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调制与解调——读书笔记

已有 3617 次阅读2006-8-29 09:00 |个人分类:读书笔记|系统分类:通信网络

    调制:就是利用缓慢变化的信号(我的理解应该是测试信号或调制信号)来控制高频振荡信号的某个参数(幅值、频率或相位),使其随缓变信号作有规律的变化。如果被控制的参数分别为幅值、频率、相位,就把调制分别称为调幅、调频、调相。控制高频振荡信号的缓变信号称为调制信号;载送缓变信号的高频振荡波称为载波;经过调制的高频振荡波称为已调波。


        解调:是利用检波、滤波或其它技术从已调波中恢复出缓变信号的过程。


        动态测试技术在信号的调理中广泛使用调制解调技术。其原因之一是把缓慢变化的低频信号叠加到高频信号,提高抗干扰的能力,以便于放大和远距离传输;原因之二是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。


        调幅:即幅值调制(AM)是将一个高频简谐信号(或称载波)与测试信号相乘,使高频信号幅值随测试信号的变化而变化。由傅立叶变化的性质可知,在时域中两个信号相乘,则对应在频域中对这两个信号进行卷积。而由高等数学知识可知,一个函数与单位脉冲函数卷积的结果,就是将其图形由坐标原点平移到该脉冲函数处。所以,若以高频余弦信号与测试信号相乘,其结果就相当于把测试信号(原始信号)频谱图形由原点平移至载波频率处(正负f 处。因为余弦函数的频谱图形是一对脉冲函数。),其幅值减半。所以幅值调制过程就相当于频率搬移过程。为避免调幅波的重叠失真,要求载波频率必须大于测试信号的最高频率,实际应用中,往往选择载波频率至少数倍甚至数十倍于信号中的最高频率。(其时域波形就是把测试信号由一个变成了两个,相对称的。这就可能存在信号过零线的问题。而在过零线时,信号的幅值就会发生由正到负(或由负到正)的变化,此时调幅波的相位(相对于载波)也相应地发生了180度的相位变化。此种调制方法称为抑制幅值调制。抑制调幅波须采用同步解调,方能反映出原始信号的幅值和极性。)


        调幅波的解调:


        1、同步解调:也称相干解调。将调幅波与原载波信号再次相乘,则频域图形将再一次进行搬移,其结果就是在频谱图上,在正负2f 处有信号,其幅值变为原来的1/4.而在原点处也出现了幅值为1/2的信号,所以用低通滤波器后,再用放大处理来补偿,就可以复现原信号。这一过程称为同步解调。“同步”是指解调时所乘信号与调制时的载波信号具有相同的频率和相位。


        2、包络检波:忙于非相干解调。若把调制信号进行偏置,叠加一个直流分量A使偏置后的信号都具有正电压,那么调幅波的包络恢复原调制信号的形状。把该调幅波简单地整流、滤波就可以恢复原调制信号。一个简单的包络检波器,就是调幅波两端中一端经过一个二极管,然后经过一个RC的并联电路,再返回另一端。输出信号从R两端取出。实际该电路就是由一个二极管和一个RC低通滤波器组成。如果如果原信号有直流分量,则在整流后准确地减去所加的偏置电压。即实现了解调。这种方法调制称为非抑制幅值调制,(因为,它不会出现信号过零线的情况,也就不会发生幅值的翻转和相位的变化。与抑制幅值调制相对)但,此种方法必须要偏置电压足够大,使信号电压都在零线一侧,否则对调幅波只是简单的整流就不能恢复原信号。这种问题可以用相敏检波技术解决。


       3、相敏检波:电路图较复杂,在此不描述,基本原理就是通过一个好像是全波整流的电路(呵呵,我不太敢确定)。这样,无论调幅波信号是正半周还是负半周,都能进行很好的调制。经过低通滤波器就可以得出原信号。


        角度调制:用调制信号去控制高频载波的频率称为调频(FM——Frequency Modelation),控制高频载波的相位称为调相(PM——Phase Modeulation),调频和调相都表现为高频载波的瞬时相位随调制信号的变化而变化,总称为角度调制。       


