第五章生物醫(yī)學(xué)遙測(cè)-1

生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)第五章生物醫(yī)學(xué)遙測(cè)BiomedicalElectronics第一節(jié)信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)第二節(jié)脈沖調(diào)制1

第五章生物遙測(cè)在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中，遙測(cè)技術(shù)成為迅速發(fā)展的一大分支。遙測(cè)技術(shù)很好地適應(yīng)了生物醫(yī)學(xué)測(cè)量的特殊性，是生物信號(hào)測(cè)量的理想方法之一。無(wú)線電生物信號(hào)遙測(cè)通過(guò)空間電磁波的發(fā)射和接收傳遞信息，能夠?qū)崿F(xiàn)生物信號(hào)的動(dòng)態(tài)測(cè)試。例如工作狀態(tài)下或運(yùn)動(dòng)中人體生理監(jiān)測(cè)和研究；運(yùn)動(dòng)負(fù)荷下，某些疾病的誘發(fā)癥狀的監(jiān)視；飛行員、宇航員的生理監(jiān)測(cè)；對(duì)難以配合的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物采用無(wú)線測(cè)量，可以在一定的活動(dòng)范圍內(nèi)對(duì)其進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視和測(cè)量，這種測(cè)量比在麻醉狀態(tài)下測(cè)得的生理參數(shù)更為真實(shí)。另一方面，無(wú)線遙測(cè)切斷了被測(cè)對(duì)象與市電電源的聯(lián)系，從而免除了復(fù)雜的安全措施的設(shè)置，同時(shí)也避免了測(cè)量過(guò)程中市電電源和電纜線的嚴(yán)重干擾。

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無(wú)線遙測(cè)還可以實(shí)現(xiàn)生物體內(nèi)難以接觸到的部位的生理參數(shù)的測(cè)量，如消化道中壓力的變化、深部體溫、血管中壓力及流量、顱內(nèi)壓力等。生物遙測(cè)過(guò)程是利用無(wú)線電技術(shù)進(jìn)行信息的傳輸。生理信號(hào)首先經(jīng)過(guò)調(diào)制，由發(fā)射機(jī)以電磁波方式把生理信號(hào)輻射出去；通過(guò)接收機(jī)收到調(diào)制信號(hào)，再由解調(diào)電路恢復(fù)原有的生理信號(hào)。

第一節(jié)信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)調(diào)制的實(shí)質(zhì)是把信號(hào)的頻譜搬移到任何所需要的頻率范圍，亦即把信號(hào)附在不同頻率的載波上，目的是為了信號(hào)的電磁波發(fā)射和占據(jù)不同頻段，實(shí)現(xiàn)多路傳送?？刂聘哳l振蕩的三個(gè)基本參數(shù)(幅度、頻率、相位)之一，使高頻信號(hào)按照所要傳遞的低頻信號(hào)的變化而變化，讓高頻信號(hào)包含有低頻信號(hào)的信息，這一過(guò)程稱為調(diào)制。3

低頻信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)或調(diào)制波，高頻振蕩稱為載波，經(jīng)過(guò)調(diào)制以后的高頻振蕩稱為已調(diào)波。根據(jù)被控制的高頻振蕩的參數(shù)的不同，調(diào)制方式分為振幅調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制，簡(jiǎn)稱為調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)、調(diào)相(PM)，調(diào)頻和調(diào)相常統(tǒng)稱為角度調(diào)制。另一種調(diào)制方式是脈沖調(diào)制，即用信號(hào)去調(diào)制脈沖序列的參數(shù)：脈沖幅度、寬度和位置，分別稱為脈沖幅度調(diào)制(PAM)、脈沖寬度調(diào)制(PDM)和脈沖位置調(diào)制(PPM)。5.1.1振幅調(diào)制與解調(diào)一、振幅調(diào)制為了發(fā)射調(diào)制信號(hào)，用高頻振蕩波作為載波，設(shè)高頻載波為高頻載波的振幅U0、頻率ω0和初相角φ0都是固定的。t4對(duì)高頻振蕩波進(jìn)行調(diào)制以后，高頻振蕩的幅度變成為說(shuō)明調(diào)幅的基本原理，假設(shè)低頻的調(diào)制信號(hào)(例如所傳輸?shù)纳硇盘?hào))為一簡(jiǎn)諧波，即α是與調(diào)幅電路有關(guān)的系數(shù)，這樣調(diào)幅波(已調(diào)波)可表示為5所以mα表示高頻振蕩的振幅受調(diào)制信號(hào)控制(調(diào)制)所改變的程度，叫做調(diào)幅系數(shù)。圖5.1為調(diào)制信號(hào)和已調(diào)幅波的對(duì)應(yīng)圖，(a)為低頻調(diào)制信號(hào)；(b)為調(diào)幅系數(shù)mα<1時(shí)的情況，這時(shí)已調(diào)幅波的包跡和調(diào)制信號(hào)的波形是完全一致的；(c)為mα>1時(shí)的已調(diào)幅波，可以看到，對(duì)應(yīng)調(diào)制信號(hào)的負(fù)半周，出現(xiàn)嚴(yán)重失真。這種狀態(tài)稱為過(guò)調(diào)幅，是應(yīng)用中要避免的。6余弦波調(diào)制的調(diào)幅波包含三種頻率成分：第一項(xiàng)的頻率、振幅和初相位與高頻載波一樣的和調(diào)制信號(hào)無(wú)關(guān)，而第二、第三兩項(xiàng)的振幅是載波分量的mα/2倍，頻率分別為(ω0+Ω)和(ω0-Ω)，代表兩個(gè)的新生頻率分量，(ω0+Ω)稱為上邊頻，(ω0+Ω)稱為下邊頻。上、下邊頻波包含了要傳遞的信息特征。已調(diào)波如圖所示，上、下邊頻分量對(duì)稱排列在載頻分量的兩側(cè)。在mα≤1的正常情況下，有7當(dāng)振幅在mα<1時(shí)，不超過(guò)載頻分量的一半。已調(diào)幅波所占據(jù)的頻帶寬度等于調(diào)制信號(hào)頻率的兩倍，顯然對(duì)已調(diào)幅波進(jìn)行放大的射頻放大器及接收機(jī)只需較窄的頻帶即可。調(diào)制信號(hào)不是單一的余弦波，而是由多頻率分量組成時(shí)，假設(shè)調(diào)制信號(hào)為n=1、2…..K，則已調(diào)波的瞬時(shí)值為為調(diào)制信號(hào)中不同分量的振幅、角頻率和初相角8多頻信號(hào)調(diào)制以后的已調(diào)幅波，包含一個(gè)載頻分量和K對(duì)上、下邊頻分量。調(diào)制信號(hào)中一個(gè)角頻率為Ωn、振幅UΩn、初相角為φn的分量，已調(diào)幅波中就有一對(duì)和它對(duì)應(yīng)的上、下邊頻分量，角頻率分別為ω0+

