信号调制解调.ppt
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1、第三章第三章信号调制解调电路信号调制解调电路第一节第一节调制解调的功用与类型调制解调的功用与类型1、什么是信号调制?、什么是信号调制?调制调制就是用一个信号(称为调制信号)去就是用一个信号(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),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。让后者的某一特征参数按前者变化。2、什么是解调?、什么是解调?在将测量信号调制,并将它和噪声分离,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,这一过程称为反映被测量值的测量信号,这一
2、过程称为解调解调。图图1-4调幅信号调幅信号c)ustuctb)a)O xtxO xO什么是信号调制?什么是信号调制?第一节第一节调制解调的功用与类型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
3、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测量信号赋予一定特征,这就是调制的主要功用。用。第一节第一节调制解调的功用与类型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,分别称为个参数,可以对这三个参数进行调制,分别称为调幅调幅(AM)、调频、调频(FM)和调相和调相(PM)。也可以用。也可以用脉冲信号作载波信号。可以对
4、脉冲信号的不同特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征参数作调制,最常用的是对脉冲的宽度进行调制,称为制,称为脉冲调宽脉冲调宽。第一节第一节调制解调的功用与类型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?、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,这个载体称为号或脉冲信号作为载体,这个载体称为载波信载波信号号。用来改变载波信号的某一参数,如幅值、频用来改变载波信
5、号的某一参数,如幅值、频率、相位的信号称为率、相位的信号称为调制信号调制信号。在测控系统中,通常就用测量信号作调制信在测控系统中,通常就用测量信号作调制信号。经过调制的载波信号叫号。经过调制的载波信号叫已调信号已调信号。第二节第二节调幅式测量电路调幅式测量电路一、调幅原理与方法一、调幅原理与方法(一一)调幅波的一般数学表达式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、什么是调幅?写出调幅信号的数学表达式.调幅调幅就是用调制信号就是用调制信号x去控制高频载波信号的幅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值。常用的是线性调幅,即让调幅信号的幅值按调制
6、信号制信号x的线性函数变化。的线性函数变化。调幅信号的调幅信号的一般表达式一般表达式可写为:可写为:us=(Um+mx)coswct m 为调制度为调制度c)ustuctb)a)O xtxO xOc)ustuctb)a)O xtxO xOUm0Um=0第二节第二节调幅式测量电路调幅式测量电路2、调幅波的频谱、调幅波的频谱假假设设调调制制信信号号x是是角角频频率率为为的的余余弦弦信信号号x=Xmcost,则调幅信号可写为:,则调幅信号可写为:us=Umcosct+mXmcos(c+)t+mXmcos(c-)t/2 它包含三个不同频率的信号它包含三个不同频率的信号:一一个个是是角角频频率率为为c的
7、的载载波波信信号号,其其幅幅值值是是Um,和和角角频频率率分分别别为为c,幅幅值值为为mXm/2的的两两个个分分量。量。第二节第二节调幅式测量电路调幅式测量电路 txOtOucusa)调制信调制信号号b)载波信载波信号号Otc)双边带调双边带调幅信号幅信号 c c-c c+第二节第二节调幅式测量电路调幅式测量电路我我们们知知道道,信信号号的的时时域域相相乘乘等等于于频频域域卷卷积积。即即x(t).y(t)x(f)*y(f)卷卷积积的的结结果果就就产产生生了了频频谱谱搬搬移移,即即从从低低频频搬移到了载频的两侧。搬移到了载频的两侧。所所以以,调调幅幅过过程程也也是是一一个个频频率率搬搬移移或或频
8、频率率变换的过程。变换的过程。调幅波的带宽为:调幅波的带宽为:BW=2。第二节第二节调幅式测量电路调幅式测量电路3、何谓双边带调幅?画出波形、何谓双边带调幅?画出波形载载波波信信号号中中不不含含调调制制信信号号x的的信信息息,因因此此可可以以取取Um=0,只只保保留留两两个个边边频频信信号号。这这种种调调制制称称为为双双边边带带调调制制。其其数学表达式数学表达式为:为:us=Uxmcostcosct双边带调制可以用调制信号与载波信号相乘来实现双边带调制可以用调制信号与载波信号相乘来实现 如如果果调调制制信信号号是是一一个个复复杂杂的的信信号号,则则已已调调信信号号频频谱谱将出现下边带和上边带。
