第五讲 信号的调理与记录
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调幅是将一个高频简谐信号（载波信号）与测试信号（调制 信号）相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。
原信号频谱图形由原点平移至载 波频率处，其幅值减半。所以调幅 过程就相当于频率“搬移”过程 幅值调制的频移功能在工程技 术上具有重要的使用价值。例如， 广播电台把声频信号移频至各自分 配的高频、超高频频段上，既便于 放大和传递，也可避免各电台之间 的干扰。
当采用全等臂电桥，即，
R
1±
R2
a
R4
I1 I2
R3
c
Uy
即
R1 R2 R3 R4 R0
Uy
则输出电压 因 R R0 ，所以
R U0 4 R0 2R
d
U y R 4 R0 U 0
可见，电桥的输出 U y 与激励电压 U 0 成正比，且在 R R0 条件下，与 R / R0 成正比。
应变片测量金属材料的应变时，其
0.001
提高信噪比。完成这些功能的电路就是中间变换装置。 测试系统 尽管数字信号分析技术已经获得了很大发展，但模拟信号 分析仍然是不可少的，即使在数字信号分析系统中，也要加
理量
入模拟分析设备。例如，对连续时间信号进行数字分析之前 的抗频混滤波。
第一节 概述
信号调理装置对于一个测试系统的性能优劣往往有至关重 要的影响。一些常见类型的传感器和它们各自所需的信号调 理方法。
同相放大器
差动放大器
第二节 信号的放大与隔离
为什么要隔离信号？
保证人身及设备的安全并降低 干扰的影响。
隔离方式主要有变压器耦合、电容耦合和光电耦合。
第三节 调制与解调
在测试技术中，调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调 理方法，主要是为了使微弱缓变信号的信道传输的问题。 基本概念
调制：将缓变的被测信号变为频率适当的交流信号的过程，以便对信
Z1Z 3 Z 2 Z 4 1 3 2 4
其中， Z1、Z 2、Z3、Z 4 为各阻抗的模； 1、2、3、4 为阻抗角，是各桥臂电流与电压之间的相位差，纯电阻=0， 电感性阻抗>0，电容性阻抗<0。 为了满足上述平衡条件，交流电桥各臂可有不同组合。常 用有电容、电感电桥，其相邻两臂接入电阻，而另外两臂接 入相同性质的阻抗，如都是电容或电感。
按输出方式： 不平衡桥式电路
平衡桥式电路
第二节 电桥
一、直流电桥
采用直流电源的电桥称为直流电桥，直 流电桥的桥臂只能为电阻。
U y U ab U ad R1 R4 U0 U0 R1 R2 R3 R4
a
R4
b
R1
R2
I1 I2
R3
c
Uy
R1 R3 R2 R4 U0 R1 R2 R3 R4
d
U0
S
Uy R / R0
U0
R 3
第二节 电桥
以上三种接法的灵敏度比分别为1：2：4。
注意： •相邻两臂电阻增量符号相反；
•相对两臂电阻增量符号相同。
第二节 电桥
电桥测量的误差及其补偿
误差主要来源：非线性误差和温度误差。
非线性误差：半桥单臂→半桥双臂、全桥接法。
温度误差：温度变化造成阻值变化不同。应尽量使各应变片 的温度一致。
电压
电压
0.5
的抗干扰能力得到很大的提高；同时，调频信号还便于远距离传输和采
-0.5 0 -1.0 用数字技术。由于调频信号的这些优点使得调频和解调技术在测试技术 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 t/ms 20 t/ms
0
0
1.0 0.5
ui R1 R2 R3 R4 uo 4 R R R R
即为电桥电路的和差特性，它是进行温度补偿和提高电桥灵敏度的主要 依据。
第二节 电桥
二、交流电桥
交流电桥采用交流激励电压。电桥的四个臂可为电感、电容或 电阻。
电桥平衡条件 Z 1 Z 3 Z 2 Z 4
f m f0 10 5
第三节 调制与解调
调幅应用——动态电阻应变仪
x(t)
第三节 调制与解调
频率调制
原理
