《測試技術(shù)》課件 第四章.ppt

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1、第二節(jié)調(diào)制與解調(diào) 調(diào)制利用某種低頻信號(hào)來控制或改變一高頻振蕩信號(hào)的某個(gè)參數(shù)(幅值、頻率或相位)的過程。,解調(diào)從已調(diào)制信號(hào)中恢復(fù)出原低頻調(diào)制信號(hào)的過程 調(diào)制的目的減少低頻模擬被測信號(hào)的放大、傳輸、處理的困難。 有些傳感器在完成從被測物理量到電量的轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)用了信號(hào)調(diào)制的原理，如差動(dòng)變壓器式位移傳感器就是幅值調(diào)制的典型一例。 交流電阻電橋?qū)嵸|(zhì)上也是一個(gè)幅值調(diào)制器。 一些電容、電感類傳感器將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成了頻率的變化，即采取了頻率調(diào)制。,一、幅值調(diào)制與解調(diào) 1、幅值調(diào)制,2、調(diào)幅信號(hào)的頻域分析,3、調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)方法,解調(diào)指從已調(diào)制信號(hào)中恢復(fù)出原低頻調(diào)制信號(hào)的過程。 調(diào)制與解調(diào)是一對相反的

2、信號(hào)變換過程，在工程上經(jīng)常結(jié)合在一起使用。 幅值調(diào)制的解調(diào)有： 同步解調(diào)、包絡(luò)檢波和相敏檢波法。,（1）同步解調(diào),同步解調(diào)的頻譜圖,同步解調(diào)要求: 有性能良好的線性乘法器件，否則將引起信號(hào)失,（2）包絡(luò)檢波整流檢波,在大信號(hào)檢波時(shí)二極管VD理想的，即正向偏置阻抗為零，反向偏置阻抗為無窮大,若把SAM(t)看作電壓源，由于電壓源內(nèi)阻rAM很小，正半周時(shí)，二極管V導(dǎo)通，信號(hào)源以時(shí)間常數(shù) rAMC對電容器C充電。負(fù)半周時(shí)，二極管V截止，電容器反過來通過電阻R放電。如果元件得選擇滿足 式中為f0載波信號(hào)頻率；fmax為基帶信號(hào)得最高頻率分量。包絡(luò)檢波器能從調(diào)幅信號(hào)中不失真地得到.,包絡(luò)解調(diào)的關(guān)鍵

3、是準(zhǔn)確地加、減偏置電壓。若所加的偏置電壓未能使信號(hào)電壓都位于零位的同一惻，那么對調(diào)幅之后的波形只進(jìn)行簡單的整流濾波便不能恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)，而會(huì)造成很大失真(見圖416)。在這種情況下，采用相敏檢波技術(shù)可以解決這一問題。,（）相敏解調(diào),相敏檢波的特點(diǎn)是可以鑒別調(diào)制信號(hào)的極性，所以采用相敏檢波時(shí)，對調(diào)制信號(hào)不必再加直流偏置。 相敏檢波利用交變信號(hào)在過零位時(shí)正、負(fù)極性發(fā)生突變，使調(diào)幅波的相位(與載波比較)也相應(yīng)地產(chǎn)生1800的相位跳變，這樣便既能反映出原調(diào)制信號(hào)的幅值，又能反映其極性。,,當(dāng)調(diào)制信號(hào)x(t)為正時(shí)： 調(diào)幅波xm(t)與載波y(t)同相，這時(shí)，當(dāng)載波電壓為正時(shí)，VD1導(dǎo)通，電流的流

4、向是d1VD125R1地d； 當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí)，變壓器T1和T2的極性同時(shí)改變， VD3導(dǎo)通，電流的流向是d3VD345R1地d 。 可見在0-t1區(qū)間，流經(jīng)負(fù)載R1的電流方向始終是由上到下，輸出電壓u0(t)為正值。 當(dāng)調(diào)制信號(hào)x(t)為負(fù)時(shí)： 調(diào)幅波xm(t)與載波y(t)相差1800 ，這時(shí)，當(dāng)載波電壓為正時(shí)， VD2導(dǎo)通， 電流的流向是52VD23d地R1 5 ； 當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí)， VD4導(dǎo)通，電流的流向是54VD41d地R1 5 。 可見在t1t2區(qū)間，流經(jīng)負(fù)載負(fù)載R1的電流方向始終是由下向上，輸出電壓u0(t)為負(fù)值。 綜上所述，相敏檢波是利用二極管的單向?qū)ㄗ饔脤㈦娐份敵鰳O

5、性換向。簡單地說，這種電路相當(dāng)于在0t1段把xm(t)的負(fù)部翻上去，而在t1t2段把xm(t)的正部翻下來。 若將u0(t)經(jīng)低通濾波器濾波，則所得到的信號(hào)就是xm(t)經(jīng)過“翻轉(zhuǎn)”后的包絡(luò)。,,,二、頻率調(diào)制與解調(diào),、頻率調(diào)制的基本概念 頻率調(diào)制指利用調(diào)制信號(hào)控制高頻載波信號(hào)頻率變化的過程。 在頻率調(diào)制中載波幅值保持不變，僅載波的頻率隨調(diào)制信號(hào)的幅值成比例變化。,、頻率調(diào)制的方法,常用的頻率調(diào)制方法有：直接調(diào)頻法和間接調(diào)頻法 間接調(diào)頻法間接調(diào)頻器由窄帶角度調(diào)制器和頻率倍乘器等組成,（）直接調(diào)頻法,壓控振蕩器(VCO)用調(diào)制信號(hào)x(t)的幅值來控制其振蕩頻率，使振蕩頻率隨控制電壓呈線性變化，

