第7章信号调制解调电路

测控电路2019/12/197.信号调制解调电路《测控电路》教材编写组精测控电路22019/12/197.信号调制解调电路调制解调的功用与类型调幅式测量电路调相式测量电路调频式测量电路脉冲调制式测量电路测控电路32019/12/19调制解调的功用与类型(1)什么是信号调制？调制(Modulation)就是用一个信号（称为调制信号,modulatingsignal）去控制另一个做为载体的信号（称为载波信号carryingsignal），让后者的某一特征参数按前者变化。(2)什么是解调？从已经调制的信号（称为已调信号，modulatedsignal）中提取反映被测量值的测量信号，称为解调(Demodulation)。3.信号调制解调电路测控电路42019/12/19调制解调的功用与类型（3）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，这个载体称为载波信号。用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为调制信号。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已调信号。3.信号调制解调电路测控电路52019/12/19调制解调的功用与类型理论基础：傅里叶变换的频移特性（调制定理）3.信号调制解调电路若则)()(jFtf)]([)(0j0jFetft]cos)([0ttfF])([21])([2100j-jttetfFetfF信号f(t)与余弦信号cos0t相乘后，其频谱是将原来信号频谱向左右搬移0，幅度减半。)]([21)]([2100jFjF测控电路6调制解调的功用与类型理论基础：傅里叶变换的频移特性（调制定理）3.信号调制解调电路0)(jF000)(jF0A2/t2/)(tf2/At2/ttf0cos)(测控电路72019/12/19调制解调的功用与类型(4)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，往往给测量信号赋予一定特征，这就是调制的主要功用。调制还有利于减小漂移的影响，是提高测控系统精度的重要手段。3.信号调制解调电路测控电路82019/12/19调制解调的功用与类型(5)在非电量测量仪器中广泛使用调制解调技术的原因A、把缓慢变化的低频信号叠加到高频信号上，提高抗干扰的能力，以便于放大和远距离传输；B、某些传感器的变换原理所采用的就是调制技术，要获得测量信号必须进行解调。3.信号调制解调电路测控电路92019/12/19调制解调的功用与类型(6)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载波信号。一个正弦信号Asin(ωt+φ)有幅值、频率、相位三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为调幅(Amplitudemodulation)、调频(Frequencymodulation)和调相(Phasemodulation)。也可以用脉冲信号作载波信号(参数：周期、脉宽；占空比)。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制，称为脉冲调宽(Pulsewidthmodulation)。3.信号调制解调电路测控电路102019/12/193.1调幅式测量电路一、调幅信号的一般表达式(1)什么是调幅？写出调幅信号的数学表达式，画出其波形。调幅就是用调制信号x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制信号x的线性函数变化。调幅信号的一般表达式可写为：Us=(Um+mx)cosωct3.信号调制解调电路3.1.1调幅原理与方法测控电路112019/12/193.1调幅式测量电路3.信号调制解调电路a)调制信号b)载波信号d)双边带调幅信号c)调幅信号3.1.1调幅原理与方法tmxUucmscos)(tttxOOucOusustOsccosumxt测控电路122019/12/193.1调幅式测量电路(2)何谓双边带调幅？写出其数学表达式，画出波形假设调制信号x是角频率为Ω的余弦信号x=XmcosΩt，由式us=(Um+mx)cosωct调幅信号可写为：us=Umcosωct+[mXmcos(ωc+Ω)t+mXmcos(ωc-Ω)t]/2它包含三个不同频率的信号:角频率为ωc的载波信号和角频率分别为ωc±Ω的上下边频信号。载波信号中不含调制信号x的信息，因此可以取Um=0，只保留两个边频信号。这种调制称为双边带调制。其数学表达式为：mmsccxmccos()cos()coscos22mXmXuttUttΩΩΩ3.信号调制解调电路3.1.1调幅原理与方法测控电路132019/12/193.1调幅式测量电路(3)在测控系统中被测信号的变化频率为0~100Hz，应怎样选取载波信号的频率？应怎样选取调幅信号放大器的通频带？信号解调后，怎样选取滤波器的通频带？为了正确进行信号调制必须要求ωcΩ，通常至少要求ωc10Ω。这样，解调时滤波器能较好地将调制信号与载波信号分开，检出调制信号。若被测信号的变化频率为0~100Hz，则载波信号的频率ωc1000Hz。调幅信号放大器的通频带应为900~1100Hz。3.信号调制解调电路3.1.1调幅原理与方法a)检出最大值b)误差最大情况2112πnAB3.1调幅式测量电路3.信号调制解调电路3.信号调制解调电路3.1调幅式测量电路(3)在测控系统中被测信号的变化频率为0~100Hz，应怎样选取载波信号的频率？应怎样选取调幅信号放大器的通频带？信号解调后，怎样选取滤波器的通频带？信号解调后，滤波器的通频带应100Hz，即让0~100Hz的信号顺利通过，而将900Hz以上的信号抑制，可选通频带为200Hz。3.1.1调幅原理与方法测控电路162019/12/193.1调幅式测量电路二、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号调制？