调频就是用调制信号(缓变的被测信号)去控制载波信号的频率，使其
1.0
随调制信号的变化而变化。调频信号所携带的信息包含在频率变化之中， 1.0
0.5 并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中，使得信号
第二节 电桥
R2 C1 I1 Ui C2 R4 Ui
R1 L1 L2 R4 Ui I1 Ui I2 R3 R2
电容电桥
1 1 R1 R3 R4 R2 jC1 jC2
I2 R3
R1 R3 R4 R2 R3 R2 C C 1 2
R3
b
R2
c
Uy
3.立式桥： R1=R4=R，R3=R2=R′。
其中最常用的是全等臂电桥。
d
根据电桥工作时，参与工作的桥臂数分为半桥单臂、半桥双 臂和全桥三种连接方式。
U0
第二节 电桥
（1）半桥单臂接法：Fra Baidu bibliotek一个桥臂为工作桥臂
工作中只有一个桥臂阻值随被测量的变化而变化。
b
ΔR
1
输出电压 U R1 R R4 U 0 y R1 R R2 R3 R4
调频：用被测信号调制高频振荡信号的频率，使其频率随被测信号的
幅值而线性变化，其幅值不变。其频率的疏密是随被测信号幅值而发 生变化的一种变频波。
调相：用被测信号调制高频振荡信号的相位。 载波：信号调制过程中的高频振荡信号。
一般采用5kHz ～10kHz的音频振荡作为载波。
第三节 调制与解调
幅度调制
原理
“同步”指解调时所乘的信号与调制时的载 波信号具有相同的频率和相位。 其时域：
1 1 x(t ) cos 2f 0t cos 2f 0t x(t ) x(t ) cos 4f 0t 2 2
第三节 调制与解调
整流检波解调
对调制信号进行偏置，使其大于零。 xm(t)=[A+x(t)]cos2πfzt 将该调幅波进行整流（半波或全波）、滤波并消除直流偏置即可恢复 原信号。又称包络分析法。
第二节 电桥
电桥的和差特性：
R1 R4 uy u0 R1 R2 R3 R4 如每一桥臂都为工作桥臂，对上式全微分有： u y u y u y u y du y dR1 dR2 dR3 dR4 R1 R2 R3 R4
对于全等臂电桥来说，上式可表示为：
电感电桥
R1 j L1 R3 R4 j L2 R2
R1 R3 R4 R2 L1 R3 L2 R2
第二节 电桥
交流电桥的特点
交流电桥的平衡条件针对供桥电源只有一个频率的情况下推出的。
当供桥电源有多个频率成分时，得不到平衡条件，也即电桥是不平衡的。
第三节 调制与解调
相敏检波解调
相敏检波解调方法能够使已调幅的信号在幅值和极性上完整地恢复 成原调制信号。 相敏滤波器输出波形的包络 线即是所需要的信号。由于被 测信号的最高频率 1 1 (载波频率)，所以应在相敏检 波器的输出端再接一个适当频 带的低通滤波器，即可得到与 原信号波形一致的信号。
本课程主要包括：电桥、放大与隔离、调制与解调、信号
的滤波。
第二节 电桥
电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流输出的一种 测量电路。电桥由于具有测量电路简单可靠、较高的灵敏度、容易实现温 度补偿等优点，因此在测量装置中被广泛应用。
分类：
按激励电压的性质 ： 直流电桥(只能测量电阻变化)
交流电桥(能测量电阻、电感、电容的变化)
U0
灵敏度
1 S U0 R / R0 4
Uy
第二节 电桥
（2）半桥双臂接法：相邻两桥臂为工作桥臂
R1 R2 R3 R4 R0 , R1 R2 R0
b
R
1±
R1 R1 R4 Uy U 0 R1 R1 R2 R2 R3 R4 R U0 2 R0
第五讲 信号调理与记录
电桥
信号的放大与隔离 调制与解调 滤波器
第一节 概述
传感器的输出信号有两种形式：一种是电信号，如电压、 电流或电荷量等 ；另一种是电参数的变化，如电阻、电感和 中间变 被测 显示、记录 激励 传感器 电阻变化率只有 级，电压往 换装置 对象 电容等。这些信号太微弱或不满足传输、记录和显示等要求， 装置 被测物 电量 尚需经过中间转换装置进行放大、滤波、调制解调等处理以 往只有μV级。
