湘潭大學(xué)信號與系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)論文

1、湘潭大學(xué)信號與系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)論文學(xué)院:物理與光電工程學(xué)院專業(yè)：測控技術(shù)與儀器標(biāo)題：我身邊的頻譜搬移姓名：尹孟琪 劉濤 孟繁樸黃楓 朱玥任課老師：曾金芳日期:2016年12月1日目錄第一章 頻譜搬移 1 頻譜搬移概況 2頻譜搬移的兩種應(yīng)用 2.1調(diào)制與解調(diào)1 2.2混頻電路2.3頻譜搬移的目的和意義第二章 頻譜搬移的應(yīng)用技術(shù) 1 高分辨率激光成像技術(shù)2 1.1 AFT成像技術(shù) 1.2“頻譜搬移法” 1.3兩種高分辨率激光成像技術(shù)比較 2 收音機混頻電路3 2.1混頻電路的功用 2.2混頻器 2.3超外差收音機 2.4混頻如何改善收音機的其性能 2.5收音機提高性能的方法 3 二次調(diào)頻一偽碼調(diào)相復(fù)合

2、信號的偽碼盲估計4 4 利用頻譜搬移控制語音轉(zhuǎn)換中的共振峰5 摘要： 隨著時代發(fā)展，通訊事業(yè)進(jìn)步，學(xué)術(shù)應(yīng)用更加廣泛，頻譜搬移遍布在我們周圍的角角落落。本文中的頻譜搬移主要從兩個應(yīng)用電路接近我們生活。一個是調(diào)制和解調(diào)應(yīng)用電路，信號的調(diào)使得制解調(diào)使得生活中的噪聲和干擾得到有效抑制。另一個就是混頻電路，混頻電路的應(yīng)用則使得不能直接得到的頻率經(jīng)過混頻得到我們所需的信號頻率。頻譜搬移也廣泛應(yīng)用于各種科技，例如：激光成像技術(shù)應(yīng)用于雷達(dá)，數(shù)字電視信號的接收；收音機中的混頻器，廣播信號的處理；改善收音機在靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性方面的性能；進(jìn)行偽碼掃盲，控制語音轉(zhuǎn)換中的共振峰。關(guān)鍵詞：頻譜搬移、混頻電路、應(yīng)用、

3、調(diào)制解調(diào)第一章 頻譜搬移1頻譜搬移概況 頻譜搬移就是在發(fā)射端將調(diào)制信號從低頻端搬移到高頻端, 便于天線發(fā)送或?qū)崿F(xiàn)不同信號源,不同系統(tǒng)的頻分復(fù)用。頻分復(fù)用即利用正弦幅度調(diào)制把相互重疊信號的頻譜在頻率上進(jìn)行搬移，使這些已調(diào)信號的頻譜不再重疊，從而能夠在同一個寬帶信道上同時傳輸這些信號。頻譜搬移的實質(zhì)就是要產(chǎn)生兩個不同頻率（w1,w2）的信號的和頻（w1+w2）信號和（或）差頻（w1-w2）信號。2頻譜搬移的兩種應(yīng)用2.1調(diào)制與解調(diào)1 根據(jù)所控制信號的信號參量不同，調(diào)制可分為：調(diào)幅，調(diào)頻，調(diào)相。而調(diào)幅是測量中最常用的調(diào)制方式。調(diào)幅就是用調(diào)制信號X去控制高頻載波信號的幅值。其中線性調(diào)幅就是讓調(diào)幅信號的

4、幅值按調(diào)制信號X的線性函數(shù)變化。線性調(diào)幅信號Us一般表達(dá)式為式中 ：載波信號的角頻率：調(diào)幅信號中載波信號的幅值：調(diào)制度當(dāng)調(diào)制信號為時，調(diào)幅信號可寫為：它包含三個不同的頻率的信號：角頻率為的載波信號，和角頻率分別為的上下邊頻。為了提高功率的利用率，只保留兩個邊頻信號，稱為雙邊帶調(diào)制。根據(jù)上式，可以得到該調(diào)幅信號的頻譜圖：頻譜圖由上述頻域圖可知，雙邊帶調(diào)幅信號的頻譜調(diào)制過程就是將調(diào)制信號的頻譜不失真的搬移到載波頻譜的兩邊，其實質(zhì)是一種線性頻譜搬移過程。根據(jù)調(diào)幅的定義，當(dāng)載波的振幅值隨低頻調(diào)制信號的大小作線性變化時，即為調(diào)幅信號，則已調(diào)波的波形如下圖（c）所示，圖（a）、（b）則分別為調(diào)制信號和載波

