一、為什么要調(diào)制

調(diào)制（modulation）就是對信號源的信息進(jìn)行處理（低頻），加到載波上（高頻），使其變?yōu)檫m合于信道傳輸?shù)男问健?/p>

無線電傳輸時，頻率越高，波長越小，發(fā)射時需要的天線也越短。

式中，λ為波長（m）；c為電磁波傳播速度（光速3*10^8）（m/s）；f為頻率（Hz）。音頻信號的頻率范圍是20Hz～20kHz，最小的波長為

天線設(shè)計中，通常認(rèn)為天線尺寸應(yīng)大于波長的十分之一，顯然，使用1500米以上高度的天線直接傳輸20Hz20kHz的音頻信息是不現(xiàn)實(shí)的。比如常規(guī)調(diào)頻廣播使用80M108MHz左右范圍的頻段，將上述音頻信號先變換到80MHz~108MHz范圍再傳輸，假設(shè)取高頻載波100MHz，那么波長3米，天線只需要幾十厘米（1/2波長1.5米，1/4波長0.75米）。

調(diào)制：把欲發(fā)射的低頻信號“搬移”到高頻載波上去，常見的高頻載波是正弦波。

解調(diào)：調(diào)制的逆操作，把在高頻載波上的發(fā)射信號再搬移回低頻，恢復(fù)基帶調(diào)制信號。

如下圖所示為AM幅度調(diào)制與FM頻率調(diào)制的不同。AM幅度調(diào)制中，利用低頻的基帶信號改變高頻載波的幅度；FM頻率調(diào)制中，利用低頻的基帶信號改變高頻載波的頻率；

二、幅度調(diào)制

1、AM調(diào)制

先將信號加直流分量抬升至無負(fù)數(shù)，便于使用包絡(luò)檢波進(jìn)行非相干解調(diào)，解調(diào)方便 。從頻域上來看，已調(diào)信號頻譜中含有很大的載波頻率分量，而載波本身不含有效的傳輸信息，造成功率的利用率很低。

2、抑制載波的雙邊帶調(diào)制（DSB）

DSB-SC（Double Side Band with Suppressed Carrier，抑制載波的雙邊帶調(diào)制），簡稱雙邊帶調(diào)制（DSB）， 發(fā)射的已調(diào)信號中不含載波分量，提高功率利用率 。

已調(diào)信號存在相位突變，外部包絡(luò)無法完整表征調(diào)制信號的信息，必須 使用相干解調(diào) 。

3、單邊帶（SSB）

雙邊帶DSB信號加濾波器，選擇使用兩個邊帶中的其中一個（上邊帶、下邊帶），基帶調(diào)制信號的帶寬很小，SSB對這個 濾波器的性能要求非常高 ，很難實(shí)現(xiàn)。

4、殘留邊帶（VSB）

殘留邊帶調(diào)制是介于雙邊帶與單邊帶之間的一種線性調(diào)制，既克服了雙邊帶調(diào)制信號占用頻帶寬的缺點(diǎn)，又解決了單邊帶信號實(shí)現(xiàn)上的困難。 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)對稱特性 。

