信号调制解调课件

第三章信号调制解调电路

第一节调制解调的功用与类型1、什么是信号调制？

调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个做为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。2、什么是解调？

在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为。2021/12/21信号调制解调图1-4

调幅信号c)ustuctb)a)OxtxOxO什么是信号调制？2021/12/22信号调制解调第一节调制解调的功用与类型3、在测控系统中为什么要采用信号调制？

在测控系统中，进入测控电路的除了传感器输出的测量信号外，还往往有各种噪声。而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是测控电路的一项重要任务。为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋予一定特征，这就是调制的主要功用。

2021/12/23信号调制解调第一节调制解调的功用与类型4、在测控系统中常用的调制方法有哪几种？

在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号。一个正弦信号有幅值、频率、相位三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)。也可以用脉冲信号作载波信号。可以对脉冲信号的不同特征参数作调制，最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称为脉冲调宽。2021/12/24信号调制解调第一节调制解调的功用与类型5、什么是调制信号、载波信号、已调信号？调制是给测量信号赋予一定特征，这个特征由作为载体的信号提供。常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称为载波信号。用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为调制信号。在测控系统中，通常就用测量信号作调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号。

2021/12/25信号调制解调第二节调幅式测量电路一、调幅原理与方法（一）调幅波的一般数学表达式

1、什么是调幅？写出调幅信号的数学表达式.

调幅就是用调制信号x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x的线性函数变化。调幅信号的一般表达式可写为：

us=(Um+mx)coswctm为调制度2021/12/26信号调制解调c)ustuctb)a)OxtxOxOc)ustuctb)a)OxtxOxOUm≠0Um=02021/12/27信号调制解调第二节调幅式测量电路2、调幅波的频谱假设调制信号x是角频率为Ω的余弦信号x=XmcosΩt，则调幅信号可写为：

us=Umcosωct+[mXmcos(ωc+Ω)t+mXmcos(ωc-Ω)t]/2

它包含三个不同频率的信号:

一个是角频率为ωc的载波信号，其幅值是Um，和角频率分别为ωc±Ω，幅值为mXm/2的两个分量。2021/12/28信号调制解调第二节调幅式测量电路

txOtOucusa)调制信号b)载波信号Otc)双边带调幅信号Ω

ωc

ωc

-Ωωc

ωc+Ω

2021/12/29信号调制解调第二节调幅式测量电路我们知道，信号的时域相乘等于频域卷积。即x(t).y(t)x(f)*y(f)

卷积的结果就产生了频谱搬移，即从低频搬移到了载频的两侧。所以，调幅过程也是一个频率搬移或频率变换的过程。调幅波的带宽为：BW=2Ω。2021/12/210信号调制解调第二节调幅式测量电路

3、何谓双边带调幅？画出波形载波信号中不含调制信号x的信息，因此可以取Um=0，只保留两个边频信号。这种调制称为双边带调制。其数学表达式为：us=UxmcosΩt

cosωct

双边带调制可以用调制信号与载波信号相乘来实现

如果调制信号是一个复杂的信号，则已调信号频谱将出现下边带和上边带。此时带宽应为BW=2Ωm

-ΩmΩ

Ωm

ωc-Ω-Ωmωcωc+Ω+Ωm

2Ωm2021/12/211信号调制解调第二节调幅式测量电路

4、在测控系统中被测信号的变化频率为0~100Hz，应怎样选取载波信号的频率？应怎样选取调幅信号放大器的通频带？信号解调后，怎样选取滤波器的通频带？

为了正确进行信号调制必须要求ωc>>Ω，通常至少要求ωc>10Ω。这样，解调时滤波器能较好地将调制信号与载波信号分开，检出调制信号。若被测信号的变化频率为0~100Hz，则载波信号的频率ωc>1000Hz。调幅信号放大器的通频带应为900~1100Hz。信号解调后，滤波器的通频带应>100Hz，即让0~100Hz的信号顺利通过，而将900Hz以上的信号抑制，可选通频带为200Hz。2021/12/212信号调制解调第二节调幅式测量电路5、调幅波的功率

载波功率=(Ucm)2/2

边频功率=2*1/2*（mXm/2）2=(MUcm)2/4

可见，在AM调制中，载波功率占了总功率的相当大的一部分。当M=1时，边频功率也只有载波频率的50%。实际上。M一般为0.3~0.5。而有用信息仅包含在边频之中，所以，从功率角度看，AM调制是很不经济的。2021/12/213信号调制解调第二节调幅式测量电路6、实现AM调幅的方案xUmcosωctuscosωctx增益=Umus2021/12/214信号调制解调第二节调幅式测量电路（二）传感器调制1、为什么在测控系统中常常在传感器中进行信号调制？为了提高测量信号抗干扰能力，常要求从信号一形成就已经是已调信号，因此常常在传感器中进行调制。