中得到了广泛应用。
1.0 0.5
电压
电压
0 -0.5 -1.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 t/ms
0 -0.5 -1.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 t/ms
第四节 滤波器
滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极 大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用， 可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。 广义地讲，任何一种信息传输的通道（媒质）都可视为是一种滤波 器。因为，任何装置的响应特性都是激励频率的函数，都可用频域函数 描述其传输特性。因此，构成测试系统的任何一个环节，诸如机械系统、 电气网络、仪器仪表甚至连接导线等等，都将在一定频率范围内，按其 频域特性，对所通过的信号进行变换与处理。
R1 R1 a R R R R 1 1 2 2 U 0 Uy R4 R1 R3 R3 R4 R4 R U0 R0
b
R± 1 Δ ± R2 Δ
R
2
R
1
I1 I2
± Δ R3 ± R4
c
Uy
R4 Δ
Δ
R
R
a
R4
I1 I2
R3
± R2 Δ
2
1
c
Uy
d
灵敏度
S
1 U0 R / R0 2
Uy
U0
与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出与 R / R0 成完全线性关系。
第二节 电桥
（3）全桥接法：四个桥臂均为工作臂 R1 R2 R3 R4 R0 R1 R2 R3 R4 R0
把各阻抗用指数式表示
Z1 Z4 U0
Z2 Uy Z3
j1 Z 1 Z1e Z 3 Z 3e j3
Z 2 Z 2 e j2 Z 4 Z 4 e j4
Z 2 Z 4e
代入上式
Z1Z 3e
j 1 3
j 2 4
第二节 电桥
电桥平衡必须满足两个条件
d
U0
要使电桥平衡，输出为零，应满足
R1 R3 R2 R4
输入：各臂电阻 相对变化量ΔR/R 输出：Uy
第二节 电桥
电桥在正常工作前必须对电桥预调平衡。 下列三种形式可满足电桥的平衡条件： R1 1.全等臂电桥：R1=R2=R3=R4=R； 2.卧式桥： R1=R2=R，R3=R4=R′；
a
R4 I1 I2
第二节 电桥
直流电桥的干扰
由上述可知，电桥输出为ΔR0/R0与供桥电压Ui的乘积。由于 ΔR0/R0是一个非常小的量，因此，电源电压不稳定所造成的
干扰是不可忽略的。为了抑制干扰，通常采用如下措施： (1) 电桥的信号引线采用屏蔽电缆。 (2) 屏蔽电缆的屏蔽金属网应该与电源至电桥的负接线端连接。 (3) 放大器应该具有高共模抑制比。
因此，交流电桥对供桥电源要求具有良好的电压波形和频率稳定性。
一般采用音频电源(5kHz ～10kHz)作为电桥电源。这样，电桥的输出
将为调幅波。其后应接检波电路和低通滤波器才能恢复原信号。
第二节 信号的放大与隔离
为什么要放大信号？
传感输出的微弱电信号其幅值和功率 不能满足后续处理要求。 反相放大器
号进行传输、放大、处理等操作，它是使一个信号（载波信号）的某 些参数在另外一个信号（调制信号）的控制下发生变化的过程。
解调：将调制信号恢复为原信号的过程。
调制的3种方法：调幅、调频和调相。
调幅：调幅是将一个高频简谐信号（载波信号）与测试信号(调
制信号)相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。
第三节 调制与解调
第三节 调制与解调
对于单臂电桥，其电压输出为：
1 dR uO u t 4 R
如供桥激励为
u t A cos 2 f 0t
载波频率
第三节调制与解调
同步解调
把调幅波xm(t)再次与载波z(t)信号相乘，则频域图形将再一次进行“搬移”。