9、此时带宽应为将出现下边带和上边带。此时带宽应为BW=2m -mm c-mc c+m 2m第二节第二节调幅式测量电路调幅式测量电路4、在在测测控控系系统统中中被被测测信信号号的的变变化化频频率率为为0100Hz,应应怎怎样样选选取取载载波波信信号号的的频频率率?应应怎怎样样选选取取调调幅幅信信号号放放大大器器的通频带?信号解调后,怎样选取滤波器的通频带?的通频带?信号解调后,怎样选取滤波器的通频带?为为了了正正确确进进行行信信号号调调制制必必须须要要求求c,通通常常至至少少要要求求c10。这这样样,解解调调时时滤滤波波器器能能较较好好地地将将调调制制信信号号与与载载波波信信号号分分开开,检检出出
10、调调制制信信号号。若若被被测测信信号号的的变变化化频频率率为为0100Hz,则则载载波波信信号号的的频频率率c1000Hz。调调幅幅信信号号放放大大器器的的通通频频带带应应为为9001100Hz。信信号号解解调调后后,滤滤波波器器的的通通频频带带应应100Hz,即即让让0100Hz的的信信号号顺顺利利通通过过,而而将将900Hz以以上上的的信信号号抑抑制制,可可选选通通频频带为带为200Hz。第二节第二节调幅式测量电路调幅式测量电路5、调幅波的功率、调幅波的功率载波功率载波功率=(Ucm)2/2边频功率边频功率=2*1/2*(mXm/2)2=(MUcm)2/4可见,在可见,在AM调制中,载波功
11、率占了总功率调制中,载波功率占了总功率的相当大的一部分。当的相当大的一部分。当M=1时,边频功率也只时,边频功率也只有载波频率的有载波频率的50%。实际上。实际上。M一般为一般为0.30.5。而有用信息仅包含在边频之中,所以,从而有用信息仅包含在边频之中,所以,从功率角度看,功率角度看,AM调制是很不经济的。调制是很不经济的。第二节第二节调幅式测量电路调幅式测量电路6、实现、实现AM调幅的方案调幅的方案xUmcosctuscosctx增益增益=Umus第二节第二节调幅式测量电路调幅式测量电路(二)传感器调制(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为什么在测控系统中常常在传感器
12、中进行信号调制?号调制?为了提高测量信号抗干扰能力,常要求从信号一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形成就已经是已调信号,因此常常在传感器中进行调制。进行调制。第二节第二节调幅式测量电路调幅式测量电路2、通过交流供电实现调制、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如,电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器。器。R1FR4R2 R3R1R2UoUR3R4应变式传感器输出信号的调制应变式传感器输出信号的调制 第二节第二节调幅式测量电路调幅式测量电路3、用机械或光学的方法实现调制、用机械或光学的方法实现调制1234567第二节
13、第二节调幅式测量电路调幅式测量电路(三)电路调制(三)电路调制1、乘法器调制、乘法器调制MC1496a)a)原理图原理图ucuxuoxyKxyb)b)实用电路实用电路-8V-8V47k47k0.1F0.1F1k1k0.1F0.1F51517507501414 10 10 1 16 61k1k3 38 8MC1496MC14961k1k3.3k3.3k3.3k3.3k7507501k1k680k680k20F20F20F20Fu uc c1k1k0.1F0.1F2 212125 54 4u uo ou ux x+12V+12V第二节 调幅式测量电路2、开关电路调制、开关电路调制uxuoUcV2V
14、1Uc uotO Uc OttO ux第二节 调幅式测量电路3、信号相加调制、信号相加调制T1+ux -+ux -+uc -VD1i1VD2i2载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号第二节 调幅式测量电路二、包络检波电路二、包络检波电路什么是包络检波?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解调调或检检波波。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包络检波。第二节 调幅式测量电路包络检波的基本工作原理是什么?包络检波的基本工作原理是什么?由图可见,只要从图由图可见,只要
15、从图a所示的调幅信号中,截去它的下半所示的调幅信号中,截去它的下半部,即可获得图部,即可获得图b所示半波检波后的信号所示半波检波后的信号(经全波检波经全波检波或截去它的上半部也可或截去它的上半部也可),再经低通滤波,滤除高频信,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。是建立在整流的原理基础上的。usuoOOtta)b)第二节第二节调幅式测量电路调幅式测量电路(一)二极管与三极管包络检波(一)二极管与三极管包络检波1、基本电路、基本电路VDRLC2Ti+us_+uo_非线性非线性 器件器件 低
