【调制解调】AM 调幅

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说明

学习数字信号处理算法时整理的学习笔记。同系列文章目录可见《DSP 学习之路》目录。本篇介绍 AM 调幅信号的调制与解调，内附全套 MATLAB 代码。

1. AM 调制算法

1.1 算法描述

用调制信号去控制载波的幅度，使其按照调制信号的规律变化，当调制信号是模拟信号时，这个过程就被称为调幅（AM）。AM 信号的时域表达式为：

[s_{AM}(t)=left[A_0+m(t)right]cos{omega_ct} tag{1} ]

式中：(A_0) 为外加的直流分量；(m(t)) 是调制信号（携带要发出去的信息），它可以是确知信号，也可以是随机信号，其均值通常为 0；(cos{omega_ct}) 是载波，(omega_c) 是载波角频率，与载波频率 (f_c) 之间的关系为 (omega_c=2{pi}f_c)。

对式 ((1)) 进行傅里叶变换，得到 AM 信号的频谱（幅度谱）表达式：

[S_{AM}(omega)={pi}A_0left[delta(omega+omega_c)+delta(omega-omega_c)right]+frac{1}{2}left[M(omega+omega_c)+M(omega-omega_c)right] tag{2} ]

式中，(M(omega)) 是调制信号 (m(t)) 的频谱。AM 信号的特性如下：

({lvert}m(t){rvert}_{max}) 与 (A_0) 的比值被称为调幅深度，或者调制指数，即 ({beta}={{lvert}m(t){rvert}_{max}}/{A_0})，取值范围为 ((0,1])，若调幅深度比 1 大，AM 信号的包络会出现严重失真，此时无法用包络检波法从 (s_{AM}(t)) 中解调出 (m(t))。在接收端估算调制指数时，可以先提取信号包络 (A(t))，然后使用公式

[hat{beta}=frac{A_{max}-A_{min}}{A_{max}+A_{min}} tag{3} ]

对调制指数进行估算。
AM 信号的频谱由载波分量、上边带、下边带三部分组成。上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。因此，AM 信号是带有载波分量的双边带信号，它的带宽是基带信号（调制信号）带宽 (f_H) 的 2 倍，即 (B_{AM}=2f_{H})。
有用功率 (P_s)（用于传输有用信息的总边带功率）占信号总功率 (P_{AM}) 的比例被称为调制效率，即

[{eta}_{AM}=frac{P_s}{P_{AM}}=frac{P_s}{{P_c}+{P_s}}=frac{overline{m^2(t)}}{A_0^2+overline{m^2(t)}} tag{4} ]

式中 (P_c) 为载波功率，有 (P_c={A_0^2}/2)，(P_s) 为边带功率，有 (P_s=overline{m^2(t)}/2)。当调制信号 (m(t)) 为单频信号时，调制效率 ({eta}_{AM}) 与调制指数 ({beta}_{AM}) 存在如下关系：

[{eta}_{AM}=frac{{beta}_{AM}^2}{2+{beta}_{AM}^2} tag{5} ]

可得最大 AM 调制效率为 (1/3)，因此 AM 信号的功率利用率比较低。

1.2 调制信号 m(t) 为确知信号时

不妨假设确知信号 (m(t)) 的时域表达式如下：

[m(t) = sin(2{pi}{f_m}t)+cos({pi}{f_m}t) tag{6} ]

各调制参数取值：(f_m=2500Hz)，({beta}=0.8)，(f_c=20000Hz)。信号采样率 (f_s=8{f_c})，仿真总时长为 (2s)。AM 调制效果如下图所示（为了美观，时域只显示前 500 个点），调制信号 (m(t)) 双边幅度谱有四根离散谱线（({pm}2500Hz)、({pm}1250Hz)），高频载波 (c(t)) 双边幅度谱有两根离散谱线（({pm}20000Hz)），AM 调幅信号 (s(t)) 双边幅度谱有十根离散谱线（({pm}22500Hz)、({pm}21250Hz)、({pm}20000Hz)、({pm}18750Hz)、({pm}17500Hz)）。

