AM幅度调制解调
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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
(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)