6、從而達(dá)到頻率調(diào)制的目的。 壓控振蕩器技術(shù)發(fā)展很快，目前已有單片式壓控振蕩器芯片(如MAXIM公司推出的MAX2622MAX2624)，振蕩器的中心頻率和頻率范圍由生產(chǎn)廠預(yù)置，頻率范圍與控制電壓相對應(yīng)。,、調(diào)頻信號(hào)的解調(diào),調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)鑒頻 鑒頻方法： 鑒頻器由一個(gè)高通濾波器及一個(gè)包絡(luò)檢波器構(gòu)成。 結(jié)構(gòu)簡單，在測試技術(shù)中常被使用 鎖相環(huán)解調(diào)器解調(diào)性能優(yōu)良，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般用于要求較高的場合，如通信機(jī)等。此處只介紹鑒頻器解調(diào)。,,,,,第三節(jié) 濾波器,一、基本概念 濾波器是一種選頻部件，它能夠允許某一頻率范圍的信號(hào)通過，同時(shí)極大衰減不需要的頻帶信號(hào)以阻止其通過，起著對某段頻率成分進(jìn)行篩選的作用

7、。 作用： 對獲取的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析 剔除不必要的干擾噪聲,根據(jù)濾波器的作用，在設(shè)計(jì)制作時(shí)應(yīng)使其具有下面幾個(gè)性能： 1)在通帶內(nèi)，濾波器對信號(hào)的衰減愈小愈好，理想情況下衰減為零。 2)在阻帶內(nèi)，濾波器對信號(hào)的衰減愈大愈好，理想情況下衰減應(yīng)為無窮大。 3)通帶與阻帶分界要明顯，理想情況下應(yīng)無過渡帶。 4)在通帶內(nèi)，輸入阻抗及輸出阻抗應(yīng)與前后網(wǎng)絡(luò)阻抗相匹配。,濾波器的種類 按照選頻特性分為： 低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器,按照所用的元件來分類，濾波器可分為： RC濾波器、LC濾波器、晶體濾波器、陶瓷濾波器及機(jī)械裝置濾波器 從濾波器的構(gòu)成形式可將其分為： 有源濾波器、 無

8、源濾波器 有源濾波器通常使用運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)； 而無源濾波器由一定的RLC組合配置形式組成。,二、濾波器性能分析,1、理想濾波器,分析上式所表示的頻率特性可知，該濾波器在時(shí)域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù) h（t）為 sinc函數(shù)，如圖。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無限延伸，從圖中可以看出，在to時(shí)刻單位脈沖輸入濾波器之前，即在t0時(shí)，非因果系統(tǒng)。,2、實(shí)際濾波器的特征參數(shù),截止頻率、帶寬B、紋波幅度 品質(zhì)因子Q、倍頻程選擇性、 濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）,(1)截止頻率 截止頻率指幅頻特性值等于 (即3dB)時(shí)所對應(yīng)的頻率點(diǎn)(圖424中的fc1和fc2)。若以信號(hào)的幅值平方表示信號(hào)功率，該頻率對應(yīng)的點(diǎn)為半功

9、率點(diǎn)。,(2)帶寬B 濾波器帶寬定義為上下兩截止頻率之間的頻率范圍 B=fc2-fc1，又稱-3dB帶寬，單位為Hz。 帶寬表示濾波器的分辨能力，即濾波器分離信號(hào)中相鄰頻率成分的能力。 (3)紋波幅度 通帶中幅頻特性值的起伏變化值稱紋波幅度，圖4-24中以土表示， 值應(yīng)越小越好。 (4)品質(zhì)因子(Q值) 對于帶通濾波器來說，品質(zhì)因子Q定義為中心頻率f0與帶寬B之比，即Q=f0/B。 Q越大，則相對帶寬越小，濾波器的選擇性越好。,(5)倍頻程選擇性 從阻帶到通帶或從通帶到阻帶，實(shí)際濾波器有一個(gè)過渡帶，過渡帶的曲線傾斜度代表著幅頻特性衰減的快慢程度，通常用倍頻程選擇性來表征。 倍頻程選

10、擇性是指上截止頻率fc2與2fc2之間或下截止頻率fc1與fc1/2間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個(gè)倍頻程的衰減量，以dB表示。 衰減越快，選擇性越好。,(6)濾波器因數(shù)(矩形系數(shù)) 濾波器因數(shù)定義為濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與 -3dB帶寬的比，即; 對理想濾波器有 =1。 對普通使用的濾波器，允一般為1-5。,三、實(shí)際濾波器,,A）低通濾波器的頻率特性,B）高通濾波器的頻率特性,C）帶通濾波器的頻率特性,,3)RC帶通濾波器 帶通濾波器可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)，其電路及其幅頻、相頻特性如下圖所示。,LC濾波器,電感和電容一起使用可以使濾波器的諧振特性相對于一階RC