        调频与鉴频:调频是利用缓变信号来控制等幅高频振荡波(载波),使其振荡频率偏移量和信号电压成正比。所以调频波是随信号幅值而变化的疏密不等的等幅波,调频波的频率随缓变信号的幅值而变化,其频谱结构很复杂,用简单的信号函数难以描述。但经过调频的信号,其信息储存在频率中,不易错乱或失真。所以抗干扰能力很强,便于远距离传输以及数字处理。在LC谐振回路中,如果使位移、应力、应变等物理量引起电容传感器的电容变化,则谐振回路的振荡频率将变化。也就是被测物理量的变化直接引起高频振荡波的频率变化,产生了调频波。


        调频波的产生:根据调频的定义,调频波的瞬时频率与调制信号成正比。它的瞬时相位与调制信号的积分成正比。由此可以得到两种产生调频波的方法。一是直接调频法,用调制信号直接控制振荡器的频率,使振荡频率跟随调制信号变化。二是间接调频法,使振荡信号经过的调相电路,再用调制信号的积分去控制调相电路,使调相电路的输出相位与控制信号成正比,由于频率是相位的微分,因此输出信号的频率与调制信号成正比,从而实现了调频。直接调频原理简单、频偏较大,但由于振荡器的频率直接受控,因此频率的稳定度不高。而间接调频法的核心是调相,其载波信号是由晶振产生的,因此频率稳定度高。但,间接调频的缺点是频偏小,必须有扩展频偏电路扩展频偏。


        调频波的解调称为频率检波,简称鉴频。鉴频器的功能是将输入调频波的瞬时频率变化变换为输出电压。对鉴频器的最能主要指标是,鉴频特性应该为线性,且能保证一定的鉴频范围和鉴频灵敏度。鉴频的具体方法有多种。调频波在进入鉴频前,可能会受前面各级电路的影响,使其振幅发生变化,这种变化称为调频波的寄生调幅。当鉴频器解调这类调频波时,会把寄生调幅的影响反映到输出电压上,引起解调失真,使输出信噪比下降,因此一般在鉴频器前都要加限幅器以消除寄生调幅。


        1、调频(调相)与调幅不同,它是一种频谱在非线性搬移,理论上含有无限多的频谱分量,但由于能量大部分集中在载频附近,因此调频波的有效带宽是无限的。且按实际要求的标准予以定义。


        2、调频是用调制信号去控制载波的频率(相位)因此它的调制信息是包含在正统载波的角度中,而已调波的幅度是恒定的。可以用高效率的C类放大器来放大。因此从调制的功率有效性这个标准来衡量,调频波(调相波)是一种高效率的调制方式。


        3、调频波有较强的抗干扰性能。因为绝大多数的干扰多以幅度干扰的形式出现,而调频波的幅度为恒值,不携带信息,对这些幅度干扰只须在解调前加一限幅器就可以改善解调输出信号的信噪比。可以证明调制系数越大,抗干扰性能越好。但,调制系数越大,调频波占有的有效频带也越宽,因此,调频波的抗干扰性能是以增加信道有效宽度为代价的。


        鉴频的方法:


        1、斜率鉴频:将等幅调频波通过一线性网络,将其频率变化规律转移到幅度的变化上,输出一调幅调频波,然后再用包络检波器检出其幅度变化,从而实现了鉴频。


        2、正交鉴频:将调频波通过一线性网络,将其频率变化规律变成附加的相位变化,然后用相位相位检波器检出两信号的相位差,从而实现了鉴频。正交鉴频是目前集成电路中用得最多的鉴频方法。


        3、脉冲计数式鉴频:将调频波通过一非线性网络(前两种方法都是线性的)。经过,放大、限幅、微分、脉冲成形,输出一串宽度为τ的调频脉冲序列。由于该脉冲序列的疏密反映输入信号瞬时频率的变化,将该脉冲序列通过低通滤波器,取出平均分量,便可得到所需的调制电压。脉冲计数式鉴频器的工作频率最高一般只到10MHZ。但是,脉冲计数鉴频器的线性鉴频范围大,易于集成,这些都是优点。


        4、锁相鉴频:是一种性能优良的鉴频电路,它允许输入调频波有较低的信噪比门限水平。


总结:调制有调幅、调频、调相之分,调幅的解调方式对应有同步解调、(也叫相干解调)、包络检波解调(属于非相干解调)、相敏检波三种。调频和调相统称为角度调制。对应的解调方法称为鉴频。


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