第四章現(xiàn)代測試技術(shù)

第四章現(xiàn)代測試技術(shù)第一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)調(diào)制——利用某種低頻信號來控制或改變一高頻振蕩信號的某個(gè)參數(shù)(幅值、頻率或相位)的過程。

第二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日解調(diào)——從已調(diào)制信號中恢復(fù)出原低頻調(diào)制信號的過程調(diào)制的目的——減少低頻模擬被測信號的放大、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。

第三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日一、幅值調(diào)制與解調(diào)1、幅值調(diào)制第四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日2、調(diào)幅信號的頻域分析第五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日3、調(diào)幅信號的解調(diào)方法解調(diào)——指從已調(diào)制信號中恢復(fù)出原低頻調(diào)制信號的過程。調(diào)制與解調(diào)是一對相反的信號變換過程，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。第六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（1）同步解調(diào)第七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日同步解調(diào)的頻譜圖

同步解調(diào)要求:

有性能良好的線性乘法器件，否則將引起信號失第八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（2）包絡(luò)檢波——整流檢波

在大信號檢波時(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第九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日

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載波信號頻率；fmax為基帶信號得最高頻率分量。包絡(luò)檢波器能從調(diào)幅信號中不失真地得到.

第十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日包絡(luò)解調(diào)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確地加、減偏置電壓。若所加的偏置電壓未能使信號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，而會造成很大失真(見圖4—16)。在這種情況下，采用相敏檢波技術(shù)可以解決這一問題。第十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（３）相敏解調(diào)

相敏檢波的特點(diǎn)是可以鑒別調(diào)制信號的極性，所以采用相敏檢波時(shí)，對調(diào)制信號不必再加直流偏置。

相敏檢波利用交變信號在過零位時(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)制信號的幅值，又能反映其極性。第十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日

當(dāng)調(diào)制信號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，電流的流向是d—1—VD1—2—5—R1—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d—3—VD3—4—5—R1—地—d?？梢娫?-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5—2—VD2—3—d—地—R1—5；當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí)，VD4導(dǎo)通，電流的流向是5—4—VD4—1—d—地—R1—5。可見在t1—t2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性換向。簡單地說，這種電路相當(dāng)于在0—t1段把xm(t)的負(fù)部翻上去，而在t1—t2段把xm(t)的正部翻下來。若將u0(t)經(jīng)低通濾波器濾波，則所得到的信號就是xm(t)經(jīng)過“翻轉(zhuǎn)”后的包絡(luò)。第十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日二、頻率調(diào)制與解調(diào)１、頻率調(diào)制的基本概念頻率調(diào)制——指利用調(diào)制信號控制高頻載波信號頻率變化的過程。

在頻率調(diào)制中載波幅值保持不變，僅載波的頻率隨調(diào)制信號的幅值成比例變化。第十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日２、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第二十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（１）直接調(diào)頻法第二十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日

壓控振蕩器(VCO)——用調(diào)制信號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，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MAX2622—MAX2624)，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)。第二十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日３、調(diào)頻信號的解調(diào)

調(diào)頻信號的解調(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)。第二十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第二十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第二十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第三節(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通過，同時(shí)極大衰減不需要的頻帶信號以阻止其通過，起著對某段頻率成分進(jìn)行篩選的作用。作用：對獲取的信號進(jìn)行頻譜分析剔除不必要的干擾噪聲第二十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日

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。第二十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日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、帶阻濾波器第二十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日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。第二十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日二、濾波器性能分析1、理想濾波器第三十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日

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t＜0時(shí)，非因果系統(tǒng)。第三十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日2、實(shí)際濾波器的特征參數(shù)截止頻率、帶寬B、紋波幅度δ品質(zhì)因子Q、倍頻程選擇性、濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）λ第三十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日(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4—24中的fc1和fc2)。若以信號的幅值平方表示信號功率，該頻率對應(yīng)的點(diǎn)為半功率點(diǎn)。第三十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日(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，即濾波器分離信號中相鄰頻率成分的能力。

(3)紋波幅度δ

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δ表示，δ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。第三十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日

(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。第三十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日(6)濾波器因數(shù)(矩形系數(shù))δ

