当你想到信号调制的进步时，你的精神时光机可能会回到21世纪之交和NTT DOCOMO在2004年初提出的“超级3G”LTE。但在100多年前，1900年6月3日，在巴西的<s:1>圣保罗市，罗伯托·兰德尔·德·莫拉神父演示了利用调幅将语音信息传输到8公里以外的地方。几个月后，1900年12月23日，雷金纳德·奥布里·费森登成功地传输了大约1.6公里的调幅信号。在这些传输发生以来的近123年中，可以说没有调制方案比调幅(AM)在世界历史上具有更大的意义。
虽然调幅是远距离传输和接收信号的一种廉价和简单的方式，但它也容易受到自然和人为噪音的影响，这些噪音往往也是调幅的。在本文中，我们首先回顾了一些传统频段的重要性，在这些频段中，调幅多年来一直被使用，以及为什么它在今天仍然很重要。接下来，我们在时域和频域描述调幅的基本原理，使我们能够进一步深入研究其优点和缺点。最后，我们讨论了振幅调制仍然起关键作用的现代调制方案。
调幅无线电通信的出现
许多早期的先驱者尝试调幅信号的工作是在火花隙型无线电报发射机上进行的。这种方法的困难之一是可靠地实现足够的火花频率来调制。在第一次世界大战期间，二极管检测器以及真空管(“阀”)振荡器和放大器技术的发展大大推进了发射器和接收器的设计。1915年底，在英国，查尔斯·埃德蒙·普林斯(Charles Edmond Prince)领导的布鲁克兰(Brooklands)开发小组搬到肯特(Kent)的乔伊斯·格林(Joyce Green)后不久，普林斯的团队演示了第一批记录的AM CW上行链路到飞行中的飞机之一。1916年2月，在法国的圣奥梅尔，这种演示被重复了一遍，当时飞机发出的清晰声音从20英里外就被接收到了。
使用的机载无线电是Tuner Aircraft Valve Mk. I.该无线电被认为覆盖了300至800米波段(375 kHz至1 MHz)，并使用单个Q阀，由6V电池为灯丝供电，100V电池为HT或高压供电。了解到这种能力的重要性后，普林斯说:“从飞机上实现真正实用的无线电话似乎几乎是不可能的，但困难已经克服了，这种新的[无线电]设备绝不是一个玩具，也不仅仅是科学兴趣。”它赋予了一种新的、惊人的力量。”
在随后的几年里，中频波段双向调幅连续通信的早期成功发展被复制到HF和VHF频段，用图1中标记为“调幅通信”的频道表示。调幅高频仍然有广泛的用途，在飞越海洋时非常重要，因为它能够长距离传播。调幅长期以来一直并将继续在VHF频段的118至137 MHz部分使用，该部分分配给飞机通信。
图1:调幅技术的主要频段、频率和应用。
我的广播
就像双向调幅通信一样，真空管技术的进步带来了更高功率的发射器和更灵敏的接收器。
1921年，美国商务部开始规范中频范围内的调幅广播，到1922年底，美国广播电台的数量增长到500多家。“到1925年，(AM)‘广播频带’由550千赫到1500千赫的频率组成，以10千赫为步长。”如图1所示，当前的调幅无线电频段从530千赫扩展到1700千赫。虽然工厂制造的收音机价格昂贵，但水晶收音机非常便宜，可以在家里制造，并且非常受公众欢迎。美国体育广播员兼作家沃尔特·拉尼尔·“瑞德”·巴伯曾经说过:“没有经历过20年代无线电爆炸的人不可能知道这对人类来说是一个里程碑，意味着什么。”突然间，有了无线电，人类就有了即时交流。我们的家不再是孤立、寂寞和寂静的。世界第一次走进我们的家。音乐纷至沓来。笑声传了进来。消息传来。有了无线电，世界缩小了。”
调幅，中频无线电信号的传输迅速到达大众，并享有巨大的成功近一个世纪，直到今天，但特别是从20世纪20年代到40年代，被称为无线电的“黄金时代”。
图1还显示了传统的电视频带和工作频率，以及这些频带中包含的频道。在广播电视中，出现在电视屏幕上的图像已经被调幅到载体上，并通过公共无线电波传输给观众。每个VHF或UHF电视频道分配的总带宽为6mhz。
时域中的幅度调制