5、的波形。由圖可見已調(diào)幅波振幅變化的包絡(luò)形狀與調(diào)制信號的變化規(guī)律相同，而其包絡(luò)內(nèi)的高頻振蕩頻率仍與載波頻率相同，表明已調(diào)幅波實際上是一個高頻信號。所謂調(diào)制，其實就是將低頻信號加載到高頻信號上。為了提高信號頻率，以便天線將信號輻射出去，所以通常采用調(diào)制。解調(diào)就是調(diào)制的逆過程，它的作用是從已調(diào)波信號中取出原來的調(diào)制信號。從頻譜上看，解調(diào)就是將調(diào)幅波中的邊帶信號不失真地從載頻附近搬移到零頻附近。 對于幅度調(diào)制來說，解調(diào)是從它的幅度變化提取調(diào)制信號的過程。即從調(diào)制后的載波中分離出音樂或語言信號。2.2混頻電路混頻電路就是兩個不同頻率的信號同時加載在一個非線性響應(yīng)的器件上，會在輸出負(fù)載上產(chǎn)生兩個信號頻率的

6、成分，除此以外，還有兩個頻率任意線性組合的頻率成分，這個現(xiàn)象叫混頻。在應(yīng)用中利用兩個信號頻率之差的輸出，稱為基波下變頻，這種情況比較普通。合理設(shè)計的電路可以壓制除此之外的其他頻率成分輸出，獲得較高的能量轉(zhuǎn)換效率，即混頻效率。混頻器通常由非線性元件和選頻回路構(gòu)成?；祛l器常用于解調(diào)，例如將音頻信號從微波載波上“卸”下來，只要將調(diào)制信號與載波信號進(jìn)行混頻，取出差頻成分即可。一般用混頻器產(chǎn)生中頻信號：混頻器將天線上接收到的信號與本振產(chǎn)生的信號混頻其中，為信號頻率量，為本振頻率量。當(dāng)混頻的頻率等于中頻時，這個信號可以通過中頻放大器，被放大后，進(jìn)行峰值檢波。檢波后的信號被視頻放大器進(jìn)行放大，然后顯示出來。

7、由于本振電路的振蕩頻率隨著時間變化，因此頻譜分析儀在不同的時間接收的頻率是不同的。當(dāng)本振振蕩器的頻率隨著時間進(jìn)行掃描時，屏幕上就顯示出了被測信號在不同頻率上的幅度，將不同頻率上信號的幅度記錄下來，就得到了被測信號的頻譜。從頻譜觀點看，混頻的作用就是將已調(diào)波的頻譜不失真地從搬移到中頻的位置上，因此，混頻電路是一種典型的頻譜搬移電路，可以用相乘器和帶通濾波器來實現(xiàn)這種搬移?；祛l電路原理圖如下圖 圖（d） 2.3頻譜搬移的目的和意義隨著無線電通訊的日益發(fā)展和其應(yīng)用的愈加廣泛性，無線通訊的實現(xiàn)是社會的必然產(chǎn)物。而無線通訊是以電磁波為載體，天線的作用是用來發(fā)送和接收電磁波，從電磁波的理論可以知道，天線的

8、尺寸和電磁波的波長差不多時，才可以獲得較高的發(fā)射效率，所以，需要把信號調(diào)制到較高的頻率，以得到較小的天線尺寸。這個時候，頻譜搬移就發(fā)揮了巨大作用。由于頻譜搬移的目的就是：1)使天線大小正比于波長，搬到高頻減少波長縮小天線尺寸。2) 頻分復(fù)用：把不同用戶的信道放到不同頻率上，這樣可以一起傳，提高效率。所以頻譜搬移是應(yīng)社會通訊發(fā)展，科技進(jìn)步而生。第二章 頻譜搬移的應(yīng)用技術(shù)1 高分辨率激光成像技術(shù)21.1 AFT成像技術(shù)現(xiàn)有的激光成像雷達(dá)均采用傳統(tǒng)的成像技術(shù)，分辨率受到衍射極限的限制，且作用距離較短，一般在幾公里到幾十公里。為了實現(xiàn)遠(yuǎn)距離高分辨率成像，發(fā)展了一種新型的激光成像技術(shù)。這種新型的主動式激