11、電路產(chǎn)生較為陡峭的濾波器邊緣。,,,,通過采用多個(gè)RC環(huán)節(jié)或LC環(huán)節(jié)級(jí)聯(lián)的方式，可以使濾波器的性能有顯著的提高，使過渡帶曲線的陡峭度得到改善。,,這是因?yàn)槎鄠€(gè)中心頻率相同的濾波器級(jí)聯(lián)后，其總幅頻特性為各濾波器幅頻特性的乘積，因此通帶外的頻率成分將會(huì)有更大的衰減。 但必須注意到，雖然多個(gè)簡單濾波器的級(jí)聯(lián)能改善濾波器的過渡帶性能，卻又不可避免地帶來了明顯的負(fù)載效應(yīng)和相移增大等問題。,有源濾波器,,,四、帶通濾波器在信號(hào)頻率分析中的應(yīng)用,1多路濾波器的并聯(lián)形式 多路帶通濾波器并聯(lián)常用于信號(hào)的頻譜分析和信號(hào)中特定頻率成分的提取。使用時(shí)常將被分析信號(hào)輸入一組中心頻率不同的濾波器，各濾波器的輸出便反映

12、了信號(hào)中所含的各個(gè)頻率成分。為使各帶通濾波器的帶寬覆蓋整個(gè)分析的頻帶，它們的中心頻率能使相鄰的帶寬恰好相互銜接，通常的做法是使前一個(gè)濾波器的3dB上截止頻率高端等于后一個(gè)濾波器的3dB下截止頻率低端。濾波器組須具有相同的放大倍數(shù)。 在作信號(hào)頻譜分析時(shí)，這組并聯(lián)的、增益相同而中心頻率不同的帶通濾波器的帶寬遵循 一定的規(guī)則取值。 兩種方法構(gòu)成兩類常見的帶通濾波器組：恒帶寬比濾波器和恒帶寬濾波器。,,,(1)恒帶寬比濾波器,恒帶寬比濾波器指濾波器的相對帶寬是常數(shù)。,,濾波器上下截止頻率之間的關(guān)系 濾波器中心頻率之間的關(guān)系 濾波器的中心頻率上下截止頻率之間的關(guān)系為,為B&K公司的1616型頻率分析儀

13、的結(jié)構(gòu)框圖，其帶寬為13倍頻程，分析頻率為從20Hz -40kHz，共設(shè)置34個(gè)帶通濾波器。及帶通濾波器的中心頻率和截止頻率,,恒帶寬比濾波器的特性： 恒帶寬比濾波器的通頻帶在低頻段很窄，在高頻段則很寬，因而濾波器組的頻率分辨力在低頻段較好，而在高頻段則甚差。 若要求濾波器在所有頻段都具有良好的頻率分辨力時(shí)，可采用恒帶寬濾波器。,(2)恒帶寬濾波器,恒帶寬濾波器濾波器的絕對帶寬為常數(shù)。,為提高恒帶寬濾波器的分辨能力，帶寬應(yīng)窄一些，但為覆蓋整個(gè)頻率范圍所需要的濾波器數(shù)量就很大。因此恒帶寬濾波器一般不用固定中心頻率與帶寬的并聯(lián)濾波器組來實(shí)現(xiàn)，而是通過中心頻率可調(diào)的掃描式帶通濾波器來實(shí)現(xiàn)。,2中心

14、頻率可調(diào)式,掃描式頻率分析儀采用一個(gè)中心頻率可調(diào)的帶通濾波器，通過改變中心頻率使該濾波器的通帶跟隨所要分析的信頻率范圍要求來變化。,調(diào)節(jié)方式：手調(diào)、外信號(hào)調(diào)節(jié) 用于調(diào)節(jié)中心頻率的信號(hào)可由一個(gè)鋸齒波發(fā)生器來產(chǎn)生，用一個(gè)線性升高的電壓來控制中心頻率的連續(xù)變化。 由于濾波器的建立需要一定的時(shí)間，尤其是在濾波器帶寬很窄的情況，建立時(shí)間愈長，所以掃頻速度不能過快。 這種形式的分析儀也采用恒帶寬比的帶通濾波器。 如B&K公司的1621型分析儀，將總分析頻率范圍從0.2Hz20kHz分成五段：0.22Hz，2-20Hz，20200Hz，200Hz2kHz，2kHz20kHz，每一段中的中心頻率可調(diào)。

