北航數(shù)字信號處理實驗報告.doc
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實驗名稱 幅度調(diào)制和解調(diào) 實驗科目 數(shù)字信號與處理 院系名稱 專業(yè)名稱 學 號 學生姓名 年 月 日 實驗三：幅度調(diào)制和解調(diào) 一、實驗?zāi)康? 了解幾種基本的調(diào)制解調(diào)原理，掌握用數(shù)字信號處理的方法實現(xiàn)模擬電路中信號的調(diào)制與解調(diào)的方法。 通過理論推導得出相應(yīng)結(jié)論，再利用Matlab作為編程工具進行計算機驗證實現(xiàn)，從而加深理解，建立概念。 二、實驗內(nèi)容 1．利用Matlab實現(xiàn)信號的調(diào)制，過調(diào)制，欠調(diào)制等狀態(tài)。 2．用高頻正弦信號分別實現(xiàn)對（1）低頻周期方波信號，（2）低頻正弦信號（3）低頻周期三角波信號的調(diào)制，觀察調(diào)制后頻率分布狀態(tài)，實現(xiàn)抑制載波的幅度調(diào)制。 3．設(shè)計實驗，實現(xiàn)含有載波的幅度調(diào)制。觀察調(diào)制和解調(diào)的結(jié)果，與抑制載波的幅度調(diào)制有何不同。 4．設(shè)計實驗， 觀察待調(diào)制波信號幅度變化對調(diào)幅系數(shù)的影響。 5．模擬峰值檢測（包絡(luò)檢波）電路中的二極管的功能。 6．了解峰值檢波（包絡(luò)檢波）的原理，并編程實現(xiàn)。 7．了解同步檢波的原理，并編程實現(xiàn)。 三、實驗原理 1．幅度調(diào)制 用一個信號(稱為調(diào)制信號)去控制另一個信號(稱為載波信號)，讓后者的某一特征參數(shù)如幅值、頻率、相位，按前者變化的過程，就叫調(diào)制。 調(diào)制的作用是把消息置入消息載體，便于傳輸或處理。調(diào)制是各種通信系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，也廣泛用于廣播、電視、雷達、測量儀等電子設(shè)備。在通信系統(tǒng)中為了適應(yīng)不同的信道情況（如數(shù)字信道或模擬信道、單路信道或多路信道等），常常要在發(fā)信端對原始信號進行調(diào)制，得到便于信道傳輸?shù)男盘?，然后在收信端完成調(diào)制的逆過程──解調(diào)，還原出原始信號。 用來傳送消息的信號叫作載波或受調(diào)信號，代表所欲傳送消息的信號叫作調(diào)制信號，調(diào)制后的信號叫作已調(diào)信號。用調(diào)制信號控制載波的某些參數(shù)，使之隨調(diào)制信號而變化，就可實現(xiàn)調(diào)制。 受調(diào)信號可以是正弦波或脈沖波，所欲傳送的消息可以是話音、圖像或其他物理量，也可以是數(shù)據(jù)、電報和編碼等信號。前者是模擬信號，后者是數(shù)字信號。 調(diào)制是一種非線性過程。載波被調(diào)制后產(chǎn)生新的頻率分量，通常它們分布在載頻fC的兩邊，占有一定的頻帶，分別叫做上邊帶和下邊帶。這些新頻率分量與調(diào)制信號有關(guān)，是攜帶著消息的有用信號。調(diào)制的目的是實現(xiàn)頻譜搬移，即把欲傳送消息的頻譜，變換到載波附近的頻帶，使消息更便于傳輸或處理。 調(diào)制的種類很多，分類方法也不一致。按調(diào)制信號的形式可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。用模擬信號調(diào)制稱為模擬調(diào)制；用數(shù)據(jù)或數(shù)字信號調(diào)制稱為數(shù)字調(diào)制。按被調(diào)信號的種類可分為脈沖調(diào)制、正弦波調(diào)制和強度調(diào)制(如對非相干光調(diào)制)等。調(diào)制的載波分別是脈沖，正弦波和光波等。正弦波調(diào)制有幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制三種基本方式，后兩者合稱為角度調(diào)制。此外還有一些變異的調(diào)制，如單邊帶調(diào)幅、殘留邊帶調(diào)幅等。脈沖調(diào)制也可以按類似的方法分類。此外還有復合調(diào)制和多重調(diào)制等。不同的調(diào)制方式有不同的特點和性能。 幅度調(diào)制是一種廣泛使用的模擬調(diào)制方式。正弦載波幅度隨調(diào)制信號而變化的調(diào)制，叫做正弦波幅度調(diào)制，簡稱調(diào)幅(AM)。它是用低頻調(diào)制電壓去控制高頻載波信號的幅度，如下圖所示。調(diào)幅的技術(shù)和設(shè)備比較簡單，頻譜較窄，但抗干擾性能差，廣泛應(yīng)用于長中短波廣播、小型無線電話、電報等電子設(shè)備中。 圖3-1 低頻信號經(jīng)高頻載波信號調(diào)制波形圖 既然高頻載波的幅度隨低頻調(diào)制波而變，所以已調(diào)波同樣隨時間而變。