基于LabView的幅度调制

基于LabView的幅度调制
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1 实验任务
本实验的目的是根据理论课上学习的模拟调制（AM ）相关知识，在LabVIEW 平台上完成一个AM 演示程序，实现简单的AM 调制。

目标是使学生初步了解图形化的编程方式，并学习LabVIEW 的操作以及基本模块的使用和调试方法，为后续实验奠定基础。

2 理论分析
幅度调制（Amplitude Modulation ，AM ）是一种模拟线性调制方法。

频域上，已调信号频谱是基带调制信号频谱的线性位移；在时域上，已调波包络与调制信号波形呈线性关系。

AM 调制的载波信号通常是高频正弦波，作为载体来传递信源信号中的信息。

调制结果是一个双边带信号，中心是载波频率，带宽是原始信号的两倍。

调制信号的数学表达式为：
()()()()()()000cos cos θωθω+++==t t f t A t c t m t s c c AM （式2-1） 式中，)(t m 是调制信号，其直流分量为0A ，交流分量为；)(t c 是载波信号，其为角频率为c ω、初始相位为0θ的余弦信号。

从（式2-1）我们能够得出幅度调制的已调信号就是)(t m 和)(t c 的乘积。

为了实现)(t m 能够对载波信号的幅度实现线性调制，)(t m 应该包含直流分量来保证0)(≥t m ，也就是 ()0max A t f ≤ （式2-2）
这样的话才能够保证()t s AM 的包络完全在时间轴上方，如图2-1所示。

图2-1 时域波形
根据（式2-2），为避免产生“过调幅”现象而导致包络检波的结果严重失真，因此定义一个重要参数：
10≤=
A A m AM β （式2-3）
式中，称AM β为调幅指数，或调幅深度；m A 代表信源信号()t f 的最大幅值。

一般AM β不超过0.8。

下面对AM 调制在频域上进行分析。

对于（式2-1），我们能够直接通过傅里叶变换得到其频域表达式，如（式2-4）所示。

()()()[]
()()[]
2
22200000000θθωωωωδπωωωωδπωj j AM e F A e F A S -+-++++=- (式2-4) 频谱如图2-2所示：
图2-2 调幅信号频谱
由于软件无线电的核心思想是对天线感应的射频模拟信号尽可能地直接数字化，将其变为适合于数字信号处理器（DSP ）或计算机处理的数据流，然后由软件（算法）来完成各种各样的功能，使其具有更好的可扩展性和应用环境适应性，故而对信源信号的各种调制与解调过程都是在数字域实现的。

3 实验步骤
打开该VI ，检查已经提供给你的前面板和程序框图。

你需要在程序面板进行编程，以完成一个单音信号的幅度调制。

在完成这个VI 后，改变载波以及调制信号的幅度和频率，能观察到已调信号在时域和频域上的变化。

图3-1展现了完成程序在运行时的前面板：
载频信号
AM 调制边带
图3-1 完成程序的前面板
1）添加一个“正弦波形”控件，将“载波频率”控件连接到其频率输入端，并将采样信息中的“每秒采样率”设置为10M、波形的采样数设置为“300k”。

再在面板上添加一个“Multiply.vi”控件，将第一个“正弦波形”控件的输出和“载波频率”控件相乘，输出连接到“Carrier Signal”图形显示控件用来显示载波信号。

2）再添加一个“正弦波形”控件，采样信息设置为与第一个控件相同，并将“调制频率”和“调制幅度”控件分别连接到频率和幅值输入端。

3）添加两个“转换到动态数据”控件，分别将两个“正弦波形”控件的输出波形转换为动态数据。

4）添加一个“Add.vi”控件和一个“Multiply.vi”控件，将第二个“正弦波形”控件转换为动态数据后的输出与“载波幅度”相加后再与第一个“正弦波形”控件转换为动态数据后的输出相乘。

相乘后的输出连接到“AM Modulated Signal (Time Domain)”图形显示控件，用来显示调制后的AM 信号的时域波形。

5）添加一个“ FFT Power Spectrum and PSD.vi”控件，将4）中相乘后的输出连接到“时间信号”输入端，并将“显示为dB”输入端设置为True。

最后将控件的输出连接到“AM Modulated Signal (Frequency Domain)”图形显示控件，用来显示调制后的AM信号的频域波形。

以下图3-2为可视化程序框图：
图3-2 可视化程序框图
单击运行按钮来执行你的VI，改变载波、调制幅值和频率取值，查看这些参数对信号幅度调制过程的影响。

4 结论及分析
我们小组按照要求的实验步骤连接各个控件，并且改变载波、调制幅值和频率取值，看到了这些参数对信号幅度调制过程的影响，下面是得到的相应的幅度调整图像。