Ωn和ω0-

Ωn；初相角分別為φ0+φn和φ0–φn；振幅和UΩn成正比，是載頻振幅的mαn/2倍。9邊頻分量組成兩個(gè)頻帶對(duì)稱地排列在載頻的兩旁，稱為上邊頻帶和下邊頻帶?？梢?jiàn)，已調(diào)幅波的頻帶寬度也等于最高調(diào)制頻率的兩倍。從調(diào)幅波的頻譜可知，載波分量的幅度與調(diào)制信號(hào)無(wú)關(guān)，只有旁頻幅度隨調(diào)制信號(hào)改變，整個(gè)調(diào)幅波的功率中，真正有用的是旁頻功率，當(dāng)ma=1時(shí)，旁頻功率最大。所以，為了經(jīng)濟(jì)地使用能量，可以只發(fā)射旁頻，不發(fā)射載波，這叫做抑制載波雙邊帶調(diào)幅。由于上邊頻和下邊頻的頻譜分量對(duì)稱，還可以只發(fā)射一個(gè)旁頻分量，這就是應(yīng)用很廣的單邊帶調(diào)制，不但進(jìn)一步節(jié)省了功率，而且可以壓縮占據(jù)頻帶的寬度，充分利用頻帶。10

如何產(chǎn)生調(diào)幅波？把調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)同時(shí)加到一個(gè)非線性元件上，經(jīng)過(guò)非線性變換產(chǎn)生新的頻率分量，再利用諧振回路選出所需的頻率成分即可實(shí)現(xiàn)調(diào)幅。常用三極管的非線性特性進(jìn)行頻率變換，再由諧振回路選出調(diào)幅波分量，得到調(diào)幅信號(hào)。根據(jù)調(diào)制信號(hào)接入到電路中的方式不同，即調(diào)制信號(hào)對(duì)電路的控制不同，分為基極調(diào)幅、發(fā)射極調(diào)幅和集電極調(diào)幅。

以基極調(diào)幅說(shuō)明調(diào)幅的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程：(a)為基極調(diào)幅電路，（b)為調(diào)幅波形。11高頻載波振蕩通過(guò)高頻變壓器B1加到晶體管的基極電路，低頻調(diào)制信號(hào)通過(guò)一個(gè)電感線圈與高頻信號(hào)串聯(lián)。電阻R1、R2構(gòu)成分壓器以提供基極偏流，C2為高頻旁路電容，C1為低頻旁路電容。在基極回路，高頻振蕩、低頻調(diào)制信號(hào)和直流電壓相串聯(lián)構(gòu)成基極-發(fā)射極間電壓ube，集電極電流ic受它的控制。根據(jù)ic-ube曲線畫出ic的波形。再由集電極的諧振回路將各諧波分量濾除，只取出載頻和旁頻分量，即獲得調(diào)幅波，如圖。12

發(fā)射極調(diào)幅與基極調(diào)幅類似，集電極調(diào)幅電路的低頻調(diào)制信號(hào)從集電極引入，三種調(diào)幅電路相比較：（1）基極調(diào)幅電路由于基極電路電流小，消耗功率不大，對(duì)低頻調(diào)制信號(hào)只需要很小的調(diào)制功率，因此相應(yīng)的低頻放大電路比較簡(jiǎn)單。（2）發(fā)射極調(diào)幅需要較大的調(diào)制功率；集電極調(diào)幅可以得到較深的調(diào)制度，但調(diào)制特性存在較明顯的非線性失真。為此采用集電極、發(fā)射極雙重調(diào)幅電路，可獲到較好的調(diào)制特性。二、解調(diào)從高頻的已調(diào)波中取出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程為解調(diào)，或稱為檢波，是調(diào)制的反過(guò)程。調(diào)幅波的解調(diào)叫做幅度檢波。