代码详见附录 main_modAM_example1.m 与 mod_am.m。

1.3 调制信号 m(t) 为随机信号时

不妨假设基带信号带宽为 ({f_H}=3000Hz)，各调制参数取值：({beta}=0.8)，(f_c=20000Hz)。信号采样率 (f_s=8{f_c})，仿真总时长为 (2s)。AM 调制效果如下图所示（为了美观，时域只显示前 500 个点），调制信号 (m(t)) 双边幅度谱中间谱峰的范围约为 (-3000Hz{sim}3000Hz)，高频载波 (c(t)) 双边幅度谱有两根离散谱线（({pm}20000Hz)），AM 调幅信号 (s(t)) 双边幅度谱有两根离散谱线（({pm}20000Hz)）及两个谱峰（范围约为 (-23000Hz{sim}-17000Hz)、(17000Hz{sim}23000Hz)）。

代码详见附录 main_modAM_example2.m 与 mod_am.m。

2. AM 解调算法

解调是调制的逆过程，其作用是从接收的已调信号中恢复原基带信号（即调制信号）。AM 解调的方法可分为两类：相干解调和非相干解调（包络检波），一般都采用包络检波。对上面 1.2 节中生成的 AM 信号加高斯白噪声，假设信噪比 (SNR=50dB)，加噪后的波形及频谱如下图所示（为了美观，时域只显示前 500 个点），频谱中有十根离散谱线（({pm}22500Hz)、({pm}21250Hz)、({pm}20000Hz)、({pm}18750Hz)、({pm}17500Hz)）：

下面分别用几种不同方法对这个 AM 接收信号进行解调。

2.1 非相干解调（包络检波）

AM 信号在满足 ({beta}{leq}1) 的条件下，其包络与调制信号 (m(t)) 的形状完全一样，因此可以从信号包络中提取调制信号。AM 非相干解调（包络检波）一般有以下三个步骤：

第一步：全波整流（对 (s(t)) 取绝对值）或半波整流（将 (s(t)) 小于 (0) 的地方置零）。
第二步：低通滤波器滤除高频载波，滤除 (2{omega}_c) 或 ({omega}_c)。
第三步：去除直流分量（减去自身均值）。

每一步结果的时域波形及频谱如下（为了美观，时域只显示前 500 个点）。全波整流结果的双边幅度谱中有二十根离散的谱线（(0Hz)、({pm}1250Hz)、({pm}2500Hz)、({pm}37500Hz)、({pm}38750Hz)、({pm}40000Hz)、({pm}41250Hz)、({pm}42500Hz)、({pm}77500Hz)、({pm}78750Hz)、(-80000Hz)）。经过低通滤波后，只剩零频附近的五根谱线强度较大（(0Hz)、({pm}2500Hz)、({pm}1250Hz)），剩余谱线可忽略。进一步去除直流后，只剩下调制信号中的四根谱线（({pm}2500Hz)、({pm}1250Hz)），剩余谱线可忽略，此时的时域波形就是 AM 非相干解调的结果。

解调信号 (hat{m}(t)) 与调制信号 (m(t)) 的对比效果如下：

解调信号与调制信号波形基本一致，它们之间只相差一个比例系数，由 (k=overline{{lvert}m(t){rvert}}/overline{{lvert}hat{m}(t){rvert}}) 可计算出这个比例系数约为 (1.6567)，使用这个系数放大解调信号幅值，然后计算误差，有：(sqrt{sum{{lvert}m(t_i)-khat{m}(t_i){rvert}^2}}/sqrt{sum{{lvert}m(t_i){rvert}^2}}approx0.0054)。代码详见附录 main_demodAM_example1.m 与 demod_am_method1.m。

2.2 相干解调

相干解调时，为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个与调制载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为相干载波，可使用锁相环技术得到）。AM 相干解调一般有以下三个步骤：

第一步：乘以相干载波（即乘以 (2cos({omega_ct}+{phi_0}))，前面的 2 被用来做幅度补偿，详见《通信原理》教材）。
第二步：低通滤波器滤除高频载波，滤除 (2{omega}_c)。
第三步：去除直流分量（减去自身均值）。