图4-1 常规调幅波形
图4-2 过调幅
5 扩展问题
（1）幅度调制中为什么要抑制载波？对于AM信号来说抑制载波的双边带信号可以增加多少功效？
答：在AM信号中，载波分量并不携带信息，仍占据大部分功率，如果抑制载波分量的发送，就能够提高功率效率，这就抑制载波双边带调制DSB，简称双边带调制（DSB）。

DSB的调制效率为100%。

（2）简述DSB、SSB、VSB的概念和实现方式。

分析并比较DSB和SSB的抗噪声性能。

答：概念：均为幅度调制，AM是调幅，带载波；DSB是抑制载波的调幅，可增加功率效率，但两个边带均传输相同的信息；SSB单边带抑制了一个边带，相对DSB减少了一半带宽，因此带宽效率翻番，其中，抑制下边带的称为USB，抑制下边带的称为LSB，两个边带也可以分别传输不同的信息，称为ISB；由于单边带实现上对滤波器要求较高，因此在此基础上出现残留边带，即VSB。

实现方式：
○1DSB 时域：s DSB(t) = m(t) cos w0t 频域：S DSB(w) = 1/2M(w+ w0) + 1/2M(w- w0)
○2SSB 时域：s LSB(t) =1/2m(t) cos w o t +1/2^m(t) sin w o t 频域：S LSB(w) = SDSB * HL(w)
图5-1 DSB与SSB信号波形
○3VSB 时域：s VSB(t) =1/2m(t) cos w o t +1/2^m(t) sin w o t
频域：s VSB(w) =1/2[M(w+w o) +M(w-w o)]*H VSB(w)
DSB与SSB抗噪声性能比较：从表面上看，G DSB=2，G SSB=1，但不能说双边带系统的抗噪性能优于单边带一倍。

实际上，由于双边带系统的带宽DSB是单边的2倍，故噪声功率的输入也大于2倍，尽管G相差2倍，两者抵消。

实际上，双边带和单边的抗噪性能是相同的。

图5-2 VSB信号波形
(3) 根据已学知识简述幅度调制有哪些解调方式，它们的基本原理是什么，各有什么优缺点？
答：○1相干解调
图5-3 相干解调原理图
由上式可知，只要用一个低通滤波器，就可以将第1项与第2项分离，无失真的恢复出原始的调制信号
优缺点：相干解调的关键是必须产生一个与调制器同频同相位的的载波。

如果同频同相位条件得不到满足，则会破坏原始信号的恢复。

但是若不考虑载波的恢复则得到的波形失真小。

○2包络检波
图5-4 包络检波器原理
串联型包络检波器，电路由二极管D、电阻R和电容C组成。

当RC满足条件
时，包络检波器的输出与输入信号的包络十分相近，即
包络检波器输出的信号中，通常含有频率为wc的波纹，可由LPF滤除。

包络检波法属于相干解调法，其特点是：解调效率高，解调器输出近似为相干解调的2倍；解调电路简单，特别是接收端不需要与发送端同频同相位的载波信号，大大降低实现难度。

故几乎所有的调幅（AM）式接收机都采用这种电路。

（4）什么是门限效应？AM信号采用包络检波时为什么会产生门限效应？为什么相干解调不存在门限效应。

答：门限效应，就是当包络检波器的输入信噪比降低一个特定的数值后，检波器的输出信噪比出现急剧恶化的一种现象。

AM信号调制的是幅度，当幅度比较低的时候，是可以正常的，但一旦同幅度超过了某一级器件的最高电压范围时，就会发生削顶失真，信号越强，那么信号中位于最高输出电压的时间就越长，这种情况就叫信号的阻塞。

噪声与信号可以分开进行解调，而解调器输出端总是单独存在有用信号项。

6 心得
通过本次试验，我们再一次复习了以前学过的相关知识，了解了幅度调制中要抑制载波的原因，对于AM信号来说抑制载波的双边带信号可以增加功效，复习了DSB、SSB、VSB的概念和实现方式，了解了DSB和SSB的抗噪声性能；同时通过本次试验，我们更加了解了如何应用Labview这个工具，熟悉了如何增加控件，如何连接各个元件，如何改变参数来影响相应的信号测量量，通过本次试验，我们对通信系统原理有了更深一步的认识，收获很多！
7 参考文献。