檢波電路的功能：輸入是高頻等幅波，輸出是直流信號(hào)；輸入是已調(diào)波，輸出端則是調(diào)制信號(hào)。從頻譜關(guān)系看：輸入信號(hào)的頻譜由載頻和旁頻分量組成，不包含調(diào)制信號(hào)分量，但輸出信號(hào)必須還原為低頻調(diào)制信號(hào)。這一頻率變換關(guān)系應(yīng)該由非線性元件和濾波元件來(lái)完成。13根據(jù)已調(diào)幅信號(hào)的特點(diǎn)，常用的檢波電路分為大信號(hào)包絡(luò)檢波和小信號(hào)平方律檢波。圖為二極管大信號(hào)峰值包絡(luò)檢波電路及檢波波形(大信號(hào)指大于500mV的信號(hào))。電容C通過(guò)R放電，放電時(shí)間常數(shù)為RC，一般rdC<<RC，充放電達(dá)到平衡。這過(guò)程中u2(t)幅值接近u1(t)幅值。1、在高頻載波的正半周，檢波二極管D導(dǎo)通，電流i的一部分為電容C充電，二極管導(dǎo)通內(nèi)阻為rd，則充電時(shí)間常數(shù)為rdC,充電過(guò)程中，u2(t)幅值增大，若比u1的幅值大，則D截止，14u1(t)幅值增大或減小時(shí)，u2的幅值隨之升高或降低，即輸出隨調(diào)幅波的包絡(luò)線而變化，由此得到調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)檢波。這種檢波電路輸出電壓與輸入信號(hào)的包絡(luò)一致，而且輸出電壓的大小與輸入信號(hào)載體峰值接近相等，因此又稱峰值包絡(luò)檢波。理想的峰值包絡(luò)檢波電壓傳輸系數(shù)是1。實(shí)際上選擇便會(huì)接近于1。2、調(diào)幅波信號(hào)較小(幅度小于幾十毫伏)時(shí)，采用平方律檢波，電路及檢波波形如圖。與大信號(hào)峰值包絡(luò)檢波不同的是檢波二極管工作于伏安特性的彎曲部分，用鍺二極管輸入信號(hào)應(yīng)小于0.2V，因此電路中需加偏置E。15相應(yīng)負(fù)載電阻R上的調(diào)制電壓幅值為，由于檢波后的輸出幅度和輸入調(diào)幅信號(hào)的電壓幅度的平方成正比，因此稱之為平方律檢波。檢波后除iΩ之外，還有2Ω的頻率成分檢波電路輸入電流和輸入電壓的關(guān)系為非線性關(guān)系I0是無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，非線性元件的靜態(tài)電流，a、b是常數(shù)。u用已調(diào)幅波代入，得到頻率為Ω的電流調(diào)制分量16用抑制載波的調(diào)幅方式可以節(jié)省發(fā)射功率，它是把調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)相乘，構(gòu)成乘積調(diào)制器。相應(yīng)的，用乘積檢波方式不但可以解調(diào)調(diào)幅信號(hào)，而且可以解調(diào)抑制載波信號(hào)。而包絡(luò)檢波只能用于調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)。乘積檢波又叫做相干檢波，它和包絡(luò)檢波的最大區(qū)別是在接收端必須有一個(gè)本地載波信號(hào)，本地載波信號(hào)與接收到的已調(diào)波相乘可以產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)頻率分量和其他諧波組合頻率分量，經(jīng)低通濾波器以后就可還原出調(diào)制信號(hào)，如圖所示。因?yàn)榕c基波頻率相近，不易濾除干凈而造成輸出信號(hào)的非線性失真。用非線性失真系數(shù)r來(lái)表示由此可見(jiàn)調(diào)制度m。越小，造成非線性失真越小，但是檢波輸出的基波信號(hào)也越小。1718可見(jiàn)低頻調(diào)制信號(hào)的輸出幅度正比于系數(shù)cosφ，當(dāng)φ=0時(shí)，解調(diào)所得低頻信號(hào)幅度最大。隨著相移φ加大，輸出解凋的信號(hào)逐漸減弱。所以，理想的乘積檢波器應(yīng)該使本地載波與接收信號(hào)載波相位相同，這種情況稱為同步檢波。192.1.2頻率調(diào)制與解調(diào)調(diào)制信號(hào)控制載波的頻率，使載波頻率按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化，即由已調(diào)信號(hào)的頻率或相位的變化來(lái)攜帶信息。假設(shè)調(diào)制信號(hào)為一簡(jiǎn)諧波高頻載波為在調(diào)制信號(hào)的正半周，已調(diào)波的頻率高于載波，到達(dá)調(diào)制信號(hào)的正峰值時(shí)，已調(diào)波的頻率為最大值。在調(diào)制信號(hào)的負(fù)半周，已調(diào)波的頻率低于載頻，到達(dá)調(diào)制信號(hào)的負(fù)峰值時(shí)，已調(diào)波的頻率為最小值在整個(gè)調(diào)制過(guò)程中，已調(diào)波的幅度保持不變，而瞬時(shí)角頻率按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化，即Δω為調(diào)頻波的最大頻率偏移，它與調(diào)制電壓的幅度UΩ成正比，而與調(diào)制信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)，即20K為比例常數(shù)，是單位調(diào)制電壓產(chǎn)生的載波角頻率的偏移。圖5-7為調(diào)頻波形成示意圖，對(duì)應(yīng)調(diào)制信號(hào)電壓最大值的t1時(shí)刻，調(diào)頻波的頻率最高，隨著調(diào)制信號(hào)電壓的改變，調(diào)頻信號(hào)的頻率相應(yīng)變化，在t3時(shí)刻頻率最低。頻率調(diào)制的描述須用瞬時(shí)頻率的概念。瞬時(shí)角頻率ω是相角φ的變化速度，即因此將式代入上式，得到調(diào)頻波的瞬時(shí)相位21積分常數(shù)φ0即初相位。由此，調(diào)頻波為式中U0是載波幅度，ω0是未調(diào)制的載波角頻率，Ω為調(diào)制信號(hào)的角頻率稱為調(diào)頻系數(shù)或調(diào)頻指數(shù)，它是最大頻偏Δω與調(diào)制頻率Ω的比。調(diào)頻系數(shù)與頻偏成正比，與調(diào)制信號(hào)的頻率成反比，mf和調(diào)幅波的mα相比，

