第14章调制与解调返回主目录概述1调幅及解调2调频和解调3调相与解调4脉宽调制与解调5数字调制与解调调幅AM调频FM调相PM模拟调制信号数字调制信号载波幅度键控ASK频率键控FSK相位键控PSK调制图释AM波形及频谱图FM信号波形ASK信号波形FSK信号波形过调幅失真DSB波及数学模型包络检波器半波整流低通滤波高通隔直同步检波器调幅波:同步波:两信号合成只要就成为可用包络检波器的AM波半波精密包络检波器全波精密整流器
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,输出需接低通滤波器。全波输出。电流输出的全波整流器相加型半波相敏检波器ad上的电压bd上的电压开关式相乘型全波相敏检波在ur为负半周时,V截止,同时从同相端与反相端输入,。在ur为正半周期时,V导通,运放的同相端接地,LC并联振荡器振荡频率为C0——传感器的电容;C1——谐振电路中的固定电容;Cc——电缆分布电容;ΔC——由被测量引起的电容变化量。电参数调频电路若取C1>>C、C2>>C,则振荡器的频率为或基极受控的多谐振荡器其方波的频率与基极偏置电压us有关。电压调频电路电参数调相电路Emcos——R上的电压uR;jEmsin——C上的电压uc;=arctgRC——支路电流和C上电压的相位差。异或门鉴相器相位差为φ的两个信号UA和UB分别加到异或门的两输入脚,输出U0的脉宽与相位差φ成正比,然后用U0控制与门,通过与门的固定频率CP的脉冲数也就与φ成正比,用记数的方法就可得到相位差φ。RS触发器鉴相器UA和UB经整形后形成负的窄脉冲,使RS触发器翻转,输出信号U0的脉宽与UA和UB的相位差φ成正比。除用U0去控制脉冲计数器的解调方法外,也可用低通滤波将U0变成直流电压的解调方法。多谐振荡器脉冲调宽电压当T2饱和导通的瞬间,T1的基极通过(C+ΔC)被强制为地电平,T1截止。此时,(C+ΔC)通过Rb1充电,一直充电至T1导通,T2截止为止。这一暂态过程取决于Rb1、(C+ΔC)的充电时间,可用下式计算同理,当T2截止,T1导通的暂态时间为总的时间周期为电压调制电路由锯齿波发生器形成的载波信号uc,测量信号为us,并通过比较器进行比较。当uc>us时,输出u0为高电平;当uc
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调幅(AM),主要是利用加法运算和乘法运算,其数学模型可表示为图示。但由于直流分量A0不是调制信号中的一部分,而且它占据了AM波中一半以上的功率。为了提高调制效率,只要在AM波中令A0=0即可达到目的,即只要AM波的上边波和下边波就可以了。仅包含上边波和下边波的公式为该波被称为双边带调幅(DSB)。DSB波的波形、频谱及其数学模型如图示。上边波或下边波中都包含了的全部信息,所以只要任意一个边波就足够了。在双边带调制器后面接上一个边带滤波器,抑制掉无用边,即可产生单边带波,这样的调制过程称为单边带调幅(SSB)。14.1.2调幅波的解调1.AM波的解调从AM波中还原测量信号最常用的就是包络检波器。ε—放大器的增益。2.DSB和SSB波的解调DSB和SSB调幅波的解调主要用同步检波(又称为相敏检波)器完成。必须指出,同步检波的关键就是要有一个与载波信号同频同相的同步信号。在实际应用中,直接使用载波信号不方便的话,也可用相应的电路从调制波中提取。另外一种解调方法是由相乘器和低通滤波器组成,其原理为令可写成通常,用低通滤波器滤掉式上式中的第二项和第三项,剩下第一项即可检出调制信号。3.常用解调电路(1)AM解调电路(整流电路)①半波精密包络检波器②全波包络检波电路③电流输出型全波包络检波器(2)DSB和SSB解调电路(相敏检波)①相加型半波相敏检波它是实现相加型同步检波原理的相加型半波相敏检波电路。SGN(ur)——当ur左端为正时取1,为负时取−1;为平衡条件。②开关式相乘型全波相敏检波它是实现同步信号与调制波相乘来解调DSB或SSB的简单电路。SGN(ur)——ur为正半周期时取1,否则取为−1。只要再接入低通滤波器就可以得到包络线。14.2调频和解调若设载波的频率为(称为中心频率),测量信号的变化量为ΔU0,则有式中Kf——比例常数,代表调频器的调制灵敏度。调频波的波形见图示。