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基础知识:振动幅值调制

4年前浏览5547

来源:普迪美状态监测(ID:bpdm-cm)


幅值调制是一种常见的信号形式,简称为AM。无线电广播与机械作用相比,调幅的物理原理略有不同。例如,调幅无线电信号是根据输入信号通过改变载波的幅值,对载波进行编码而产生的。无线电信号通常显示高频载波信号,与低频调制信号相结合。类似地,流程机器上的调幅信号,是一个信号经历的振幅变化由第二个信号或调制信号的振幅引起,机械调幅信号在载波和调制频率之间可能相差很大,也可能相当接近。由于调幅的多种应用,关于两个或多个信号如何相互作用,以产生调幅信号有不同的定义,例如,可以用下式从数学上描述常见的调幅:

这里,Vam=瞬时幅值调制电压 (Volts),Vo=波形的峰值电压 (Volts),Fc=载波频率 (Hertz),Fm=调制波频率 (Hertz),t=时间 (Seconds)。


在许多方面,振幅调制方程式类似于信号求和的方程式。信号求和情况指定两个独立的频率,两个正弦项在时域求和。而幅值调制表达式包括一个载频Fc 和一个调制频率Fm,载波的正弦和调制频率的正弦相乘。


两个分量的求和,得到的峰值振幅等于两个独立信号的和。对于一个调幅信号,基本振幅通常被认为是某个恒定值(例如Vo),在整个周期中衰减到不同的水平。在某些情况下,信号之和与幅值调制之间存在相似性,导致其时域信号难以区分。


例如,用上述公式计算如图1和图2所示的AM信号。在图1中,一个5000Hz的载频Fc 被一个200Hz的频率Fm 调制。注意图1中真正的调幅信号与图3中求和信号之间的物理相似性,有这种视觉上的相似性,难怪许多情况下的简单信号之和经常被称为振幅调制。

图1 计算的AM信号,载波5000Hz,调制波200Hz


图2 计算的AM 信号,200Hz载波,190Hz调制波


图3 计算的时域波形,两个独立的不同频率和幅值的正弦波信号之和


图2所示的时域图是调幅信号的另一种常见形式,这是以200Hz的载频和190Hz的调制频率计算出来的,虽然时域模式已经改变,这仍然是一个纯调幅信号。注意,这个信号的低频周期名义上是0.1秒,这个周期相当于10Hz的拍频,或载波与调制频率之间的差值(即,200Hz-190Hz=10Hz)。


为了演示,使用HP-33120A函数发生器生成了与图1中计算数据等效的调幅信号,载频设置为5000Hz,调制频率调整为200Hz。将合成的数据导入HP-35670A,处理后的时基和FFT数据如图4和图5所示。


图1计算时间曲线图与图4实测数据的相似性是不言而喻的。在频域内,宽频FFT显示了200Hz的低频部分(图中没有显示)和5000Hz的高频部分。

图4 测量的AM信号,5000Hz载波,200Hz调制


图5 测量的AM信号的FFT,5000Hz载波&200Hz调制波


为了提高能见度,FFT在频率范围4200至5800Hz被细化(转换频谱),这1600Hz频带数据如图5所示。注意,5000Hz的载频由4800和5200Hz两个强分量围起来,对于一个真正的调幅信号,在4800和5200Hz的边带表示载波和调制频率之间的和与差。换句话说,对于一个真正的调幅信号,可见频率成分应该包括载波频率和调制频率,加上边带,其等于两个基频的和与差。


另一个例子,同样的步骤应用于前面为图2计算的频率接近的载波和调制信号,将200Hz的载波加上190Hz的调制信号进行合成,送至数字信号分析仪,可以得到图6和图7所示的绘图。图2的计算信号与图6的实测数据也具有非常明显的时域相似性,图7中的频谱图非常有趣,因为它包含了所有的幅值调制频率。具体来说,这包括200Hz载频,390Hz载频加上调制频率,10Hz差拍频率,以及190Hz一个很小的分量,为调制信号。

图6 测量的AM信号,200Hz载波和190Hz调制波


图7 测量的AM信号的FFT,200Hz载波和190Hz调制波


在大多数情况下,信号之和由两个独立的频率组成,它们来自完全不同的振源。这两个频率以这样一种方式相互作用,有时它们互相抵消,而在其他时候它们相加产生高振动振幅。在这些加起来的信号中,拍频通常是可见的,甚至是可听到的,频率分析将显示由拍频分离出的两个单独的成分。然而,在幅值调制信号中,载波和调制信号之间通常有一个直接的物理联系,也就是说,AM信号通常与一个轴上,或直接物理接触的旋转元件(例如,啮合的齿轮组)上的交互激励有关。识别或定义一个真正的调幅信号的频率特征是存在下列频率成分:


  • 载波频率;


  • 调制频率;


  • 载波和调制频率之和;


  • 载波和调制频率之差。


这四个频率成分共存是一个真正的幅值调制的特征。


理论科普信号完整性电磁基础
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首次发布时间:2020-12-02
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lubin
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