AM幅度調(diào)制解調(diào)

1、3.1.1 幅度調(diào)制的一般模型幅度調(diào)制|是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻正弦載波的幅度，使其按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化的過(guò)程。幅度調(diào)制器的一般模型如圖 3-1所示。圖3-1幅度調(diào)制器的一般模型圖中，為調(diào)制信號(hào)，為已調(diào)信號(hào)|為濾波器的沖激響應(yīng)，則已調(diào)信號(hào)的時(shí)域和頻域一般表達(dá)式分別為一屮|（3-1）(3-2)瓦（） =丄皿（旳 + 叫）-式中，小丄1為調(diào)制信號(hào)的頻譜，11 為載波角頻率。由以上表達(dá)式可見(jiàn)，對(duì)于幅度調(diào)制信號(hào)，在波形上，它的幅度隨基帶信號(hào)規(guī)律而變化； 在頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號(hào)頻譜在頻域內(nèi)的簡(jiǎn)單搬移。由于這種搬移是線性的，因此幅度調(diào)制通常又稱(chēng)為線性調(diào)制，相應(yīng)地，幅度調(diào)制系統(tǒng)也稱(chēng)為線性調(diào)制系統(tǒng)

2、。在圖3-1的一般模型中，適當(dāng)選擇濾波器的特性 門(mén)1，便可得到各種幅度調(diào)制信號(hào)， 例如: 常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM ）、抑制載波雙邊帶調(diào)幅（DSB-SC）、單邊帶調(diào)制（SSB）和殘留邊帶 調(diào)制（VSB ）信號(hào)等。3.1.2常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM）1. AM信號(hào)的表達(dá)式、頻譜及帶寬在圖3-1中，若假設(shè)濾波器為全通網(wǎng)絡(luò)（=1）,調(diào)制信號(hào)疊加直流-心后再與載波相乘，則輸出的信號(hào)就是 常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM信號(hào)|。 AM調(diào)制器模型如圖3-2所示。圖3-2 AM調(diào)制器模型AM信號(hào)的時(shí)域和頻域 表示式|分別為址（忙九+用&）沖叫（W -JflCosaf+ M（t）cosfitf 0）1（ 3-3）腫3）=鞏占（中

3、+叫）+-叫）+2險(xiǎn)住+監(jiān)）十必仙-山（3-4）式中，-丿為外加的直流分量；“直|可以是確知信號(hào)也可以是隨機(jī)信號(hào)，但通常認(rèn)為其平均值為0，即 J - o點(diǎn)此觀看AM調(diào)制的Flash；AM信號(hào)的典型波形和頻譜分別如圖3-3 （a）、（ b）所示，圖中假定調(diào)制信號(hào)郴C）的上限頻率為亠；三。顯然，調(diào)制信號(hào)的帶寬為。心強(qiáng)ari y_呱Y八；成正比，故用包絡(luò)檢波的方由圖3-3 （a）可見(jiàn)，AM信號(hào)波形的包絡(luò)與輸入基帶信號(hào)法很容易恢復(fù)原始調(diào)制信號(hào)但為了保證包絡(luò)檢波時(shí)不發(fā)生失真，必須滿足二一工：, 否則將出現(xiàn)過(guò)調(diào)幅現(xiàn)象而帶來(lái)失真。由Flash的頻譜圖|可知，AM信號(hào)的頻譜是由載頻分量和上、下兩個(gè)邊帶組成（通

4、 常稱(chēng)頻譜中畫(huà)斜線的部分為上邊帶，不畫(huà)斜線的部分為下邊帶）。上邊帶的頻譜與原調(diào)制信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)相同，下邊帶是上邊帶的鏡像。顯然，無(wú)論是上邊帶還是下邊帶，都含有原調(diào)制 信號(hào)的完整信息。故 AM信號(hào)是帶有載波的雙邊帶信號(hào)，它的帶寬|為基帶信號(hào)帶寬的兩倍，即式中，二【；山為調(diào)制信號(hào)Tit I的帶寬，二為調(diào)制信號(hào)的最高頻率。2. AM信號(hào)的功率分配及調(diào)制效率AM信號(hào)在VJ電阻上的平均功率應(yīng)等于的均方值。當(dāng) m為確知信號(hào)時(shí)，：,的 均方值即為其平方的時(shí)間平均，即張=畑V）=【九+誠(chéng)）匚川呼=A? cos皿 5 護(hù)叫f+ 2州尬亡曲/因?yàn)檎{(diào)制信號(hào)不含直流分量，即-?-，且”-，所以(3-6)它是調(diào)制信號(hào)功

