您好,欢迎光临本店! [请登录][免费注册]
请关注微信公众号!
欢迎光临神科仪购网!专业提供光纤激光器/光纤/光器件/光学测量设备/分布式光纤测温系统/锁相放大器
联系电话: 400-999-7175
请关注微信公众号
当前位置: 首页 > 应用技术方案 > 锁相放大器应用 > 使用锁相放大器测量/解调AM,FM,PM信号
使用锁相放大器测量/解调AM,FM,PM信号
神科仪购网/SNKOO-eGo / 2020-02-25

在分析AM,FM和PM这种具有多个频率分量的信号时,必须准确测量每个频率分量的振幅和相位,使得其中一个分量的特性变化不会影响另一个频率分量的测量。这种多频信号解调有两种不同的方法:一、级联/串联解调二、同步并行解调用载波和两个等距边带组件串联解调信号的方法是使用两个串联的锁相放大器,第一个设备在带宽较宽的载波频率处解调,第二个设备在边带频率处解调。这种方法会由于布线以及两个仪器之间的额外模数转换(ADC)和数模转换(DAC)阶段而产生延迟、失真和噪声。虽然后来通过在单个锁相放大器仪器中实现串联解调,避免额外的ADC和DAC阶段。串接解调仍然存在一些缺点,使用同步并行解调器可以克服这些缺点。所以尽管苏黎世仪器Zurich Instruments)MFLI、HF2LI以及UHFLI锁相放大器能够在内部执行串联解调,但我们建议使用仪器的AM/FM调制选项AM/FM MOD执行同步并行解调。本文将串联解调方法与苏黎世仪器特有AM/FM调制方案进行了比较。介绍了串联解调的局限性,并演示苏黎世仪器的AM/FM调制选项如何能够方便准确和高效测量多频信号

首先对于载波频率ωc=2πfc和边带频率ωm=2πfm处的S(T)调制信号可以用以下形式表示:

image.png 

这种形式可以用来表示AM(振幅调制)和窄带FM(频率调制),其中fc处的载波由fc+fm(上边带)和fc-fm(下边带)处的两个边带调制。实际上,调幅和窄带调频信号是调制信号S(T)的如下特殊情况:

image.png 

相位调制(PM)可以等效地表示为频率调制。苏黎世仪器的调制选项不仅能够产生AM和FM信号,还可以产生任意振幅AC、AU和AL以及任意相位Φc、Φu和Φl的调制信号。在下文中,调制信号S(T)将分别通过串联技术和mod选项解调,使用配备有HF2LI-MD多频选件和HF2LI-mod AM/FM调制选件的HF2LI锁相放大器。

一、串联解调

使用两个解调器,利用串联技术,将载波频率下解调信号的同相或X分量以边带频率内部路由到第二解调器。下图显示了串联法中使用的级联解调器的框图。

image.png 

图 1

根据上述框图,串联解调的一个严重限制在于第一个解调器的速度。调频时的边带调制需要通过解调器1的低通滤波器(LPF),理想情况下没有振幅减小和相位变化。因此,第一个LPF需要有足够大的带宽或等效的小时间常数。换言之,边带调制频率仅限于第一级LPF的带宽。(后续我们可以看到HF2LI的AM/FM调制选项完全消除了这一限制,因为载波和边带直接以其相应频率解调。)

在图1中,我们假设滤波器带宽比边带频率fm大得多,这样我们就可以忽略它对信号的影响。现在,主要的问题是,如何将图1中的解调振幅A和相位Φ与信号S(t)的参数联系起来。利用三角恒等式,我们可以得到解调振幅和相 位的基本表达式:

image.png 

为了验证上述公式,使用HF2LI进行了串联解调测量。仪器在10MHz的频率下产生一个载波,两个距离载波100KHz的边带调制。之后,我们扫描一个边带的相位(在本例中为上边带相位u),并记录串联解调的振幅和相位。下面的LabOne用户界面屏幕截图显示了由红框突出显示的设置以及“扫描”(sweep)选项卡中显示的信号。在图2中,Aux out 1设置为解调器4的同相分量。

