFMtFMtdxKtfdxKfdft得到调频波的得到调频波的瞬时表达式瞬时表达式 0000022coscostFMFMdxKtfZtZtx23调频波的解调可采用鉴频器调频波的解调可采用鉴频器，下图为其等效框图，下图为其等效框图 首先对调频波首先对调频波xFM(t)进行微分进行微分 00000000022sin)(2222cos)(tFMFMtFMFMdxKt

18、ftxKfZdxKtfZdtddttdx表明，经过微分后，其幅度和频率都携带了调制信号表明，经过微分后，其幅度和频率都携带了调制信号x(t)的信息，的信息，因此可以用因此可以用包络检波器检出幅值的包络线信号包络检波器检出幅值的包络线信号 )(2)(00txKfZtxFMb隔去直流分量后，可得到信号隔去直流分量后，可得到信号 txKZtxFMd2)(0它正比于测试信号它正比于测试信号x(t),也即完成了解调（鉴频）的过程。也即完成了解调（鉴频）的过程。 24测量小范围变化参数时，测量小范围变化参数时，可采用谐振调频方式，即将电容可采用谐振调频方式，即将电容C或或电感电感L直接作为直接作为LC自激振荡器谐振回路的一个调谐参数，使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。振荡器按照被测信号规律变化。振荡器的初始频率振荡器的初始频率： 0021LCf谐振电路作调频器谐振电路作调频器 变容二极管变容二极管调制信号调制信号 谐谐振振电电路路 谐振调频与鉴频谐振调频与鉴频 25电容变化为电容变化为C，则此时振荡频率为，则此时振荡频率为 00000/11/11121121CCfCCLCCCLf当当C调频调幅波调频调幅波幅值检波幅值检波对不同频对不同频