北航數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc
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實(shí)驗(yàn)名稱 幅度調(diào)制和解調(diào) 實(shí)驗(yàn)科目 數(shù)字信號(hào)與處理 院系名稱 專業(yè)名稱 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 年 月 日 實(shí)驗(yàn)三：幅度調(diào)制和解調(diào) 一、實(shí)驗(yàn)?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(hào)處理的方法實(shí)現(xiàn)模擬電路中信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)的方法。 通過(guò)理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，再利用Matlab作為編程工具進(jìn)行計(jì)算機(jī)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)，從而加深理解，建立概念。 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1．利用Matlab實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制，過(guò)調(diào)制，欠調(diào)制等狀態(tài)。 2．用高頻正弦信號(hào)分別實(shí)現(xiàn)對(duì)（1）低頻周期方波信號(hào)，（2）低頻正弦信號(hào)（3）低頻周期三角波信號(hào)的調(diào)制，觀察調(diào)制后頻率分布狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)抑制載波的幅度調(diào)制。 3．設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)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(jì)實(shí)驗(yàn)， 觀察待調(diào)制波信號(hào)幅度變化對(duì)調(diào)幅系數(shù)的影響。 5．模擬峰值檢測(cè)（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(shí)現(xiàn)。 7．了解同步檢波的原理，并編程實(shí)現(xiàn)。 三、實(shí)驗(yàn)原理 1．幅度調(diào)制 用一個(gè)信號(hào)(稱為調(diào)制信號(hào))去控制另一個(gè)信號(hào)(稱為載波信號(hào))，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(guò)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(dá)、測(cè)量?jī)x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(duì)原始信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，得到便于信道傳輸?shù)男盘?hào)，然后在收信端完成調(diào)制的逆過(guò)程──解調(diào)，還原出原始信號(hào)。 用來(lái)傳送消息的信號(hào)叫作載波或受調(diào)信號(hào)，代表所欲傳送消息的信號(hào)叫作調(diào)制信號(hào)，調(diào)制后的信號(hào)叫作已調(diào)信號(hào)。用調(diào)制信號(hào)控制載波的某些參數(shù)，使之隨調(diào)制信號(hào)而變化，就可實(shí)現(xiàn)調(diào)制。 受調(diào)信號(hào)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(bào)和編碼等信號(hào)。前者是模擬信號(hào)，后者是數(shù)字信號(hào)。 調(diào)制是一種非線性過(guò)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(hào)有關(guān)，是攜帶著消息的有用信號(hào)。調(diào)制的目的是實(shí)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(hào)的形式可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。用模擬信號(hào)調(diào)制稱為模擬調(diào)制；用數(shù)據(jù)或數(shù)字信號(hào)調(diào)制稱為數(shù)字調(diào)制。按被調(diào)信號(hào)的種類可分為脈沖調(diào)制、正弦波調(diào)制和強(qiáng)度調(diào)制(如對(duì)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(fù)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(diǎn)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(hào)而變化的調(diào)制，叫做正弦波幅度調(diào)制，簡(jiǎn)稱調(diào)幅(AM)。它是用低頻調(diào)制電壓去控制高頻載波信號(hào)的幅度，如下圖所示。調(diào)幅的技術(shù)和設(shè)備比較簡(jiǎn)單，頻譜較窄，但抗干擾性能差，廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)中短波廣播、小型無(wú)線電話、電報(bào)等電子設(shè)備中。 