5、業(yè)廠加的式中，耳W 2為載波功率;區(qū)臚/ 2為邊帶功率 一半。由此可見(jiàn)，常規(guī)雙邊帶調(diào)幅信號(hào)的平均功率包括載波功率和邊帶功率兩部分。只有邊帶 功率分量與調(diào)制信號(hào)有關(guān)，載波功率分量不攜帶信息。我們定義調(diào)制效率(3-7)顯然，AM信號(hào)的調(diào)制效率總是小于 1。3. AM信號(hào)的解調(diào)還原為調(diào)制信調(diào)制過(guò)程的逆過(guò)程叫做解調(diào)。 AM信號(hào)的解調(diào)是把接收到的已調(diào)信號(hào) 號(hào) 。AM信號(hào)的解調(diào)方法有兩種：相干解調(diào)和包絡(luò)檢波解調(diào)。C 1）相干解調(diào)由AM信號(hào)的頻譜可知，如果將已調(diào)信號(hào)的頻譜搬回到原點(diǎn)位置，即可得到原始的調(diào)制 信號(hào)頻譜，從而恢復(fù)出原始信號(hào)。解調(diào)中的頻譜搬移同樣可用調(diào)制時(shí)的相乘運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。相 干解調(diào)的原理框圖如圖

6、3-4所示。固3日相節(jié)鄭測(cè)摩曜框團(tuán)將已調(diào)信號(hào)乘上一個(gè)與調(diào)制器同頻同相的載波，得腫們-曲/=掛4-稠） COS3叫卜=1離）十朋04- - Aq +畝（幼由上式可知，只要用一個(gè)低通濾波器，就可以將第1項(xiàng)與第2項(xiàng)分離，無(wú)失真的恢復(fù)出原始的調(diào)制信號(hào)(3-8)點(diǎn)此觀看AM相干解調(diào)的Flash相干解調(diào)的關(guān)鍵|是必須產(chǎn)生一個(gè)與調(diào)制器同頻同相位的載波。如果同頻同相位的條件得 不到滿足，則會(huì)破壞原始信號(hào)的恢復(fù)。（2）包絡(luò)檢波法由的波形可見(jiàn)，AM信號(hào)波形的包絡(luò)與輸入基帶信號(hào)Th成正比，故可以用包絡(luò)檢波的方法恢復(fù)原始調(diào)制信號(hào)。包絡(luò)檢波器一般由半波或全波整流器和低通濾波器組成，如圖3-5所示。伽 師til# r L

7、PF圖3-5包絡(luò)檢波器一般模型D、電阻R和電容C圖3-4為串聯(lián)型包絡(luò)檢波器的具體電路及其輸出波形，電路由二極管 組成。當(dāng)RC滿足條件時(shí)，包絡(luò)檢波器的輸出與輸入信號(hào)的包絡(luò)十分相近，即包絡(luò)檢波器輸出的信號(hào)中，通常含有頻率為的波紋，可由LPF濾除。圖3-6串聯(lián)型包絡(luò)檢波器電路及其輸出波形點(diǎn)此觀看AM包絡(luò)檢波的Flash包絡(luò)檢波法屬于非相干解調(diào)法，其特點(diǎn)是 :解調(diào)效率高，解調(diào)器輸出近似為相干解調(diào)的2倍；解調(diào)電路簡(jiǎn)單，特別是接收端不需要與發(fā)送端同頻同相位的載波信號(hào)，大大降低實(shí)現(xiàn)難 度。故幾乎所有的調(diào)幅（AM）式接收機(jī)都采用這種電路。綜上所述，可以看出，采用常規(guī)雙邊帶幅度調(diào)制傳輸信息的好處是解調(diào)電路簡(jiǎn)單，

