AM幅度调制解调.doc

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1、-+ 3.1.1 幅度调制的一般模型 幅度调制是用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程。幅度调制器的一般模型如图3-1所示。图3-1 幅度调制器的一般模型 图中，为调制信号，为已调信号，为滤波器的冲激响应，则已调信号的时域和频域一般表达式分别为（3-1） （3-2）式中，为调制信号的频谱，为载波角频率。 由以上表达式可见，对于幅度调制信号，在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。由于这种搬移是线性的，因此幅度调制通常又称为线性调制，相应地，幅度调制系统也称为线性调制系统。 在图3-1的一般模型中，适当选择滤

2、波器的特性，便可得到各种幅度调制信号，例如：常规双边带调幅（AM）、抑制载波双边带调幅（DSB-SC）、单边带调制（SSB）和残留边带调制（VSB）信号等。 3.1.2 常规双边带调幅（AM） 1. AM信号的表达式、频谱及带宽 在图3-1中，若假设滤波器为全通网络（1），调制信号叠加直流后再与载波相乘，则输出的信号就是常规双边带调幅（AM）信号。 AM调制器模型如图3-2所示。图3-2 AM调制器模型 AM信号的时域和频域表示式分别为（3-3） （3-4）式中，为外加的直流分量；可以是确知信号也可以是随机信号，但通常认为其平均值为0，即。点此观看AM调制的Flash； AM信号的典型波形和频

3、谱分别如图3-3（a）、（b）所示，图中假定调制信号的上限频率为。显然，调制信号的带宽为。 由图3-3（a）可见，AM信号波形的包络与输入基带信号成正比，故用包络检波的方法很容易恢复原始调制信号。 但为了保证包络检波时不发生失真，必须满足 ，否则将出现过调幅现象而带来失真。 由Flash的频谱图可知，AM信号的频谱是由载频分量和上、下两个边带组成（通常称频谱中画斜线的部分为上边带，不画斜线的部分为下边带）。上边带的频谱与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。显然，无论是上边带还是下边带，都含有原调制信号的完整信息。故AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽为基带信号带宽的两倍，即 （

4、3-5）式中，为调制信号的带宽，为调制信号的最高频率。 2. AM信号的功率分配及调制效率 AM信号在1电阻上的平均功率应等于的均方值。当为确知信号时，的均方值即为其平方的时间平均，即 因为调制信号不含直流分量，即，且，所以 （3-6） 式中，为载波功率；为边带功率，它是调制信号功率的一半。 由此可见，常规双边带调幅信号的平均功率包括载波功率和边带功率两部分。只有边带功率分量与调制信号有关，载波功率分量不携带信息。我们定义调制效率 （3-7）显然，AM信号的调制效率总是小于1。 3. AM信号的解调 调制过程的逆过程叫做解调。AM信号的解调是把接收到的已调信号还原为调制信号。 AM信号的解调方

5、法有两种：相干解调和包络检波解调。 （1）相干解调 由AM信号的频谱可知，如果将已调信号的频谱搬回到原点位置，即可得到原始的调制信号频谱，从而恢复出原始信号。解调中的频谱搬移同样可用调制时的相乘运算来实现。相干解调的原理框图如图3-4所示。 将已调信号乘上一个与调制器同频同相的载波，得由上式可知，只要用一个低通滤波器，就可以将第1项与第2项分离，无失真的恢复出原始的调制信号 （3-8） 点此观看AM相干解调的Flash 相干解调的关键是必须产生一个与调制器同频同相位的载波。如果同频同相位的条件得不到满足，则会破坏原始信号的恢复。 （2）包络检波法 由的波形可见，AM信号波形的包络与输入基带信号

6、成正比，故可以用包络检波的方法恢复原始调制信号。包络检波器一般由半波或全波整流器和低通滤波器组成，如图3-5所示。图3-5 包络检波器一般模型 图3-4为串联型包络检波器的具体电路及其输出波形，电路由二极管D、电阻R和电容C组成。当RC满足条件时，包络检波器的输出与输入信号的包络十分相近，即 （3-9）包络检波器输出的信号中，通常含有频率为的波纹，可由LPF滤除。图3-6 串联型包络检波器电路及其输出波形 点此观看AM包络检波的Flash 包络检波法属于非相干解调法，其特点是：解调效率高，解调器输出近似为相干解调的2倍；解调电路简单，特别是接收端不需要与发送端同频同相位的载波信号，大大降低实现

