第8次课调制解调、滤波器

机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录4.3信号调制与解调4.4模拟信号滤波调制与解调&滤波器机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录1.熟悉调幅、解调技术在测量电路中的应用。2.熟悉调频、解调技术在测量电路中的应用。3.掌握常用滤波电路的工作原理、特性及实际应用。4.学习记录仪器的功用、性能。返回重点：1.了解实际滤波器的特性参数。2.熟悉信号调制解调的原理。难点：实际滤波器、调制与解调技术在实际测量电路中的应用。学习要求：机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录接收调制Modulation解调Demodulation调制与解调利用缓变信号控制高频信号的某个参数(幅值、频率或相位)变化的过程。广播电台的发射塔声音信号0t)(txt0)(ty→音频信号从已调制波中恢复出调制信号的过程。已调制波机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录•先将微弱缓变信号加载到高频交流信号中去；•然后利用交流放大器进行放大；•最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号（如下图所示）。调制与解调机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录1）实现缓变信号的传输，特别是远距离传输2）提高信号传输中的抗干扰能力和信噪比1、调制的目的机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录2、调制的种类调制信号载波信号)2cos()(000tfAtya)幅值调制(简称调幅，AM，AmplitudeModulation)b)频率调制(简称调频，FM，FrequencyModulation)c)相位调制(简称调相，PM，PhaseModulation)缓变信号x(t)高频简谐信号)π2cos()]([)(000tftxAty))]([π2cos()(000ttxfAty)])([π2cos()(00txftAty机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录一、幅度调制调幅是将一个高频正弦信号（载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。(1)调幅与解调原理机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录tftxtftxAtxzzm2cos)()2cos()]([)(000t)(tx调制信号载波信号调幅波)(txtftfAtzzz2cos)2cos()(00调幅的时域表达机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录根据单位脉冲函数的卷积特性：根据傅里叶变换—频域卷积定理：而)(21)(21zzffXffX调幅的频域表达mzff机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录0t)(txtfty02cos)(t0t0)()()(tytxtym0½½0f0f)(fY0ƒ0f0f)(*)()(fYfXfYm0)(fXƒ1mf2mf2mf2调制信号载波信号调幅波ƒ)()(21)(2cos)()(zzmzmffXffXfxtftxtx0ƒ0f0fmf2mf2½½)(*)()(fYfXfYm时域频域mfmf机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录同步解调、包络检波、相敏检波幅值解调方法：机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录把调幅波xm(t)与载波z(t)信号再次相乘，则频域图形将再一次进行“搬移”，)(*)(fZfXm)](21)(21[*)](21)(21[zzzzffffffXffX（1）同步解调)2(41)(21)2(41zzffXfXffXx(t)·z(t)机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录)(*)(fYfYm0ƒ0f0f)(fYm0ƒ0f0f)(fY0ƒ0f0f½½同步解调mf2mf2½½mf2mf2½½mf2mf2½½mfmf41)(*)(fYfYm0ƒ0f0fmf2mf24102f02fmfmf41)(*)(fYfYm0ƒ0f0fmf2mf241mf2mf24141mfmf02f02f41)(*)(fYfYm0ƒ0f0fmf2mf241mf2½mfmf02f02f低通cfcf02f0)(fXmfmf1mf2ƒ)(fXD0ƒmf2½mfmf(a)调幅波频谱(b)载波信号频谱(c)同步解调后频谱(d)调制信号频谱机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录若把调制信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量A，使偏置后的信号都具有正电压，此时调幅波表达式为xm(t)=[A+x(t)]cos2πfzt（2）包络检波解调机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录解调二极管检波低通滤波机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录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（不能判别调制信号相位）。第二，包络检波电路本身不具有区分不同频率载波的能力。对于不同频率的载波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（不能鉴别载波的频率）。包络检波存在的问题：机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录t0)(tyt0)(tymx(t)0时(0~t1)，xm(t)与y(t)同相，检波器输出uf(t)0x(t)0时(t1~t2)，xm(t)与y(t)反相，检波器输出uf(t)01122（3）相敏检波解调0t1t2t)(tx33t1t1132213t2t2t10t)(tuft2全波相敏检波器机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录a）y(t)0，一般y(t)xm(t),由y(t)决定二极管的通断。二极管D1、D2导通,回路1：8-1-D1-2-5-e-Rf-地-d-8回路2：d-地-Rf-e-5-2-D2-3-7-d总输出为：)()()()(21txtututumfff在负载上形成两个电流回路:2)(2)()(1tytxtumf流过Rf电流为正流过Rf电流为负2)(2)()(2txtytumf1）当调制信号x(t)0时(0~t1时间内)因为调幅波xm(t)=x(t)·y(t)，故xm(t)与载波y(t)在每一时刻都同相。