濾波器因數(shù)δ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δ=1。對普通使用的濾波器，允一般為1-5。第三十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日三、實(shí)際濾波器第三十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日A）低通濾波器的頻率特性第三十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日B）高通濾波器的頻率特性第三十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日C）帶通濾波器的頻率特性第四十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日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。第四十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日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電路產(chǎn)生較為陡峭的濾波器邊緣。第四十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第四十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第四十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日通過采用多個(gè)RC環(huán)節(jié)或LC環(huán)節(jié)級聯(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。第四十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日

這是因?yàn)槎鄠€(gè)中心頻率相同的濾波器級聯(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有更大的衰減。

但必須注意到，雖然多個(gè)簡單濾波器的級聯(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。第四十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日有源濾波器第四十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第四十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日四、帶通濾波器在信號頻率分析中的應(yīng)用

1．多路濾波器的并聯(lián)形式多路帶通濾波器并聯(lián)常用于信號的頻譜分析和信號中特定頻率成分的提取。使用時(shí)常將被分析信號輸入一組中心頻率不同的濾波器，各濾波器的輸出便反映了信號中所含的各個(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。第四十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第五十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日(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)。第五十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日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)系為第五十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日

為B&K公司的1616型頻率分析儀的結(jié)構(gòu)框圖，其帶寬為1／3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第五十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第五十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日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。第五十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日(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)。第五十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日

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)。第五十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日2．中心頻率可調(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。第五十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日調(diào)節(jié)方式：手調(diào)、外信號調(diào)節(jié)

用于調(diào)節(jié)中心頻率的信號可由一個(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0.2Hz—20kHz分成五段：0.2—2Hz，2-20Hz，20—200Hz，200Hz—2kHz，2kHz—20kHz，每一段中的中心頻率可調(diào)。第五十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日

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。第六十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日思考題及習(xí)題基本概念：第六十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第四節(jié)信號放大第六十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日因而，調(diào)制器和解調(diào)器就成為有信號傳輸?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變換為易于在信道中傳播的高頻調(diào)制信號。解調(diào)器的作用則是把通過信道傳過來的高頻調(diào)制信號還原成低頻的基帶信號。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：用基帶信號去改變高頻振蕩信號的某個(gè)參數(shù)，使其隨基帶信號作有規(guī)律的變化。第六十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日調(diào)制信號、載波、已調(diào)信號（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f(t)去改變高頻載波信號的幅值，使高頻載波信號的幅值作線性變化。其時(shí)域表示式可寫為

1/2[A0+F(t)]COS(ω0t+θ0)ω0:載波的角頻率；θ0:載波的起始相位；A0:載波的幅值。第六十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日物理意義：在未被調(diào)制前，載波信號是一個(gè)幅值為A0、角頻率為ω0和起始相位為θ0的等幅簡諧信號。c(t)=A0COS(ω0t+θ0)通過幅值調(diào)制，c(t)的角頻率ω0及起始相位θ0保持不變而其幅值隨基帶信號f(t)作線性變化。第六十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日調(diào)制后的載波幅值變化包絡(luò)與基帶信號f(t)的形狀一樣。第六十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日把（5-1）式展開

SAM(t)=A0COS(ω0t+θ0)+f(t)COS(ω0t+θ0)

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ω0的載頻簡諧信號。該信號分為兩部分，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f(t)相乘。兩部分信號再經(jīng)加法器相加就可得到標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)幅信號。圖5-2所示為一個(gè)幅值調(diào)制器。第六十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日

第六十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日2.幅值調(diào)制信號的頻域分析依據(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)式為第六十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日圖5-3表示了調(diào)幅信號SAM(t)的頻譜結(jié)構(gòu)第七十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日從圖中可看出：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，基帶信號的頻譜F(ω)的頻帶是(0，Ωmax)，調(diào)幅信號的頻譜卻把F(ω)一變?yōu)槎?，成為兩個(gè)頻帶：(ωo-Ωmax，ωo)和(ωo，ωo+Ωmax)。稱前者為下邊帶，稱后者為上邊帶。3)在±ωo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f(t)的最高頻率為Ωmax，由圖5—3中可知，幅值調(diào)制后調(diào)幅信號的帶寬為2Ωmax。第七十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日為了分析方便我們把基帶信號f(t)稱為調(diào)制信號并設(shè)它為單頻信號，即

