一、為什么要調制

調制（modulation）就是對信號源的信息進行處理（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

天線設計中，通常認為天線尺寸應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)實的。比如常規(guī)調頻廣播使用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：調制的逆操作，把在高頻載波上的發(fā)射信號再搬移回低頻，恢復基帶調制信號。

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

二、幅度調制

1、AM調制

先將信號加直流分量抬升至無負數(shù)，便于使用包絡檢波進行非相干解調，解調方便 。從頻域上來看，已調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制（DSB）

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

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

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 ，很難實現(xiàn)。

4、殘留邊帶（VSB）

殘留邊帶調制是介于雙邊帶與單邊帶之間的一種線性調制，既克服了雙邊帶調制信號占用頻帶寬的缺點，又解決了單邊帶信號實現(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對稱特性 。

三、Matlab實現(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幅圖片為調制前的信號，分別為：

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

（2）高頻載波信號，1 MHz，記作 Carrier；

（3）含直流的基帶調制信號，20 kHz，用于AM調制解調，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幅圖片為調制后的信號，分別為：

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

（2）高頻載波信號，1 MHz，記作 Carrier；

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

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

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

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

以下6幅圖片為調制后的信號，分別為：

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

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

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

（4）DSB調制的頻域表現(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，已調信號中不含載波信息；

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

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

非相干解調

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

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

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

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

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

相干解調

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

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

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

DSB和AM都可以使用相干解調正確恢復基帶調制信號。

四、FPGA實現(xiàn)

AM信號非相干解調

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

相干解調

四個模擬波形分別為已調信號、待調制的基帶信號（信號無直流，正負相間）、相干載波相乘后的信號、解調后的基帶信號（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 設計。