即有 式中m是調(diào)幅波的調(diào)制系數(shù)(調(diào)幅度)。 同時當m＜1時，實現(xiàn)了不失真的調(diào)制，而當m＞1時，調(diào)制后的波形包絡(luò)線，將與調(diào)制波不同，即產(chǎn)生了失真，或稱超調(diào)。 利用三角公式將調(diào)制波表達式展開，可得 上式表明，載波信號經(jīng)單一信號調(diào)制后將出現(xiàn)三個頻率分量，即載波頻率分量fc，上邊頻分量fc+F，下邊頻分量fc-F。其頻譜圖如圖所示： 圖3-2 載波信號經(jīng)單一信號調(diào)制后的頻譜圖 由頻譜圖可見，幅度調(diào)制在頻域上是將調(diào)制信號F搬移到了載頻的兩邊，其實質(zhì)是一種頻率變換。其帶寬為：。 在實際應(yīng)用中，調(diào)制信號不是單一頻率，例如：我們的講話的語音信號，其信號頻率為幾百至幾千赫，經(jīng)調(diào)制后，各個頻率產(chǎn)生了各自的上邊頻和下邊頻，疊加后形成了上邊帶和下邊帶，如圖所示： 圖3-3 實際調(diào)制信號 圖中上下邊頻幅度相等，對稱出現(xiàn)，這時調(diào)幅波的帶寬為：是調(diào)制信號頻率的二倍。 由于載波只是一運動載信息的工具，不包含有用信息。所以在發(fā)送時為節(jié)約功率，可以只發(fā)送邊帶信號，而不發(fā)送載波。這種情況稱為抑制載波的雙邊帶(DSB)信號發(fā)送。 它可以看成是調(diào)制信號和高頻載波信號相乘得到： K為乘法系數(shù)。 由于上下邊帶對稱，為節(jié)省頻帶，采用抑制載波的單邊帶（SSB）信號發(fā)送，其表達式為：或。 2．解調(diào)（檢波） 將音頻信號調(diào)制到載波上去就可以達到發(fā)送聲音的目的，可是我們的最終目的是實現(xiàn)聲音的遠距離傳送，所以還必須在接收一側(cè)將已調(diào)制的信號解讀出來，這個解調(diào)的過程就叫檢波，過去的書里有個很形象的比喻：將書信綁在箭上射出去的過程叫調(diào)制和發(fā)射，找到箭后取下書信就叫接收和檢波。 調(diào)幅波的解調(diào)過程(不失真地還原信息)通常稱為檢波，實現(xiàn)該功能的電路也稱振幅檢波器(簡稱檢波器)，它仍然是一種頻譜搬移過程。從原理上講，要將包含調(diào)制波信息的已調(diào)波中還原出調(diào)制波信息，必須要有非線性器件，使之產(chǎn)生新的頻率分量，并把高頻載波的高頻分量濾除，因此，振幅檢波器的組成框圖如圖所示： 圖3-4 振幅檢波器的組成框圖 在各種幅度調(diào)制中，由于波形差異和頻譜結(jié)構(gòu)的不同，其調(diào)制方法也不同，但最基本的調(diào)制方法是兩種：包絡(luò)檢波和同步檢波。 2.1 包絡(luò)檢波： 由圖3-1可以看出，調(diào)制后的信號是一個以載波為其頻率，振幅與音頻信號同步變化的上下對稱的波，也即其振幅變化的包絡(luò)就是我們需要的音頻信號，包絡(luò)檢波也得名于此。因為這個包絡(luò)是上下對稱互相抵消，為了得到它就必須將AM信號削去一半，這個目的可以通過使用具有單向?qū)щ娞匦缘陌雽w二極管等整流元件來得到，只許AM信號的正半周或負半周通過，即可得到半個AM信號，再用電容等將細密振動的載波成分旁路吸收，最終得到音頻信號，完成整個檢波過程，因只使用簡單的二極管就能達到目的，所以一般收音機都采用這種檢波方式。 如3-5圖所示，是最常見的二極管包絡(luò)檢波電路：當輸入電壓大于電容上電壓時，電容充電，輸入電壓小于電容電壓時，電容放電，充電快，放電慢，達到平衡時，電容上的電壓將會不失真地跟隨已調(diào)波的包絡(luò)線變化，再經(jīng)隔直就會輸出調(diào)制波信號。 圖3-5 二極管包絡(luò)檢波電路 具體的物理過程如下：在高頻信號電壓的正半周時，二極管正向?qū)ú﹄娙萜鰿充電，由于二極管的正向?qū)娮韬苄?，所以充電電流很大，使電容器上的電壓Vc很快就接近高頻電壓的峰值。 圖3-6 包絡(luò)檢波的過程 這個電壓建立后通過信號源電路，又反向地加到二極管D的兩端。這時二極管導通與否，由電容器C上的電壓Vc和輸入信號電壓Vi共同決定。當高頻信號的瞬時值小于Vc時，二極管處于反向偏置，管子截止，電容器就會通過負載電阻R放電。由于放電時間常數(shù)RC遠大于調(diào)頻電壓的周期，故放電很慢。當電容器上的電壓下降不多時，調(diào)頻信號第二個正半周的電壓又超過二極管上的負壓，使二極管又導通。上圖中的tl至t2的時間為二極管導通的時間，在此時間內(nèi)又對電容器充電，電容器的電壓又迅速接近第二個高頻電壓的最大值。在上圖中的t2至t3時間為二極管截止的時間，在此時間內(nèi)電容器又通過負載電阻R放電。這樣不斷地循環(huán)反復，就得到圖中電壓Vc的波形。因此只要充電很快，即充電時間常數(shù)RdC很小(Rd為二極管導通時的內(nèi)阻)；而放電時間常數(shù)足夠慢，即放電時問常數(shù)RC很大，滿足RdC<下載提示(請認真閱讀)
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