mf值可以大于1。22調(diào)頻波的頻譜和調(diào)幅波頻譜不同。將u(t)表示的調(diào)頻波用三角公式展開，并為了分析方便，令U0=1，φ0=0，有將其中和兩項(xiàng)展開為級(jí)數(shù)，則將下標(biāo)2k與2k+1代以n表示，各系數(shù)可統(tǒng)一寫作Jn(mf)，它是“貝塞爾函數(shù)”，n為階數(shù)，mf為自變量。貝塞爾函數(shù)值可查曲線或查表得出。將上面兩式代入u(t)，并借助三角公式23得到可以看到，一個(gè)調(diào)頻波除了載波頻率之外，還包含有無(wú)窮多的旁頻，旁頻之間頻率間隔仍是Ω，各旁頻幅度的大小Jn(mf)由貝塞爾函數(shù)決定。貝塞爾函數(shù)值與參量mf的變化關(guān)系如圖。24舉例，如果mf

＝1，對(duì)應(yīng)橫軸mf=1處可查到，對(duì)應(yīng)n=0的曲線J0(mf)=0.77；n=1的曲線J1(mf)=0.44；n=2的曲線J2(mf)=0.11；n=3的曲線J3(mf)=0.02。按照這個(gè)規(guī)律可畫出頻譜分布圖如圖5.9所示。由于調(diào)頻波的旁頻分量有無(wú)窮多，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)調(diào)頻波所占頻譜寬度為無(wú)窮大。但實(shí)際上無(wú)須這樣考慮。25由上例可見(jiàn)，旁頻分量的幅度隨階數(shù)的增加而迅速下降，mf

＝1時(shí)，n>4以后，旁頻分量的相對(duì)幅度已小于0.01，可以忽略，圖中沒(méi)有畫出，這時(shí)可認(rèn)為它的旁頻分量只有三對(duì)。若頻帶寬度以符號(hào)ΔB表示，則或以赫茲(Hz)為單位，則旁頻數(shù)并不因調(diào)幅系數(shù)mα的改變而有所增減。調(diào)頻波則不然，其頻譜結(jié)構(gòu)與調(diào)制指數(shù)mf有密切關(guān)系，這是調(diào)頻波頻譜的主要特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制的方法很多。以直接調(diào)頻為例，如圖，

幅度調(diào)制時(shí)，在單頻調(diào)制下，只有上下兩個(gè)旁頻，而且26

如果用諧振蕩器作為受調(diào)制電路，則它的振蕩頻率由RC的充放電速度決定。用低頻調(diào)制信號(hào)控制RC充放電電流。即實(shí)現(xiàn)了振蕩頻率的調(diào)制。