16、通低通滤波器滤波器C1a)二极管检波路二极管检波路C1VRLC2Tic+us_+_非线性非线性 器件器件 低通低通滤波器滤波器uoEcb)晶体管检波电路晶体管检波电路第二节 调幅式测量电路2、峰值检波与平均值检波、峰值检波与平均值检波a)二极管二极管iiUsmctctuuo0us=usmcosct0imax/2/20uo0tctb)晶体管晶体管i0ube0Usmus=usmcoscti0Icicmaxctuo0t第二节第二节调幅式测量电路调幅式测量电路(二)精密检波电路(二)精密检波电路为什么要采用精密检波电路?为什么要采用精密检波电路?二极管二极管VD和晶体管和晶体管V都有一定死区电压,即二
17、极都有一定死区电压,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。二极值时才导通,它们的特性也是一根曲线。二极管管VD和晶体管和晶体管V的特性偏离理想特性会给检波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,常需采用带来误差。为了提高检波精度,常需采用精密精密检波电路检波电路,它又称为,它又称为线性检波电路线性检波电路。第二节 调幅式测量电路1、半波精密检波电路、半波精密检波电路+us 半波整流器半波整流器低通滤波器低通滤波器+usiiCR4uoR1R2R2R3VD1VD2+u i-+N1-+N2+uA+uAA
18、第二节 调幅式测量电路2、全波精密检波电路、全波精密检波电路+us 半波整流器半波整流器低通滤波器低通滤波器+usiiCR4uoR1R2R2R3VD1VD2+u i-+N1-+N2R3+uA+uAAOtuAOtuoOtus线性全波检波电路之一线性全波检波电路之一第二节第二节调幅式测量电路调幅式测量电路 uoR4VD1VD2R2R5VD3VD4R3usR1-+N1-+N2线性全波检波电路之二u us s00,二极管,二极管V VD1D1,V VD4D4导通,导通,V VD2D2,V VD3D3截止,截止,u uO Ou us s;u us s00usR2R1R3R4us-+N1-+N2b)正输入
19、等效电路)正输入等效电路线性全波检波电路之三线性全波检波电路之三高输入阻抗线性全波整流电路高输入阻抗线性全波整流电路u us s00,二极管,二极管V VD1D1导通,导通,V VD2D2截止截止;uo=-usus0uAR2R1R3R4us-+N1-+N2c)负输入等效电路负输入等效电路usuAVD2VD1uoR1R3R4-+N1R2-+N2线性全波检波电路之三线性全波检波电路之三高输入阻抗线性全波整流电路高输入阻抗线性全波整流电路U Us s00,二极管,二极管V VD1D1截止,截止,V VD2D2导通;导通;取R1=R2=R3=R4/2uo=|us|第二节第二节调幅式测量电路调幅式测量电
20、路三、相敏检波电路三、相敏检波电路(一)相敏检波的功用和原理(一)相敏检波的功用和原理1、什么是相敏检波电路?、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。力的检波电路。第二节第二节调幅式测量电路调幅式测量电路2、为什么要采用相敏检波?、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,幅信号进行半波或全波整流,无法从检波器的输出鉴无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位别调制信号的相位。第二,包络检波电路本身不具有。第二,包络检波电路本身
21、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,的信号它都以同样方式对它们整流,以恢复调制信号,这就是说它这就是说它不具有鉴别信号的能力不具有鉴别信号的能力。为了使检波电路。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,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。需采用相敏检波电路。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、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?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
22、在功能上的主要区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。就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。第二节
23、 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、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?似之处?它们又有哪些区别?将调制信号将调制信号ux乘以幅值为乘以幅值为1的载波信号就可以得到双的载波信号就可以得到双边带调幅信号边带调幅信号us,将双边带调幅信号,将双边带调幅信号us再乘以载波信再乘以载波信号,经低通滤波后就可以得到调制信号号,经低通滤波后就可以得到调制信号ux。这就是相。这就是相敏检波电路在结构上与调制电路相似的原因。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
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