AM幅度调制解调4712.docx

1、AM幅度调制解调47123.1.1 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

2、。在图 3-1的一般模型中， 适当选择滤波器的特性 ，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（相乘，则输出的信号就是 常规双边带调幅（ 1），调制信号 叠加直流 后再与载波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

3、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

4、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（ 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

5、（ 3-7）显然， AM 信号的调制效率总是小于 1。3. AM信号的解调号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。 AM 信号的解调方法有两种：相干解调和包络检波解调。还原为调制信（ 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 Fl

6、ash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 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

7、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

8、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 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

9、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

10、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SSB 信号最直观方法的是， 将

11、设计成具有理想高通特性为单边带滤波器。产生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、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，

12、 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，

13、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

14、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；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

15、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， 其特性应按残留边带调制的要求来进行设计。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须满足稍后将必（ 3-19

16、）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现难度降低，但滤波器的带宽变宽。“平滑 ”的结果，“陡度 ”变缓，实由滤波法可知， VSB 信号的频谱为（ 3-20）点此观看 VSB 信号的 Flash2. 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

17、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实现，所以 VSB 调制在广播电视、通信等系统中得到广泛应用。SSB 中的边带滤波器容易点此观看 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实现，所以 VSB 调制在广播电视、通信等系统中得到广泛应用。SSB 中的边带滤波器容易