調(diào)頻器本身是一個(gè)自激振蕩器，但在決定它的振蕩頻率的振蕩回路中，串聯(lián)或并聯(lián)一種特殊的電抗元件，這種電抗元件的電抗值在調(diào)制信號(hào)作用下隨調(diào)制信號(hào)的大小而變化，從而改變振蕩頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。如圖中所示LC振蕩器的振蕩頻率由L和C的數(shù)值決定，把可變電抗元件(受控的可變電容或電感)作為振蕩回路的一部分，電抗元件的參量用低頻調(diào)制信號(hào)控制，產(chǎn)生隨調(diào)制信號(hào)而變化的調(diào)頻波。27反向電壓絕對(duì)值較小時(shí)，結(jié)構(gòu)變窄，相當(dāng)于絕緣層變薄，電容量增大；隨著反向電壓絕對(duì)值加大，結(jié)區(qū)變寬，相當(dāng)于絕緣層增厚，電容量減小。當(dāng)反向電壓絕對(duì)值繼續(xù)加大(以不超過(guò)反向擊穿電壓為限)，電容量減小的速度變緩慢而逐漸趨于不變。如圖所示，變?nèi)荻O管等效為電阻R1和電容C相串聯(lián)，R1約為幾歐姆。變?nèi)荻O管的電容量CD與反向電壓u的定量關(guān)系為電抗元件——變?nèi)荻O管的特性及符號(hào)如圖。變?nèi)荻O管由P—N結(jié)構(gòu)成，伏安特性與一般晶體二極管沒(méi)有區(qū)別，但它的P—N結(jié)勢(shì)壘電容能夠靈活地隨著變?nèi)荻O管的反向偏壓的變化而改變。28C0是外加電壓u=0時(shí)的電容量，UD此處表示PN結(jié)的勢(shì)壘電位，γ是電容變化指數(shù)，它說(shuō)明變?nèi)荻O管的電容隨反向電壓變化的規(guī)律。

圖5.12為變?nèi)荻O管調(diào)頻的原理電路。把受到調(diào)制信號(hào)控制的變?nèi)荻O管接入載波振蕩器的振蕩回路。在調(diào)制信號(hào)uΩ的作用下，通過(guò)變?nèi)荻O管電容量的變化控制振蕩頻率。適當(dāng)選擇變?nèi)荻O管的參數(shù)和靜態(tài)值，就可以使振蕩頻率的變化近似與調(diào)制信號(hào)成線性關(guān)系。29如圖所示，加在變?nèi)荻O管上的反向電壓為U0作為反向直流偏置電壓，圖中C作為耦合電容，C2是調(diào)制信號(hào)的旁路電容，L2是高頻扼流圈，允許調(diào)制信號(hào)通過(guò)。一般在振蕩器的中心頻率f0、振蕩電壓幅度及調(diào)制的有關(guān)參數(shù)都已確定之后，設(shè)計(jì)振蕩回路，選擇變?nèi)荻O管并建立其靜態(tài)工作點(diǎn)等。30變?nèi)荻O管調(diào)頻電路簡(jiǎn)單，容易獲得較大的頻偏。在頻偏不大的情況下使用，非線性失真可以很小。但是變?nèi)荻O管的特征離散，帶來(lái)應(yīng)用的不便，而且偏壓的漂移、溫度變化等都會(huì)引起頻率不穩(wěn)定。

在生物遙測(cè)中，廣泛應(yīng)用的另一種直接調(diào)頻電路是多諧振蕩器調(diào)頻，如圖。多諧振蕩器的脈沖重復(fù)頻率與基極偏置電壓有關(guān)，若以調(diào)制信號(hào)作為偏壓，那么多諧振蕩器的脈沖重復(fù)頻率就隨之改變，并產(chǎn)生脈沖調(diào)頻波。把脈沖波加到低通濾波器，去除各次諧波分量而得到載波為正弦的調(diào)頻信號(hào)。這種電路的工作頻率可高達(dá)幾十兆赫，也可以低到幾千、幾百赫。而變?nèi)荻O管調(diào)頻電路受電容變化范圍的限制，不能工作在這樣低的頻率。31

二、解調(diào)從接收到的已調(diào)頻波中檢出原調(diào)制信號(hào)，是由鑒頻器實(shí)現(xiàn)的。已調(diào)頻波的頻率隨調(diào)制信號(hào)幅值大小而變化，因此鑒頻器的功能：實(shí)現(xiàn)已調(diào)頻波的頻率變化到電壓變化的變換。直接進(jìn)行這種變換是困難的，可以分為兩步實(shí)現(xiàn)：（2）通過(guò)檢波，得到原調(diào)制信號(hào)。這種鑒頻器的功能可以概括為：調(diào)頻—調(diào)幅變換(即頻—幅變換)和振幅檢波，相應(yīng)波形如圖所示。（1）先把等幅的已調(diào)頻波變成幅度隨頻率變化的已調(diào)頻波，幅度變化的規(guī)律和頻率變化的規(guī)律(即調(diào)制信號(hào)的規(guī)律)一樣的；32

鑒頻器性能指標(biāo)：

(1)靈敏度假設(shè)在中心頻率f0附近，頻率偏離△f時(shí)，輸出電壓為U0，則U0／△f稱為鑒頻靈敏度，它也就是鑒頻特性在f0附近的斜率。靈敏度高意味著鑒頻特性曲線更加陡直。