解调时不妨取相干载波初相位为 ({phi_0}=0)，更靠谱点的需使用锁相环技术。每一步结果的时域波形及频谱如下（为了美观，时域只显示前 500 个点）。乘以相干载波结果的双边幅度谱中有十五根离散的谱线（(0Hz)、({pm}1250Hz)、({pm}2500Hz)、({pm}37500Hz)、({pm}38750Hz)、({pm}40000Hz)、({pm}41250Hz)、({pm}42500Hz)）。经过低通滤波后，只剩零频附近的五根谱线强度较大（(0Hz)、({pm}2500Hz)、({pm}1250Hz)），剩余谱线可忽略。进一步去除直流后，只剩下调制信号中的四根谱线（({pm}2500Hz)、({pm}1250Hz)），剩余谱线可忽略，此时的时域波形就是 AM 相干解调的结果。

解调信号 (hat{m}(t)) 与调制信号 (m(t)) 的对比效果如下：

解调信号与调制信号波形基本重回，计算误差，有：(sqrt{sum{{lvert}m(t_i)-hat{m}(t_i){rvert}^2}}/sqrt{sum{{lvert}m(t_i){rvert}^2}}approx0.0053)。更改相干载波的初始相位为 ({phi_0}=pi/4,pi/2)，或者更改相干载波的中心频率为 (0.8f_c,1.2f_c) 后，解调效果变差，说明这种方法对相干载波同频同相的要求较高，鲁棒性不够强悍，可使用锁相环技术来改善这一缺点。代码详见附录 main_demodAM_example2.m 与 demod_am_method2.m。

2.3 数字正交解调

数字正交解调也属于相干解调的一种，但这种方法具有较强的抗载频失配能力，不要求相干载波严格的同频同相。AM 数字正交解调一般有以下四个步骤：

第一步：乘以正交相干载波得到 ({s_I}(t)) 与 ({s_Q}(t))，即 ({s_I}(t)=2s(t)cos({omega_ct}+{phi_0}))，({s_Q}(t)=-2s(t)sin({omega_ct}+{phi_0}))，前面的 2 被用来做幅度补偿。
第二步：低通滤波器滤除 ({s_I}(t)) 与 ({s_Q}(t)) 中的高频分量。
第三步：计算包络 (A(t)=sqrt{{s_I^2}(t)+{s_Q^2}(t)})。
第四步：去除直流分量（减去自身均值）。

解调时不妨取相干载波初相位为 ({phi_0}=0)。第一步结果的时域波形及频谱如下（为了美观，时域只显示前 500 个点）。乘以正交相干载波后，(I) 路双边幅度谱中有十五根离散谱线（(0Hz)、({pm}1250Hz)、({pm}2500Hz)、({pm}37500Hz)、({pm}38750Hz)、({pm}40000Hz)、({pm}41250Hz)、({pm}42500Hz)），(Q) 路双边幅度谱中有十根离散谱线（({pm}37500Hz)、({pm}38750Hz)、({pm}40000Hz)、({pm}41250Hz)、({pm}42500Hz)）。

第二步结果的时域波形及频谱如下（为了美观，时域只显示前 500 个点）。经过低通滤波后，(I) 路双边幅度谱只剩零频附近的五根谱线强度较大（(0Hz)、({pm}2500Hz)、({pm}1250Hz)），剩余谱线可忽略，(Q) 路双边幅度谱各谱线相对于 (I) 路而言都可忽略。

第三步以及第四步的时域波形及频谱如下（为了美观，时域只显示前 500 个点）。计算所得包络的双边幅度谱中，只剩零频附近的五根谱线强度较大（(0Hz)、({pm}2500Hz)、({pm}1250Hz)），剩余谱线可忽略，进一步去除直流后，只剩下调制信号中的四根谱线（({pm}2500Hz)、({pm}1250Hz)），剩余谱线可忽略，此时的时域波形就是 AM 相干解调的结果。

解调信号 (hat{m}(t)) 与调制信号 (m(t)) 的对比效果如下：

解调信号与调制信号波形基本重回，计算误差，有：(sqrt{sum{{lvert}m(t_i)-hat{m}(t_i){rvert}^2}}/sqrt{sum{{lvert}m(t_i){rvert}^2}}approx0.0053)。更改相干载波的初始相位为 ({phi_0}=pi/4,pi/2)，或者更改相干载波的中心频率为 (0.8f_c,1.2f_c) 后，解调效果依然很好，说明这种方法具有较好的抗载频失配能力。代码详见附录 main_demodAM_example3.m 与 demod_am_method3.m。

