调幅（AM）

调制是增加和增强消息信号的频率和强度的过程。它是将原始信号和连续高频信号叠加的过程。在调幅（AM）中，载波的幅度随消息信号而变化。AM 的过程如下图所示。

例如：

音频信号

音频信号是噪声较高的信号。通过长距离传输此类信号并不容易。因此，音频信号的调制对于成功传输是必要的。AM 调制是一种将消息信号作为载波信号叠加到无线电波上的过程。它与高振幅的无线电载波结合，从而增加了音频信号的幅度。

同样，调频（FM）处理载波信号的频率变化，而调相（PM）处理载波信号的相位变化。

让我们首先讨论模拟及其相关术语。

让我们首先讨论模拟及其相关术语。

模拟是指随时间连续变化的。我们可以将模拟通信和模拟信号定义为：模拟通信是一种随时间连续变化的通信。它在数字通信之前被发现。它需要较少的带宽进行传输，并且组件成本低。模拟信号是一种随时间连续变化的信号。模拟信号的例子包括正弦波和方波。

一个简单的模拟信号如下图所示

在这里，我们将讨论以下内容

什么是调制？

调幅类型

调幅历史

调制需求

调幅的频率平移

调制指数

调幅效率

调幅的优缺点

调幅应用

数值例子

什么是调制？

当消息信号叠加到载波信号上时，称为调制。消息信号叠加在载波的顶部。这里，“叠加”意味着将一个信号放置在另一个信号之上。形成的合成信号的频率和强度都得到了改善。

在发送端，模拟信号和数字信号都需要进行信号转换。在信号传输到接收器之前，在信道上进行转换。

消息信号

包含要发送到接收器的消息的原始信号称为消息信号。

载波信号

载波信号是频率恒定且通常较高的信号。载波信号波不需要介质即可传播。

基带信号

表示频带的消息信号称为基带信号。基带信号的范围从 0 Hz 到截止频率。它也称为未调制信号或低频信号。

模拟信号是光/声波转换为电信号的输出。

通带信号

它以高于消息信号最大分量的频率为中心。

示例

让我们考虑一个语音信号的例子。它是一种音频信号。

语音信号的基带频率范围为 0.3 到 3.4k Hz。如果两个人想在同一信道上通信，基带频率将发生干扰。这是因为较低的频率不能在同一信道上容纳两个基带频率。因此，使用高达 8k Hz 的高频载波与语音信号一起使用。这增加了语音信号的频率范围。它允许两个人通过同一信道进行通信而不会产生任何干扰。

调制需求

通信系统将数据从发射器发送到接收器。数据经过处理并传输数百英里才能到达接收器。传输过程中的噪声会影响通信信号的形状。它通过降低信号的频率和强度来进一步误导接收到的信息。需要一个增加信号频率和强度的过程。通信中的这个过程称为调制。

在通信中，将信号从一个地方传输到另一个地方至关重要。在这里，原始信号被新信号取代，其频率从 f1 - f2 增加到 f1' - f2'。它以可恢复的形式存在于接收端。调制的必要性基于以下因素：

1. 频率复用
2. 天线
3. 窄带化
4. 通用处理

频率复用

复用是指在同一信道上传输多个信号。假设我们有三个信号要在单个通信信道上传输，而不影响信号质量和数据。这意味着信号在接收端应该是可区分和可恢复的。这可以通过在不同频率上转换这三个信号来实现。它防止了多个信号的交叉。

设三个信号的频率范围分别为 -f1 到 f1、-f2 到 f2 和 -f3 到 f3。信号之间用保护带隔开，如下图所示。

如果这些信号的选定频率不重叠，则可以使用适当的带通滤波器在接收端轻松恢复。

天线

天线在自由空间中发送和接收信号。天线的长度根据传输信号的波长选择。

窄带化

信号借助天线在自由空间中传输。假设频率范围为 50 到 10⁴ Hz。最高频率与最低频率之比将为 10⁴/50 或 200。在此比率下，天线的一端将变得太长，而另一端将变得太短。这不适合传输。因此，音频信号被转换到 (10⁶ + 50) 到 (10⁶ + 10⁴) 的范围。现在，这个比率将约为 1.01。这被称为窄带化。

