5模拟信号调制、滤波和模数转换

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机械工程测试技术

5. 模拟信号调制、滤波和模数转换 模拟信号调制、

第五章 模拟信号调制、滤波和 模拟信号调制、 模数转换学习要求 1.了解模拟信号调制解调原理 1.了解模拟信号调制解调原理 2.了解信号滤波器工作原理 2.了解信号滤波器工作原理 3.了解信号A/D转换的原理 了解信号 转换的原理

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5. 模拟信号调制、滤波和模数转换 模拟信号调制、

模拟信号分析是直接对连续时间信号进行调理， 模拟信号分析是直接对连续时间信号进行调理，是数 字信号分析的基础。 字信号分析的基础。信号调理的目的是便于信号的传输与 处理。 处理。 1.传感器输出的电信号很微弱 ， 大多数不能直接输送到 传感器输出的电信号很微弱， 传感器输出的电信号很微弱 显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大， 显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要 进行阻抗变换。 2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要 有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声， 有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声 去掉噪声，提高信噪比。 去掉噪声，提高信噪比。 3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器 某些场合，为便于信号的远距离传输， 某些场合 测量信进行调制解调处理。 测量信进行调制解调处理。湖南工业大学机械工程学院

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5.1 模拟信号调制

5.1 模拟信号调制 模拟信号调制调制的目的 解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。 解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。

将微弱的缓变信号(音频 将微弱的缓变信号 音频:50~20kHz、视频 音频 、视频:0~6MH z)调 调 制到高频交流信号(>500kHz)中形成载波信号，利用交流放 中形成载波信号， 制到高频交流信号 中形成载波信号 大器放大，在信道中传输， 大器放大，在信道中传输，最后从信道传来的信号中解调出 缓变信号。 缓变信号。湖南工业大学机械工程学院

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机械工程测试技术 调制的种类 基带信号 f(t)

5.1 模拟信号调制

载波信号 c(t ) = A0 cos(ω 0 + θ 0 )

(1)幅值调制 )幅值调制(AM) 角度调制： 角度调制： (2)相位调制(PM) )相位调制 (3)频率调制 )频率调制(FM)

sAM (t ) = [ A0 + f (t )] cos(ω0t + θ 0 )sPM (t ) = A0 cos[ω0t + θ 0 + K PM f (t )] s FM (t ) = A0 cos[ ω 0 + K FM f (t )]t湖南工业大学机械工程学院

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机械工程测试技术 一、幅值调制(AM) 幅值调制( ) 1. 概述 用基带信号改变 高频 号 的幅 高频 载 波 信 号的幅 值 ， 使载波信号幅值随基 带信号的变化而线性 变化。 变化。

5.1 模拟信

号调制

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机械工程测试技术 调幅波： 调幅波：

5.1 模拟信号调制

sAM (t ) = [ A0 + f (t )] cos(ω0t + θ 0 ) = A0 cos(ω0t + θ 0 ) + f (t ) cos(ω0t + θ 0 )

幅值调制器湖南工业大学机械工程学院

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机械工程测试技术 2. 调幅信号的频域分析

5.1 模拟信号调制

e j (ω 0t +θ 0 ) + e j (ω 0t +θ 0 ) sAM (t ) = [ A0 + f (t )] 2 S AM (ω ) = [ 2πA0δ (ω ω 0 ) + F (ω ω 0 )] + [ 2πA0δ (ω + ω 0 ) + F (ω + ω 0 )] e ejθ 0

2 jθ 0

2

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机械工程测试技术 调幅信号频谱图

5.1 模拟信号调制

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机械工程测试技术 重要结论

5.1 模拟信号调制

(1)幅值调制过程是频谱搬移过程； )幅值调制过程是频谱搬移过程； (2)在正频率区间，调幅信号的频谱为两个频带： )在正频率区间，调幅信号的频谱为两个频带：

( 下边带： 上边带： 下边带：(ω 0 max , ω 0 ) 上边带： ω 0 , ω 0 + max )(3)在±ω0处出现冲激，表明载波分量的存在； 处出现冲激，表明载波分量的存在； ) (4)如基带信号 的最高频率为 )如基带信号f(t)的最高频率为 2max。 max,调幅信号的带宽为

