测试技术基础
华南理工大学 机械与汽车工程
测试技术基础
第五章 测试信号的转换与调理
•第一节 概述 •第二节 调制与解调 •第三节 滤波 •第四节 模拟/数字转换
第一节 概述
测试系统的第二个环节为信号的转换与调理。被测物理 量经传感环节被转换为电阻、电容、电感或电压、电流、电 荷等电参量的变化，由于在测量过程中不可避免地遭受各种 内、外干扰因素的影响，且为了用被测信号驱动显示、记录 和控制等仪器或进一步将信号输入计算机进行数据处理，因 此经传感后的信号尚需经过调理、放大、滤波、运算分析等 一系列的加工处理， 以抑制干扰噪声、提高信噪比，便于进 一步的传输和后续环节中的处理。信号的转换与调理涉及的 范围很广， 本章将集中讨论一些常用的调制与解调、信号的 滤波及 A/D 、 D/A 转换。
一般来说，调制一个载波信号幅值的信号可能具有任何 的形式：正、余弦信号、一般周期信号、瞬态信号、随机信 号等，而载波信号也可具有不同的形式，例如正弦信号、方 波信号等。
第二节 调制与解调
1. 幅值调制与解调
1. 幅值调制 幅值调制或调幅是将一个高频载波信号同被测信号
Байду номын сангаас（调制信号） 相乘， 使载波信号的幅值随着被测信号的 变化而变化。
第二节 调制与解调
如下图所示， x(t)为被测信号， y(t)为高频载波信 号，此处选择余弦 信号： y(t)=cos2πf0t ，则 调制器的输出即已 调制信号xm(t)为x(t) 与y(t)的乘积： xm(t)=x(t)cos2πf0t 。
第二节 调制与解调
信号x(t)与载 波信号的乘积在 频域上相当于将 x(t)在原点处的频 谱图形移至载波 频率f0， 如图所 示。因此调幅的 过程在频域上就 相当于一个移频 的过程。
第二节 调制与解调
第二节 调制与解调
3 . 相敏解调 相敏解调或相敏检波用来鉴别调制信号的极性，利
用交变信号在过零位时正、负极性发生突变，使调幅波 相位与载波信号比较也相应地产生 180°相位跳变，从 而既能反映原信号的幅值又能反映其相位。
第二节 调制与解调
第二节 调制与解调
2. 频率调制与解调
第二节 调制与解调
2. 解调是从已调制波信号中恢复出原有低频调制信号的过程。 从时域上讲， 调制过程即是使载波的某一参量随调制波
的变化而变化， 而在频域上，调制过程则是一个移频的过程。 调制与解调（ MODEM ）是一对信号变换过程， 在工
程上常常结合在一起使用。调制与解调在工程上有着广泛的 应用。
第二节 调制与解调
21. .幅幅值值调制调的制解与调 解调
第二节 调制与解调
2 . 整流检波 整流检波是另一种简单的解调方法。其原理是：对调制信
号偏置一个直流分量 A ，使偏置后的信号具有正电压值（图 5 . 20（ a ）），那么该信号作调幅后得到的已调制波xm(t)的 包络线将具有原信号形状。对调幅波xm(t)作简单的整流（全波 或半波整流）和滤波便可恢复原调制信号，信号在整流滤波之 后仍需准确地减去所加的偏置直流电压。
第二节 调制与解调
1. 调制是指利用某种信号来控制或改变一般为高频振荡信号的 某个参数（幅值、频率或相位）的过程。
当被控制的量是高频振荡信号的幅值时，称为幅值调制或 调幅；当被控制的量为高频振荡信号的频率时，称为频率调制 或调频；而当被控制的量为高频振荡信号的相位时，则称为相 位调制或调相。
在调制解调技术中，将控制高频振荡的低频信号称为调制 波，载送低频信号的高频振荡信号称为载波，将经过调制过程 所得的高频振荡波称为已调制波。根据被控制参数（如幅值、 频率） 的不同，分别有调幅波、调频波等不同的称谓。
设调制信号为f(t)由于频率调制信号（调频信号）其高频 信号的角频率随f(t)成线性变化，故有:
于是调频信号的总相角：
第二节 调制与解调
由此可将调频 信号表示为
右图调制信号为三 角波（图a）进行 调制的调频信号波 形（图b）。
由图可见，在0～t1区间，调频波ef(t)的瞬时频率随调制信 号f(t)的增大而逐渐增高。而在t1～t2区间内，调频波的瞬时频 率则随f(t)的减小而逐渐降低。在 t=t2时刻，调制信号f(t)=0， 调频信号ef(t)也回复到原来的状况。因此，调频信号的总相角 的增量与调制信号 f(t)的积分成正比, 而信号相位的任何变化 均会引起信号频率的变化。这便是频率调制的原理。
第二节 调制与解调
1. 频率调制原理 首先研究频率与相位之间的关系。一个等幅高频余弦信号
可表达为：
对频率与相位均为常量（即未调制） 的普通信号有: 其总相角
而其角频率
第二节 调制与解调
这里角频率ω为一常量，它等于总相角的导数。但在一般 情况下，总相角θ(t) 的导数可以不是常数。总相角θ(t)的导数定 义为瞬时角频率， 用ωi(t)表示，显然， ωi(t)亦是时间的函数。 于是可得总相角 θ(t)与瞬时角频率ωi(t)之间的关系为:
利用调制信号控制高频载波信号频率变化的过程称频率 调制。在频率调制过程中载波幅值保持不变， 仅载波的频 率随调制信号的幅值成正比地变化， 因此调频波的功率也 是个常量。频率按照调制信号规律变化的信号称为调频信号 或已调频信号。还有一类信号是其相位按调制信号规律作变 化的信号， 称调相或已调相信号。 由于这种高频信号的过 程表现出来的是高频信号总相角的变化， 故也将它们称为 调角信号。 这两类调制（调频或调相） 过程因此也统称角 度调制。
第二节 调制与解调
正 弦 信 号 的 幅 值 调 制
第二节 调制与解调
2. 幅值调制的解调
幅值调制的解调有多种方法， 常用的有同步解调、整流 检波和相敏解调法。
1 . 同步解调法 将调幅波经一乘法器与原载波信号相乘，则调幅波的频
谱在频域上被再次移频。由于载波信号的频率仍为 f0，再次 移频的结果是使原信号的频谱图形出现在0和±2f0的频率处。 设计一个低通滤波器将位于中心频率 ±2f0处的高频成分滤 去，便可恢复原信号的频谱。由于在解调过程中所乘的信号 与调制时的载波信号具有相同的频率与相位， 因此这一解 调的方法称为同步解调。