因此，转换过程可以根据要求改变为窄带或宽带。

通用处理

有时，我们需要处理不同信号的频谱频率范围。如果信号数量很多，最好在某个固定频率范围而不是处理每个信号的频率范围。

例如：

超外差接收机

在这里，通过使用本地振荡器将通用处理块调谐到不同的频率。

调幅类型

调制的类型由 ITU（国际电信联盟）指定。调幅有三种类型，如下所示：

• 单边带调制
• 双边带调制
• 残留边带调制

AM 的原名是 DSBAM (双边带调幅)，因为边带可以出现在载波频率的两侧。

单边带调制 (SSB)

SSB AM 是在载波频率的一侧仅产生边带的标准方法。调幅可以在载波频率的两侧产生边带。在 SSB 中，它使用带通滤波器丢弃一个边带。SSB 调制过程提高了传输介质的带宽利用率和总传输功率。

双边带抑制载波调制（DSB-SCB）

双边带意味着有两个边带。DSB 中 AM 产生的频率关于载波频率对称。DSB 进一步分为 DSB-SC 和 DSB-C。DSB-SC（双边带抑制载波）调制不包含任何载波带，因此其效率也比其他调制类型最高。DSB-SC 中的载波部分从输出组件中移除。DSB-C（带载波的双边带）包含载波。DSB-C 产生的输出具有与消息和载波组件组合的载波。

残留边带调制 (VSB)

SSB 和 DSB 的某些信息可能会丢失。因此，VSB 被用来克服这两种 AM 类型的缺点。残留是指信号的一部分。在 VSB 中，信号的一部分被调制。

我们将在本教程后面详细讨论这三种 AM 类型。

调幅历史

• 1831年，英国科学家迈克尔·法拉第发现了电磁
• 1873 年，数学家兼科学家詹姆斯·C·麦克斯韦描述了电磁波的传播。
• 1875年，A·格雷厄姆·贝尔发明了电话。
• 1887年，德国物理学家赫兹发现了无线电波的存在。
• 1901 年，一位名叫 R·费森登的加拿大工程师翻译了第一个调幅信号。
• R.费森登使用火花间隙发射器发现它，该发射器借助电火花传输信号。
• AM 的实际应用始于 1900 年至 1920 年间，通过无线电话传输。它使用音频或语音信号进行通信。
• 第一台连续调幅发射机于 1906 年至 1910 年间研制成功。
• 1915 年，美国理论家 J. R. 卡森开始了调幅的数学分析。他表明单边带足以传输音频信号。
• 1915 年 12 月 1 日，J. R. 卡森获得了 SSB（单边带）调制的专利。
• 大约在 1920 年真空管发明后，无线电 AM 广播变得流行起来。