(2)線性范圍即鑒頻特性近似為直線的頻率范圍，圖中的范圍B。此范圍應(yīng)大于調(diào)頻信號(hào)的最大頻偏。

(3)非線性失真在線性范圍內(nèi)鑒頻特性只是近似線性，還存在著非線性失真。非線性失真應(yīng)盡量小。下面介紹兩種常用鑒頻電路。331、斜率鑒頻器(又稱振幅鑒頻器)虛線左邊為調(diào)頻—調(diào)幅變換器，右邊為振幅檢波器。的諧振頻率f0低于調(diào)頻波的中心頻率fc，鑒頻特性中的曲線l為諧振特性，將載波頻率設(shè)計(jì)在曲線的傾斜部位，頻率改變時(shí)，輸出電壓幅度也隨之改變。曲線2表示輸入信號(hào)頻率隨時(shí)間變化的規(guī)律，圍繞fc按正弦變化，曲線3為輸出電壓的幅度大致也按照正弦起伏。利用振蕩回路對(duì)不同頻率呈現(xiàn)不同阻抗，從而有不同電壓輸出的特性，把等幅的已調(diào)頻波轉(zhuǎn)換為幅度隨頻率變化的調(diào)頻—調(diào)幅波。34由于回路諧振曲線的傾斜部分不完全是直線，只有較窄的線性范圍，頻偏較大時(shí)，將有嚴(yán)重的非線性失真。為了增加鑒頻器的工作頻帶而又保持良好的線性關(guān)系，可以由兩個(gè)鑒頻器構(gòu)成平衡鑒頻器，如圖。其初級(jí)回路調(diào)諧于中心頻率f0，次級(jí)的兩個(gè)回路分別調(diào)諧于f1和f2，f1和f2

對(duì)f0

是對(duì)稱的。調(diào)諧信號(hào)在回路兩端產(chǎn)生的電壓u1和u2的幅度分別為U1和U2，頻率響應(yīng)曲線如圖中虛線所示。35兩個(gè)二極管檢波器參數(shù)一致，即C1＝C2，R1＝R2，D1和D2的參數(shù)一樣，u1和u2分別經(jīng)二極管檢波器得到輸出電壓UO1和UO2

，它們互為反相，合成電壓UO=UO1-UO2。認(rèn)為兩個(gè)檢波傳輸系數(shù)近似為1，則可得到UO=U1-U2。也就是說(shuō)，UO隨頻率改變的規(guī)律應(yīng)與U1-U2隨頻率改變的規(guī)律一致。將U1與U2兩曲線相減，得到圖中實(shí)線所示的鑒頻特性曲線。顯然，這種平衡鑒頻器的鑒頻特性的直線工作范圍較大。362、脈沖均值鑒頻器在生物遙測(cè)儀器中經(jīng)常使用，其工作原理與上述鑒頻器不同。它是先把調(diào)頻波變換成重復(fù)頻率為調(diào)頻波頻率的等幅等寬脈沖序列，再經(jīng)過(guò)低通濾波器取平均直流分量，圖為電路實(shí)現(xiàn)框圖和波形，已調(diào)頻信號(hào)u1經(jīng)放大加到施米特整形電路，整形后的脈沖信號(hào)u2去觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，此處是用正脈沖沿(也可用負(fù)脈沖沿)觸發(fā)，在觸發(fā)脈沖作用下，單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生脈寬為t0的脈沖序列u3，它是等幅等寬的。37重復(fù)頻率與調(diào)頻波一致，在頻率較高地方脈沖密集，相應(yīng)有較大的直流分量，頻率較低的位置，脈沖序列稀疏，相應(yīng)直流分量較小。用低通濾波器取出脈沖序列的平均直流成分，就得到低頻的調(diào)制信號(hào)。這種鑒頻器具有較好的線性度，頻率偏移范圍較大，調(diào)整簡(jiǎn)便，工作穩(wěn)定。但工作頻率受晶體管開關(guān)時(shí)間的限制，不能很高，一般在幾兆赫以下。單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生的脈寬t0應(yīng)小于最高頻率信號(hào)的周期。施米特電路的整形電平需穩(wěn)定可靠，否則將引入失真。38

已調(diào)頻波的幅度不包含信息特征，因此可使用限幅器來(lái)消除外來(lái)的幅度干擾或系統(tǒng)引起的寄生調(diào)幅，這是調(diào)頻方式的主要優(yōu)點(diǎn)。另外，調(diào)頻發(fā)射機(jī)的功率利用系數(shù)比調(diào)幅方式高，調(diào)幅波的幅度起伏，輸出功率小于發(fā)射機(jī)的額定功率。而對(duì)調(diào)頻波而言，由于等幅，平均功率等于發(fā)射機(jī)的額定功率。所以，對(duì)同一個(gè)發(fā)射機(jī)，調(diào)頻方式的傳輸距離大于調(diào)幅方式。換句話說(shuō)，若傳輸距離相同，則調(diào)頻波的信噪比優(yōu)于調(diào)幅波。但從調(diào)頻波頻譜來(lái)看，它包括載頻ω0和各旁頻ω0±Ωt，ω0±2Ωt…，而各旁頻的幅度衰減情況與調(diào)制系數(shù)mf有關(guān)，mf大時(shí)，各旁頻幅度衰減緩慢，因此調(diào)頻接收機(jī)的頻帶遠(yuǎn)比調(diào)幅方式寬。39

調(diào)頻波的解調(diào)，是通過(guò)把已調(diào)頻波變換成調(diào)頻—調(diào)幅波，再通過(guò)幅度檢波解調(diào)。為什么不省去調(diào)頻而直接采用調(diào)幅方式?

