模拟信号增强

8.5.2　模拟信号增强

将微弱的信号放大到足以被识别和利用是模拟信号最基本的一种处理方式。信号放大包括电压放大和功率放大，可通过放大器实现。

从放大器的外部来看，放大器是一个二端口网络，从输出端口看，放大器输出电信号和电能量，对于负载相当于一个电源;从输入端看，输入电信号控制放大器的工作，使放大器输出放大后的信号，相对信号源来说，放大器相当于负载，所以，二端口网络内部可以用一个受控的电源模型来描述，如图8.5-4所示。

图8.5-4　放大器示意图

图8.5-4中的u_i为输入电压信号，u_o为输出电压信号; Z_i称为放大器的输入阻抗，Z_o称为放大器的输出阻抗;A_u为放大器的电压放大系数。由于

所以放大器放大能力A的描述为

值得注意的是:模拟信号放大必须保证放大前后的信号是同一个信号，即经过放大处理，信号的波形或频谱保持不变，这样才能确保信号所携带的信息保持不变。

【例8.5-1】模拟信号放大环节的输出u_o与输入u_i的关系如图8.5-5(a)所示，若输入信号为u_i=0.1sinωtV，如图(b)所示，则如下选项中正确的是(　)。

图8.5-5

解:答案为选项(D)。

将微弱的信号放大到足以被识别和利用是模拟信号最基本的处理方式，这种处理涉及电压放大和功率放大等信号本身能量的增强，所以，信号的放大过程可以理解为把小能量的信号转换为大能量信号的过程。

由图8.5-5可知:本题讨论的电压放大器具有非线性特性，即线性放大区域=－100，电压放大倍数=100，u_o与u_i的相位互差180°，最大输出为5V，所以，信号在放大的同时可能会出现失真现象。对于已知输入信号u_i=0.1sinωtV，经该放大器后的信号为u_o=10sin(ωt+180°)V，因此，大于5V的信号被削掉，选项(D)正确。

造成例8.5-1放大器输出波形失真的原因是由于构成放大环节的电子器件特性是非线性的(参见7.4)。由于这种特性无法保证放大环节的输出信号与输入信号是线性变换，因此也就导致了输入信号经放大环节之后可能出现失真，称这种失真为放大器的非线性失真。

造成放大器输出波形的另一种失真为频率失真。所谓频率失真是指输出信号和输入信号的频谱结构不同所形成的波形畸变。以例8.5-2为例说明频率失真。

【例8.5-2】放大器的传递特性曲线及频率特性分别如图8.5-6(a)和图8.5-6(b)所示。若方波信号u_i如图8.5-6(c)作为放大器的输入信号，则输出波形(　)。

(A)仍为方波信号(B)出现非线性失真(C)出现频率失真(D)出现两种失真

图8.5-6

解:答案为选项(C)。

根据已知条件可知:放大器线性放大区域所对应的输入信号为［－50mV，50mV］，通频带范围［20Hz，40kHz］。

根据式(8.4-8)可得图8.5-6(c)所示方波信号的傅氏级数描述形式为

u_i(t)=25.5sin(2πft)+8.49sin(3×2πft)+5.1sin(5×2πft)+…一次谐波的频率f₁=10kHz，U_1m=25.5mV;三次谐波的频率f₃=30kHz，U_3m=8.49mV;五次谐波的频率f₅=50kHz，U_5m=5.1mV;…。

根据非周期信号的傅氏级数描述可知:只有各次谐波同时被放大A倍后，才能保证经过放大器后的信号与原有信号的频谱结构相同，即

所以说，只有输入信号的各次谐波得到同样的放大，才能保证输出信号不失真，也就保证了信号所携带的信息不变。

对于本题来说，一次谐波和三次谐波的频率均在通频带范围，所以这两个谐波的放大倍数相同，均为200，而五次谐波的频率为50kHz，大于通频带的上限频率40kHz，所以，五次谐波乃至更高次的谐波的放大倍数均小于200，这就意味着:已知输入信号u_i的各次谐波不能得到相同的放大，所以输出信号出现频率失真。

通过例8.5-1和例8.5-2两个例子的分析，说明了模拟信号在增强过程中会出现非线性失真和频率失真，对于单频率信号而言，只可能出现非线性失真，不会出现频率失真。

如何有效地解决放大的失真问题也是信号放大技术所要处理的主要问题。