2.4 非相干解调（包络检波 - 希尔伯特变换法）

根据信号的希尔伯特变换，可以计算出 AM 信号的包络，这种方法用 MATLAB 实现极为简单，解调时无需任何载频信息：

第一步：计算 AM 信号的希尔伯特变换，得到一个复信号（实部为原 AM 信号，虚部为其希尔伯特变换结果），对所得复信号取模，即为 AM 信号的包络。
第二步：去除直流分量（减去自身均值）。

每一步结果的时域波形及频谱如下（为了美观，时域只显示前 500 个点）。希尔伯特变换所得包络的双边幅度谱中有五根离散的谱线（(0Hz)、({pm}1250Hz)、({pm}2500Hz)）。去除直流后，只剩下调制信号中的四根谱线（({pm}2500Hz)、({pm}1250Hz)），剩余谱线可忽略，此时的时域波形就是 AM 非相干解调的结果。

解调信号 (hat{m}(t)) 与调制信号 (m(t)) 的对比效果如下：

解调信号与调制信号波形基本重回，计算误差，有：(sqrt{sum{{lvert}m(t_i)-hat{m}(t_i){rvert}^2}}/sqrt{sum{{lvert}m(t_i){rvert}^2}}approx0.0054)。代码详见附录 main_demodAM_example4.m 与 demod_am_method4.m。

3. AM 仿真（MATLAB Communications Toolbox）

MATLAB 的 Communications Toolbox 中提供了 AM 调制函数 ammod，高斯白噪声函数 awgn，以及 AM 解调函数 amdemod，可以很方便地完成 AM 信号仿真。使用这三个函数实现上面 1.2 节中确知信号 (m(t)) 的 AM 调制解调，调制后加噪声的效果如下：

解调效果如下：

解调信号与调制信号波形基本重回，计算误差，有：(sqrt{sum{{lvert}m(t_i)-hat{m}(t_i){rvert}^2}}/sqrt{sum{{lvert}m(t_i){rvert}^2}}approx0.0074)。代码详见附录 main_CommAM_example.m。

参考资料

[1] 楼才义,徐建良,杨小牛.软件无线电原理与应用[M].电子工业出版社,2014.

[2] 樊昌信,曹丽娜.通信原理.第7版[M].国防工业出版社,2012.

[3] CSDN - 幅度调制AM。

[4] 知乎 - 什么是AM波的调制指数和传输效率？。

附录代码

附.1 文件 mod_am.m

function [ sig_am ] = mod_am(fc, beta, fs, mt, t) % MOD_AM        AM 调幅 % 输入参数： %       fc      载波中心频率 %       beta    调幅深度/调制指数 %       fs      信号采样率 %       mt      调制信号 %       t       采样时间 % 输出参数： %       sig_am  调幅(AM)实信号 % @author 木三百川  % 计算直流分量 A0 = max(abs(mt))/beta;  % 生成信号 ct = cos(2*pi*fc*t);      % 载波信号 sig_am = (A0+mt).*ct;     % AM调幅信号  % 绘图 nfft = length(sig_am); freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft); figure;set(gcf,'color','w'); plot_length = min(500, length(sig_am)); subplot(3,2,1); plot(t(1:plot_length), mt(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('调制信号m(t)'); subplot(3,2,2); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(mt,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('调制信号m(t)双边幅度谱');  subplot(3,2,3); plot(t(1:plot_length), ct(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('高频载波c(t)'); subplot(3,2,4); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(ct,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('高频载波c(t)双边幅度谱');  subplot(3,2,5); plot(t(1:plot_length), sig_am(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('AM调幅信号s(t)'); subplot(3,2,6); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('AM调幅信号s(t)双边幅度谱');  end

附.2 文件 main_modAM_example1.m

clc; clear; close all; % AM 调制仿真(调制信号为确知信号) % @author 木三百川  % 调制参数 fm = 2500;              % 调制信号参数 beta = 0.8;             % 调幅深度/调制指数 fc = 20000;             % 载波频率 fs = 8*fc;              % 采样率 total_time = 2;         % 仿真时长，单位：秒  % 采样时间 t = 0:1/fs:total_time-1/fs;  % 调制信号为确知信号 mt = sin(2*pi*fm*t)+cos(pi*fm*t);  % AM 调制 [ sig_am ] = mod_am(fc, beta, fs, mt, t);