1 1 1 F xm (t ) z (t ) X ( f ) X ( f )* ( f 2 f z ) X ( f )* ( f 2 f z ) 2 4 4
原信号频谱图形由原点平移至载 波频率处，其幅值减半。所以调幅 过程就相当于频率“搬移”过程 幅值调制的频移功能在工程技 术上具有重要的使用价值。例如， 广播电台把声频信号移频至各自分 配的高频、超高频频段上，既便于 放大和传递，也可避免各电台之间 的干扰。
当采用全等臂电桥，即，
R
1±
R2
a
R4
I1 I2
R3
c
Uy
即
R1 R2 R3 R4 R0
Uy
则输出电压 因 R R0 ，所以
R U0 4 R0 2R
d
U y R 4 R0 U 0
可见，电桥的输出 U y 与激励电压 U 0 成正比，且在 R R0 条件下，与 R / R0 成正比。
应变片测量金属材料的应变时，其
0.001
提高信噪比。完成这些功能的电路就是中间变换装置。 测试系统 尽管数字信号分析技术已经获得了很大发展，但模拟信号 分析仍然是不可少的，即使在数字信号分析系统中，也要加
理量
入模拟分析设备。例如，对连续时间信号进行数字分析之前 的抗频混滤波。
第一节 概述
信号调理装置对于一个测试系统的性能优劣往往有至关重 要的影响。一些常见类型的传感器和它们各自所需的信号调 理方法。
同相放大器
差动放大器
第二节 信号的放大与隔离
为什么要隔离信号？
保证人身及设备的安全并降低 干扰的影响。
隔离方式主要有变压器耦合、电容耦合和光电耦合。
第三节 调制与解调
在测试技术中，调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调 理方法，主要是为了使微弱缓变信号的信道传输的问题。 基本概念
调制：将缓变的被测信号变为频率适当的交流信号的过程，以便对信
Z1Z 3 Z 2 Z 4 1 3 2 4
其中， Z1、Z 2、Z3、Z 4 为各阻抗的模； 1、2、3、4 为阻抗角，是各桥臂电流与电压之间的相位差，纯电阻=0， 电感性阻抗>0，电容性阻抗<0。 为了满足上述平衡条件，交流电桥各臂可有不同组合。常 用有电容、电感电桥，其相邻两臂接入电阻，而另外两臂接 入相同性质的阻抗，如都是电容或电感。
按输出方式： 不平衡桥式电路
平衡桥式电路
第二节 电桥
一、直流电桥
采用直流电源的电桥称为直流电桥，直 流电桥的桥臂只能为电阻。
U y U ab U ad R1 R4 U0 U0 R1 R2 R3 R4
a
R4
b
R1
R2
I1 I2
R3
c
Uy
R1 R3 R2 R4 U0 R1 R2 R3 R4
d
U0
S
Uy R / R0
U0
R 3
第二节 电桥
以上三种接法的灵敏度比分别为1：2：4。
注意： •相邻两臂电阻增量符号相反；
•相对两臂电阻增量符号相同。
第二节 电桥
电桥测量的误差及其补偿
误差主要来源：非线性误差和温度误差。
非线性误差：半桥单臂→半桥双臂、全桥接法。
温度误差：温度变化造成阻值变化不同。应尽量使各应变片 的温度一致。
电压
电压
0.5
的抗干扰能力得到很大的提高；同时，调频信号还便于远距离传输和采
-0.5 0 -1.0 用数字技术。由于调频信号的这些优点使得调频和解调技术在测试技术 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 t/ms 20 t/ms
0
0
1.0 0.5
ui R1 R2 R3 R4 uo 4 R R R R
即为电桥电路的和差特性，它是进行温度补偿和提高电桥灵敏度的主要 依据。
第二节 电桥
二、交流电桥
交流电桥采用交流激励电压。电桥的四个臂可为电感、电容或 电阻。
电桥平衡条件 Z 1 Z 3 Z 2 Z 4
f m f0 10 5
第三节 调制与解调
调幅应用——动态电阻应变仪
x(t)
第三节 调制与解调
频率调制
原理
调频就是用调制信号(缓变的被测信号)去控制载波信号的频率，使其
1.0
随调制信号的变化而变化。调频信号所携带的信息包含在频率变化之中， 1.0