f(t)=AmCOSΩt

5-6將5-6代入5-1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f(t)產(chǎn)生的邊帶及載波產(chǎn)生的沖擊函數(shù)組成。第七十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日它們之間的功率關(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，均值為零，第三項(xiàng)為零。式(5-9)可簡化為第七十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日由式(5-10)可知，AM信號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與總功率之比為調(diào)制效率由式(5-11)可知ηAM<1。為了使AM信號不產(chǎn)生過調(diào)制，┃f(t)┃≤A0，即調(diào)制效率不大于50％。第七十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日3.幅值調(diào)制信號的解調(diào)方法（1）相干解調(diào)方法圖5—4是相干解調(diào)的方框圖。幅值調(diào)制信號的解調(diào)器由模擬乘法器、本地振蕩器和低通濾波器組成。第七十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日乘法器輸入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制信號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)低通濾波器濾除得第七十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日可知解調(diào)器的輸出Sd(t)較原調(diào)制信號多了一個(gè)系數(shù)cos(ω0-φ)。如果(ω0-φ)是一個(gè)固定的相位差，則cos(ω0-φ)只改變解調(diào)后的輸出Sd(t)幅值的大小，不會出現(xiàn)失真。如果θ0=φ則解調(diào)輸出Sd(t)幅值達(dá)到最大值，此時(shí)稱為同步——同步解調(diào)。當(dāng)θ0-φ=±π/2時(shí)，解調(diào)輸出Sd(t)為零。如果θ0-φ=±π時(shí)，解調(diào)輸出Sd(t)將改變符號，即解調(diào)后得到的f(t)將改變符號。第七十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日注意：當(dāng)f(t)的符號不影響結(jié)果時(shí)(如語音信號)符號的改變不必注意。當(dāng)f(t)是數(shù)字信號或視頻信號時(shí)，符號的改變就會導(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(ω0t+Δωt+θ0)第七十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日可以證明解調(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Δω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Δω0。第七十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日(2)非相干解調(diào)法非相干解調(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。第八十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日若把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。第八十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日如果元件得選擇滿足式中為載波信號頻率；為基帶信號得最高頻率分量。包絡(luò)檢波器能從調(diào)幅信號中不失真地得到

Sd(t)=A0+f(t)

(5-17)第八十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日其波形如圖5—6表示非相干解調(diào)是從已調(diào)制波的幅值中提取原調(diào)制信號的。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)。第八十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日4.雙邊帶調(diào)幅從前面的分析可知，載波信號并不攜帶有用信息。所以，在信號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，雙邊帶信號的時(shí)域表示式可由

式(5—1)中令A(yù)o=0獲得

SDSB(t)=f(t)COS(ω0t+θ0)

(5-18)由式(5-18)可看出，雙邊帶信號是由基帶信號f(t)與載波信號c(t)相乘的結(jié)果。圖5-7中a和b分別為載波信號和基帶信號。c是調(diào)制后的雙邊帶信號。注意當(dāng)f(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)，雙邊帶信號出現(xiàn)相位反轉(zhuǎn)。同時(shí)，DSB信號的包絡(luò)與f(t)不同，它不是一個(gè)完整的調(diào)幅波。第八十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第八十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日雙邊帶信號的頻域表達(dá)式為如令θ0=0則頻譜圖為下圖第八十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第八十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日節(jié)約了功率，傳送雙邊帶信號的帶為

B=2Ωmax由于雙邊帶信號的載波被抑制掉了，所以其幅值包絡(luò)不與基帶信號f(t)成正比，因而無法用包絡(luò)檢波器提取調(diào)制信號f(t)，只能采用相干解調(diào)來恢復(fù)基帶信號，其原理仍然可用圖5—4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第八十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日

雙邊帶信號亦可采用相敏檢波方法解調(diào)出基帶信號f(t)。注意到圖5—7中基帶信號f(t)在其過零線時(shí)符號發(fā)生突變，調(diào)幅波的相位(與載波比較)相應(yīng)地發(fā)生180度的相位突變。利用載波信號與之比相，便既能反映出原信號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)制信號相干解調(diào)的討論也適用于雙邊帶信號。需要指出的是：由雙邊帶信號的頻譜圖可看出，上下兩個(gè)邊帶是對稱的，功率相同。第八十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日二、角度調(diào)制1.角度調(diào)制的基本概念