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机械工程测试技术 调幅波的波形失真

5.1 模拟信号调制

s AM (t ) = [ A0 + f (t )] cos( ω 0 t + θ 0 ) = A0 [1 + m A f (t )] cos( ω 0 t + θ 0 )mA为调制系数， mA>1产生过调制， mA≤1为正常调制。 为调制系数， 产生过调制， 为正常调制。 产生过调制 为正常调制过调制 正常调制

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5.1 模拟信号调制

幅值调制的效率 载波功率P 边带功率P 调制信号总功率 = 载波功率 c + 边带功率 s + 交叉功率2 2 PAM = SAM = A0 cos2 (ω0t +θ0 )

+ f (t) cos (ω0t +θ0 ) + 2A0 f (t) cos( 0t +θ0 ) ω2 2

如 f(t) 均值为零，则交叉功率为零。 均值为零，则交叉功率为零。

1 2 为了使 AM信号不产生过调制，mA≤1,即 AM信号不产生过调制 2 ≤1, 信号不产生过调制，∣f(t)∣max调制效率

[A + 50%。] f (t ) 2 ≤A ,所以调制效率不大于 所以调制效率不大于50%。PAM = Pc + Ps =00

Ps Ps f (t ) ηAM = = = PAM Pc + Ps A02 + f 2 (t )湖南工业大学机械工程学院

2

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机械工程测试技术 3. 幅值调制信号的解调方法

5.1 模拟信号调制

(1)相干解调法(通过相干的本地载波相乘解调) )相干解调法(通过相干的本地载波相乘解调)

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机械工程测试技术 相干解调器的算法 (1)调幅信号与本地载波相乘 )

5.1 模拟信号调制

sP (t ) = [ A0 + f (t )] cos(ω 0t + θ 0 ) cos(ω 0t + ) 1 = [ A0 + f (t )][cos(θ 0 ) + cos(2ω 0t + θ

0 + )] 2(2)低通滤波器滤掉两倍载波频率成分 )

1 sd (t ) = [ A0 + f (t )] cos(θ 0 ) 2湖南工业大学机械工程学院

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机械工程测试技术 相干解调器的算法说明

5.1 模拟信号调制

1 sd (t ) = [ A0 + f (t )] cos(θ 0 ) 2(1)如果 (θ 0 ) (2)如果 θ 0 ) 解调； 解调； (3)如果 θ 0 ) (4)如果 θ 0 ) 解调输出为零； = ± π 2 ,解调输出为零； 解调后得到的f(t)将改变符号 将改变符号。 = ±π ,解调后得到的 将改变符号。湖南工业大学机械工程学院

是一个固定的相位差， )是一个固定的相位差，则解调输出 sd (t )

幅值大小不会失真； 幅值大小不会失真； 达到最大值， = ,解调输出 sd (t )达到最大值，称为同步

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5.1 模拟信号调制

(2)非相干解调法(包络检波) )非相干解调法(包络检波)RC低通滤波 低通滤波

sd (t ) = A0 + f (t )包络检波器元件应满足： 包络检波器元件应满足：

1 1 << RC << f0 Fmax 1 rAMC << f0

rAMf0

为调制信号电压源内阻； 为调制信号电压源内阻； 为载波信号频率； 为载波信号频率；

为基带信号最高频率； Fmax 为基带信号最高频率；湖南工业大学机械工程学院

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机械工程测试技术 非相干解调

5.1 模拟信号调制

二极管检波

低通滤波

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机械工程测试技术 4. 双边带调幅

5.1 模拟信号调制

为提高调制效率，把载波分量从已调波中去掉， 为提高调制效率，把载波分量从已调波中去掉，只发射两 个边带分量。 个边带分量。

sDSB (t ) = f (t ) cos(ω 0t + θ 0 )

1 1 jθ 0 jθ 0 S DSB (ω ) = F (ω ω 0 )e + F (ω + ω 0 )e 2 21 sd (t ) = f (t ) cos(θ 0 ) 2湖南工业大学机械工程学院

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机械工程测试技术 双边带调幅时域波形

5.1 模拟信号调制

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机械工程测试技术 双边带调幅频谱图

5.1 模拟信号调制

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