附.3 文件 main_modAM_example2.m

clc; clear; close all; % AM 调制仿真(调制信号为随机信号) % @author 木三百川  % 调制参数 fH = 3000;          	% 基带信号带宽 beta = 0.8;             % 调幅深度/调制指数 fc = 20000;             % 载波频率 fs = 8*fc;              % 采样率 total_time = 2;         % 仿真时长，单位：秒  % 采样时间 t = 0:1/fs:total_time-1/fs;  % 调制信号为随机信号 mt = randn(size(t)); b = fir1(512, fH/(fs/2), 'low'); mt = filter(b,1,mt); mt = mt - mean(mt);  % AM 调制 [ sig_am ] = mod_am(fc, beta, fs, mt, t);

附.4 文件 demod_am_method1.m

function [ sig_am_demod ] = demod_am_method1(sig_am_receive, fc, fs, t) % DEMOD_AM_METHOD1        AM 非相干解调（包络检波） % 输入参数： %       sig_am_receive      AM 接收信号，行向量 %       fc                  载波中心频率 %       fs                  信号采样率 %       t                   采样时间 % 输出参数： %       sig_am_demod        解调结果，与 sig_am_receive 等长 % @author 木三百川  % 第一步：全波整流 sig_am_abs = abs(sig_am_receive);  % 第二步：低通滤波(补零进行时延修正) b = fir1(256, fc/(fs/2), 'low'); sig_am_lpf = filter(b,1,[sig_am_abs,zeros(1, fix(length(b)/2))]); sig_am_lpf = sig_am_lpf(fix(length(b)/2)+1:end);  % 第三步：去除直流分量 sig_am_demod = sig_am_lpf - mean(sig_am_lpf);  % 绘图 nfft = length(sig_am_abs); freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft); figure;set(gcf,'color','w'); plot_length = min(500, length(sig_am_abs)); subplot(3,2,1); plot(t(1:plot_length), sig_am_abs(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('全波整流结果'); subplot(3,2,2); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_abs,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('全波整流结果双边幅度谱');  subplot(3,2,3); plot(t(1:plot_length), sig_am_lpf(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('低通滤波结果'); subplot(3,2,4); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_lpf,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('低通滤波结果双边幅度谱');  subplot(3,2,5); plot(t(1:plot_length), sig_am_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('（去除直流）解调结果'); subplot(3,2,6); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_demod,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('（去除直流）解调结果双边幅度谱');  end

附.5 文件 main_demodAM_example1.m

clc; clear; close all; % AM 解调仿真(调制信号为确知信号，非相干解调/包络检波) % @author 木三百川  % 调制参数 fm = 2500;              % 调制信号参数 beta = 0.8;             % 调幅深度/调制指数 fc = 20000;             % 载波频率 fs = 8*fc;              % 采样率 total_time = 2;         % 仿真时长，单位：秒  % 采样时间 t = 0:1/fs:total_time-1/fs;  % 调制信号为确知信号 mt = sin(2*pi*fm*t)+cos(pi*fm*t);  % AM 调制 [ sig_am_send ] = mod_am(fc, beta, fs, mt, t);  % 加噪声 snr = 50;               % 信噪比 sig_am_receive = awgn(sig_am_send, snr, 'measured');  % 非相干解调 [ sig_am_demod ] = demod_am_method1(sig_am_receive, fc, fs, t);  % 绘图 nfft = length(sig_am_receive); freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft); figure;set(gcf,'color','w'); plot_length = min(500, length(sig_am_receive)); subplot(1,2,1); plot(t(1:plot_length), sig_am_receive(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('AM接收信号'); subplot(1,2,2); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_receive,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('AM接收信号双边幅度谱');  figure;set(gcf,'color','w'); plot(t(1:plot_length), mt(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); hold on; plot(t(1:plot_length), sig_am_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('解调效果'); legend('调制信号','解调信号');  coef = mean(abs(mt))/mean(abs(sig_am_demod)); fprintf('norm(调制信号 - %.2f * 解调信号)/norm(调制信号) = %.4f.n', coef, norm(mt-coef*sig_am_demod)/norm(mt));