调幅的频率平移

通过将信号乘以辅助正弦信号来传输信号。它由以下公式给出

Vm(t) = A_mcosω_mt

Vm(t) = A_mcos2πf_mt

其中，

Am 是振幅常数

Fm 是调制频率

Fm = ω_m/2π

频谱模式将是双边振幅模式。它由两条线组成，每条线的振幅为 Am/2，如下图所示

它位于频率范围从 f = fm 到 f = -fm。

设辅助正弦信号为 Vc(t)。

Vc(t) = A_Ccosω_Ct

通过将双谱模式乘以辅助信号，我们得到

Vm(t). Vc(t) = A_mcosω_mt x A_Ccosω_Ct

Vm(t). Vc(t) = A_mA_Ccosω_mt cosω_Ct

现在有四个频谱分量，如上图所示。

这意味着频谱模式现在具有两个频率为 Fc + Fm 和 Fc - Fm 的正弦波形。乘法之前的幅度为 Am/2。但是，乘法之后的分量从两个增加到四个。

现在的振幅将是

AmAc/4

1 个正弦分量 = 2 个频谱分量

因此，每个正弦分量的幅度将是

AmAc/2

乘法后的频谱模式在正负频率方向上都进行了平移。如果这四个频谱模式再次相乘，结果将是 6 个频谱分量，以八个正弦波形的形式出现。

调制指数

调制指数定义为消息信号和载波信号最大值之比。

它由下式给出

调制指数 = M/A

其中，

M 是消息信号的幅度

A 是载波信号的幅度

或

调制指数 = Am/Ac

调幅效率

幅度调制的效率定义为边带功率与总功率之比。

效率 = Ps/Pt

总功率是边带功率和载波功率的总和。

Pt = Ps + Pc

因此，我们也可以将效率定义为

效率 = Ps/ Ps + Pc

调幅信号在频域中可以表示为

S(t) = A_C [1 + km(t)] cosω_Ct

其中，

m(t) 是基带信号

k 是幅度灵敏度

s(t) 在其包络中保留基带信号 I

s(t) = A_Ccosω_Ct + A_Ckm(t)cosω_Ct

第一项是载波项，第二项是边带项。

功率可以表示为

对于载波项，功率 = A_C²/2

对于边带项，功率 = A_C²k²/2 x Pm

Pm 是边带项中消息信号的平均功率。

效率 = A_C²k² Pm/2 /( A_C²k² Pm/2 + A_C²/2)

效率 = k² Pm/1 + k² Pm

这是用于计算调幅功率效率的常用表达式。

由于双边带抑制载波调制中没有载波，其效率为 50%。在正弦波形的情况下，单音调制信号的效率约为 33%。使用 SSBSC（单边带抑制载波）可以实现 100% 的最大效率。

优点

调幅的优点如下

• 调幅通过改变消息信号的幅度帮助信号长距离传输。
• 调幅接收机和发射机中使用的组件成本低。
• 调幅信号易于调制和解调。
• 调制信号的频率低于载波信号。
• 调幅的实现过程简单。
• 用于传输的通信信道可以是有线信道或无线信道。它将发射机连接到接收机。它还携带从发射机到接收机的信息。

缺点

尽管调幅有各种缺点，但它仍然是一种广泛使用的调制方式。调幅的缺点如下：

• 由于存在调幅检波器，它更容易受到噪声影响。这会影响到达接收器的信号质量。
• 它在载波频率的两侧都有边带。双边带中的功率未被 100% 利用。调幅波携带的功率约为 33%。这意味着双边带中超过一半的功率被浪费了。
• AM 需要高带宽，即音频频率的两倍。

调幅应用

调幅的应用如下

• 广播
  由于高频载波信号的存在，调幅增加了消息信号的频率。因此，由于这一优点，它被广泛用于广播。
• 波段收音机
  调幅用于便携式双向收音机和波段收音机，以实现有效通信。

数值例子

让我们讨论一个基于调幅的例子。

示例：求载波功率为 400W，调制指数为 0.8 的调幅信号的总功率。

解：计算调幅信号总功率的公式由下式给出

Pt = Pc (1 + m²/2)

其中，

Pt 是总功率

Pc 是载波功率

M 是调制信号

Pt = 400 (1 + (0.8)²/2)

Pt = 400 (1 + 0.64/2)

Pt = 400 (1 + 0.32)

Pt = 400 (1.32)

Pt = 528 瓦

因此，调幅信号的总功率为 528 瓦。

示例 2：单音调制信号的最大效率是多少？

解：单音调制信号的最大效率为 33%。

效率由公式给出
效率 = u²/(2 + u²)

在最大效率时，u = 1

效率 = 1²/(2 + 1²)

效率 = 1/3

效率 % = 1/3 x 100

效率 % = 100/3

效率 % = 33.33