2021/12/215信号调制解调第二节调幅式测量电路2、通过交流供电实现调制如，电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器。R1FR4R2

R3R1R2UoUR3R4应变式传感器输出信号的调制

2021/12/216信号调制解调第二节调幅式测量电路3、用机械或光学的方法实现调制Ψθθ12345672021/12/217信号调制解调第二节调幅式测量电路（三）电路调制1、乘法器调制

MC1496a)原理图ucuxuoxyKxyb)实用电路-8V47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω750Ω1410161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ750Ω1kΩ680kΩ20μF20μFuc1kΩ0.1μF21254uoux+12V2021/12/218信号调制解调第二节调幅式测量电路2、开关电路调制uxuoUcV2V1Uc

uotO

Uc

OttO

ux2021/12/219信号调制解调第二节调幅式测量电路3、信号相加调制T1+ux-+ux

-+uc-VD1i1VD2i2载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号2021/12/220信号调制解调第二节调幅式测量电路二、包络检波电路什么是包络检波？从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化，因此调幅信号的包络线形状与调制信号一致。只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调。这种方法称为包络检波。

2021/12/221信号调制解调第二节调幅式测量电路包络检波的基本工作原理是什么？由图可见，只要从图a所示的调幅信号中，截去它的下半部，即可获得图b所示半波检波后的信号(经全波检波或截去它的上半部也可)，再经低通滤波，滤除高频信号，即可获得所需调制信号，实现解调。包络检波就是建立在整流的原理基础上的。

usuo'OOtta)b)2021/12/222信号调制解调第二节调幅式测量电路（一）二极管与三极管包络检波1、基本电路VDRLC2Ti+us_+uo_非线性器件

低通滤波器C1a)二极管检波路C1VRLC2Tic+us_+_非线性器件

低通滤波器uoEcb)晶体管检波电路2021/12/223信号调制解调第二节调幅式测量电路2、峰值检波与平均值检波a)二极管iiθUsmωctωctuuo0us=usmcosωct0πimaxπ/20uo0tωctb)晶体管iθ0ube0Usmus=usmcosωcti0θIcicmaxωctuo0t2021/12/224信号调制解调第二节调幅式测量电路（二）精密检波电路为什么要采用精密检波电路？二极管VD和晶体管V都有一定死区电压，即二极管的正向压降、晶体管的发射结电压超过一定值时才导通，它们的特性也是一根曲线。二极管VD和晶体管V的特性偏离理想特性会给检波带来误差。为了提高检波精度，常需采用精密检波电路，它又称为线性检波电路。2021/12/225信号调制解调第二节调幅式测量电路1、半波精密检波电路+us–

半波整流器低通滤波器+u΄s–iiCR4uoR1R΄2R2R3VD1VD2+u–i∞-++N1∞-++N2+–uA+–u΄AA2021/12/226信号调制解调第二节调幅式测量电路2、全波精密检波电路+us

半波整流器低通滤波器+u΄siiCR4uoR1R2R2R3VD1VD2+ui∞-++N1∞-++N2R’3+uA+u΄AAOtuAOtuoOtus线性全波检波电路之一2021/12/227信号调制解调第二节调幅式测量电路

uoR4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1∞-++N1∞-++N2线性全波检波电路之二us>0，二极管VD1，VD4导通，VD2，VD3截止，uO＝us;us<0，二极管VD1，VD4截止，VD2，VD3导通，uO＝-us;1.分析电路结构；2.分析各部分输入输出关系；3.虚短，虚断，电流和为零。2021/12/228信号调制解调第二节调幅式测量电路

usuAVD2VD1uoR1R3R4∞-++N1R2∞-++N2a)电路图uo=usus>0usR2R1R3R4us∞-++N1∞-++N2b）正输入等效电路线性全波检波电路之三高输入阻抗线性全波整流电路us>0，二极管VD1导通，VD2截止；2021/12/229信号调制解调uo=-usus<0uAR2R1R3R4us∞-++N1∞-++N2c)负输入等效电路usuAVD2VD1uoR1R3R4∞-++N1R2∞-++N2线性全波检波电路之三高输入阻抗线性全波整流电路Us<0，二极管VD1截止，VD2导通；取R1=R2=R3=R4/2uo=|us|2021/12/230信号调制解调第二节调幅式测量电路三、相敏检波电路（一）相敏检波的功用和原理1、什么是相敏检波电路？相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。