0.5 并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中，使得信号
第二节 电桥
R2 C1 I1 Ui C2 R4 Ui
R1 L1 L2 R4 Ui I1 Ui I2 R3 R2
电容电桥
1 1 R1 R3 R4 R2 jC1 jC2
I2 R3
R1 R3 R4 R2 R3 R2 C C 1 2
R3
b
R2
c
Uy
3.立式桥： R1=R4=R，R3=R2=R′。
其中最常用的是全等臂电桥。
d
根据电桥工作时，参与工作的桥臂数分为半桥单臂、半桥双 臂和全桥三种连接方式。
U0
第二节 电桥
（1）半桥单臂接法：Fra Baidu bibliotek一个桥臂为工作桥臂
工作中只有一个桥臂阻值随被测量的变化而变化。
b
ΔR
1
输出电压 U R1 R R4 U 0 y R1 R R2 R3 R4
调频：用被测信号调制高频振荡信号的频率，使其频率随被测信号的
幅值而线性变化，其幅值不变。其频率的疏密是随被测信号幅值而发 生变化的一种变频波。
调相：用被测信号调制高频振荡信号的相位。 载波：信号调制过程中的高频振荡信号。
一般采用5kHz ～10kHz的音频振荡作为载波。
第三节 调制与解调
幅度调制
原理
“同步”指解调时所乘的信号与调制时的载 波信号具有相同的频率和相位。 其时域：
1 1 x(t ) cos 2f 0t cos 2f 0t x(t ) x(t ) cos 4f 0t 2 2
第三节 调制与解调
整流检波解调
对调制信号进行偏置，使其大于零。 xm(t)=[A+x(t)]cos2πfzt 将该调幅波进行整流（半波或全波）、滤波并消除直流偏置即可恢复 原信号。又称包络分析法。
第二节 电桥
电桥的和差特性：
R1 R4 uy u0 R1 R2 R3 R4 如每一桥臂都为工作桥臂，对上式全微分有： u y u y u y u y du y dR1 dR2 dR3 dR4 R1 R2 R3 R4
对于全等臂电桥来说，上式可表示为：
电感电桥
R1 j L1 R3 R4 j L2 R2
R1 R3 R4 R2 L1 R3 L2 R2
第二节 电桥
交流电桥的特点
交流电桥的平衡条件针对供桥电源只有一个频率的情况下推出的。
当供桥电源有多个频率成分时，得不到平衡条件，也即电桥是不平衡的。
第三节 调制与解调
相敏检波解调
相敏检波解调方法能够使已调幅的信号在幅值和极性上完整地恢复 成原调制信号。 相敏滤波器输出波形的包络 线即是所需要的信号。由于被 测信号的最高频率 1 1 (载波频率)，所以应在相敏检 波器的输出端再接一个适当频 带的低通滤波器，即可得到与 原信号波形一致的信号。
本课程主要包括：电桥、放大与隔离、调制与解调、信号
的滤波。
第二节 电桥
电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流输出的一种 测量电路。电桥由于具有测量电路简单可靠、较高的灵敏度、容易实现温 度补偿等优点，因此在测量装置中被广泛应用。
分类：
按激励电压的性质 ： 直流电桥(只能测量电阻变化)
交流电桥(能测量电阻、电感、电容的变化)
U0
灵敏度
1 S U0 R / R0 4
Uy
第二节 电桥
（2）半桥双臂接法：相邻两桥臂为工作桥臂
R1 R2 R3 R4 R0 , R1 R2 R0
b
R
1±
R1 R1 R4 Uy U 0 R1 R1 R2 R2 R3 R4 R U0 2 R0
第五讲 信号调理与记录
电桥
信号的放大与隔离 调制与解调 滤波器
第一节 概述
传感器的输出信号有两种形式：一种是电信号，如电压、 电流或电荷量等 ；另一种是电参数的变化，如电阻、电感和 中间变 被测 显示、记录 激励 传感器 电阻变化率只有 级，电压往 换装置 对象 电容等。这些信号太微弱或不满足传输、记录和显示等要求， 装置 被测物 电量 尚需经过中间转换装置进行放大、滤波、调制解调等处理以 往只有μV级。
中得到了广泛应用。
1.0 0.5
电压
电压
0 -0.5 -1.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 t/ms
