《測(cè)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(lái)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(guò)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(guò)程 調(diào)制的目的減少低頻模擬被測(cè)信號(hào)的放大、傳輸、處理的困難。 有些傳感器在完成從被測(cè)物理量到電量的轉(zhuǎn)換過(guò)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(lèi)傳感器將被測(cè)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(guò)程。 調(diào)制與解調(diào)是一對(duì)相反的

2、信號(hào)變換過(guò)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(wú)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(duì)電容器C充電。負(fù)半周時(shí)，二極管V截止，電容器反過(guò)來(lái)通過(guò)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(duì)調(diào)幅之后的波形只進(jìn)行簡(jiǎn)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(jiàn)圖416)。在這種情況下，采用相敏檢波技術(shù)可以解決這一問(wèn)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(duì)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(jiǎn)單地說(shuō)，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(lái)。 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(guò)“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(guò)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(lái)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(duì)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(jiǎn)單，在測(cè)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(chǎng)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(guò)，同時(shí)極大衰減不需要的頻帶信號(hào)以阻止其通過(guò)，起著對(duì)某段頻率成分進(jìn)行篩選的作用

7、。 作用： 對(duì)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(duì)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(duì)信號(hào)的衰減愈大愈好，理想情況下衰減應(yīng)為無(wú)窮大。 3)通帶與阻帶分界要明顯，理想情況下應(yīng)無(wú)過(guò)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(lèi) 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(lái)分類(lèi)，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(wú)

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(wú)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(wú)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(duì)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(duì)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(chēng)-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(chēng)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(duì)于帶通濾波器來(lái)說(shuō)，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(duì)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(guò)渡帶，過(guò)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(lái)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(duì)理想濾波器有 =1。 對(duì)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(duì)于一階RC

11、電路產(chǎn)生較為陡峭的濾波器邊緣。,,,,通過(guò)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(guò)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(jiǎn)單濾波器的級(jí)聯(lián)能改善濾波器的過(guò)渡帶性能，卻又不可避免地帶來(lái)了明顯的負(fù)載效應(yīng)和相移增大等問(wèn)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(lèi)常見(jiàn)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(duì)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(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)，而是通過(guò)中心頻率可調(diào)的掃描式帶通濾波器來(lái)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(guò)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(lái)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(lái)產(chǎn)生，用一個(gè)線性升高的電壓來(lái)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(zhǎng)，所以掃頻速度不能過(guò)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(guò)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(qǐng)參閱相關(guān)書(shū)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(cè)量裝置的重要組成部分。調(diào)制器的作用是把信源送來(lái)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(guò)信道傳過(guò)來(lái)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(lèi)： 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(xiě)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(jiǎn)諧信號(hào)。 c(t)=A0COS(0t+0) 通過(guò)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(kāi) 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(jiǎn)諧信號(hào)。該信號(hào)分為兩部分，一部分通過(guò)增益為Ao的放大器，另一部分通過(guò)一個(gè)乘法器(也被稱(chēng)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(xiě)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(guò)程是頻譜搬移過(guò)程。 由于在搬移過(guò)程中頻譜結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化，通常幅值調(diào)制也稱(chēng)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?，成為兩個(gè)頻帶：(o-max，o)和(o，o+max)。稱(chēng)前者為下邊帶，稱(chēng)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(chēng)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(chēng)為調(diào)制系數(shù)，也稱(chēng)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(chēng)為過(guò)調(diào)制。為了不產(chǎn)生過(guò)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(guò)對(duì)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(jiǎn)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(méi)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(guò)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?cè)诔朔ㄆ鲀?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(chēng)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(yǔ)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(méi)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(chēng)包絡(luò)檢波，它的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)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(wú)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(duì)電容器C充電。負(fù)半周時(shí)，二極管V截止，電容器反過(guò)來(lái)通過(guò)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(jiǎn)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(guò)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(wú)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(lái)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(guò)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(cè)量?jī)x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(lái)，最后所檢測(cè)到的信號(hào)將是SDSB(t)經(jīng)過(guò)“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(duì)稱(chēng)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(chēng)為瞬時(shí)相位。對(duì)瞬時(shí)相位(t)微分

26、得,(t)稱(chēng)為瞬時(shí)角頻率，瞬時(shí)相位是(t)得積分,對(duì)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(xiě)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(chēng)該調(diào)制波為頻率調(diào)制波,KFM頻率調(diào)制指數(shù)，或稱(chēng)頻率調(diào)制靈敏度 調(diào)頻波的瞬時(shí)相位可寫(xiě)成,調(diào)頻和調(diào)相只是角度調(diào)制的不同形式，無(wú)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(wú)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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(chǎng)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(guò)高通濾波器后原來(lái)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(lèi)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(duì)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(guò)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(guò)，而極大地衰減其他頻率成分。在測(cè)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)?，任何裝置的響

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(cè)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(duì)所通過(guò)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(shuō)，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(wú)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(shuō)明在截止頻率處呈現(xiàn)直角銳變的幅頻特性，或者說(shuō)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(lèi),根據(jù)濾波器的選頻作用分為：,低通濾波器： 從Of2頻率之問(wèn)，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(guò)，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(guò)，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(guò)，而其他成分受到衰減。,,,,帶阻濾波器（對(duì)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(guò)。,,,,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(lèi)型的濾波器。,根據(jù)“最佳逼近特性”的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類(lèi),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(lèi)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(duì)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(guò)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(lái)看，巴特沃茲型要優(yōu)于切貝雪夫型，通過(guò)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(chēng)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(méi)有嚴(yán)格的界限。在通帶和阻帶之間存在一個(gè)過(guò)渡帶。在過(guò)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(guò)渡帶越窄越好，也就是希望對(duì)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(guò)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(duì)應(yīng)的頻率稱(chēng)為濾波器的截止頻率以A0為參考值，0.707A0對(duì)應(yīng)于一3dB點(diǎn)，即相對(duì)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(duì)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(wèn)的頻率范圍稱(chēng)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(duì)于帶通濾波器，通常把中心頻率f0（ ）和帶寬 B之比稱(chēng)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(chēng)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(guò)渡帶，這個(gè)過(guò)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(duì)帶寬外頻率成分衰阻的能力通常用倍頻程選擇性來(lái)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(duì)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(wú)源濾波器 在測(cè)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(duì)來(lái)說(shuō)不高。而RC濾波器電路簡(jiǎn)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(cè)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,