2021/12/231信号调制解调第二节调幅式测量电路2、为什么要采用相敏检波？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。2021/12/232信号调制解调第二节调幅式测量电路3、相敏检波电路与包络检波电路在功能与电路构成上最主要的区别是什么？相敏检波电路与包络检波电路在功能上的主要区别是相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向，同时相敏检波电路还具有选频的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。2021/12/233信号调制解调第二节调幅式测量电路4、相敏检波电路与调幅电路在结构上有哪些相似之处？它们又有哪些区别？

将调制信号ux乘以幅值为1的载波信号就可以得到双边带调幅信号us，将双边带调幅信号us再乘以载波信号，经低通滤波后就可以得到调制信号ux。这就是相敏检波电路在结构上与调制电路相似的原因。二者主要区别是调幅电路实现低频调制信号与高频载波信号相乘，输出为高频调幅信号；而相敏检波器实现高频调幅信号与高频载波信号相乘，经滤波后输出低频解调信号。这使它们的输入、输出耦合回路与滤波器的结构和参数不同。2021/12/234信号调制解调us=UxmcosΩt

cosωct相敏检波可以用与调制电路相似的电路来实现。2021/12/235信号调制解调第二节调幅式测量电路（二）常用相敏检波电路1、乘法器式相敏检波电路ucusuoxyKxyN0.1μF47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω910Ω-8V1410161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ910Ω1kΩ6.8kΩ0.1μFuc1kΩ0.01μF+12V21254uo∞-++N20kΩ20kΩ10kΩ10kΩ200kΩRCRC0.01μF200kΩF007us2021/12/236信号调制解调第二节调幅式测量电路2、开关式相敏检波电路tuoOuoOtucOtusOtuxOtˊusuoUcV2V1Uc半波相敏检波电路优点：具有鉴相功能缺点：脉动较大，精度低2021/12/237信号调制解调2、全波相敏检波电路uousUcRVRR∞-++Na)UcOtusOtuoOtc)Uc＝“1”，场效应管V导通，uO＝-us;Uc＝“0”，场效应管V截止，uO＝U+(1+R/R)-R/RU-=us;Us和Uc同相时，uO<0;反相时uO>0，具有鉴相作用。2021/12/238信号调制解调2、全波相敏检波电路uousR2R3R1R6R4R5V1UcV2∞-++NUcb)UcOtuoOtusOtd)Uc＝“1”，场效应管V1导通，V2截止，uO＝-R6/（R2＋R3）＝-us;Us和Uc同相时，uO<0;反相时uO>0，具有鉴相作用。Uc＝“0”，场效应管V1截止，V2导通，2021/12/239信号调制解调4、精密整流型相敏检波电路CR4uoR1R’2R2R3Uc∞-++N1∞-++N2R’3V1V2uAUcusUc为正，场效应管V1截止，V2导通；Uc为负，UA=0；取R1＝R2＝R3’＝R4＝2R3UcOtuoOtusOtd)Us和Uc反相时，uO<0;同相时uO>0，具有鉴相作用。2021/12/240信号调制解调第二节调幅式测量电路3、相加式相敏检波电路causT1C1VD1VD2C2R1R2RPuoT2us1+–edbus2+uc+––相加式半波相敏检波电路之一T1+ux-+ux

-+uc-VD1i1VD2i2载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号相加式调幅电路（自学）2021/12/241信号调制解调3、相加式相敏检波电路b)a)usustOuotO++–––UctOuotO–++tO+–tUcO+–2021/12/242信号调制解调第二节调幅式测量电路