14.2.1调频波的产生1.振荡器谐振电路(LC并联谐振电路)当传感器没工作时,ΔC=0,振荡器的频率为谐振回路的中心振荡频率,表示为当传感器工作时,谐振频率将随电容增量ΔC变化,则为考虑C>>ΔC,展开成级数,忽略高阶无穷小项,可近似表达为可见,电参数ΔC控制着频率Δω在中心频率ω0附近变化,便得到了幅值不变,频率受控的调频波,实用电路如图。2.压控振荡电路多谐振荡电路的工作原理如图,实用电路可自行分析。3.电压-频率转换电路(V/F转换)这一部分知识在单片机原理及接口技术有较详细的介绍。14.2.2解调调频波的解调称为频率检波,简称鉴频。由于单片机技术在传感器及检测系统中得到了广泛的应用,通常采用直接测频的方法。14.3调相与解调若设载波的起始相角为0,测量信号的增量为,则有式中K——调相波的调制指数。14.3.1调相波的产生在电参数调相电路中,C为传感器的参数,R为固定电阻。则支路电压为设传感器工作时的电容为C0,工作时的电容为C0+ΔC,则相位差可写成将式在0RC0处展开成泰勒级数,并忽略高阶无穷小,则成为可见,支路电压与支路电流的相位角是受φ控制的,即激励电源,则与支路电流同相的。比较e和uR的相位差,就可得到ΔC的大小。14.3.2解调调相波的解调可用鉴相器来完成。相乘和相加型相敏检测电路都可完成鉴相任务,在此不再叙述。由门电路组成的鉴相器如下:①异或门鉴相器;②RS触发器鉴相电路。利用门电路时,UB取自R两端的电压,UA取自激励e的电压,则UA和UB必须整形成方波。方能用作门电路的输入。如果UA或UB是经过互感变压器以后的信号,要考虑由变压器引起的移相,否则会造成解调误差。14.4脉宽调制与解调用测量信号去改变脉冲信号的占空比,而脉冲波的周期不变,这种调制方法脉宽调制。14.4.1脉冲调宽的方法1.电参数调制多谐振荡器的差动电容C1和C2在测量时一个增大,另一个减小,使得多谐振荡器的输出U0的脉宽受被测参数的调制。2.电压调制14.4.2解调由于定时和计数是单片机最简单的处理工作,可以用脉宽信号去控制异或门鉴相电路中时钟脉冲CP通过与门的个数,得到测量脉宽。14.5数字调制与解调数字调制信号具有很强的抗干扰能力,非常好的保密性,以及可以传输声音、图象、文字等综合信息的能力,而成为信号传输的主要方法之一。14.5.1幅度键控(ASK)的产生与解调1.幅度键控信号的产生假设数字信号用脉冲序列表达式为式中ak为随机变量。对于二进制来说,当第k元码为1时,ak=1;当第k元码为0时,ak=0。与载波信号uC相乘后,得到幅度键控信号,可表示为数字幅度键控信号是一个双边带调制信号,波形如图所示。ASK调制的模型及原理框图如图示。2.幅度键控信号解调用包络线检波器构成的ASK信号解调原理框图及相敏检波器构成的ASK信号解调原理框图如图示。对于数字信号来说,允许幅度检波器输出的信号有一定的失真,只需用适当的方法“鉴别”出各码元的真实含义(1或0),恢复原本的数字序列,就等于将干扰造成的失真完全消除。通常使用采样-判决电路完成这一任务。14.5.2频率键控(FSK)的产生与解调1.频率键控信号的产生由数字信号对载波的频率进行控制,就可得到频率键控信号,表示为FSK信号的的选频调制原理及波形如图示,从中可以看出,FSK信号是两个交错的ASK信号之和。由多谐振荡器构成的FSK信号直接调频调制电路,是由基极受控的多谐振荡电路演变而来的,这种直接调频的形式大多用于码速比较低的数据传输。2.频率键控信号的解调⑴包络检波解调和相敏检波解调。⑵零点解调法:较好地利用了单片机的定时和计数功能,简化了解调电路。14.5.3相位键控(PSK)的产生与解调1.相位键控信号的产生用数字信号调控载波信号的相位,被称为相位键控调制方式,这里仅介绍二相相位键控。设载波信号为,则BPSK信号表示为见其调制模型与波形图。如果载波信号uc(t)初相位为π,则波形将倒相。在检出时,有可能出现将“1”认为“0”,将“0”认为“1”的情况。为了解决这一问题,通常采用二相差分相位键控(BDPSK),其原则是当码元为“1”时,载波相位取与前一个码元的载波相位相同;当码元为“0”时,载波相位取与前一个码元的载波相位相差π。BDPSK信号的键控模型与波形如图所示。2.PSK信号的解调差分相干解调,因其电路简单,而得到了广泛的应用。