15、,采用中心頻率可調(diào)的帶通濾波器時(shí)，由于在調(diào)節(jié)中心頻率過程中總希望不改變或不影響濾波器的增益及Q因子等參數(shù)，因此這種濾波器中心頻率的調(diào)節(jié)范圍是有限的。 在信號(hào)頻譜分析中常用的中心頻率可變的濾波方法還有相關(guān)濾波和跟蹤濾波，其工作原理與典型應(yīng)用請參閱相關(guān)書籍。,思考題及習(xí)題,基本概念：,第四節(jié) 信號(hào)放大,,因而，調(diào)制器和解調(diào)器就成為有信號(hào)傳輸?shù)臏y量裝置的重要組成部分。調(diào)制器的作用是把信源送來的低頻基帶信號(hào)變換為易于在信道中傳播的高頻調(diào)制信號(hào)。解調(diào)器的作用則是把通過信道傳過來的高頻調(diào)制信號(hào)還原成低頻的基帶信號(hào)。,為什么要調(diào)制？ 為便于基帶的傳輸處理。 什么是調(diào)制？ 調(diào)制：用基帶信號(hào)去改變高頻振蕩信號(hào)

16、的某個(gè)參數(shù)，使其隨基帶信號(hào)作有規(guī)律的變化。,調(diào)制信號(hào)、載波、已調(diào)信號(hào)（已調(diào)波） 調(diào)制的分類： 調(diào)幅AM、調(diào)頻FM、調(diào)相PM,一、幅值調(diào)制 1、概述 幅值調(diào)制：用基帶信號(hào)f(t)去改變高頻載波信號(hào)的幅值，使高頻載波信號(hào)的幅值作線性變化。 其時(shí)域表示式可寫為 1/2A0+F(t)COS(0t+0) 0:載波的角頻率； 0:載波的起始相位； A0:載波的幅值。,物理意義： 在未被調(diào)制前，載波信號(hào)是一個(gè)幅值為A0、角頻率為0和起始相位為0的等幅簡諧信號(hào)。 c(t)=A0COS(0t+0) 通過幅值調(diào)制，c(t)的角頻率0及起始相位0保持不變而其幅值隨基帶信號(hào)f(t)作線性變化。,調(diào)制后的載波幅值變化包

17、絡(luò)與基帶信號(hào)f(t)的形狀一樣。,把（5-1）式展開 SAM(t)=A0COS(0t+0)+f(t)COS(0t+0) 由此式不難得出完成幅值調(diào)制的方案：首先必需產(chǎn)生一個(gè)角頻率為0的載頻簡諧信號(hào)。該信號(hào)分為兩部分，一部分通過增益為Ao的放大器，另一部分通過一個(gè)乘法器(也被稱為平衡調(diào)制器)與基帶信號(hào)f(t)相乘。兩部分信號(hào)再經(jīng)加法器相加就可得到標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)幅信號(hào)。圖5-2所示為一個(gè)幅值調(diào)制器。,2.幅值調(diào)制信號(hào)的頻域分析 依據(jù)尤拉公式將式(5-1)寫成指數(shù)形式,(5-4) 設(shè)基帶信號(hào)存在傅立葉變換。將式(5-4)進(jìn)行傅立葉變換，可得其頻譜表達(dá)式為,圖5-3表示了調(diào)幅信號(hào)SAM(t)的頻譜結(jié)構(gòu),從圖中

18、可看出： 1)幅值調(diào)制過程是頻譜搬移過程。 由于在搬移過程中頻譜結(jié)構(gòu)沒有變化，通常幅值調(diào)制也稱為線性調(diào)制。 2)注意到在正頻率區(qū)間，基帶信號(hào)的頻譜F()的頻帶是(0，max)，調(diào)幅信號(hào)的頻譜卻把F()一變?yōu)槎蔀閮蓚€(gè)頻帶：(o-max，o)和(o，o+max)。稱前者為下邊帶，稱后者為上邊帶。 3)在o處出現(xiàn)沖激，它表明載波分量的存在。值的注意的是載波分量幅值雖然大，但并不攜帶信息。 4)如基帶信號(hào)f(t)的最高頻率為max，由圖53中可知，幅值調(diào)制后調(diào)幅信號(hào)的帶寬為2max。,為了分析方便我們把基帶信號(hào)f(t)稱為調(diào)制信號(hào)并設(shè)它為單頻信號(hào)，即 f(t)=AmCOSt 5-6 將5-6代入5

19、-1可得,mA稱為調(diào)制系數(shù)，也稱調(diào)制度。如果mA大于l，調(diào)制后的調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)將產(chǎn)生失真，該失真稱為過調(diào)制。為了不產(chǎn)生過調(diào)制，要求mA小于等于l。 從頻譜分析知道調(diào)幅波頻譜是由調(diào)制信號(hào)f(t)產(chǎn)生的邊帶及載波產(chǎn)生的沖擊函數(shù)組成。,它們之間的功率關(guān)系可通過對式(5-3)均方值給出,式中第一項(xiàng)是載波功率Pc，第二項(xiàng)是調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的邊帶功率Ps，第三項(xiàng)是交叉功率。如果f(t)是交流信號(hào)，均值為零，第三項(xiàng)為零。式(5-9)可簡化為,由式(5-10)可知，AM信號(hào)的總功率由載波功率Pc和邊帶功率Ps兩部分構(gòu)成。顯然載波功率Pc并沒有攜帶信息，信息是由邊帶功率Ps所攜帶。我們定義邊帶功率Ps與總功率之比為