在間諧載波中c(t)=A0cos[ω0t+θ0+θ(t)]=A0cosφ(t)

5-22φ(t)稱為瞬時(shí)相位。對瞬時(shí)相位φ(t)微分得ω(t)稱為瞬時(shí)角頻率，瞬時(shí)相位是ω(t)得積分第九十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日對于調(diào)制載波Acos(ω0t+θ)=Acosφ(t)，如果保持振幅A為常數(shù)，讓載波瞬時(shí)角頻率ω(t)隨基帶信號f(t)作線性變化，則稱此種調(diào)制方式為頻率調(diào)制(FMFrequencyModulation)。如果載波的相位φ(t)隨基帶信號f(t)做線性變化，則稱這種調(diào)制方式為相調(diào)制(PMPhaseModulation)。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)制信號和基帶信號的頻譜都發(fā)生了變化，所以，角度調(diào)制是一種非線性調(diào)制第九十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日(1)調(diào)相波(PM)如果載波的瞬時(shí)相位與基帶信號f(t)成線性函數(shù)關(guān)系就稱調(diào)制波為相位調(diào)制波SPM(t)=A0cos[ω0t+θ0+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)頻率可寫成第九十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日(2)調(diào)頻波(FM)如果載波的瞬時(shí)頻率與基帶信號f(t)成線性關(guān)系，就稱該調(diào)制波為頻率調(diào)制波

5-27KFM——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

5-28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。第九十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日

第九十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日

第九十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日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f(t)對壓控振蕩器(VCO)施行電壓控制，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5—10表示。直接調(diào)頻法優(yōu)點(diǎn):可以得到很大的頻偏缺點(diǎn):載頻會發(fā)生漂移，需加附加的穩(wěn)頻電路。第九十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日(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5—11所示

第九十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日晶體振蕩器產(chǎn)生一個(gè)頻率穩(wěn)定的載波基頻信號?；鶐盘杅(t)首先通過一個(gè)積分器積分后，去調(diào)制載波基頻信號的相位。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，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SFM(t)。第九十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日3．調(diào)頻信號的解調(diào)

調(diào)頻信號的解調(diào)大多采用非相干解調(diào)。非相干解調(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)。第九十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日圖5—12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，隨輸入信號的幅值不同，輸出信號的幅值便不同。選擇一段較線性的部分，并使FM信號的載頻ω。處于這段線性區(qū)的中點(diǎn)。由于FM信號的瞬時(shí)頻率正比于基帶信號f(t)，它經(jīng)過高通濾波器后原來等幅的FM信號的幅值變?yōu)殡S基帶信號，f(t)的變化而變化，成為調(diào)幅信號了，其包絡(luò)形狀正比于基帶信號f(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f(t)。第一百頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日

第一百零一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日

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5—13。第一百零二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日只要對一般FM信號表達(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F(t)，輸出信號為：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f(t)。第一百零三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日濾波器是一種選頻裝置，可以使信號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，對所通過的信號進(jìn)行變換與處理。第二節(jié)濾波器一、基本概念第一百零四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號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-j2πft0

其幅頻及相頻特性曲線為：

第一百零五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日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t＜0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在某個(gè)頻率上完全截止，而會逐漸衰減并延伸到∞。第一百零六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日二、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O～f2頻率之問，幅頻特性平直，它可以使信號中低于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。第一百零七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日高通濾波器：

與低通濾波相反，從頻率f1~∞，其幅頻特性平直．它使信號中高于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第一百零八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日帶通濾波器：

表示帶通濾波器，它的通頻帶在f1～f2之間．它使信號中高于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。第一百零九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日帶阻濾波器（對50Hz信號—陷波器）

與帶通濾波相反，阻帶在頻率f1～f2之間．它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減，其余頻率成分的信號幾乎不受衰減地通過。第一百一十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日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。第一百一十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第一百一十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日根據(jù)“最佳逼近特性”的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類．

巴特沃茲濾波器：

從幅頻特性提出要求，而不考慮相頻特性。巴特沃茲濾波器具有最大平坦幅度特性，其幅頻響應(yīng)表達(dá)式為：

第一百一十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日切比雪夫?yàn)V波器：

切貝雪夫?yàn)V波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：

ε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。

第一百一十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日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．ε值越?。◣鸱叫?，截止頻率點(diǎn)衰