8、可采 用包絡(luò)檢波法。缺點(diǎn)是調(diào)制效率低，載波分量不攜帶信息，但卻占據(jù)了大部分功率，白白浪 費(fèi)掉。如果抑制載波分量的傳送，則可演變出另一種調(diào)制方式，即抑制載波的雙邊帶調(diào)幅（DSB-SC）。3.1.3抑制載波的雙邊帶調(diào)幅（DSB-SC1. DSB信號(hào)的表達(dá)式、頻譜及帶寬在幅度調(diào)制的一般模型中，若假設(shè)濾波器為全通網(wǎng)絡(luò)（=1）,調(diào)制信號(hào)中無(wú)直流分量，則輸出的已調(diào)信號(hào)就是無(wú)載波分量的雙邊帶調(diào)制信號(hào)，或稱(chēng)抑制載波雙邊帶（DSB-SC ）調(diào)制信號(hào)，簡(jiǎn)稱(chēng)雙邊帶（ DSB）信號(hào)。DSB調(diào)制器模型如圖3-7所示?？梢?jiàn)DSB信號(hào)實(shí)質(zhì)上就是基帶信號(hào)與載波直接相乘，其 時(shí)域和頻域表示式分別為r coscpff鼻9) =+

9、 %) + MS 叫)(3-10b)點(diǎn)此觀看DSB調(diào)制的Flash,由Flash可見(jiàn)，DSB信號(hào)的包絡(luò)不再與“|成正比，故不 能進(jìn)行包絡(luò)檢波，需采用相干解調(diào)；除不再含有載頻分量離散譜外，DSB信號(hào)的頻譜與AM信號(hào)的完全相同，仍由上下對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)邊帶組成。故DSB信號(hào)是不帶載波的雙邊帶信號(hào)，它的帶寬與AM信號(hào)相同，也為基帶信號(hào)帶寬的兩倍，即(3-11)式中，:盒為調(diào)制信號(hào)帶寬，I.為調(diào)制信號(hào)的最高頻率。2. DSB信號(hào)的功率分配及調(diào)制效率由于不再包含載波成分，因此，DSB信號(hào)的功率就等于邊帶功率，是調(diào)制信號(hào)功率的一半，即馬也=咗鑒仗）= =二&(3-12)式中，為邊帶功率，=（0為調(diào)制信號(hào)功率。顯

10、然，DSB言號(hào)的調(diào)制效出為100%。3. DSB信號(hào)的解調(diào)DSE信號(hào)只能采用相干解調(diào)，其模型與AM信號(hào)相干解調(diào)時(shí)完全相同，如圖3-4所示。此時(shí)，乘法器輸出CM 心/ =權(quán)（上）沁皿/= + =牌Q） COS經(jīng)低通濾波器濾除高次項(xiàng)，得即無(wú)失真地恢復(fù)出原始電信號(hào)。點(diǎn)此觀看DSB解調(diào)的Flash抑制載波的雙邊帶幅度調(diào)制的好處是，節(jié)省了載波發(fā)射功率，調(diào)制效率高；調(diào)制電路簡(jiǎn) 單，僅用一個(gè)乘法器就可實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是占用頻帶寬度比較寬，為基帶信號(hào)的2倍。3.1.4單邊帶調(diào)制（SSB由于DSB信號(hào)的上、下兩個(gè)邊帶是完全對(duì)稱(chēng)的，皆攜帶了調(diào)制信號(hào)的全部信息，因此， 從信息傳輸?shù)慕嵌葋?lái)考慮，僅傳輸其中一個(gè)邊帶就夠了。這

11、就又演變出另一種新的調(diào)制方 式 單邊帶調(diào)制（SSB）。1. SSB信號(hào)的產(chǎn)生產(chǎn)生SSB信號(hào)的方法很多，其中最基本的方法有濾波法和相移法。（1）用濾波法形成 SSB信號(hào)用濾波法實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制的原理圖如圖3-9所示，圖中的已皿0為單邊帶濾波器。產(chǎn)生 SSB信號(hào)最直觀方法的是， 將1設(shè)計(jì)成具有理想高通特性 亠理想低通特性 的單邊帶濾波器，從而只讓所需的一個(gè)邊帶通過(guò)，而濾除另一個(gè)邊帶。產(chǎn)生上邊帶信號(hào)時(shí)即為，產(chǎn)生下邊帶信號(hào)時(shí)即為。圖3-9 SSB信號(hào)的濾波法產(chǎn)生顯然，SSB信號(hào)的頻譜可表示為(3-14)O）=涇彌丹竺9） = 1X0 +叭）+-叭）刃血（點(diǎn)此觀看SSB信號(hào)產(chǎn)生的Flash用濾波法形成SS