20、調(diào)制效率,由式(5-11)可知AM<1。為了使AM信號(hào)不產(chǎn)生過調(diào)制，f(t)A0，即調(diào)制效率不大于50。,3.幅值調(diào)制信號(hào)的解調(diào)方法 （1）相干解調(diào)方法 圖54是相干解調(diào)的方框圖。,幅值調(diào)制信號(hào)的解調(diào)器由模擬乘法器、本地振蕩器和低通濾波器組成。,乘法器輸入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制信號(hào)及頻率與載波頻率相同的本地載波。它們在乘法器內(nèi)相乘后其輸出為,即,式中的高頻分量經(jīng)低通濾波器濾除得,可知解調(diào)器的輸出Sd(t)較原調(diào)制信號(hào)多了一個(gè)系數(shù)cos(0-)。如果(0-)是一個(gè)固定的相位差，則cos(0-)只改變解調(diào)后的輸出Sd(t)幅值的大小，不會(huì)出現(xiàn)失真。 如果0=則解調(diào)輸出Sd(t)幅值達(dá)到最大值，此時(shí)稱為同步同

21、步解調(diào)。 當(dāng)0-=/2時(shí)，解調(diào)輸出Sd(t)為零。 如果0-=時(shí)，解調(diào)輸出Sd(t)將改變符號(hào)，即解調(diào)后得到的f(t)將改變符號(hào)。,注意： 當(dāng)f(t)的符號(hào)不影響結(jié)果時(shí)(如語音信號(hào))符號(hào)的改變不必注意。 當(dāng)f(t)是數(shù)字信號(hào)或視頻信號(hào)時(shí)，符號(hào)的改變就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果。 上邊討論了本地載波與發(fā)射載波只存在相位差而沒有頻率差的情況。如果二者間存在頻率差，即本地載波為cos(0t+t+0),可以證明解調(diào)器輸出為,顯然，解調(diào)器的輸出除了f(t)原有的頻率分量外，多產(chǎn)生了頻率分量。即出現(xiàn)了失真，降低了通信質(zhì)量。解決的方法是在接收機(jī)本地振蕩加入鎖相環(huán)，鎖相環(huán)可跟蹤發(fā)射機(jī)載波，使 0。,,(2)非相干解調(diào)法

22、非相干解調(diào)也稱包絡(luò)檢波，它的優(yōu)點(diǎn)是簡單。廣播接收機(jī)中多采用這種方法。包絡(luò)檢波器(圖5-5)由一個(gè)半導(dǎo)體二極管V和一個(gè)RC低通濾波器構(gòu)成。在大信號(hào)檢波時(shí)二極管V可認(rèn)為是理想的，即正向偏置阻抗為零，反向偏置阻抗為無窮大。,若把sAM(t)看作電壓源，由于電壓源內(nèi)阻rAM很小，正半周時(shí)，二極管V導(dǎo)通，信號(hào)源以時(shí)間常數(shù) rAMC對電容器C充電。負(fù)半周時(shí)，二極管V截止，電容器反過來通過電阻R放電。,如果元件得選擇滿足,式中為載波信號(hào)頻率；為基帶信號(hào)得最高頻率分量。包絡(luò)檢波器能從調(diào)幅信號(hào)中不失真地得到 Sd(t)=A0+f(t) (5-17),,其波形如圖56表示,非相干解調(diào)是從已調(diào)制波的幅值中提取原調(diào)制

23、信號(hào)的。與相干解調(diào)相比具有結(jié)構(gòu)簡單和解調(diào)輸出幅值大(為相干解調(diào)的兩倍)的優(yōu)點(diǎn)。所以一般情況下很少用到相干解調(diào)。,4.雙邊帶調(diào)幅 從前面的分析可知，載波信號(hào)并不攜帶有用信息。所以，在信號(hào)的傳輸過程中這部份功率白白浪費(fèi)了。為了提高效率，把載波分量從已調(diào)波中去掉，只發(fā)射兩個(gè)邊帶分量。這就是雙邊帶調(diào)幅(DSB-AM)的核心思路。顯然，雙邊帶信號(hào)的時(shí)域表示式可由式(51)中令A(yù)o=0獲得 SDSB(t)=f(t)COS(0t+0) (5-18),由式(5-18)可看出，雙邊帶信號(hào)是由基帶信號(hào)f(t)與載波信號(hào)c(t)相乘的結(jié)果。圖5-7中a和b分別為載波信號(hào)和基帶信號(hào)。c是調(diào)制后的雙邊帶信號(hào)。注意當(dāng)f(

24、t)由正變負(fù)或由負(fù)變正即(f(t)與x軸相交時(shí)，t1、t2、t3)時(shí)，雙邊帶信號(hào)出現(xiàn)相位反轉(zhuǎn)。同時(shí)，DSB信號(hào)的包絡(luò)與f(t)不同，它不是一個(gè)完整的調(diào)幅波。,,雙邊帶信號(hào)的頻域表達(dá)式為,如令0=0則頻譜圖為下圖,,節(jié)約了功率，傳送雙邊帶信號(hào)的帶為 B=2max 由于雙邊帶信號(hào)的載波被抑制掉了，所以其幅值包絡(luò)不與基帶信號(hào)f(t)成正比，因而無法用包絡(luò)檢波器提取調(diào)制信號(hào)f(t)，只能采用相干解調(diào)來恢復(fù)基帶信號(hào)，其原理仍然可用圖54所示的相干解調(diào)方案。不難看出，此時(shí)解調(diào)輸出為式5-21,雙邊帶信號(hào)亦可采用相敏檢波方法解調(diào)出基帶信號(hào)f(t)。注意到圖57中基帶信號(hào)f(t)在其過零線時(shí)符號(hào)發(fā)生突變，調(diào)幅