7、难度。故几乎所有的调幅（AM）式接收机都采用这种电路。 综上所述，可以看出，采用常规双边带幅度调制传输信息的好处是解调电路简单，可采用包络检波法。缺点是调制效率低，载波分量不携带信息，但却占据了大部分功率，白白浪费掉。如果抑制载波分量的传送，则可演变出另一种调制方式，即抑制载波的双边带调幅（DSB-SC）。 3.1.3 抑制载波的双边带调幅（DSB-SC） 1. DSB信号的表达式、频谱及带宽 在幅度调制的一般模型中，若假设滤波器为全通网络（1），调制信号中无直流分量，则输出的已调信号就是无载波分量的双边带调制信号，或称抑制载波双边带（DSB-SC）调制信号，简称双边带（DSB）信号。 DSB

8、调制器模型如图3-7所示。可见DSB信号实质上就是基带信号与载波直接相乘，其时域和频域表示式分别为 （3-10a） （3-10b） 点此观看DSB调制的Flash，由Flash可见 ，DSB信号的包络不再与成正比，故不能进行包络检波，需采用相干解调；除不再含有载频分量离散谱外，DSB信号的频谱与AM信号的完全相同，仍由上下对称的两个边带组成。故DSB信号是不带载波的双边带信号，它的带宽与AM信号相同，也为基带信号带宽的两倍， 即 （3-11） 式中，为调制信号带宽，为调制信号的最高频率。 2. DSB信号的功率分配及调制效率 由于不再包含载波成分，因此，DSB信号的功率就等于边带功率，是调制信

9、号功率的一半 ，即 （3-12）式中，为边带功率，为调制信号功率。显然，DSB信号的调制效率为100%。 3. DSB信号的解调 DSB信号只能采用相干解调，其模型与AM信号相干解调时完全相同，如图3-4所示。此时，乘法器输出经低通滤波器滤除高次项，得 （3-13）即无失真地恢复出原始电信号。 点此观看DSB解调的Flash 抑制载波的双边带幅度调制的好处是，节省了载波发射功率，调制效率高；调制电路简单，仅用一个乘法器就可实现。缺点是占用频带宽度比较宽，为基带信号的2倍。 3.1.4 单边带调制（SSB） 由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，皆携带了调制信号的全部信息，因此，从信息传输

10、的角度来考虑，仅传输其中一个边带就够了。这就又演变出另一种新的调制方式单边带调制（SSB）。 1. SSB信号的产生 产生SSB信号的方法很多，其中最基本的方法有滤波法和相移法。 （1）用滤波法形成SSB信号 用滤波法实现单边带调制的原理图如图3-9所示，图中的为单边带滤波器。产生SSB信号最直观方法的是，将设计成具有理想高通特性或理想低通特性的单边带滤波器，从而只让所需的一个边带通过，而滤除另一个边带。产生上边带信号时即为，产生下边带信号时即为。图3-9 SSB信号的滤波法产生显然，SSB信号的频谱可表示为（3-14） 点此观看SSB信号产生的Flash 用滤波法形成SSB信号，原理框图简洁

11、、直观，但存在的一个重要问题是单边带滤波器不易制作。这是因为，理想特性的滤波器是不可能做到的，实际滤波器从通带到阻带总有一个过渡带。滤波器的实现难度与过渡带相对于载频的归一化值有关，过渡带的归一化值愈小，分割上、下边带就愈难实现。而一般调制信号都具有丰富的低频成分，经过调制后得到的DSB信号的上、下边带之间的间隔很窄，要想通过一个边带而滤除另一个，要求单边带滤波器在附近具有陡峭的截止特性即很小的过渡带，这就使得滤波器的设计与制作很困难，有时甚至难以实现。为此，实际中往往采用多级调制的办法，目的在于降低每一级的过渡带归一化值，减小实现难度。限于篇幅，本书不作详细介绍。 （2）用相移法形成SSB信

