幾種AM信號數(shù)字化解調(diào)算法比較

摘要：數(shù)字信號與模擬信號相比有很多優(yōu)點(diǎn)，因此信號的數(shù)字化處理應(yīng)用越來越普遍。作為常用信號，幅度(AM)調(diào)制信號的數(shù)字化處理也會得到更廣泛的運(yùn)用。通過研究3種AM信號數(shù)字化解調(diào)的算法，給出相應(yīng)的解調(diào)原理、公式推導(dǎo)以及系統(tǒng)模塊；采用Matlab對一段信號采用3種方法分別進(jìn)行仿真解調(diào)，并對結(jié)果進(jìn)行比較。在原理分析與仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過比較獲得3種方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場合，具有清晰明了的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：幅度調(diào)制；數(shù)字解調(diào)；解調(diào)算法；Matlab

0 引言
在目前的通信中，因數(shù)字信號與模擬信號相比有易于存儲，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，而得到了越來越廣泛的應(yīng)用，數(shù)字體制開始逐步取代模擬體制。許多以往的模擬信號處理部分現(xiàn)在正逐步被數(shù)字化變換取代，從而能夠進(jìn)行數(shù)字信號處理。
幅度調(diào)制(AM)方式是常見的信號調(diào)制方式之一。其原理是用調(diào)制信號去控制有用信號的幅度，使之隨調(diào)制信號作變化。它的模擬解調(diào)方法有兩種：相干解調(diào)和包絡(luò)解調(diào)(非相干解調(diào))。相干解調(diào)也叫同步檢波，是通過接收端提供與接收的已調(diào)AM信號載波嚴(yán)格同步的相干載波，使其與接收的已調(diào)信號相乘后，取出低頻分量得到基帶信號。包絡(luò)檢波是通過整流器和低通濾波器直接從已調(diào)波的幅度中提取原調(diào)制信號。
AM信號的數(shù)字化解調(diào)不能使用模擬器件，因而只能采用數(shù)字器件實(shí)現(xiàn)解調(diào)。目前采用的主要是數(shù)字化正交解調(diào)器，本文闡述了其原理及局限性，并探討了另外兩種數(shù)字解調(diào)的方法，對這3種方法進(jìn)行了比較。

1 傳統(tǒng)正交解調(diào)法
AM信號數(shù)字化解調(diào)中廣泛采用的是數(shù)字正交解調(diào)法解調(diào)，解調(diào)框圖如圖1所示。

收到的已調(diào)信號采樣值為：
S(n)=A(n)cos(2πfcn+φ)， -∞≤n≤+∞
式中：A(n)為包含有用信息的調(diào)制信號；fc為載波頻率；φ是初相。采樣后信號與正交的兩路本振信號直接相乘，然后經(jīng)濾波器輸出。該濾波器帶寬取決于基帶信號帶寬，從而得到I／Q兩路正交信號：


采用正交解調(diào)獲得I／Q兩路正交信號時(shí)，可以較容易地獲得信號的三個特征：瞬時(shí)幅度、瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率，它們都是信號識別解調(diào)的基礎(chǔ)。理想情況下，數(shù)字正交解調(diào)精度高，誤差小。但其存在很大的局限性，在解調(diào)過程中需要本地恢復(fù)載波，往往需要用到數(shù)控振蕩器或鎖相環(huán)等器件，電路很復(fù)雜，因其恢復(fù)本地載波效果直接關(guān)系到最后的輸出效果及誤差，所以對器件要求較高，非常耗費(fèi)資源。

2 AM信號數(shù)字化包絡(luò)解調(diào)
傳統(tǒng)方法在提取所需本地載波時(shí)需要的器件和電路非常復(fù)雜，在數(shù)字器件處理中可能會引入系統(tǒng)誤差，甚至使信號失真。因數(shù)字信號處理比較靈活，可以利用一種算法實(shí)現(xiàn)AM信號的數(shù)字化包絡(luò)解調(diào)，而將大大簡化電路。
在AM信號調(diào)制中，有用信號包絡(luò)是由各個幅值點(diǎn)支撐起來的，因此該算法通過采樣得到幅值點(diǎn)來獲得信號包絡(luò)，實(shí)現(xiàn)起來較簡單。假設(shè)載波頻率為fc，信號采樣率為fs，則在一個載波周期內(nèi)應(yīng)該有個采樣點(diǎn)，n取使|fc-nfs|最小的正整數(shù)。在所有這些采樣點(diǎn)中存在一個有用信息的幅值點(diǎn)，將存在于所有載波周期內(nèi)的這些幅值點(diǎn)取出，就可得劐幅度信號包絡(luò)。通過對每個載波周期內(nèi)的采樣值統(tǒng)計(jì)，在周期末輸出這個周期內(nèi)的最大值，可以很方便地對各幅值點(diǎn)之間不等間隔采樣的零值作處理，且可降低倍采樣速率。最后對輸出的各個幅值點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，即可得到調(diào)制信號的表達(dá)式。
載波周期末輸出幅值和實(shí)際幅值會產(chǎn)生時(shí)間上的偏差，引入的相位誤差為，一般載波頻率和采樣率都比較大，調(diào)制信號頻率遠(yuǎn)小于采樣率，則此相位誤差很微小，通過曲線擬合更是可以忽略不計(jì)。如果一個載波周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)為整數(shù)時(shí)，幅值點(diǎn)的出現(xiàn)具有周期性，則每個周期的幅值點(diǎn)出現(xiàn)對應(yīng)的樣點(diǎn)數(shù)相同，可對幅值點(diǎn)計(jì)數(shù)獲得固定相差，對調(diào)制信號修正。當(dāng)一個載波周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)為非整數(shù)時(shí)，載波周期樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)選擇靠近實(shí)際值的整數(shù)中較小的數(shù)，以避免單周期內(nèi)出現(xiàn)兩個幅值而造成包絡(luò)失真。這種解調(diào)方法原理簡單，實(shí)現(xiàn)起來較容易，且設(shè)備資源消耗少，但由于是基于包絡(luò)的檢波，它對于噪聲的抑制作用較弱。AM信號數(shù)字化包絡(luò)解調(diào)框圖如圖2所示。