附.6 文件 demod_am_method2.m

function [ sig_am_demod ] = demod_am_method2(sig_am_receive, fc, fs, t, phi0) % DEMOD_AM_METHOD2        AM 相干解调 % 输入参数： %       sig_am_receive      AM 接收信号，行向量 %       fc                  载波中心频率 %       fs                  信号采样率 %       t                   采样时间 %       phi0                相干载波初始相位 % 输出参数： %       sig_am_demod        解调结果，与 sig_am_receive 等长 % @author 木三百川  % 第一步：乘以相干载波 ct = 2*cos(2*pi*fc*t+phi0); sig_am_ct = sig_am_receive.*ct;  % 第二步：低通滤波(补零进行时延修正) b = fir1(256, fc/(fs/2), 'low'); sig_am_lpf = filter(b,1,[sig_am_ct,zeros(1, fix(length(b)/2))]); sig_am_lpf = sig_am_lpf(fix(length(b)/2)+1:end);  % 第三步：去除直流分量 sig_am_demod = sig_am_lpf - mean(sig_am_lpf);  % 绘图 nfft = length(sig_am_ct); freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft); figure;set(gcf,'color','w'); plot_length = min(500, length(sig_am_ct)); subplot(3,2,1); plot(t(1:plot_length), sig_am_ct(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('乘以相干载波结果'); subplot(3,2,2); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_ct,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('乘以相干载波结果双边幅度谱');  subplot(3,2,3); plot(t(1:plot_length), sig_am_lpf(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('低通滤波结果'); subplot(3,2,4); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_lpf,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('低通滤波结果双边幅度谱');  subplot(3,2,5); plot(t(1:plot_length), sig_am_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('（去除直流）解调结果'); subplot(3,2,6); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_demod,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('（去除直流）解调结果双边幅度谱');  end

附.7 文件 main_demodAM_example2.m

clc; clear; close all; % AM 解调仿真(调制信号为确知信号，相干解调) % @author 木三百川  % 调制参数 fm = 2500;              % 调制信号参数 beta = 0.8;             % 调幅深度/调制指数 fc = 20000;             % 载波频率 fs = 8*fc;              % 采样率 total_time = 2;         % 仿真时长，单位：秒  % 采样时间 t = 0:1/fs:total_time-1/fs;  % 调制信号为确知信号 mt = sin(2*pi*fm*t)+cos(pi*fm*t);  % AM 调制 [ sig_am_send ] = mod_am(fc, beta, fs, mt, t);  % 加噪声 snr = 50;               % 信噪比 sig_am_receive = awgn(sig_am_send, snr, 'measured');  % 非相干解调 phi0 = 0;               % 相干载波初相位 [ sig_am_demod ] = demod_am_method2(sig_am_receive, fc, fs, t, phi0);  % 绘图 nfft = length(sig_am_receive); freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft); figure;set(gcf,'color','w'); plot_length = min(500, length(sig_am_receive)); subplot(1,2,1); plot(t(1:plot_length), sig_am_receive(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('AM接收信号'); subplot(1,2,2); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_receive,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('AM接收信号双边幅度谱');  figure;set(gcf,'color','w'); plot(t(1:plot_length), mt(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); hold on; plot(t(1:plot_length), sig_am_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('解调效果'); legend('调制信号','解调信号');  coef = mean(abs(mt))/mean(abs(sig_am_demod)); fprintf('norm(调制信号 - %.2f * 解调信号)/norm(调制信号) = %.4f.n', coef, norm(mt-coef*sig_am_demod)/norm(mt));