12、B信號(hào)，原理框圖簡(jiǎn)潔、直觀，但存在的一個(gè)重要問(wèn)題是單邊帶濾波器不易制作。這是因?yàn)?，理想特性的濾波器是不可能做到的，實(shí)際濾波器從通帶到阻帶總有一 個(gè)過(guò)渡帶。濾波器的實(shí)現(xiàn)難度與過(guò)渡帶相對(duì)于載頻的歸一化值有關(guān)，過(guò)渡帶的歸一化值愈小，分割上、下邊帶就愈難實(shí)現(xiàn)。而一般調(diào)制信號(hào)都具有豐富的低頻成分，經(jīng)過(guò)調(diào)制后得到的 DSB信號(hào)的上、下邊帶之間的間隔很窄， 要想通過(guò)一個(gè)邊帶而濾除另一個(gè)，要求單邊帶濾波器在附近具有陡峭的截止特性 一一即很小的過(guò)渡帶，這就使得濾波器的設(shè)計(jì)與制作很困難，有時(shí)甚至難以實(shí)現(xiàn)。為此，實(shí)際中往往采用多級(jí)調(diào)制的辦法，目的在于降低每一級(jí)的過(guò)渡帶歸 化值，減小實(shí)現(xiàn)難度。限于篇幅，本書(shū)不作詳細(xì)介

13、紹。(2)用相移法形成SSB信號(hào)可以證明，SSB信號(hào)的時(shí)域表示式為(3-15)呂竝() = cos+ 甌(上)sin %2 2式中，”對(duì)應(yīng)上邊帶信號(hào)，“+対應(yīng)下邊帶信號(hào)；譏表示把八的所有頻率成分均相移-M2,稱(chēng)聃是朋的希爾伯特變換|。根據(jù)上式可得到用相移法形成SSB信號(hào)的一般模型，如圖3-12所示。圖中，-?.y為希爾 伯特濾波器，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)寬帶相移網(wǎng)絡(luò)，對(duì)中的任意頻率分量均相移。-jt/2X 511 畔 A brr-1圖3-12相移法形成SSB信號(hào)的模型相移法形成SSB信號(hào)的困難在于寬帶相移網(wǎng)絡(luò)的制作，該網(wǎng)絡(luò)要對(duì)調(diào)制信號(hào)的所有頻率分量嚴(yán)格相移，這一點(diǎn)即使近似達(dá)到也是困難的。2. SSB信

14、號(hào)的帶寬、功率和調(diào)制效率從SSB信號(hào)調(diào)制原理圖中可以清楚地看出，SSB信號(hào)的頻譜是 DSB信號(hào)頻譜的一個(gè)邊帶，其帶寬為DSB信號(hào)的一半，與基帶信號(hào)帶寬相同，即Ed = Svt= fff(3-16)式中，為調(diào)制信號(hào)帶寬，I；為調(diào)制信號(hào)的最高頻率。由于僅包含一個(gè)邊帶，因此 SSB信號(hào)的功率為DSB信號(hào)的一半，即(3-17)顯然，因SSB信號(hào)不含有載波成分，單邊帶幅度調(diào)制的效也也為100%。3. SSB信號(hào)的解調(diào)從SSB信號(hào)調(diào)制原理圖中不難看出，SSB信號(hào)的包絡(luò)不再與調(diào)制信號(hào) 料九成正比，因此SSB信號(hào)的解調(diào)也不能采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波，需采用相干解調(diào)如圖3-13所示。圖3-13 SSB信號(hào)的相干解調(diào)此