9、光成像技術(shù)利用AFT（主動式傅里葉望遠(yuǎn)術(shù)）成像技術(shù)，可以對深空暗弱目標(biāo)進(jìn)行成像，其成像方式突出的優(yōu)點：1、 對激光器的功率及時間相干性要求不高；2、 圖像角分辨率比較高；3、 升級方便，為提高圖像分辨率及信噪比而付出的代價相對較低； AFT的基本成像原理是：利用三個不同位置處的孔徑主動發(fā)射激光束照射目標(biāo)，并在目標(biāo)表面形成直線干涉條紋。通過調(diào)制發(fā)射光束的頻率實現(xiàn)干涉條紋對目標(biāo)的掃描，直線干涉條紋掃描目標(biāo)的過程完成了對目標(biāo)空間信息的時間調(diào)制，接收器接收時間調(diào)制信號?；夭ㄐ盘栔?，解調(diào)出幅度和相位信息，利用相位閉合技術(shù)得到目標(biāo)的傅里葉幅度和相位，然后重建目標(biāo)的圖像。AFT技術(shù)可以實現(xiàn)對深空暗弱目標(biāo)的成

10、像，分辨率達(dá)到nrad量級。 1.2“頻譜搬移法” Lukosz提出：“光學(xué)系統(tǒng)所傳遞信息的自由度不變，即空間帶寬積不變?？梢酝ㄟ^減小物體空域面積，來增加光學(xué)頻域帶寬”。當(dāng)時有人提出了一系列的新技術(shù)來增加系統(tǒng)的帶寬，但這些光路復(fù)雜，實現(xiàn)起來比較困難。 “頻譜搬移法”是在不增加光學(xué)系統(tǒng)帶寬的情況下獲取高分辨率像的方法，利用余弦條紋對目標(biāo)圖像頻譜的搬移搬移作用，使光學(xué)系統(tǒng)截止頻率外的一部分高頻分量通過成像系統(tǒng)，從而獲取目標(biāo)更寬的圖像頻譜。用多幅條紋場照射目標(biāo)并分別成像，各條紋空間頻率相同而相位按照一定規(guī)律變化，對所獲得的圖像序列進(jìn)行綜合處理，可以將疊加在一起的頻譜分量分離開來，并將高頻分量恢復(fù)到相

11、應(yīng)的位置，經(jīng)過變換獲得高分辨率的圖像。1.3兩種高分辨率激光成像技術(shù)比較 不同點：1、 AFT利用動態(tài)的直線干涉條紋，通過調(diào)制激光束之間的頻率實現(xiàn)干涉條紋對目標(biāo)的掃描；“頻譜搬移法”利用靜態(tài)的條紋直線直接照射目標(biāo)。2、 AFT采用多個發(fā)射孔徑形成不同空間頻率的條紋，條紋分別掃描完成了對目標(biāo)空間頻譜的抽取過程；“頻譜搬移法”采用空間頻率相同、相位不同的條紋照射，完成對目標(biāo)空間頻譜的搬移作用。3、 AFT采用點探測器陣列，接收到的是光強對時間的信號；“頻譜搬移法”采用了面探測器接收信號，對照射條紋后的目標(biāo)進(jìn)行成像。4、 ATF處理的是時間信號，從時間信號中調(diào)解出多個空間頻率點的信息；“頻譜搬移法”

12、處理的是多幅圖像序列，通過處理多幅圖像將重疊在一起的頻譜分量分離開，并還原到原始位置。相同點：1、 利用激光束照射目標(biāo)來獲取目標(biāo)信息；2、 兩種成像技術(shù)都能獲取足夠多目標(biāo)空間頻譜信息，進(jìn)而進(jìn)行反變換獲得目標(biāo)高分辨率圖像。2 收音機混頻電路3 2.1混頻電路的功用 兩個不同頻率的信號同時加載在一個非線性響應(yīng)的器件上會在輸出負(fù)載上產(chǎn)生兩個信號頻率的成分以外，還有兩個頻率任意線性組合的頻率成分，這個現(xiàn)象叫混頻。在應(yīng)用中利用兩個信號頻率之差的輸出，稱為基波下變頻，的情況比較普通。合理設(shè)計的電路可以壓制除此之外的其他頻率成分輸出，獲得較高的能量轉(zhuǎn)換效率，即混頻效率?；祛l器常用于解調(diào)，例如將音頻信號從微波