25、波的相位(與載波比較)相應(yīng)地發(fā)生180度的相位突變。利用載波信號(hào)與之比相，便既能反映出原信號(hào)的幅值又能反映其極性。某些測量儀器利用二極管的單相導(dǎo)通作用將電路輸出極性換向，相當(dāng)于在0t1段把SDSB(t)的零線下的負(fù)部翻上去，而在t1t2段把正部翻下來，最后所檢測到的信號(hào)將是SDSB(t)經(jīng)過“翻轉(zhuǎn)”后的包絡(luò)。 有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制信號(hào)相干解調(diào)的討論也適用于雙邊帶信號(hào)。 需要指出的是： 由雙邊帶信號(hào)的頻譜圖可看出，上下兩個(gè)邊帶是對稱的，功率相同。,二、角度調(diào)制 1.角度調(diào)制的基本概念 在間諧載波中 c(t)=A0cos0t+0+(t)=A0cos(t) 5-22 (t)稱為瞬時(shí)相位。對瞬時(shí)相位(t)微分

26、得,(t)稱為瞬時(shí)角頻率，瞬時(shí)相位是(t)得積分,對于調(diào)制載波Acos(0t+)=Acos(t)，如果保持振幅A為常數(shù)，讓載波瞬時(shí)角頻率(t)隨基帶信號(hào)f(t)作線性變化，則稱此種調(diào)制方式為頻率調(diào)制(FM Frequency Modulation)。如果載波的相位(t)隨基帶信號(hào)f(t)做線性變化，則稱這種調(diào)制方式為相調(diào)制(PM Phase Modulation)。由于頻率或相位的變化最終都使載波的相位角發(fā)生變化，故統(tǒng)稱FM和PM為角度調(diào)制。在角度調(diào)制中，角度調(diào)制信號(hào)和基帶信號(hào)的頻譜都發(fā)生了變化，所以，角度調(diào)制是一種非線性調(diào)制,(1)調(diào)相波(PM) 如果載波的瞬時(shí)相位與基帶信號(hào)f(t)成線性函

27、數(shù)關(guān)系就稱調(diào)制波為相位調(diào)制波 SPM(t)=A0cos0t+0+KPMf(t) 2-25 式中：KPM相位調(diào)制指數(shù)，相位調(diào)制靈敏度 調(diào)相波的瞬時(shí)頻率可寫成,(2)調(diào)頻波(FM) 如果載波的瞬時(shí)頻率與基帶信號(hào)f(t)成線性關(guān)系，就稱該調(diào)制波為頻率調(diào)制波,KFM頻率調(diào)制指數(shù)，或稱頻率調(diào)制靈敏度 調(diào)頻波的瞬時(shí)相位可寫成,調(diào)頻和調(diào)相只是角度調(diào)制的不同形式，無本質(zhì)差別。若預(yù)先不知道調(diào)制信號(hào)的調(diào)制方式，僅從已調(diào)波上是無法分辨調(diào)頻波或調(diào)相波的。圖5-9的a、b分別表示調(diào)相及調(diào)頻波。,,2頻率調(diào)制方法 常用的頻率調(diào)制方法有：直接調(diào)頻法和間接調(diào)頻法。 (1)直接調(diào)頻法用基帶信號(hào)f(t)對壓控振蕩器(VCO)施行

28、電壓控制，利用其振蕩頻率和控制電壓成線性變化的特性，改變壓控振蕩器頻率從而達(dá)到頻率調(diào)制的目的，其過程可用圖510表示。,直接調(diào)頻法 優(yōu)點(diǎn):可以得到很大的頻偏 缺點(diǎn):載頻會(huì)發(fā)生漂移，需加附加的穩(wěn)頻電路。,(2)間接調(diào)頻法:間接調(diào)頻器由窄帶角度調(diào)制器和頻率倍乘器等組成。如圖511所示,晶體振蕩器產(chǎn)生一個(gè)頻率穩(wěn)定的載波基頻信號(hào)。基帶信號(hào)f(t)首先通過一個(gè)積分器積分后，去調(diào)制載波基頻信號(hào)的相位。由于調(diào)相器最大調(diào)相相位變化很小(實(shí)用中小于0.5rad)，調(diào)相器的輸出屬窄帶調(diào)頻信號(hào)，需要經(jīng)過倍頻器倍頻，才能產(chǎn)生所需要的寬帶調(diào)頻信號(hào)SFM(t)。,3調(diào)頻信號(hào)的解調(diào) 調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)大多采用非相干解調(diào)。 非相