0 -0.5 -1.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 t/ms
第四节 滤波器
滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极 大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用， 可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。 广义地讲，任何一种信息传输的通道（媒质）都可视为是一种滤波 器。因为，任何装置的响应特性都是激励频率的函数，都可用频域函数 描述其传输特性。因此，构成测试系统的任何一个环节，诸如机械系统、 电气网络、仪器仪表甚至连接导线等等，都将在一定频率范围内，按其 频域特性，对所通过的信号进行变换与处理。
R1 R1 a R R R R 1 1 2 2 U 0 Uy R4 R1 R3 R3 R4 R4 R U0 R0
b
R± 1 Δ ± R2 Δ
R
2
R
1
I1 I2
± Δ R3 ± R4
c
Uy
R4 Δ
Δ
R
R
a
R4
I1 I2
R3
± R2 Δ
2
1
c
Uy
d
灵敏度
S
1 U0 R / R0 2
Uy
U0
与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出与 R / R0 成完全线性关系。
第二节 电桥
（3）全桥接法：四个桥臂均为工作臂 R1 R2 R3 R4 R0 R1 R2 R3 R4 R0
把各阻抗用指数式表示
Z1 Z4 U0
Z2 Uy Z3
j1 Z 1 Z1e Z 3 Z 3e j3
Z 2 Z 2 e j2 Z 4 Z 4 e j4
Z 2 Z 4e
代入上式
Z1Z 3e
j 1 3
j 2 4
第二节 电桥
电桥平衡必须满足两个条件
d
U0
要使电桥平衡，输出为零，应满足
R1 R3 R2 R4
输入：各臂电阻 相对变化量ΔR/R 输出：Uy
第二节 电桥
电桥在正常工作前必须对电桥预调平衡。 下列三种形式可满足电桥的平衡条件： R1 1.全等臂电桥：R1=R2=R3=R4=R； 2.卧式桥： R1=R2=R，R3=R4=R′；
a
R4 I1 I2
第二节 电桥
直流电桥的干扰
由上述可知，电桥输出为ΔR0/R0与供桥电压Ui的乘积。由于 ΔR0/R0是一个非常小的量，因此，电源电压不稳定所造成的
干扰是不可忽略的。为了抑制干扰，通常采用如下措施： (1) 电桥的信号引线采用屏蔽电缆。 (2) 屏蔽电缆的屏蔽金属网应该与电源至电桥的负接线端连接。 (3) 放大器应该具有高共模抑制比。
因此，交流电桥对供桥电源要求具有良好的电压波形和频率稳定性。
一般采用音频电源(5kHz ～10kHz)作为电桥电源。这样，电桥的输出
将为调幅波。其后应接检波电路和低通滤波器才能恢复原信号。
第二节 信号的放大与隔离
为什么要放大信号？
传感输出的微弱电信号其幅值和功率 不能满足后续处理要求。 反相放大器
号进行传输、放大、处理等操作，它是使一个信号（载波信号）的某 些参数在另外一个信号（调制信号）的控制下发生变化的过程。
解调：将调制信号恢复为原信号的过程。
调制的3种方法：调幅、调频和调相。
调幅：调幅是将一个高频简谐信号（载波信号）与测试信号(调
制信号)相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。
第三节 调制与解调
第三节 调制与解调
对于单臂电桥，其电压输出为：
1 dR uO u t 4 R
如供桥激励为
u t A cos 2 f 0t
载波频率
第三节调制与解调
同步解调
把调幅波xm(t)再次与载波z(t)信号相乘，则频域图形将再一次进行“搬移”。
1 1 1 F xm (t ) z (t ) X ( f ) X ( f )* ( f 2 f z ) X ( f )* ( f 2 f z ) 2 4 4