12、号 可以证明，SSB信号的时域表示式为 （3-15）式中，“”对应上边带信号，“+”对应下边带信号；表示把的所有频率成分均相移，称是的希尔伯特变换。 根据上式可得到用相移法形成SSB信号的一般模型，如图3-12所示。图中，为希尔伯特滤波器，它实质上是一个宽带相移网络，对中的任意频率分量均相移。图3-12 相移法形成SSB信号的模型 相移法形成SSB信号的困难在于宽带相移网络的制作，该网络要对调制信号的所有频率分量严格相移，这一点即使近似达到也是困难的。 2. SSB信号的带宽、功率和调制效率 从SSB信号调制原理图中可以清楚地看出，SSB信号的频谱是DSB信号频谱的一个边带，其带宽为DSB信号

13、的一半，与基带信号带宽相同，即 （3-16） 式中，为调制信号带宽，为调制信号的最高频率。 由于仅包含一个边带，因此SSB信号的功率为DSB信号的一半，即 （3-17）显然，因SSB信号不含有载波成分，单边带幅度调制的效率也为100%。 3. SSB信号的解调 从SSB信号调制原理图中不难看出，SSB信号的包络不再与调制信号成正比，因此SSB信号的解调也不能采用简单的包络检波，需采用相干解调，如图3-13所示。图3-13 SSB信号的相干解调此时，乘法器输出 经低通滤波后的解调输出为 （3-18） 因而可得到无失真的调制信号。 综上所述，单边带幅度调制的好处是，节省了载波发射功率，调制效率高；

14、频带宽度只有双边带的一半，频带利用率提高一倍。缺点是单边带滤波器实现难度大。 3.1.5 残留边带调制（VSB） 1. 残留边带信号的产生 残留边带调制是介于单边带调制与双边带调制之间的一种调制方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的问题，又解决了单边带滤波器不易实现的难题。 在残留边带调制中，除了传送一个边带外，还保留了另外一个边带的一部分。对于具有低频及直流分量的调制信号，用滤波法实现单边带调制时所需要的过渡带无限陡的理想滤波器，在残留边带调制中已不再需要，这就避免了实现上的困难。 用滤波法实现残留边带调制的原理图如图3-14所示。图3-14 VSB信号的滤波法产生 图中的为残留边带滤波器，

15、其特性应按残留边带调制的要求来进行设计。稍后将会证明，为了保证相干解调时无失真地得到调制信号，残留边带滤波器的传输函数必须满足 （3-19） 它的几何含义是，残留边带滤波器的传输函数在载频附近必须具有互补对称性。图3-15示出的是满足该条件的典型实例：残留部分上边带时滤波器的传递函数如图3-15（a）所示，残留部分下边带时滤波器的传递函数如图3-15（b）所示。 图3-15所示的滤波器，可以看作是对截止频率为的理想滤波器的进行“平滑”的结果，习惯上，称这种“平滑”为“滚降”。显然，由于“滚降”，滤波器截止频率特性的“陡度”变缓，实现难度降低，但滤波器的带宽变宽。 由滤波法可知，VSB信号的频谱

16、为 （3-20） 点此观看VSB信号的Flash 2. 残留边带信号的解调 残留边带信号显然也不能简单地采用包络检波，而必须采用图3-16所示的相干解调。图3-16 VSB信号的相干解调由图3-16，得乘法器输出相应的频域表达式为将式（3-20）代入上式，得 经LPF滤除上式第二项，得解调器输出 由上式可知，为了保证相干解调的输出无失真地重现调制信号，必须要求在内，而这正是残留边带滤波器传输函数要求满足的互补对称条件（式3-19）。若设k=1，则 （3-21） 由于VSB基本性能接近SSB，而VSB调制中的边带滤波器比SSB中的边带滤波器容易实现，所以VSB调制在广播电视、通信等系统中得到广泛应用。 点此观看VSB解调的Flash 由上式可知，为了保证相干解调的输出无失真地重现调制信号，必须要求在内，而这正是残留边带滤波器传输函数要求满足的互补对称条件。 由于VSB基本性能接近SSB，而VSB调制中的边带滤波器比SSB中的边带滤波器容易实现，所以VSB调制在广播电视、通信等系统中得到广泛应用。