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模拟调制:我们为什么要调制?先从AM幅度调制开始

2019-01-23  山峰云绕

【通信原理第3篇】

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班长说:我们通过声音、面部表情、手势向他人和外界传达信息,这些都是人与人之间的沟通方式。通信技术研究将信息从一个地方发送到另一个地方。本篇开始,班长将与大家讨论各种类型的调制,这是任何通信技术的基础。在我们开始这个话题之前,我们先聊一聊为什么需要调制。

调制的目的

调制可以定义为用信号改变载波某些特性的过程,就是把信号转换成适合在信道中传输形式的一种过程。可以分为基带调制和载波调制(也称为带通调制),正常我们所说的调制均指载波调制。

图1 调制过程

载波调制就是用调制信号控制载波信号参数的过程,常见的名词有:

  1. 调制信号:就是你想要传递的消息。来自信源的消息信号。这种信号如说话声音、计算机比特流等,频率很低,也叫做

    基带信号

  2. 载波信号:通常使用的载波是正弦波,也可以是非正弦波,其在物理上与信息源无关。
  3. 已调信号:载波调制后称为已调信号;
  4. 解调:也叫做检波,调制的逆过程,将已调信号中的调制信号恢复出来。

很多同学在这里有个误区!总是认为载波是调制信号,然后去调制我们的输入信号。其实恰恰相反,我们的载波是规则的、整齐的信号,它才是被调制的对象哦!

好好的基带信号,为什么要动它?

在无线通信中,信号以电磁波形式通过天线辐射出去,这里存在一个理论:如果要获得较高的辐射效率,天线的尺寸必须与发射信号波长差不多,一般天线长度应大于波长的1/4!这就麻烦了,正常的基带信号频率是很低的,那么它的波长必然很长。

图2 不同频率不同波长

想想看,如果一个基带信号2KHz,那么直接通过天线辐射传输,至少需要17公里的天线,很明显搞不定!

所以通过调制,把基带信号的频谱搬移至较高的载波频率上,天线尺寸就下降了。

比如说GSM的900MHz频率,天线尺寸仅为8cm。

一旦调制搬移了,哈哈,这样操作空间就大咯,把你搬到哪,我们说了算!所以我们可以同时传输多路基带信号,只要搬移到不同的频段,我们就可以区分出!

再有,调制到哪?直接影响这个信号的抗干扰与衰落能力!

所以调制对通信系统的有效性与可靠性有着很大的影响与作用,采用什么样的调制方式,直接影响通信系统的性能。

图3 收音机上的调幅AM

调制可以分为多种:

  1. 调制信号是模拟信号,载波是连续波(通常是正弦波),叫做模拟连续波调制,模拟调制;
  2. 调制信号是数字信号,载波是连续波(通常是正弦波),叫做数字连续波调制,数字调制;
  3. 调制信号是模拟信号,载波是脉冲序列,叫做模拟脉冲调制;
  4. 调制信号是数字信号,载波是脉冲序列,叫做数字脉冲调制;

本篇先从幅度调制开始

考虑一个载波信号

这里Ac是载波的振幅,fc是载波频率。我们的基带信号、调制信号、消息信号、信息承载信号,都是一个意思啊,就是我们要传输的信号,叫做m(t)。幅度调制Amplitude-Modulated (AM),就是使载波c(t)的振幅随着输入信号m(t)变化的过程,可以写成:

s(t)是已调信号,ka是一个常数,把它叫做调制器的调制系数,它决定了调制信号s(t)。c(t)经过调制后,频率、相位没有改变,振幅变了,所以这是幅度调制。

参看下图,考虑一个问题,如果Ac=1,|kam(t)|<1,那么kam(t)cos(2πfct)的取值必然在[-1,1]范围内,这样再加上cos(2πfct),整个s(t)也必然在[-2,2]之间;但是如果|kam(t)|>1,那么cos(2πfct)被抬高肯定超过2了,底部也会越过横坐标轴!

产生了混叠!这样叫做相位反转!

图4 调制、载波与已调信号

一般情况下fc的频率远大于调制信号m(t)最高频率分量W,即fc>>W,W我们也称为基带信号的带宽Message Bandwidth。

我们的接收端,通过使用包络检测器实现AM波的解调,后续会讨论包络检测的过程。

现在讨论AM波频域表示,根据前期学习内容,我们可以直接得出s(t)的频谱,即傅里叶变换。

这个结果使用了三个公式,即欧拉公式、复指数信号的傅里叶变换

以及傅里叶变换的频谱搬移特性

相关文章:傅里叶变换:傅里叶级数到FT变换,离散到连续的演变

傅里叶变换:频谱搬移,尺度变化很难理解?其实就是FT的基本性质

我们画出S(f)的示意图

图5 AM调制信号与已调信号的频谱

M(f)是m(t)的频谱,最大频率分量是W。这里为什么出现负频率,各位可以思考下,之前的文章也说过“负频率”的事情。

相关文章:傅里叶级数:看似不相关的相似 三角函数转化为复指数形式

S(f)为AM信号的频谱,很明显是关于fc左右对称的,左边的频率区间我们叫做下边带,右边的频率区间我们叫做上边带。S(f)的带宽为2倍的W,即2W。现在可以初步看出来,为什么要fc>>W了吧,如果二者差不多大小,很容易出现频率混叠。

总结

通信中,调制的主要目的是便于在通信信道(例如无线信道)上传输信息承载信号。在模拟调制系统中,这是通过改变正弦载波的振幅或角度来实现的。在此基础上,我们可以将模拟调制分为两大类:幅度调制和角度调制。

@通信M班长

Reference:Introduction to Analog & Digital Communications,通信原理,樊昌信,以及相关网络资源,感谢!

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