DDS实现AM调制、DSB调制【Matlab】【FPGA】【Vivado】【信号处理】【通信原理】【软件无线电】

一、为什么要调制

调制（modulation）就是对信号源的信息进行处理（低频），加到载波上（高频），使其变为适合于信道传输的形式。

无线电传输时，频率越高，波长越小，发射时需要的天线也越短。

式中，λ为波长（m）；c为电磁波传播速度（光速3*10^8）（m/s）；f为频率（Hz）。音频信号的频率范围是20Hz～20kHz，最小的波长为

天线设计中，通常认为天线尺寸应大于波长的十分之一，显然，使用1500米以上高度的天线直接传输20Hz~20kHz的音频信息是不现实的。比如常规调频广播使用80M~108MHz左右范围的频段，将上述音频信号先变换到80MHz~108MHz范围再传输，假设取高频载波100MHz，那么波长3米，天线只需要几十厘米（1/2波长1.5米，1/4波长0.75米）。

调制：把欲发射的低频信号“搬移”到高频载波上去，常见的高频载波是正弦波。

解调：调制的逆操作，把在高频载波上的发射信号再搬移回低频，恢复基带调制信号。

如下图所示为AM幅度调制与FM频率调制的不同。AM幅度调制中，利用低频的基带信号改变高频载波的幅度；FM频率调制中，利用低频的基带信号改变高频载波的频率；

二、幅度调制

1、AM调制

先将信号加直流分量抬升至无负数，便于使用包络检波进行非相干解调，解调方便。从频域上来看，已调信号频谱中含有很大的载波频率分量，而载波本身不含有效的传输信息，造成功率的利用率很低。

2、抑制载波的双边带调制（DSB）

DSB-SC（Double Side Band with Suppressed Carrier，抑制载波的双边带调制），简称双边带调制（DSB），发射的已调信号中不含载波分量，提高功率利用率。

已调信号存在相位突变，外部包络无法完整表征调制信号的信息，必须使用相干解调。

3、单边带（SSB）

双边带DSB信号加滤波器，选择使用两个边带中的其中一个（上边带、下边带），基带调制信号的带宽很小，SSB对这个滤波器的性能要求非常高，很难实现。

4、残留边带（VSB）

残留边带调制是介于双边带与单边带之间的一种线性调制，既克服了双边带调制信号占用频带宽的缺点，又解决了单边带信号实现上的困难。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特性。

三、Matlab实现

系统参数：

Fs = 100;    % 采样频率 100 MHz
F1 = 1;      % 载波 1 MHz，正弦波
F2 = 0.02;   % 信号 20 kHz，正弦波

以下6幅图片为调制前的信号，分别为：

（1）不含直流的基带调制信号，20 kHz，用于DSB调制解调，记作 Signal；

（2）高频载波信号，1 MHz，记作 Carrier；

（3）含直流的基带调制信号，20 kHz，用于AM调制解调，记作 Signal+2；

（4）Signal 的频域表现，20 kHz 处有频率分量；

（5）Carrier 的频域表现，1000 kHz 处有频率分量，即 1 MHz；

（6）Signal+2 的频域表现，含有直流分量，所以除了 20 kHz 处有频率分量外，0 位置有较大的直流分量；

以下6幅图片为调制后的信号，分别为：

（1）不含直流的基带调制信号，20 kHz，用于DSB调制解调，记作 Signal；

（2）高频载波信号，1 MHz，记作 Carrier；

（3）含直流的基带调制信号，20 kHz，用于AM调制解调，记作 Signal+2；

（4）DSB调制的时域表现，Signal .* Carrier；

（5）AM调制的时域表现，(Signal +1).* Carrier，调制指数为1；

（6）AM调制的时域表现，(Signal +2).* Carrier，调制指数为1/2；

以下6幅图片为调制后的信号，分别为：

（1）DSB调制的时域表现，Signal .* Carrier；

（2）AM调制的时域表现，(Signal +1).* Carrier，调制指数为1/2；

（3）AM调制的时域表现，(Signal +2).* Carrier，调制指数为1；

（4）DSB调制的频域表现，1 MHz 载波，20 kHz 信号，在（1MHz - 20kHz）和（1MHz + 20kHz）两个位置还有同样大小的频率分量，已调信号中不含载波信息；

（2）AM调制的频域表现，调制指数为1，除了（4）中的信号分量外，含有很大的载波分量；

（3）AM调制的频域表现，调制指数为1/2，与（5）一样，但载波分量更大，效率更低；

非相干解调

不需要恢复相干载波信息，简单，性能相干解调要差。全波整流或半波整流后（对信号取绝对值），低通滤波。当AM调制信号满足均不为负数，则不会出现过调制，调制后的信号不会出现相位的突变，其包络就可以表征基带调制信号，可以使用包络检波恢复基带调制信号。

（1）整流：DSB、AM（调制指数1）、AM（调制指数1/2）

AM调制中，调制指数为1时效率最高，调制指数越小，效率越低。

（2）低通滤波：DSB、AM（调制指数1）、AM（调制指数1/2）

可以看出，使用包络检波解调时，无法正确获取DSB基带调制信号，在频域信息中无法体现出 20 kHz，多出了 40 kHz 信号，包络检波只对AM调制有效。

相干解调

相干解调利用乘法器，输入一路与发射载频相干（同频同相）的参考信号，与已调信号相乘。相干解调也叫同步检波，它适用于所有线性调制信号的解调。实现相干解调的关键是接收端要恢复出一个与调制载波严格同步的相干载波（锁相环）。

（1）乘以相干载波：DSB、AM（调制指数1）、AM（调制指数1/2）

（2）低通滤波：DSB、AM（调制指数1）、AM（调制指数1/2）

DSB和AM都可以使用相干解调正确恢复基带调制信号。

四、FPGA实现

AM信号非相干解调

四个模拟波形分别为已调信号、待调制的基带信号（信号全部大于等于0）、全波整流信号、解调后的基带信号，外部顶层加入FIR滤波器，199阶，截止频率按照 20 kHz 设计。

相干解调

四个模拟波形分别为已调信号、待调制的基带信号（信号无直流，正负相间）、相干载波相乘后的信号、解调后的基带信号（FIR低通滤波），外部顶层加入FIR滤波器，199阶，截止频率按照 20 kHz 设计。

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