5模拟信号调制、滤波和模数转换.ppt

1、第五章 模拟信号调制、滤波和模数转换,学习要求,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 3.了解信号A/D转换的原理,5. 模拟信号调制、滤波和模数转换,1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、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。,3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信进行调制解调处理。,2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。,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。信号调理的目的是便于信号的传输与处理。,5. 模拟信号调制、滤波和模数转换,调制的目的,解决微弱缓

2、变信号的放大以及信号的传输问题。,5.1 模拟信号调制,将微弱的缓变信号(音频:5020kHz、视频:06MH z)调制到高频交流信号(500kHz)中形成载波信号，利用交流放大器放大，在信道中传输，最后从信道传来的信号中解调出缓变信号。,5.1 模拟信号调制,调制的种类,（1）幅值调制(AM),5.1 模拟信号调制,一、幅值调制（AM）,用基带信号改变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。,5.1 模拟信号调制,1. 概述,调幅波：,5.1 模拟信号调制,幅值调制器,5.1 模拟信号调制,2. 调幅信号的频域分析,5.1 模拟信号调制,调幅信号频谱图,5.1 模拟信号

3、调制,重要结论,（1）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： 下边带： 上边带： （3）在0处出现冲激，表明载波分量的存在； （4）如基带信号f(t)的最高频率为max，调幅信号的带宽为2 max。,调幅波的波形失真,mA为调制系数， mA1产生过调制， mA1为正常调制。,5.1 模拟信号调制,幅值调制的效率,5.1 模拟信号调制,如 f(t) 均值为零，则交叉功率为零。,调制效率,为了使 AM信号不产生过调制，mA1，即f(t)maxA0，所以调制效率不大于50%。,5.1 模拟信号调制,3. 幅值调制信号的解调方法,（1）相干解调法（通过相干的本地载

4、波相乘解调）,5.1 模拟信号调制,相干解调器的算法,（1）调幅信号与本地载波相乘,（2）低通滤波器滤掉两倍载波频率成分,5.1 模拟信号调制,相干解调器的算法说明,（1）如果 是一个固定的相位差，则解调输出 幅值大小不会失真； （2）如果 ，解调输出 达到最大值，称为同步解调； （3）如果 ，解调输出为零； （4）如果 ，解调后得到的f(t)将改变符号。,5.1 模拟信号调制,（2）非相干解调法（包络检波）,非相干解调,二极管检波,低通滤波,5.1 模拟信号调制,5.1 模拟信号调制,4. 双边带调幅,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。,5.1 模拟信号调制,双边

5、带调幅时域波形,5.1 模拟信号调制,双边带调幅频谱图,双边带调幅与解调过程（相干解调）,5.1 模拟信号调制,双边带调幅与解调过程（数学描述）,5.1 模拟信号调制,双边带调幅信号的非相干解调相敏检波法,5.1 模拟信号调制,过调制,信号过零线时，幅值正负发生变化，相位也反相，可通过相敏检波“翻转”信号。,二、角度调制,5.1 模拟信号调制,1. 角度调制的概念,5.1 模拟信号调制,（1）调相波（PM）,瞬时角频率：,5.1 模拟信号调制,调频信号与调相信号的时域波形,瞬时角频率：,5.1 模拟信号调制,2. 频率调制方法,（1）直接调频法 用基带信号对压控振荡器（VCO）进行电压控制，利

6、用其振荡频率和控制电压成线性变化的特性，改变压控振荡器频率达到频率调制的目的。,（2）间接调频法,5.1 模拟信号调制,3. 调频信号的解频,FM信号经过高通滤波器后，原来等幅信号的幅值变为随基带信号变化而变化的调幅信号。,FM鉴频器,鉴频器等效框图,5.1 模拟信号调制,鉴频器原理,一般鉴频器都可等效为一个微分器和一个包络检波器。,优点：抗干扰能力强。 因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中。,缺点：占频带宽度大，复杂。 调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的20倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制足一种非线性调制。,

7、频率调制的特点,5.1 模拟信号调制,例：铁路机车调度信号检测,调制频率8.5Hz，绿灯 调制频率23.5Hz，红灯,5.1 模拟信号调制,5.2 滤波器,滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。,5.2 滤波器,一、基本概念,三、滤波性能分析,理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。,1. 理想滤波器,理想低通滤波器频率特性,5.2 滤波器,2. 理想低通滤波器的冲激响应、阶跃响应,脉冲响应函数 h(t)为sinc函数，是一个时域无限函数。,5.2 滤波器,5.2 滤波器,四、实际滤波器,理想滤波器是不存在的

8、，实际滤波器的幅频特性图中通带和阻带间应没有严格的界限，存在一个过渡带。通频带不平坦，过渡带不陡直，滤波器设计是在一定限度内逼近的。,滤波器的理想特性与实际特性,5.2 滤波器,5.2 滤波器,1.实际滤波器基本参数,2. 恒带宽、恒带宽比滤波器,实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中心频率与带宽之间的数值关系，可以分为两种。,2) 恒带宽比带通滤波器,1) 恒带宽带通滤波器,5.2 滤波器,倍频程滤波器,5.2 滤波器,滤波器的应用,例：无损探伤中的应用,滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警,5.2 滤波器,例：机床轴心轨迹的滤波处理,5.2 滤波器,机床轴心轨迹的滤波处理,滤

9、除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律,5.2 滤波器,调节计算机mp3播放器等软件中的声音均衡器，体验其对音乐信号的滤波情况。,5.2 滤波器,数字信号处理的概念,5.3 A/D转换,5.3 A/D转换,5.3 A/D转换,A/D转换,5.3 A/D转换,D/A转换,D/A输出,模拟滤波输出,5.3 A/D转换,一、A/D转换,1. A/D转换过程和原理,采样利用采样脉冲序列p(t)，从连续时间信号x(t)中抽取一系列离散样值，使之成为采样信号x(nt)的过程。,编码将离散幅值经过量化以后变为二进制数字的过程。,量化把采样信号x(nt)经过舍入变为只有有限个有效数字的数，这一过程称为量化。,5.3 A/D转换,2. A/D转换的量化过程,5.3 A/D转换,3. A/D转换器,5.3 A/D转换,（1）采样保持电路,场效应管,5.3 A/D转换,（2）并联比较型A/D转换器,5.3 A/D转换,（3）逐次渐进型A/D转换器,4. A/D转换器的技术指标,(1) 分辨率 用输出二进制数码的位数表示。位数越多，量化误差越小，分辨力越高。常用有8位、10位、12位、16位等； (2) 转换精度 转换精度=量程/(A/D转换器的分辨力*0.5)； (3) 转换速度 指完成一次转换所用的时间，如:100ms(10Hz)，10us(100kHz)； (4) 模拟信号的输