几种AM信号数字化解调算法比较

摘要：数字信号与模拟信号相比有很多优点，因此信号的数字化处理应用越来越普遍。作为常用信号，幅度(AM)调制信号的数字化处理也会得到更广泛的运用。通过研究3种AM信号数字化解调的算法，给出相应的解调原理、公式推导以及系统模块；采用Matlab对一段信号采用3种方法分别进行仿真解调，并对结果进行比较。在原理分析与仿真结果的基础上，通过比较获得3种方法各自的优缺点及应用场合，具有清晰明了的特点。
关键词：幅度调制；数字解调；解调算法；Matlab

0 引言
在目前的通信中，因数字信号与模拟信号相比有易于存储，可靠性高等优点，而得到了越来越广泛的应用，数字体制开始逐步取代模拟体制。许多以往的模拟信号处理部分现在正逐步被数字化变换取代，从而能够进行数字信号处理。
幅度调制(AM)方式是常见的信号调制方式之一。其原理是用调制信号去控制有用信号的幅度，使之随调制信号作变化。它的模拟解调方法有两种：相干解调和包络解调(非相干解调)。相干解调也叫同步检波，是通过接收端提供与接收的已调AM信号载波严格同步的相干载波，使其与接收的已调信号相乘后，取出低频分量得到基带信号。包络检波是通过整流器和低通滤波器直接从已调波的幅度中提取原调制信号。
AM信号的数字化解调不能使用模拟器件，因而只能采用数字器件实现解调。目前采用的主要是数字化正交解调器，本文阐述了其原理及局限性，并探讨了另外两种数字解调的方法，对这3种方法进行了比较。

1 传统正交解调法
AM信号数字化解调中广泛采用的是数字正交解调法解调，解调框图如图1所示。

收到的已调信号采样值为：
S(n)=A(n)cos(2πfcn+φ)， -∞≤n≤+∞
式中：A(n)为包含有用信息的调制信号；fc为载波频率；φ是初相。采样后信号与正交的两路本振信号直接相乘，然后经滤波器输出。该滤波器带宽取决于基带信号带宽，从而得到I／Q两路正交信号：


采用正交解调获得I／Q两路正交信号时，可以较容易地获得信号的三个特征：瞬时幅度、瞬时相位和瞬时频率，它们都是信号识别解调的基础。理想情况下，数字正交解调精度高，误差小。但其存在很大的局限性，在解调过程中需要本地恢复载波，往往需要用到数控振荡器或锁相环等器件，电路很复杂，因其恢复本地载波效果直接关系到最后的输出效果及误差，所以对器件要求较高，非常耗费资源。

2 AM信号数字化包络解调
传统方法在提取所需本地载波时需要的器件和电路非常复杂，在数字器件处理中可能会引入系统误差，甚至使信号失真。因数字信号处理比较灵活，可以利用一种算法实现AM信号的数字化包络解调，而将大大简化电路。
在AM信号调制中，有用信号包络是由各个幅值点支撑起来的，因此该算法通过采样得到幅值点来获得信号包络，实现起来较简单。假设载波频率为fc，信号采样率为fs，则在一个载波周期内应该有个采样点，n取使|fc-nfs|最小的正整数。在所有这些采样点中存在一个有用信息的幅值点，将存在于所有载波周期内的这些幅值点取出，就可得劐幅度信号包络。通过对每个载波周期内的采样值统计，在周期末输出这个周期内的最大值，可以很方便地对各幅值点之间不等间隔采样的零值作处理，且可降低倍采样速率。最后对输出的各个幅值点进行曲线拟合，即可得到调制信号的表达式。
载波周期末输出幅值和实际幅值会产生时间上的偏差，引入的相位误差为，一般载波频率和采样率都比较大，调制信号频率远小于采样率，则此相位误差很微小，通过曲线拟合更是可以忽略不计。如果一个载波周期内采样点数为整数时，幅值点的出现具有周期性，则每个周期的幅值点出现对应的样点数相同，可对幅值点计数获得固定相差，对调制信号修正。当一个载波周期内采样点数为非整数时，载波周期样点数应选择靠近实际值的整数中较小的数，以避免单周期内出现两个幅值而造成包络失真。这种解调方法原理简单，实现起来较容易，且设备资源消耗少，但由于是基于包络的检波，它对于噪声的抑制作用较弱。AM信号数字化包络解调框图如图2所示。