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进行调制。3.1.1调幅原理与方法3.信号调制解调电路测控电路172019/12/193.1调幅式测量电路(2)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器。3usucx12143.信号调制解调电路3.1.1调幅原理与方法txOtOucOtusustO测控电路182019/12/193.1调幅式测量电路(2)通过交流供电实现调制R1FR4R2R3R1R2UoUR3R4应变式传感器输出信号的调制3.1.1调幅原理与方法3.信号调制解调电路312431244cos4omcRRRRUURRRRRUtRRRRRRR测控电路192019/12/193.1调幅式测量电路(2)光调制光调制opticalmodulation：将一个携带信息的信号叠加到载波光波上，完成这一过程的器件称为调制器。调制器能使载波光波的参数随外加信号变化而变化，这些参数包括光波的振幅、位相、频率、偏振、波长等。承载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器系统解调，然后检测出所需要的信息。光调制技术已广泛应用于光通信、测距、光学信息处理、光存储和显示等方面。3.1.1调幅原理与方法3.信号调制解调电路测控电路202019/12/193.1调幅式测量电路三、电路调制(1)乘法器调制a)原理图ucuxusxyKxy3.信号调制解调电路sxmccoscosuUttΩ3.1.1调幅原理与方法b)实用电路-8V47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω750Ω1410161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ750Ω1kΩ680kΩ20μF20μFuc1kΩ0.1μF21254usux+12V测控电路212019/12/193.1调幅式测量电路(2)开关电路调制-相乘原理3.信号调制解调电路3.1.1调幅原理与方法uxuo=usUcV2V1UcuotOUcOttOuxuo=us当Uc为高电平，为低电平时，V1导通、V2截止，若V1、V2为理想开关，输出电压。当Uc为低电平，为高电平时，V1截止、V2导通，输出电压为零，其波形如上图所示。经过调制，输入信号与幅值按0、1变化的载波信号相乘。cUxoUu测控电路222019/12/193.1调幅式测量电路(3)信号相加调制3.信号调制解调电路3.1.1调幅原理与方法在线性电路中，二个不同频率的信号与相加，不会得到第三个频率的信号，从而也不能进行调制。为了获得频率变换，必须在电路中加入非线性器件。相加调制中，ux=UxmcosΩt与uc=Ucmcosωt相加减后加到开关上，故称为相加型调幅电路。UxmUcm采用二个开关二极管VD1、VD2来进行二路调制。uVD1=uc+ux;uVD2=uc-ux;两个载波电流以相反方向通过输出变压器T3的一次侧，使uc影响得以消除。这种电路常称为平衡调幅电路。其中K(ωct)为角频率为ωc的脉冲信号；r为二极管内阻、RP串接的有效电阻及RL折合到T3一次侧的等效电阻之和。12()()/()()/cxccxciuuKtriuuKtr测控电路232019/12/193.1调幅式测量电路(3)信号相加调制3.信号调制解调电路3.1.1调幅原理与方法331233333122()2()/2cos[coscos3]2344coscoscoscoscos33xmxcccxmxmxmccUiniinuKtrntttrnUnUnUtttttrrrn3为变压器T3的电压比。i3滤去ux基频、uc的高次谐波分量，可得。1212()()/()()/2()/cxccxcxciuuKtriuuKtriiuKtr34coscosxmcnUttr测控电路243.1调幅式测量电路(3)信号调制的频域理解3.信号调制解调电路3.1.1调幅原理与方法若以高频余弦信号（余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线）作载波，把信号x(t)和载波信号相乘，其结果就相当于把原信号的频谱图形由原点平移至载波频率f0处，其幅值减半。测控电路253.1调幅式测量电路信号解调的频域理解3.信号调制解调电路3.1.1调幅原理与方法若把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域图形将再一次进行“平移”，其结果如下图所示。若用一个低通滤波器滤去中心频率为2f0的高频成分，那么将可以复现原信号的频谱（只是其幅值减小为一半，这可用放大处理来补偿），这一过程称为同步解调。测控电路262019/12/193.1调幅式测量电路3.1.2包络检波电路什么是包络检波？从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。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。3.信号调制解调电路测控电路272019/12/193.1调幅式测量电路包络检波的基本工作原理是什么？由图可见，只要从图a所示的调幅信号中，截去它的下半部，即可获得图b所示半波检波后的信号(经全波检波或截去它的上半部也可)，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。包络检波就是建立在整流的原理基础上的。3.信号调制解调电路3.1.2包络检波电路usOOtta)b)uo'测控电路282019/12/193.1调幅式测量电路3.信号调制解调电路3.1.2包络检波电路usuo'OOtta)b)(c)峰值检波波形(d)平均值检波波形(a)输入调幅波(b)不接滤波器时检波波形测控电路292019/12/193.1调幅式测量电路（一）二极管与三极管包络检波(1)基本电路a)二极管检波电路VDRLC2Ti+u