uc2uc1C0usC1R4R1VD3VD2VD1R3R2R5RPVD4PucTI4I3R4VD4+–+–VD3+_uc1uc2usR3–C0+ucTRPR1VD1+–+–VD2+_i1i2uc1uc2usC1R2R5P–C0+ucT相加式半波相敏检波电路之二2021/12/243信号调制解调uc2uc1CR5PR4R1VD3VD2VD1R3R2VD4usTuous1us2+–+++–––T2ucVD1T2R1++–VD2_i1i2uc1uc2+uoCR2P–us1+usT1i2-i1R5_ucucVD4T1R4+–+VD3_I4i3uc1uc2+uoCR3T2P–us2+R5_i4-i3us相加式全波相敏检波电路2021/12/244信号调制解调第二节调幅式测量电路5、脉冲箝位式相敏检波电路ttuottttttR2R1CVusuoUc′∞-++NUcDsAuA,uousOOuAUc′OUcOuA,uousOOuAuoUcOUc′O（自学）2021/12/245信号调制解调第二节调幅式测量电路（三）相敏检波电路的选频与鉴相特性1、相敏检波电路的选频特性相敏检波电路的工作原理相敏检波电路的数学表达式相敏检波电路具有抑制各种高次谐波的能力2021/12/246信号调制解调（三）相敏检波电路的选频与鉴相特性1、相敏检波电路的选频特性滤除载波信号在数学上可以用在载波信号一个周期内取平均值来表示。这样对于调幅信号的相敏检波可表示为2021/12/247信号调制解调（三）相敏检波电路的选频与鉴相特性1、相敏检波电路的选频特性如果输入信号中含有高次谐波，设为uncosnωct，其中n为大于1的整数，由它产生的附加输出为即相敏检波电路具有抑制各种高次谐波的能力。2021/12/248信号调制解调（三）相敏检波电路的选频与鉴相特性1、相敏检波电路的选频特性在实用的相敏检波电路中，常采用方波信号作参考信号。这时输入信号不是与单位参考信号cosωct相乘，而是与归一化的方波载波信号相乘。输出电压n为偶数，输出为零。n为奇数，输出信号的幅值相应为un/π，

un/（3π），

un/（5π）等2021/12/249信号调制解调（三）相敏检波电路的选频与鉴相特性1、相敏检波电路的选频特性

什么是相敏检波电路的选频特性？ 相敏检波电路对不同频率的输入信号有不同的传递特性。以参考信号为基波，所有偶次谐波在载波信号的一个周期内平均输出为零，即它有抑制偶次谐波的功能。对于n=1,3,5等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波的1/n，即信号的传递系数随谐波次数增高而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。2021/12/250信号调制解调第二节调幅式测量电路

b)n=2a)n=1c)n=3usustOuotO++––++––UctOuotO–+++tO+–tUcO+–ustOuotO+++–––++++––tO+–Uc图3-22相敏检波电路的选频特性2021/12/251信号调制解调2、相敏检波电路的鉴相特性什么是相敏检波电路的鉴相特性？由于在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。

如果输入信号us为与参考信号uc(或Uc)同频信号，但有一定相位差，这时输出电压2021/12/252信号调制解调第二节调幅式测量电路

a)b)c)d)UctO+–ustO–+uotO++UctO+–UctO+–UctO+–ustO–+ustO–+ustO–++OtO–++O–uouotO–++–uotO––图3-23相敏检波电路的鉴相特性2021/12/253信号调制解调相敏检波电路的鉴相特性应用相位计提高电路抑制干扰的能力。在干扰信号中，相位具随机性。相敏检波电路的鉴相特性使频率与参考信号很接近的干扰也受到抑制。只要干扰的频率与参考信号略有差别，它与参考信号的相位差就不断变化，经低通滤波后平均输出接近零。2021/12/254信号调制解调第二节调幅式测量电路（四）相敏检波电路的应用（自学）

调幅式电感测微仪电路振荡器+15V传感器uoVCT1234576相敏检波电路

RP4-15VRt放大器R1R2R3R4量程切换电路RP1RP3RP2∞-++N++15VRP5P2021/12/255信号调制解调第二节调幅式测量电路

txtOtOtxΦ,uOOΦ,ux21a)b)c)光电显微镜瞄准原理2021/12/256信号调制解调第三节调频式测量电路一、调频原理与方法（一）什么是调频？写出调频信号的数学表达式，画出其波形。调频就是用调制信号x去控制高频载波信号的频率。常用的是线性调频，即让调频信号的频率按调制信号x的线性函数变化。调频信号us的一般表达式可写为：us=Umcos(wc+mx)t

2021/12/257信号调制解调第三节调频式测量电路

xtOOtusa)调制信号b)调频信号调频信号的波形2021/12/258信号调制解调2021/12/259信号调制解调不同采样率的采样结果

2021/12/260信号调制解调数据采集系统结构2021/12/261信号调制解调说明混叠的例子

采样的结果将会是低于奈奎斯特频率(fs/2=50Hz)的信号可以被正确采样。而频率高于50HZ的信号成分采样时会发生畸变。分别产生了30、40和10Hz的畸变频率F2、F3和F4。计算混频偏差的公式是：混频偏差＝ABS(采样频率的最近整数倍－输入频率)其中ABS表示“绝对值”，例如：混频偏差F2=|100–70|=30Hz混频偏差F3=|(2)100–160|=40Hz混频偏差F4=|(5)100–510|=10Hz