29、干解調(diào)一般有二種方式： 鑒頻器和鎖相環(huán)解調(diào)器 前者結(jié)構(gòu)簡單，大多用于廣播及電視中，后者解調(diào)性能優(yōu)良，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般用于要求較高的場合，如通訊機(jī)等。此處我們只討論鑒頻器解調(diào)。,圖512為鑒頻器示意圖，電路實(shí)際上由一個(gè)高通濾波器(R1，C1)及一個(gè)包絡(luò)檢波器(D，C2)構(gòu)成。由高通濾波器的幅頻特性中(圖5-12b)可看到，隨輸入信號(hào)的幅值不同，輸出信號(hào)的幅值便不同。選擇一段較線性的部分，并使FM信號(hào)的載頻。處于這段線性區(qū)的中點(diǎn)。由于FM信號(hào)的瞬時(shí)頻率正比于基帶信號(hào)f(t)，它經(jīng)過高通濾波器后原來等幅的FM信號(hào)的幅值變?yōu)殡S基帶信號(hào)，f(t)的變化而變化，成為調(diào)幅信號(hào)了，其包絡(luò)形狀正比于基帶信號(hào)f

30、(t)。經(jīng)包絡(luò)檢出電路檢出包絡(luò)，就可復(fù)原出基帶信號(hào)f(t)。,,一般而言，鑒頻器的種類雖多，但都可等效為一個(gè)微分器及一個(gè)包絡(luò)檢波器，如圖513。,只要對一般FM信號(hào)表達(dá)式微分，就可證明這一點(diǎn),上式表明，經(jīng)過微分后，其幅度和頻率都攜帶了信息。所以可以用包絡(luò)檢波器檢出基帶信號(hào)F(t)，輸出信號(hào)為：,隔去直流分量就可得到解調(diào)結(jié)果sd(t)，它正比于基帶信號(hào)f(t)。,濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分。在測試裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。 廣義地講，任何一種信息傳輸?shù)耐ǖ溃劫|(zhì)）那可視為是一種濾波器。因?yàn)椋魏窝b置的響

31、應(yīng)特性都是激勵(lì)頻率的函數(shù)，都可用頻域函數(shù)描述其傳輸特性。因此，構(gòu)成測試系統(tǒng)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)，諸如機(jī)械系統(tǒng)、電氣網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表、甚至連接導(dǎo)線等等，都將在一定頻率范圍內(nèi)，按其頻域特性，對所通過的信號(hào)進(jìn)行變換與處理。,第二節(jié) 濾波器 一、基本概念,理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號(hào)的幅值和相位都不失真，阻帶內(nèi)的頻率成分都衰減為零的濾波器，其通帶和阻帶之間有明顯的分界線。也就是說，理想濾波器在通帶內(nèi)的幅頻特性應(yīng)為常數(shù)，相頻特性的斜率為常值；在通帶外的幅頻特性應(yīng)為零。 理想低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)為： H（f）= A0e-j2ft0 其幅頻及相頻特性曲線為：,分析上式所表示的頻率特性可知，該濾波器在時(shí)

32、域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù) h（t）為 sinc函數(shù)，如圖。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無限延伸，從圖中可以看出，在to時(shí)刻單位脈沖輸入濾波器之前，即在t0時(shí)，,濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了。顯然，這是一種非因果關(guān)系，在物理上是不能實(shí)現(xiàn)的。這說明在截止頻率處呈現(xiàn)直角銳變的幅頻特性，或者說在頻域內(nèi)用矩形窗函數(shù)描述的理想濾波器是不可能存在的。實(shí)際濾波器的頻域圖形不會(huì)在某個(gè)頻率上完全截止，而會(huì)逐漸衰減并延伸到。,二、濾波器的種類,根據(jù)濾波器的選頻作用分為：,低通濾波器： 從Of2頻率之問，幅頻特性平直，它可以使信號(hào)中低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而高于f2的頻率成分受到極大地衰減。,,,,高通濾波器： 與低

33、通濾波相反，從頻率f1，其幅頻特性平直它使信號(hào)中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而低于f1的頻率成分將受到極大地衰減,,,,帶通濾波器： 表示帶通濾波器，它的通頻帶在f1f2之間它使信號(hào)中高于f1而低于f2的頻率成分可以不受衰減地通過，而其他成分受到衰減。,,,,帶阻濾波器（對50Hz信號(hào)陷波器） 與帶通濾波相反，阻帶在頻率f1f2之間它使信號(hào)中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減，其余頻率成分的信號(hào)幾乎不受衰減地通過。,,,,低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種最基本的形式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器。,根據(jù)“最佳逼近特性”的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類,切比雪夫?yàn)V波器： 切貝雪夫?yàn)V波

34、器也是從幅頻特性方面提出逼近要求的，其幅頻響表達(dá)式為： 是決定通帶波紋大小的系數(shù)，波紋的產(chǎn)生是由于實(shí)際濾波網(wǎng)絡(luò)中含有電抗元件；Tn是第一類切比雪夫多項(xiàng)式。,與巴特沃茲逼近特性相比較，這種特性雖然在通帶內(nèi)有起伏，但對同洋的n值在進(jìn)入阻帶以后衰減更陡峭，更接近理想情況值越小通帶起伏越小，截止頻率點(diǎn)衰減的分貝值也越小，但進(jìn)入阻帶后衰減特性變化緩慢切貝雪夫?yàn)V波器與巴特沃茲濾波器進(jìn)行比較，切貝雪夫?yàn)V波器的通帶有波紋，過渡帶輕陡直，因此，在不允許通帶內(nèi)有紋波的情況下，巴特沃茲型更可??；從相頻響應(yīng)來看，巴特沃茲型要優(yōu)于切貝雪夫型，通過上面二圖比較可以看出，前者的相頻響應(yīng)更接近于直線,貝塞爾濾波器： 只滿