13、載波上“卸”下來，只要將調(diào)制信號與載波信號進(jìn)行混頻，取出差頻成分即可，這也就是超外差收音機的核心原理。2.2混頻器晶體管的基極電壓為： 則晶體管的輸出電流ic可表示為：若把振幅較大的本振電壓看作變化的偏置電壓，則晶體管的偏置電壓為：此偏置電壓為時變的，它使工作點Q沿轉(zhuǎn)移特性曲線上下移動 而另一電壓us幅度較小，在其變化范圍內(nèi)，可以近似地認(rèn)為晶體管處于線性工作狀態(tài)，即晶體管混頻器工作于線性時變工作狀態(tài)。 晶體管混頻器的輸出電流為：設(shè)輸入信號電壓為則輸出中頻電流的振幅與輸入信號電壓的振幅Usm成正比，即混頻后只改變了信號的載頻，而其包絡(luò)不變。利用帶通濾波器，濾除無用的諧波及組合頻率分量，取出中頻信

14、號，即實現(xiàn)了混頻。2.3超外差收音機超外差收音機中把接收來的外來信號頻率變換為465KHz（或450KHz）的固定中頻信號，并通過這種方式來提高收音機的靈敏度及鄰道選擇性。 因為中頻比外來信號頻率低且固定不變，中頻放大器容易獲得比較大的增益，從而提高收音機的靈敏度。在較低而又固定的中頻上，還可以用較復(fù)雜的回路系統(tǒng)或濾波器進(jìn)行選頻。它們具有接近理想矩形的選擇性曲線，因此有較高的鄰道選擇性。一般來說，如果器件本身即產(chǎn)生振蕩信號又實現(xiàn)變頻，則稱之為變頻器；如果器件僅實現(xiàn)變頻，振蕩信號由其它器件產(chǎn)生則稱之為混頻器?，F(xiàn)在多將它們混為一談?；祛l電路實現(xiàn)了信號頻譜的搬移，在理論上主要是通過兩個信號相乘來實現(xiàn)

15、。如設(shè)輸入信號，本地振蕩信號，a、b代表頻率，若在混頻器中實現(xiàn)相乘，則輸出FiFs*Fo，由三角變換式可知其中含有Cos(a-b)t，從而實現(xiàn)了頻譜搬移。2.4混頻如何改善收音機的其性能（1）提高靈敏度-中頻放大器增益高（2）提高選擇性混頻、中放的選頻作用（3）提高穩(wěn)定性工作頻率降低2.5收音機提高性能的方法： 改善調(diào)幅收音機的信噪比是最為重要的，因為這樣一方面可以提高音質(zhì)，另一方面可以大大地提高超遠(yuǎn)程電臺信號的接收，這樣才不致于發(fā)生噪聲信號淹沒微弱電臺信號的現(xiàn)象。因為在信噪比比較差的情況下，雖然微弱電臺信號也被磁棒線圈接收到了，但是它將被噪聲信號所嚴(yán)重的干擾，收音機里放出的聲音是很大的噪聲和

16、微弱的電臺信號的疊加。改善調(diào)幅收音機信噪比的重要措施就是盡量地提高所接收的電臺信號的強度?？梢栽诮档捅緳C固有噪聲方面作一些改進(jìn)，越處于前級的噪聲源對整機的信噪比影響越大，因此，應(yīng)該首先針對高頻放大電路或者混頻電路作一些改進(jìn)，首先要考慮的是高頻放大三極管或者混頻三極管，因為它們是噪聲的主要來源，要減小其噪聲，應(yīng)選擇噪聲系數(shù)小的高頻三極管；另外混頻電路三極管的工作電流也要選擇合適，混頻電路三極管的工作電流靜態(tài)工作點調(diào)整得太高或太低了都會引起信噪比的惡化。要降低噪聲，混頻電路三極管的外圍電路的電子元件也應(yīng)該選擇低噪聲的，比如選擇金屬膜電阻。對噪聲影響較大的主要是在三極管的基極上和發(fā)射極上連接的電阻器