15、時(shí)，乘法器輸出sf () = 衛(wèi)(門(mén) cos = + 0!(t) sin-丄朋cos3 oy + 丄謚匚ogoj/sin 呻i_i44“4經(jīng)低通濾波后的解調(diào)輸出為(3-18)叫 q)=A。、因而可得到無(wú)失真的調(diào)制信號(hào)。綜上所述，單邊帶幅度調(diào)制的好處是，節(jié)省了載波發(fā)射功率，調(diào)制效率高；頻帶寬度只 有雙邊帶的一半，頻帶利用率提高一倍。缺點(diǎn)是單邊帶濾波器實(shí)現(xiàn)難度大。3.1.5殘留邊帶調(diào)制(VSB1.殘留邊帶信號(hào)的產(chǎn)生它既克服了 DSB信殘留邊帶調(diào)制I是介于單邊帶調(diào)制與雙邊帶調(diào)制之間的一種調(diào)制方式,號(hào)占用頻帶寬的問(wèn)題，又解決了單邊帶濾波器不易實(shí)現(xiàn)的難題。在殘留邊帶調(diào)制中，除了傳送一個(gè)邊帶外，還保留了另

16、外一個(gè)邊帶的一部分。對(duì)于具有 低頻及直流分量的調(diào)制信號(hào)，用濾波法實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制時(shí)所需要的過(guò)渡帶無(wú)限陡的理想濾波 器，在殘留邊帶調(diào)制中已不再需要，這就避免了實(shí)現(xiàn)上的困難。用濾波法實(shí)現(xiàn)殘留邊帶調(diào)制的原理圖如圖3-14所示。圖3-14 VSB信號(hào)的濾波法產(chǎn)生圖中的 為殘留邊帶濾波器，其特性應(yīng)按殘留邊帶調(diào)制的要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 稍后將 會(huì)證明，為了保證相干解調(diào)時(shí)無(wú)失真地得到調(diào)制信號(hào)， 殘留邊帶濾波器的傳輸函數(shù) 必 須滿足(3-19)它的幾何含義是，殘留邊帶濾波器的傳輸函數(shù)在載頻附近必須具有互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)性。圖3-15示出的是滿足該條件的典型實(shí)例：殘留部分上邊帶時(shí)濾波器的傳遞函數(shù)如圖3-15（a）所示，殘留部分

17、下邊帶時(shí)濾波器的傳遞函數(shù)如圖3-15（ b）所示。圖3-15所示的濾波器，可以看作是對(duì)截止頻率為，的理想濾波器的進(jìn)行平滑”的結(jié)果，習(xí)慣上，稱(chēng)這種 平滑”為 滾降”顯然，由于 滾降”濾波器截止頻率特性的陡度”變緩，實(shí)現(xiàn)難度降低，但濾波器的帶寬變寬。由濾波法可知，VSB信號(hào)的頻譜為/血（巾）妲（皿） H忸3）(3-20)=斗阿0-咋）小3 叫）W畑S）點(diǎn)此觀看VSB信號(hào)的Flash2.殘留邊帶信號(hào)的解調(diào)殘留邊帶信號(hào)顯然也不能簡(jiǎn)單地采用包絡(luò)檢波，而必須采用圖3-16所示的相干解調(diào)圖3-16 VSB信號(hào)的相干解調(diào)由圖3-16，得乘法器輸出相應(yīng)的頻域表達(dá)式為務(wù)3） = *【屜3 -叫） + %（莎+氣）將式（3-20 ）代入上式，得S何=丄丹瞬（皿-叫）- 2叫）+M（v）4+ 片啦 3 + 叭必3） 4M（r + 2；） 斗=扌山（切鳳礙3 -笙）4掃啦（中十叫）+扌網(wǎng)-2號(hào)）舊哪（成-叫）+必3 + 2叫）H啦（中+磯）經(jīng)LPF濾除上式第二項(xiàng)，得解調(diào)器輸出峻） = 必貳）丹毆（中-叫）+ H唏 +氣）由上式可知，為了保證相干解調(diào)的輸出無(wú)失真地重現(xiàn)調(diào)制信號(hào)加，必須要求在卜 %內(nèi)八:1旺r-11 i:1，而這正是殘留邊帶濾波器傳輸函數(shù)要求滿足的互補(bǔ)對(duì)