附.8 文件 demod_am_method3.m

function [ sig_am_demod ] = demod_am_method3(sig_am_receive, fc, fs, t, phi0) % DEMOD_AM_METHOD3        AM 数字正交解调/相干解调 % 输入参数： %       sig_am_receive      AM 接收信号，行向量 %       fc                  载波中心频率 %       fs                  信号采样率 %       t                   采样时间 %       phi0                相干载波初始相位 % 输出参数： %       sig_am_demod        解调结果，与 sig_am_receive 等长 % @author 木三百川  % 第一步：乘以正交相干载波 sig_am_i = 2*sig_am_receive.*cos(2*pi*fc*t+phi0); sig_am_q = -2*sig_am_receive.*sin(2*pi*fc*t+phi0);  % 第二步：低通滤波(补零进行时延修正) b = fir1(256, fc/(fs/2), 'low'); sig_am_i_lpf = filter(b,1,[sig_am_i,zeros(1,fix(length(b)/2))]); sig_am_q_lpf = filter(b,1,[sig_am_q,zeros(1,fix(length(b)/2))]); sig_am_i_lpf = sig_am_i_lpf(fix(length(b)/2)+1:end); sig_am_q_lpf = sig_am_q_lpf(fix(length(b)/2)+1:end);  % 第三步：计算包络 At = sqrt(sig_am_i_lpf.^2 + sig_am_q_lpf.^2);  % 第四步：去除直流分量 sig_am_demod = At - mean(At);  % 绘图 nfft = length(sig_am_receive); freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft); figure;set(gcf,'color','w'); plot_length = min(500, length(sig_am_receive)); subplot(2,2,1); plot(t(1:plot_length), sig_am_i(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('乘以正交相干载波 I 路结果'); subplot(2,2,2); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_i,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('乘以正交相干载波 I 路结果双边幅度谱'); subplot(2,2,3); plot(t(1:plot_length), sig_am_q(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('乘以正交相干载波 Q 路结果'); subplot(2,2,4); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_q,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('乘以正交相干载波 Q 路结果双边幅度谱');  figure;set(gcf,'color','w'); subplot(2,2,1); plot(t(1:plot_length), sig_am_i_lpf(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('低通滤波 I 路结果'); subplot(2,2,2); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_i_lpf,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('低通滤波 I 路结果双边幅度谱'); subplot(2,2,3); plot(t(1:plot_length), sig_am_q_lpf(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('低通滤波 Q 路结果'); subplot(2,2,4); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_q_lpf,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('低通滤波 Q 路结果双边幅度谱');  figure;set(gcf,'color','w'); subplot(2,2,1); plot(t(1:plot_length), At(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('计算包络结果'); subplot(2,2,2); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(At,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('计算包络结果双边幅度谱'); subplot(2,2,3); plot(t(1:plot_length), sig_am_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('（去除直流）解调结果'); subplot(2,2,4); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_demod,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('（去除直流）解调结果双边幅度谱');  end

附.9 文件 main_demodAM_example3.m

clc; clear; close all; % AM 解调仿真(调制信号为确知信号，数字正交解调/相干解调) % @author 木三百川  % 调制参数 fm = 2500;              % 调制信号参数 beta = 0.8;             % 调幅深度/调制指数 fc = 20000;             % 载波频率 fs = 8*fc;              % 采样率 total_time = 2;         % 仿真时长，单位：秒  % 采样时间 t = 0:1/fs:total_time-1/fs;  % 调制信号为确知信号 mt = sin(2*pi*fm*t)+cos(pi*fm*t);  % AM 调制 [ sig_am_send ] = mod_am(fc, beta, fs, mt, t);  % 加噪声 snr = 50;               % 信噪比 sig_am_receive = awgn(sig_am_send, snr, 'measured');  % 非相干解调 phi0 = 0;               % 相干载波初相位 [ sig_am_demod ] = demod_am_method3(sig_am_receive, fc, fs, t, phi0);  % 绘图 nfft = length(sig_am_receive); freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft); figure;set(gcf,'color','w'); plot_length = min(500, length(sig_am_receive)); subplot(1,2,1); plot(t(1:plot_length), sig_am_receive(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('AM接收信号'); subplot(1,2,2); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_receive,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('AM接收信号双边幅度谱');  figure;set(gcf,'color','w'); plot(t(1:plot_length), mt(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); hold on; plot(t(1:plot_length), sig_am_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('解调效果'); legend('调制信号','解调信号');  coef = mean(abs(mt))/mean(abs(sig_am_demod)); fprintf('norm(调制信号 - %.2f * 解调信号)/norm(调制信号) = %.4f.n', coef, norm(mt-coef*sig_am_demod)/norm(mt));