2021/12/262信号调制解调

为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集(A/D)之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。在图３的例子中，这个滤波器的截止频率自然是25HZ。这个滤波器称为抗混叠滤波器。采样频率应当怎样设置呢？也许你可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率。但是，较长时间使用很高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数据太慢。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，实际上工程中选用5～10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。

2021/12/263信号调制解调第三节调频式测量电路（二）传感器调制421TNS3测力或压力的振弦式传感器2021/12/264信号调制解调第三节调频式测量电路（三）电路调制1、电容三点式LC振荡器调频电路LCTC1C2+Ec2021/12/265信号调制解调第三节调频式测量电路2、多谐振荡器调频电路uo∞-++NCR310k

5k

10k

R1RRPR4VS15k

30k

10k

R2+FUruuouc+Ur-Ur.FUrOtT2T1T0a)b)2021/12/266信号调制解调第三节调频式测量电路二、鉴频电路什么是鉴频？对调频信号实现解调，从调频信号中检出反映被测量变化的调制信号称为频率解调或鉴频。（一）微分鉴频1、工作原理将调频信号us=Umcos(wc+mx)t

对t求导数得到-Um(wc+mx)sin(wc+mx)t这一调频调幅信号。利用包络检波检出其幅值变化，即可得到含有调制信号的信息Um(wc+mx)。2021/12/267信号调制解调第三节调频式测量电路2、微分鉴频电路C1uousVDVRLC2+Ec-ieic微分网络包络检波C1usud+r++---2021/12/268信号调制解调第三节调频式测量电路3、窄脉冲鉴频电路uoOc)ustttOOτb)a)Usˊuo放大与电平鉴别器单稳态触发器

低通滤波器usUsUsˊ2021/12/269信号调制解调第三节调频式测量电路（二）斜率鉴频us+–us1us2fo1fo2RLRLuo1uo2uoVD2VD1TC1C2c)d)e)f)usUsmus1us2uooooottttuo1uo2uo回路2回路1fo2fo1

fo

fofcof=fc+

fmsinΩtfc

fm调频波瞬时频率变化Ωtff2021/12/270信号调制解调第三节调频式测量电路（三）数字式频率计CpusUU′计数器锁存器清零DG&SRQDZDS2021/12/271信号调制解调第四节调相式测量电路一、调相原理与方法（一）什么是调相？写出调相信号的数学表达式，画出其波形。调相就是用调制信号x去控制高频载波信号的相位。常用的是线性调相，即让调相信号的相位按调制信号x的线性函数变化。调相信号us的一般表达式可写为：

us=Umcos(wct

+mx)2021/12/272信号调制解调第四节调相式测量电路

a)b)c)txOttucus

OO2021/12/273信号调制解调第四节调相式测量电路（二）传感器调制13245M扭矩测量2021/12/274信号调制解调第四节调相式测量电路

XY21a)

aabWB12VP1VPnYO

b)NS1S2SnVP1VP2VP3VPn莫尔条纹信号的调制2021/12/275信号调制解调第四节调相式测量电路（三）电路调制1、调相电桥oURUCUsUUCURUTRCUs∞-++N2∞-++N1RR1R1CUsU2U2U2-2021/12/276信号调制解调第四节调相式测量电路2、脉冲采样式调相电路U0门限检测电路脉冲发生器载波频率锯齿波发生器输出调相脉冲ujux+a)UcususOttOujtOuj=kΨux+ujtOuxb)d)c)e)UcU02021/12/277信号调制解调第四节调相式测量电路二、鉴相电路鉴相就是从调相信号中将反映被测量变化的调制信号检出来，实现调相信号的解调，又称为相位检波。（一）用相敏检波器或乘法器鉴相1、乘法器鉴相uo=KUsmUcm/2cos∮

ucusuoxyKxyN(ppt28)2021/12/278信号调制解调第四节调相式测量电路2、用开关式相敏检波电路鉴相（ppt37)3、用相加式相敏检波电路检相（ppt38)为什么常取参考信号的幅值等于调相信号的幅值？b)a)Us-UsU1UcU2Ψ1Ψ2φ-ππ2_π2π0Ψuo2021/12/279信号调制解调第四节调相式测量电路（二）通过相位—脉宽变换鉴相1、异或门鉴相a)UCUSDG1=1Uoc)CPUs计数器锁存器

延时时钟脉冲DG2Uo锁存指令清零UcDG1=1&Nd)-2

-

0

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