圖3-1 低頻信號(hào)經(jīng)高頻載波信號(hào)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(shí)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(shí)當(dāng)m＜1時(shí)，實(shí)現(xiàn)了不失真的調(diào)制，而當(dāng)m＞1時(shí)，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(dá)式展開(kāi)，可得 上式表明，載波信號(hào)經(jīng)單一信號(hào)調(diào)制后將出現(xiàn)三個(gè)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(hào)經(jīng)單一信號(hào)調(diào)制后的頻譜圖 由頻譜圖可見(jiàn)，幅度調(diào)制在頻域上是將調(diào)制信號(hào)F搬移到了載頻的兩邊，其實(shí)質(zhì)是一種頻率變換。其帶寬為：。 在實(shí)際應(yīng)用中，調(diào)制信號(hào)不是單一頻率，例如：我們的講話的語(yǔ)音信號(hào)，其信號(hào)頻率為幾百至幾千赫，經(jīng)調(diào)制后，各個(gè)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(shí)際調(diào)制信號(hào) 圖中上下邊頻幅度相等，對(duì)稱出現(xiàn)，這時(shí)調(diào)幅波的帶寬為：是調(diào)制信號(hào)頻率的二倍。 由于載波只是一運(yùn)動(dòng)載信息的工具，不包含有用信息。所以在發(fā)送時(shí)為節(jié)約功率，可以只發(fā)送邊帶信號(hào)，而不發(fā)送載波。這種情況稱為抑制載波的雙邊帶(DSB)信號(hào)發(fā)送。 它可以看成是調(diào)制信號(hào)和高頻載波信號(hào)相乘得到： K為乘法系數(shù)。 由于上下邊帶對(duì)稱，為節(jié)省頻帶，采用抑制載波的單邊帶（SSB）信號(hào)發(fā)送，其表達(dá)式為：或。 2．解調(diào)（檢波） 將音頻信號(hào)調(diào)制到載波上去就可以達(dá)到發(fā)送聲音的目的，可是我們的最終目的是實(shí)現(xiàn)聲音的遠(yuǎn)距離傳送，所以還必須在接收一側(cè)將已調(diào)制的信號(hào)解讀出來(lái)，這個(gè)解調(diào)的過(guò)程就叫檢波，過(guò)去的書(shū)里有個(gè)很形象的比喻：將書(shū)信綁在箭上射出去的過(guò)程叫調(diào)制和發(fā)射，找到箭后取下書(shū)信就叫接收和檢波。 調(diào)幅波的解調(diào)過(guò)程(不失真地還原信息)通常稱為檢波，實(shí)現(xiàn)該功能的電路也稱振幅檢波器(簡(jiǎn)稱檢波器)，它仍然是一種頻譜搬移過(guò)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(hào)是一個(gè)以載波為其頻率，振幅與音頻信號(hào)同步變化的上下對(duì)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(hào)，包絡(luò)檢波也得名于此。因?yàn)檫@個(gè)包絡(luò)是上下對(duì)稱互相抵消，為了得到它就必須將AM信號(hào)削去一半，這個(gè)目的可以通過(guò)使用具有單向?qū)щ娞匦缘陌雽?dǎo)體二極管等整流元件來(lái)得到，只許AM信號(hào)的正半周或負(fù)半周通過(guò)，即可得到半個(gè)AM信號(hào)，再用電容等將細(xì)密振動(dòng)的載波成分旁路吸收，最終得到音頻信號(hào)，完成整個(gè)檢波過(guò)程，因只使用簡(jiǎn)單的二極管就能達(dá)到目的，所以一般收音機(jī)都采用這種檢波方式。 如3-5圖所示，是最常見(jiàn)的二極管包絡(luò)檢波電路：當(dāng)輸入電壓大于電容上電壓時(shí)，電容充電，輸入電壓小于電容電壓時(shí)，電容放電，充電快，放電慢，達(dá)到平衡時(shí)，電容上的電壓將會(huì)不失真地跟隨已調(diào)波的包絡(luò)線變化，再經(jīng)隔直就會(huì)輸出調(diào)制波信號(hào)。 圖3-5 二極管包絡(luò)檢波電路 具體的物理過(guò)程如下：在高頻信號(hào)電壓的正半周時(shí)，二極管正向?qū)ú?duì)電容器C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(guò)程 這個(gè)電壓建立后通過(guò)信號(hào)源電路，又反向地加到二極管D的兩端。這時(shí)二極管導(dǎo)通與否，由電容器C上的電壓Vc和輸入信號(hào)電壓Vi共同決定。當(dāng)高頻信號(hào)的瞬時(shí)值小于Vc時(shí)，二極管處于反向偏置，管子截止，電容器就會(huì)通過(guò)負(fù)載電阻R放電。由于放電時(shí)間常數(shù)RC遠(yuǎn)大于調(diào)頻電壓的周期，故放電很慢。當(dāng)電容器上的電壓下降不多時(shí)，調(diào)頻信號(hào)第二個(gè)正半周的電壓又超過(guò)二極管上的負(fù)壓，使二極管又導(dǎo)通。上圖中的tl至t2的時(shí)間為二極管導(dǎo)通的時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)又對(duì)電容器充電，電容器的電壓又迅速接近第二個(gè)高頻電壓的最大值。在上圖中的t2至t3時(shí)間為二極管截止的時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)電容器又通過(guò)負(fù)載電阻R放電。這樣不斷地循環(huán)反復(fù)，就得到圖中電壓Vc的波形。因此只要充電很快，即充電時(shí)間常數(shù)RdC很小(Rd為二極管導(dǎo)通時(shí)的內(nèi)阻)；而放電時(shí)間常數(shù)足夠慢，即放電時(shí)問(wèn)常數(shù)RC很大，滿足RdC<下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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