35、足相頻特性而不關(guān)心幅頻特性。貝塞爾濾波器貝塞爾濾波器又稱最平時(shí)延或恒時(shí)延濾波器其相移和頻率成正比，即為一線性關(guān)系。 但是由于它的幅頻特性欠佳，而往往限制了它的應(yīng)用,三、實(shí)際濾波器,1.實(shí)際濾波器的基本參數(shù) 理想濾波器是不存在的，在實(shí)際濾波器的幅頻特性圖中，通帶和阻帶之間應(yīng)沒有嚴(yán)格的界限。在通帶和阻帶之間存在一個(gè)過渡帶。在過渡帶內(nèi)的頻率成分不會(huì)被完全抑制，只會(huì)受到不同程度的衰減。當(dāng)然，希望過渡帶越窄越好，也就是希望對通帶外的頻率成分衰減得越快、越多越好。因此，在設(shè)計(jì)實(shí)際濾波器時(shí)，總是通過各種方法使其盡量逼近理想濾波器。 與理想濾波器相比，實(shí)際濾波器需要用更多的概念和參數(shù)去描述它，主要參數(shù)有紋波幅

36、度、截止頻率、品質(zhì)因數(shù)、倍頻程選擇性等。,下圖是一個(gè)典型的實(shí)際帶通濾波器：,（1）紋波幅度d 在一定頻率范圍內(nèi)，實(shí)際濾波器的幅頻特性可能呈波紋變化其波動(dòng)幅度d與幅頻特性的平均值A(chǔ)0相比，越小越好，一般應(yīng)遠(yuǎn)小于一3dB。 （2）截止頻率fc 幅頻特性值等于0.707A0所對應(yīng)的頻率稱為濾波器的截止頻率以A0為參考值，0.707A0對應(yīng)于一3dB點(diǎn)，即相對于A0衰減3dB若以信號(hào)的幅值平方表示信號(hào)功率，則所對應(yīng)的點(diǎn)正好是半功率點(diǎn)。,（3）帶寬B和品質(zhì)因數(shù)Q值 上下兩截止頻率之問的頻率范圍稱為濾波器帶寬，或一3dB帶寬，單位為Hz帶寬決定著濾波器分離信號(hào)中相鄰頻率成分的能力頻率分辨力 在電工學(xué)中，通

37、常用Q代表諧振回路的品質(zhì)因數(shù)在二階振蕩環(huán)節(jié)中，Q值相當(dāng)于諧振點(diǎn)的幅值增益系數(shù)， Q=12（阻尼比）對于帶通濾波器，通常把中心頻率f0（ ）和帶寬 B之比稱為濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q例如一個(gè)中心頻率為500liZ的濾波器，若其中一3dB帶寬為10Hz，則稱其Q值為50Q值越大，表明濾波器頻率分辨力越高,（4）倍頻程選擇性W 在兩截止頻率外側(cè)，實(shí)際濾波器有一個(gè)過渡帶，這個(gè)過渡帶的幅頻曲線傾斜程度表明了幅頻特性衰減的快慢，它決定著濾波器對帶寬外頻率成分衰阻的能力通常用倍頻程選擇性來表征所謂倍頻程選擇性，是指在上截止頻率fc1與 2fc1之間，或者在下截止頻率fc1與fc12之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化

38、一個(gè)倍頻程時(shí)的衰減量，,或,,,,倍頻程衰減量以dBoct表示（octave，倍頻程）。顯然，衰減越快（即W值越大），濾波器的選擇性越好對于遠(yuǎn)離截止頻率的衰減率也可用10仍頻程衰減數(shù)表示之即dB10oct,2. RC無源濾波器 在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因?yàn)樵谶@一領(lǐng)域中，信號(hào)頻率相對來說不高。而RC濾波器電路簡單，抗干擾性強(qiáng)，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)的阻容元件易得，所以在工程測試的領(lǐng)域中最經(jīng)常用到的濾波器是RC濾波器。,1)一階RC低通濾波器 RC低通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性如下圖所示。,2)一階RC高通濾波器 RC高通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性如下圖所示。,須要注意，當(dāng)高、低通兩級(jí)串聯(lián)時(shí)，應(yīng)消除兩級(jí)耦合時(shí)的相互影響，因?yàn)楹笠患?jí)成為前一級(jí)的“負(fù)載”，而前一級(jí)又是后一級(jí)的信號(hào)源內(nèi)阻實(shí)際上兩級(jí)間常用射極輸出器或者用運(yùn)算放大器進(jìn)行隔離所以實(shí)際的帶通濾波器常常是有源的有源濾波器由RC調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器組成運(yùn)算放大器既可作為級(jí)間隔離作用，又可起信號(hào)幅值的放大作用,