image.png 

图 2

为了验证串联解调公式,我们简单地保存了测量数据,并用matlab将其与A和Φ的解析表达式进行了比较,如图3所示。可以看出理论和测量结果完全一致。

image.png 

图 3

图2和图3表明,使用串联解调系统测量的振幅取决于每个边带的相位。通过测量振幅A和相位Φ,不能获得每个边带的振幅。因为根据A和Φ的数学表达式,除非我们知道Φu和Φl,否则没有针对Au和Al的唯一解。即使两个边带的振幅相等,即Au=Al=a,根据A和Φ获得a时仍存在歧义。对于具有相等边带的调制信号,通过串联解调测量的振幅由以下公式给出:

image.png 

根据上述表达式,仅对于边带相等的AM信号(Φu+Φl=0),即Au=Al=a,串联解调的结果与调制信号振幅相同,即A=a。否则,测量信号与原始信号发生畸变。例如,如果信号为窄带调频(Φu+Φl=180°),则串联解调的结果为空,即A=0,此时不能表明信号是否有调制。

二、AM/FM调制选项(HF2LI-MOD)

苏黎世仪器的mod选项可以直接生成和检测调制信号。图4为mod选项的简化框图,显示了3个双相解调器,分别位于fc、fc+fm和fc-fm。如图所示,每个组件都是用一个单级解调器以其相应的频率直接解调的。这样,LPF的带宽就可以任意的小,并且没有带宽限制。与串联解调相比,可使用mod选项提取3条频率线的所有6个分量,即(Ac、Φc)、(Au、Φu)和(Al、Φl)。

image.png 

图 4

图4显示,mod选项可以在fc、fc+fm和fc-fm处同时和相干地解调这三个频率的输入信号。为了比较串联解调技术和mod选项的性能,在10MHz的载波频率和100KHz的边带频率下产生调制信号。如图5所示,载波、上、下边带的振幅分别为400 mV、100 mV和80 mV。

image.png 

图 5

三、串联解调和MOD选件并行解调比较 

将图5中的mod选项生成的信号分别用图1中所示的串联解调和图4中所示的mod选件并行解调。为了进行比较,我们将信号的上边带分量的相位从0°扫到360°整个周期,使用LabOne用户界面的“扫描”(sweep)选项卡得到两种解调方法的输出。串联解调的输出仅包括一个振幅A和一个相位,而mod选项的输出则包含所有3个频率分量的振幅和相位。

图6显示了串联解调在上边带相位方面的解调振幅和相位。如图所示,修改一个边带分量的相位,解调后的幅度和相位都发生了很大的变化。

image.png 

图 6

图7为“扫描”(sweep)选项卡测量的mod选件并行解调输出。

image.png 

图 7

如图7所示,除了与输入时调制信号中相同分量相对应的分量外,所有解调分量保持不变。在这种情况下,对调制信号上边带的相位进行扫描,检测到完全一致的相位(图7中的demod 6采样相位),而所有其他5个分量都不受影响。同样的情况也发生在振幅或多个分量发生变化时。这显示了mod选件并行解调相对于串联技术的一个重要优势,即在解调过程中不会丢失相位或振幅信息,而在串联方法中,振幅和相位信息的一部分会丢失。

综述所述,苏黎世仪器为其所有型号的锁相放大器(包括MFLI、HF2LI、UHFLI)提供了AM/FM调制选项,可以生成和检测带有一个载波和两个边带(包括AM和FM信号)的任意调制信号。与串联调制技术相比,它具有以下几个优点:

1、mod选件在整个振幅、相位和频率范围内提供精确测量,而串联技术存在信号失真。

2、mod选件提供所有频率分量的全部振幅和相位信息。

3、mod选件能够在仪器的整个频率范围内提取边带频率的信号,而串联方法仅限于第一级解调器的带宽。

4、除了解调之外,mod选件还可以生成具有任意相位关系、振幅和频率的多频信号。

 

来自https://www.zhinst.com/blogs/

“how to demodulate multi-frequency signals such as am fm and pm”


下一篇:MFLI/HF2LI锁相放大器原理
上一篇:Zurich Instruments锁相放大器在SPM应用中的成像模式与所需的选件

用户评论

  • 暂时还没有任何用户评论
总计 0 个记录,共 1 页。 第一页 上一页 下一页 最末页
用户名: 匿名用户
E-mail:
评价等级:
评论内容:
验证码: captcha

相关商品

浏览历史

公司简介 | 人才招聘 | 联系我们
© 2015-2020 神科仪购网/SNKOO-eGo 版权所有,并保留所有权利。
广州番禺区亚运大道1003号番山总部E谷3栋805 Tel: 400-999-7175 ICP备案证书号:粤ICP备14034210号-1