附.10 文件 demod_am_method4.m

function [ sig_am_demod ] = demod_am_method4(sig_am_receive, fs, t) % DEMOD_AM_METHOD1        AM 非相干解调（包络检波，Hilbert变换计算包络） % 输入参数： %       sig_am_receive      AM 接收信号，行向量 %       fs                  信号采样率 %       t                   采样时间 % 输出参数： %       sig_am_demod        解调结果，与 sig_am_receive 等长 % @author 木三百川  % 第一步：计算信号包络 sig_am_envelope = abs(hilbert(sig_am_receive));  % 第二步：去除直流分量 sig_am_demod = sig_am_envelope - mean(sig_am_envelope);  % 绘图 nfft = length(sig_am_envelope); freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft); figure;set(gcf,'color','w'); plot_length = min(500, length(sig_am_envelope)); subplot(2,2,1); plot(t(1:plot_length), sig_am_envelope(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('Hilbert变换计算包络结果'); subplot(2,2,2); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_envelope,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('Hilbert变换计算包络结果双边幅度谱'); subplot(2,2,3); plot(t(1:plot_length), sig_am_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('（去除直流）解调结果'); subplot(2,2,4); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_demod,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('（去除直流）解调结果双边幅度谱');  end

附.11 文件 main_demodAM_example4.m

clc; clear; close all; % AM 解调仿真(调制信号为确知信号，非相干解调，包络检波，Hilbert变换计算包络) % @author 木三百川  % 调制参数 fm = 2500;              % 调制信号参数 beta = 0.8;             % 调幅深度/调制指数 fc = 20000;             % 载波频率 fs = 8*fc;              % 采样率 total_time = 2;         % 仿真时长，单位：秒  % 采样时间 t = 0:1/fs:total_time-1/fs;  % 调制信号为确知信号 mt = sin(2*pi*fm*t)+cos(pi*fm*t);  % AM 调制 [ sig_am_send ] = mod_am(fc, beta, fs, mt, t);  % 加噪声 snr = 50;               % 信噪比 sig_am_receive = awgn(sig_am_send, snr, 'measured');  % 非相干解调 [ sig_am_demod ] = demod_am_method4(sig_am_receive, fs, t);  % 绘图 nfft = length(sig_am_receive); freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft); figure;set(gcf,'color','w'); plot_length = min(500, length(sig_am_receive)); subplot(1,2,1); plot(t(1:plot_length), sig_am_receive(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('AM接收信号'); subplot(1,2,2); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_receive,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('AM接收信号双边幅度谱');  figure;set(gcf,'color','w'); plot(t(1:plot_length), mt(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); hold on; plot(t(1:plot_length), sig_am_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('解调效果'); legend('调制信号','解调信号');  coef = mean(abs(mt))/mean(abs(sig_am_demod)); fprintf('norm(调制信号 - %.2f * 解调信号)/norm(调制信号) = %.4f.n', coef, norm(mt-coef*sig_am_demod)/norm(mt));

附.12 文件 main_CommAM_example.m

clc; clear; close all; % AM 调制解调仿真(使用Communications Toolbox工具箱) % @author 木三百川  % 调制参数 fm = 2500;              % 调制信号参数 beta = 0.8;             % 调幅深度/调制指数 fc = 20000;             % 载波频率 fs = 8*fc;              % 采样率 total_time = 2;         % 仿真时长，单位：秒  % 采样时间 t = 0:1/fs:total_time-1/fs;  % 调制信号为确知信号 mt = sin(2*pi*fm*t)+cos(pi*fm*t);  % AM 调制 A0 = max(abs(mt))/beta; ini_phase = 0; sig_am_send = ammod(mt, fc, fs, ini_phase, A0);  % 加噪声 snr = 50;               % 信噪比 sig_am_receive = awgn(sig_am_send, snr, 'measured');  % AM 解调 [ sig_am_demod ] = amdemod(sig_am_receive, fc, fs, ini_phase, A0);  % 绘图 nfft = length(sig_am_receive); freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft); figure;set(gcf,'color','w'); plot_length = min(500, length(sig_am_receive)); subplot(1,2,1); plot(t(1:plot_length), sig_am_receive(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('AM接收信号'); subplot(1,2,2); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_receive,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('AM接收信号双边幅度谱');  figure;set(gcf,'color','w'); plot(t(1:plot_length), mt(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); hold on; plot(t(1:plot_length), sig_am_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('解调效果'); legend('调制信号','解调信号');  coef = mean(abs(mt))/mean(abs(sig_am_demod)); fprintf('norm(调制信号 - %.2f * 解调信号)/norm(调制信号) = %.4f.n', coef, norm(mt-coef*sig_am_demod)/norm(mt));

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