17、。中頻放大器的噪聲對整機的噪聲也有一定影響，也應(yīng)該加以改進(jìn)。3 二次調(diào)頻一偽碼調(diào)相復(fù)合信號的偽碼盲估計4針對二次調(diào)頻一偽碼調(diào)相復(fù)合信號的偽碼盲估計難題，提出一種基于三次相位函數(shù)和頻譜搬移的偽碼盲估計算法。首先利用平方法消去偽碼和信息碼的相位突變，針對平方法帶來的噪聲惡化問題，采用對三次相位函數(shù)累加平均的方法估計二、三階系數(shù)，利用估計的高精度系數(shù)重構(gòu)指數(shù)項，對原復(fù)合信號進(jìn)行降階，再對降階后的信號取實部可得正弦載波與偽碼調(diào)相的復(fù)合信號，最后采用頻譜搬移的方法可恢復(fù)出原偽碼序列。 圖1、圖2為通過仿真實驗給出了基于累加平均的三次相位函數(shù)來估計二、三階系數(shù)的性能曲線。圖1是的估計性能，從中可看出，當(dāng)累

18、加平均的次數(shù)為10時，均方誤差在-1dB時達(dá)到最小，且隨著信噪比的增大，均方誤差保持不變;當(dāng)累加平均的次數(shù)為20時，均方誤差-2dB時達(dá)到最小，可見適當(dāng)增大累加平均的次數(shù)可改善估計性能，該特性在圖2中也清楚地反映出來。圖2是的估計性能，從中可以看出隨著信噪比的增大，均方誤差呈遞減趨勢，當(dāng)信噪比大于5dB時遞減趨勢趨于緩慢，且經(jīng)過累加平均處理的均方誤差小于未累加的。圖3給出了信噪比為2 dB時.經(jīng)過低通濾波后恢復(fù)出來的偽碼序列波形。碼序列與原序列相比.從圖中可以看出.恢復(fù)出來的偽符號完全相同.只是長度減為原序列的一半，此時該偽碼周期對應(yīng)的信息碼為正，當(dāng)信息碼為負(fù)時，估計的偽碼序列呈反碼，這是由信

19、息碼的符號影響的。由于恢復(fù)偽碼時采用了低通濾波器，使得恢復(fù)出來的偽碼波形的幅值呈現(xiàn)微小波動，但不影響符號的判定，通過下采樣及取符號可得偽隨機二進(jìn)序列為-1，1，-1，1，-1，-1，1。 圖4是在其他參數(shù)不變而子脈沖個數(shù)為7和15時的性能曲線，其中正確估計率是指偽碼完全估計正確的次數(shù)與總次數(shù)之比。從圖中可以看出，隨著信噪比的增大，偽碼估計的正確率逐漸增大;在同一信噪比下，子脈沖個數(shù)為巧的正確率要遠(yuǎn)大于子脈沖為7的正確率，比如信噪比為0 dB時，其正確估計率為0.8771高于7個子脈沖的0.5583。為了達(dá)到相同的估計性能，子脈沖個數(shù)為15的抗噪性能比7個的提高了約8 dB，由此可見當(dāng)子脈沖個數(shù)

20、15時具有更好的估計性能. 圖5顯示了在子脈沖個數(shù)為巧的條件下不同采樣頻率對偽碼估計性能的影響(即信號長度的影響)。從圖中可以看出在同一信噪比下，采樣頻率越大，則信號長度越長，偽碼估計的正確率越高，且采樣頻率大的具有更好的抗噪性能。仿真結(jié)果表明，該算法具有可行性，當(dāng)信噪比大于等于1 dB時，偽碼估計的正確率大于0.9，表現(xiàn)出較好的性能。4 利用頻譜搬移控制語音轉(zhuǎn)換中的共振峰5在語音信號分析中，語音轉(zhuǎn)換定義為通過算法分析提取語音信號中典型的物理參數(shù)，并按照某一規(guī)律改變某些參數(shù)，將某一個人的語音轉(zhuǎn)換為另一個人的語音，或者改變同一個發(fā)音人語音的某些特征。不同說話人在發(fā)同一個音節(jié)的語音時，雖然耳朵可以感覺到很多不同，但在語音信號中還是有一定規(guī)律可循的，可以從反應(yīng)說話人發(fā)音器官生理特性的聲學(xué)參數(shù)中找到這些特定規(guī)律，并按照這些規(guī)律制定出相應(yīng)的轉(zhuǎn)