三、Matlab實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)參數(shù)：

Fs = 100; % 采樣頻率 100 MHz

F1 = 1; % 載波 1 MHz，正弦波

F2 = 0.02; % 信號 20 kHz，正弦波

以下6幅圖片為調(diào)制前的信號，分別為：

（1）不含直流的基帶調(diào)制信號，20 kHz，用于DSB調(diào)制解調(diào)，記作 Signal；

（2）高頻載波信號，1 MHz，記作 Carrier；

（3）含直流的基帶調(diào)制信號，20 kHz，用于AM調(diào)制解調(diào)，記作 Signal+2；

（4）Signal 的頻域表現(xiàn)，20 kHz 處有頻率分量；

（5）Carrier 的頻域表現(xiàn)，1000 kHz 處有頻率分量，即 1 MHz；

（6）Signal+2 的頻域表現(xiàn)，含有直流分量，所以除了 20 kHz 處有頻率分量外，0 位置有較大的直流分量；

以下6幅圖片為調(diào)制后的信號，分別為：

（1）不含直流的基帶調(diào)制信號，20 kHz，用于DSB調(diào)制解調(diào)，記作 Signal；

（2）高頻載波信號，1 MHz，記作 Carrier；

（3）含直流的基帶調(diào)制信號，20 kHz，用于AM調(diào)制解調(diào)，記作 Signal+2；

（4）DSB調(diào)制的時域表現(xiàn)，Signal .* Carrier；

（5）AM調(diào)制的時域表現(xiàn)，(Signal +1).* Carrier，調(diào)制指數(shù)為1；

（6）AM調(diào)制的時域表現(xiàn)，(Signal +2).* Carrier，調(diào)制指數(shù)為1/2；

以下6幅圖片為調(diào)制后的信號，分別為：

（1）DSB調(diào)制的時域表現(xiàn)，Signal .* Carrier；

（2）AM調(diào)制的時域表現(xiàn)，(Signal +1).* Carrier，調(diào)制指數(shù)為1/2；

（3）AM調(diào)制的時域表現(xiàn)，(Signal +2).* Carrier，調(diào)制指數(shù)為1；

（4）DSB調(diào)制的頻域表現(xiàn)，1 MHz 載波，20 kHz 信號，在（1MHz - 20kHz）和（1MHz + 20kHz）兩個位置還有同樣大小的頻率分量，已調(diào)信號中不含載波信息；

（2）AM調(diào)制的頻域表現(xiàn)，調(diào)制指數(shù)為1，除了（4）中的信號分量外，含有很大的載波分量；

（3）AM調(diào)制的頻域表現(xiàn)，調(diào)制指數(shù)為1/2，與（5）一樣，但載波分量更大，效率更低；

非相干解調(diào)

不需要恢復(fù)相干載波信息，簡單，性能相干解調(diào)要差 。全波整流或半波整流后（對信號取絕對值），低通濾波。當(dāng)AM調(diào)制信號滿足均不為負(fù)數(shù)，則不會出現(xiàn)過調(diào)制，調(diào)制后的信號不會出現(xiàn)相位的突變，其包絡(luò)就可以表征基帶調(diào)制信號，可以使用包絡(luò)檢波恢復(fù)基帶調(diào)制信號。

（1）整流：DSB、AM（調(diào)制指數(shù)1）、AM（調(diào)制指數(shù)1/2）

AM調(diào)制中，調(diào)制指數(shù)為1時效率最高，調(diào)制指數(shù)越小，效率越低。

（2）低通濾波：DSB、AM（調(diào)制指數(shù)1）、AM（調(diào)制指數(shù)1/2）

可以看出，使用包絡(luò)檢波解調(diào)時，無法正確獲取DSB基帶調(diào)制信號，在頻域信息中無法體現(xiàn)出 20 kHz，多出了 40 kHz 信號，包絡(luò)檢波只對AM調(diào)制有效。

相干解調(diào)

相干解調(diào)利用乘法器，輸入一路與發(fā)射載頻相干（同頻同相）的參考信號，與已調(diào)信號相乘。相干解調(diào)也叫同步檢波，它適用于所有線性調(diào)制信號的解調(diào)。實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)的關(guān)鍵是接收端要恢復(fù)出一個與調(diào)制載波嚴(yán)格同步的相干載波（鎖相環(huán)）。

（1）乘以相干載波：DSB、AM（調(diào)制指數(shù)1）、AM（調(diào)制指數(shù)1/2）

（2）低通濾波：DSB、AM（調(diào)制指數(shù)1）、AM（調(diào)制指數(shù)1/2）

DSB和AM都可以使用相干解調(diào)正確恢復(fù)基帶調(diào)制信號。

四、FPGA實(shí)現(xiàn)

AM信號非相干解調(diào)

四個模擬波形分別為已調(diào)信號、待調(diào)制的基帶信號（信號全部大于等于0）、全波整流信號、解調(diào)后的基帶信號，外部頂層加入FIR濾波器，199階，截止頻率按照 20 kHz 設(shè)計。

相干解調(diào)

四個模擬波形分別為已調(diào)信號、待調(diào)制的基帶信號（信號無直流，正負(fù)相間）、相干載波相乘后的信號、解調(diào)后的基帶信號（FIR低通濾波），外部頂層加入FIR濾波器，199階，截止頻率按照 20 kHz 設(shè)計。