原因是調(diào)頻波的抗干擾能力強(qiáng)，定性來(lái)說(shuō)，在調(diào)幅方式中，調(diào)制系數(shù)mα不能夠超過(guò)l；調(diào)頻指數(shù)mf不但可以大于1，甚至能遠(yuǎn)大于1，這就有足夠的能力克服噪聲對(duì)信號(hào)的干擾調(diào)制，所以在遠(yuǎn)距離傳遞中，應(yīng)選用調(diào)頻方式。在無(wú)線電信道中調(diào)頻波有足夠的抗干擾能力，而變成調(diào)頻調(diào)幅波是在接收機(jī)內(nèi)，傳輸距離幾乎為零，干擾就可以忽略。40

第二節(jié)脈沖調(diào)制

上節(jié)所述的調(diào)制方式屬于連續(xù)調(diào)制，特點(diǎn)是以正弦(或余弦)波作為載波信號(hào)，由于載波信號(hào)是連續(xù)的，因此已調(diào)波信號(hào)也是連續(xù)的。本節(jié)介紹另外一類調(diào)制方式，是以脈沖波形作為載波信號(hào)，它所傳遞的信號(hào)是時(shí)間上離散的調(diào)制信號(hào)取樣值，而不是調(diào)制信號(hào)的全部瞬時(shí)值，稱為脈沖調(diào)制。與連續(xù)波的調(diào)制相似，脈沖調(diào)制分為脈沖幅度調(diào)制(PAM)，脈沖寬度調(diào)制(PDM)和脈沖位置調(diào)制(PPM)。此處調(diào)制信號(hào)對(duì)脈沖參數(shù)的作用是模擬方式的，所以又稱為脈沖模擬調(diào)制，與之相區(qū)別的另一類脈沖調(diào)制是脈沖數(shù)字調(diào)制，如脈沖編碼調(diào)制和增益調(diào)制。415.2.1脈沖幅度調(diào)制(PAM)

脈沖幅度調(diào)制的概念，基本可用采樣定理來(lái)描述。所謂采樣定理，指一個(gè)頻帶一定的低頻率信號(hào)f(t)，當(dāng)它在ωm以上沒(méi)有頻率分量時(shí)，就可以被分布在均勻時(shí)間間隔上的取樣值f1(t)所確定，但采樣間隔T1必須不超過(guò)π／ωm，也就是式中今ωm是被采樣信號(hào)的最高角頻率。用右圖說(shuō)明，圖中虛線代表原來(lái)的連續(xù)信號(hào)，實(shí)線是沖激取樣值，采樣間隔為T1。由可知，當(dāng)被采樣信號(hào)的最高頻率fm時(shí)，每秒時(shí)間內(nèi)的取樣點(diǎn)數(shù)目將等于或大于2fm個(gè)。42即對(duì)于信號(hào)中的最高頻率分量而言，至少在一個(gè)周期內(nèi)要取兩個(gè)樣值。如果這個(gè)條件不滿足，則解調(diào)后接收到的信號(hào)將是失真的信號(hào)。通常把每秒內(nèi)取樣的數(shù)稱為采樣率，最小采樣率2fm稱奈奎斯特速率。這種采用單位沖激脈沖序列作為采樣脈沖的采樣方法，是理想采樣，但是傳送一個(gè)極窄的脈沖時(shí)，要求電路具有極寬的帶寬，如傳遞δ函數(shù)脈沖時(shí)，帶寬應(yīng)為無(wú)限寬。實(shí)際上是采用具有一定寬度的脈沖序列作為采樣脈沖。下圖示出用高速開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)采樣的原理。43典型的采樣電路是用場(chǎng)效應(yīng)管作為開關(guān)元件，并用適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)器提供采樣脈沖。其作用是當(dāng)采樣信號(hào)處于“高”電平時(shí)，把輸入接通至輸出，而當(dāng)采樣信號(hào)是“低”電平時(shí)，則把它們斷開。通過(guò)有限帶寬的開關(guān)脈沖得到用矩形脈沖來(lái)近似δ函數(shù)的采樣脈沖，這稱之為自然采樣。采用圖中的采樣保持電路(S／H)時(shí)，對(duì)應(yīng)采樣脈沖的高電平，開關(guān)接通，電容器C充電至輸入信號(hào)的數(shù)值，采樣周期中余下的時(shí)間內(nèi)開關(guān)斷開，并且信號(hào)被電容器所保持，理想的開關(guān)僅在電容器充電到剛好等于輸入信號(hào)的數(shù)值的瞬間“接通”，這樣，S／H電路的輸出便是階梯信號(hào)。這種采樣方式稱為平頂采樣。采樣信號(hào)的恢復(fù)過(guò)程用低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在滿足采樣定理的條件下，通過(guò)截止角頻率為ωm的低通濾波器恢復(fù)信號(hào)f(t)。顯然采樣頻率越高，對(duì)低通濾放器特性的要求就超低。44在脈沖幅度調(diào)制中，如果調(diào)制信號(hào)內(nèi)不包含直流分量，則采樣后就得到雙極性脈沖調(diào)制信號(hào)。如果在調(diào)制信號(hào)內(nèi)包含有直流分量，則采樣后得到單極性脈沖調(diào)幅信號(hào)，分別如圖(a)、(b)所示。5.2.2脈沖寬度調(diào)制(PDM)