机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录返回b）y(t)0，二极管D3、D4导通,回路1：7-3-D3-4-6-e-Rf-地-d-7回路2：d-地-Rf-e-6-4-D4-1-8-d总输出为：)()()()(21txtututumfff在负载上形成两个电流回路:2)(2)()(1tytxtumf流过Rf电流为正流过Rf电流为负2)(2)()(2txtytumfxm(t)=x(t)y(t)机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录a）y(t)0，y(t)决定二极管的通断。二极管D1、D2导通,回路1：8-1-D1-2-5-e-Rf-地-d-8回路2：d-地-Rf-e-5-2-D2-3-7-d总输出为：在负载上形成两个电流回路:2)(2)()(1txtytumf2)(2)()(2txtytumf流过Rf电流为正流过Rf电流为负2）当调制信号x(t)0时(t1~t2时间内)因为调幅波xm(t)=x(t)·y(t)，故xm(t)与载波y(t)在每一时刻都反相。)()()()(21txtututumfff机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录b）y(t)0，二极管D3、D4导通,回路1：7-3-D3-4-6-e-Rf-地-d-7回路2：d-地-Rf-e-6-4-D4-1-8-d总输出为：)()()()(21txtututumfff在负载上形成两个电流回路:2)(2)()(1txtytumf流过Rf电流为正流过Rf电流为负2)(2)()(2txtytumfxm(t)=x(t)y(t)机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录电阻交流电桥的幅值调制不同接法的电桥可表示为ioURRKU0当ΔR/R0=R(t)，Ui=E0cos2πf0t时U0=KR(t)E0cos2πf0t交流电桥的输出电压U0随R(t)的变化而变化，即U0的幅值受R(t)的控制，其频率为输入电压信号Ui的频率，即2πf0全桥、四臂输出RR1RR3RR42I1IoUiUabdcRR2机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录电桥输入电压Ui=E0cos2πf0t实际上载波信号R(t)，即电桥的输入ΔR/R0，实际上是调制信号电桥输出U0实际上是调幅信号交流电桥是一个调幅器。调幅器实际上是一个乘法器.x(t)cos2πƒot↔½[X(ƒ)*δ(ƒ-ƒo)+X(ƒ)*δ(ƒ+ƒo)]=½[X(ƒ-ƒo)+X(ƒ+ƒo)]RR13R4R2RoUiUabdc0tRt0iU0toU机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录实验：同步调制与解调实验上述调制方法，将信号x(t)直接与载波y(t)相乘．这种调幅波具有极性变化，解调时必须再乘与y(t)相位相同的y’(t)方能复原出原信号，故称同步解调．机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录•1、要求载波频率fz必须远大于调制信号的最高频率fm，一般fz10fm。•2、要求有性能良好的线性乘法器。同步解调存在问题：否则容易引起信号失真。机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录若把调制信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量A，使偏置后的信号都具有正电压，此时调幅波表达式为xm(t)=[A+x(t)]cos2πfzt•对该调幅波一般采用整流(半波或全波整流)、滤波以后，就可以恢复原信号。包络检波机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录解调二极管检波低通滤波机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录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（不能判别调制信号相位）。第二，包络检波电路本身不具有区分不同频率载波的能力。对于不同频率的载波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（不能鉴别载波的频率）。包络检波存在的问题：机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录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。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。机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录例4-1：电桥应变片交流放大相敏检波低通滤波示波器力、应变电阻变化电压电压(电流)t电压电压振荡器0RR/0t)(Ft)(3tu0t)(2tu0t)(1tu0t)(txm0t)(ty0t)(ty0动态应变仪机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录(2)调幅波的波形失真信号经过调制以后，有下列情况可能出现波形失真现象。机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录l）过调失真如图，要求其直流偏置必须足够大，否则x(t)的相位将发生180。倒相，此称为过调。此时，如果采用包络检波，则检出的信号就会产生失真，而不能恢复出原信号。机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录2）重叠失真•调幅波最高频率为±fm。•当载波频率fzfm时，发生频率混叠。•因此，调幅时必须满足fz＞fm。•实际应用中，至少fz10fm。fzfm机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录3)调幅波通过系统时的失真调幅波通过系统时，还将受到系统频率特性的影响。机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录调频是利用调制信号x(t)的幅值控制载波的频率发生变化的过程，或者说，调频波是一种随信号x(t)的幅值变化的疏密度不同的等幅波。二、调频及其解调调频波：(a)锯齿波调频(b)正弦波调频))]([2cos()(0ttxfAtyf调制信号x(t)载波y(t)=Acos(2πf0t+Φ)机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录调频原理T1T2T3T4F调频波的瞬时频率可表示为f=f0+df,df=kx(t)df-为频率偏移)(f0-载波信号频率；机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录（一）直接调频测量电路把被测量的变化直接转换为振荡频率的变化称为直接调频式测量电路(如LC振荡器)，