脈沖幅度調(diào)制是利用了取樣脈沖的幅度參數(shù)來(lái)傳輸調(diào)制信號(hào)，而脈沖寬度調(diào)制則是利用采樣脈沖的寬度變化來(lái)傳輸信號(hào)，我們用圖來(lái)說(shuō)明其調(diào)制原理。45(a)為調(diào)制信號(hào)，在t1、t2….等時(shí)刻取樣(b)是未調(diào)制脈沖序列，它是等寬度(等于τ0)的矩形波(c)是單邊調(diào)制后的PDM信號(hào)，它的前沿保持在原來(lái)的取樣時(shí)刻不變，但是后沿受調(diào)制信號(hào)的調(diào)制，因此將按采樣值的大小和正負(fù)來(lái)變化。(d）表示雙邊調(diào)制后的PDM信號(hào)，它的前沿和后沿同時(shí)受調(diào)制信號(hào)的調(diào)制，其脈沖寬度的變化比單邊調(diào)制擴(kuò)展一倍。46脈沖寬度調(diào)制類似于連續(xù)波調(diào)制系統(tǒng)中的角度調(diào)制，都是保持被調(diào)制載波的幅度參數(shù)恒定不變，但是在時(shí)間相位上發(fā)生變化?？梢杂懈鞣N方法來(lái)產(chǎn)生PDM信號(hào)，從形成的結(jié)果來(lái)看，分均勻采樣和不均勻采樣兩種。分別如圖：471、均勻采樣PDM時(shí)，首先要形成PAM信號(hào)，如圖(a)，采樣間隔是均勻的并且決定于調(diào)制信號(hào)的最高額率。第二步是把PAM信號(hào)疊加在鋸齒波(b)上，產(chǎn)生單邊PDM信號(hào)（c）第三步是把疊加后的波形(c)通過(guò)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，當(dāng)輸入幅度達(dá)到觸發(fā)門限時(shí)，電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，得到PDM信號(hào)，如圖(d）。所以，只要改變鋸齒波的斜率就可以調(diào)整調(diào)寬指數(shù)KPDM，KPDM

代表調(diào)制信號(hào)的幅度與PDM信號(hào)中脈沖寬度變化的比例關(guān)系，它的單位是[s／V]。調(diào)制后脈沖寬度變?yōu)槭街笑?。為未調(diào)制時(shí)的脈沖寬度，u(t)是調(diào)制信號(hào)。48２、不均勻采樣的PDM，不必先形成PAM信號(hào)，而是將調(diào)制信號(hào)(a)和鋸齒波(b)直接疊加，疊加后的波形(c)通過(guò)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，產(chǎn)生PDM信號(hào)(d)。它與均勻采樣PDM信號(hào)的區(qū)別：在于送到觸發(fā)電路輸入端的波形不同，因而到達(dá)觸發(fā)門限電平的波形值也不一樣。均勻采樣時(shí)，決定于采樣時(shí)刻的調(diào)制信號(hào)瞬時(shí)值，因而是間隔均勻的；而在不均勻采樣時(shí)，決定于達(dá)到觸發(fā)門限的調(diào)制信號(hào)瞬時(shí)值，因此不是間隔均勻的。49PDM信號(hào)的解調(diào)，原則上可以采用截止角頻率為ωm的低通濾波器來(lái)恢復(fù)原來(lái)的信號(hào)。使調(diào)制信號(hào)不失真的更好的方法是先把PDM信號(hào)變成PAM信號(hào)，然后解調(diào)PAM信號(hào)的方法恢復(fù)原來(lái)的調(diào)制信號(hào)，解調(diào)過(guò)程如圖所示。先把調(diào)寬波(a)形成臺(tái)階波(b)，其臺(tái)階的高度與脈沖寬度成正比，再把等幅度的窄脈沖序列疊加在臺(tái)階波上形成圖(c)的形式，與限幅器的門限比較后得到PAM信號(hào)(d)。PAM信號(hào)通過(guò)低通濾波器后恢復(fù)原來(lái)的調(diào)制信號(hào)。505.2.3脈沖位置調(diào)制(PPM)

對(duì)于脈寬調(diào)制(PDM)，調(diào)制信號(hào)是反映在已調(diào)脈沖波形的前后沿位置的變化上面，至于脈沖本身的寬度τ0是無(wú)關(guān)緊要的，因此可以把脈沖波形的前后位置變化提取出來(lái)轉(zhuǎn)換成窄脈沖傳輸，這樣既反映出了調(diào)制信號(hào)，又節(jié)省了傳輸功率，這就是脈沖位置調(diào)制的設(shè)計(jì)思想。簡(jiǎn)單方法：就是把PDM信號(hào)通過(guò)微分整形后得到PPM波形。(a)是調(diào)寬脈沖序列，通過(guò)微分電路后產(chǎn)生正、負(fù)尖脈沖(b)，然后經(jīng)過(guò)單穩(wěn)態(tài)電路整形將負(fù)脈沖序列