在时域中，很容易看到发射和接收调幅背后的三角函数。这也不难想象什么是调幅信号看起来像在时域。早期无线电通信的先驱们试图用人类的声音对连续波(CW)载波进行幅度调制，并在几英里外对这个信号进行解调，这在当时被称为无线电话。查尔斯·普林斯(Charles Prince)在英国的团队发明了喉部麦克风，克服了让机组人员在非常嘈杂和多风的环境中调制航母的额外挑战。图2显示了一个非常简化的框图，其中麦克风(左)作为调幅发射机及其配套接收器的调制器，以及描述在Tx和Rx系统的各个阶段存在的波形的数学方程。此外，图2显示了一个概念的AM波形，其中包络[x(t)]的数学表达式和整个AM波形本身[x(t)cos(ω0t)]在图上标记。为了清晰起见，信封[x(t)]显示为实线。调制本身通常被称为基带信号，余弦波形被称为本地振荡器。在发射器和接收器中，混频器的RF端口都连接到天线上。
图2:带有波形表达式的简化Tx和Rx方框图以及x(t)cos(ω0t)的时域图示。
关于调幅及其数学表达式有几件事需要注意，特别是当它在接收器处解调时。也许最有趣的数学运算是，在将接收机“调谐”到所需的精确调幅“台”或频率(ω0)时，我们留下了余弦平方函数[cos2(ω0t)]。如图2所示，我们利用以下三角恒等式来改变解调信号的形式:
因此，解调产生了两个独立的信号，其数学表达式表明，一个是原始调制(我们期望的接收信号)的简单缩放版本，另一个是原始传输频率的两倍的AM信号。由于调制包络线的最高频率[x(t)]通常远小于载波频率，因此需要一个简单的低通滤波器来滤出2ω0t的调幅信号。请注意，这是一个有点过于简化的事实，以说明背后的调幅解调的数学原理。
大多数情况下，传输波形的调制包络首先通过敏感的检测器或整流器，这样载波波形的峰值被检测(整流)，将原始调制作为单端音频波形再现。进行这种检测/整流过程的低通滤波器的最简单形式的组成是一个电阻和一个电容器。
接收机从ω0到较低中频(IF)的频率转换通常发生在处理和解调之前。转换为中频的主要原因之一是在较低的频率下可以获得更高性能的组件，从而更容易处理和解调AM以及其他调制。利用这种原理将频率转换为中频，然后进行处理和解调的接收机被称为超外差接收机。超外差技术是由埃德温霍华德阿姆斯特朗于1919年发明的。
频域的幅度调制
由于傅里叶变换，在频域中理解AM相对简单。傅里叶变换是由法国数学家Jean-Baptiste Joseph Fourier提出的，它可以作为函数从时域到频域转换的数学基础。傅里叶变换F{cos(ω0t)}变成了ω的函数，记作X(ω)逐步确定cos(ω0t)的傅里叶变换的过程见附录A，结果如下所示:
由于狄拉克δ函数(δ)的独特性质，得到的频域表示为两个脉冲，每个脉冲的幅度为1/2，一个位于f0，另一个位于- f0，如下图3所示。
图3:用狄拉克函数的傅里叶变换预测的cos(2πf0t)的频域表示。
由于傅里叶变换是关于y轴对称的因为它是在-∞到+∞的区间内定义的，所以脉冲频率是负频率。实际上，负频率是不存在的，在那里有脉冲是不合理的，因为在频谱分析仪上对任何正弦信号的检查表明，信号的整个幅度位于+f0。
调制信号的频谱x(t)可以得到，如果我们简单地考虑这个独特的性质的傅里叶变换，导致正负频率分量。假设我们的调制信号x(t)在音频范围内，20 Hz到15 kHz。在这个频率范围内，频谱幅度的正负频率侧会有一个对称分布。图4显示了一个假想的音频调制频谱。
图4:在频域的20 Hz到15 kHz的音频调制。
比起连续的音频频谱，我们可以让音频变成一个单一的频率，比如10khz。这将表示为- 10khz的1 / 2振幅脉冲和+ 10khz的1 / 2振幅脉冲。
要创建调制载波波形，调制x(t)乘以载波波形cos(ω0t)。频率卷积定理指出“两个信号在时域的乘法等价于它们的频谱在频域的卷积”。定性地说，通过卷积，图4所示的音频调制频谱(非常接近DC，并且关于DC对称)由于与载波δ函数卷积而移位，现在位于载波频率的两侧。载波脉冲两侧的频谱被称为边带，这种类型的调幅被称为双边带调幅。其他形式的调幅是双向带抑制载波(DSB-SC)，它是更复杂的接收，和单边带(SSB)。发射的调幅信号频谱如图5所示。
图5:发射调幅信号的频域频谱，显示调制x(t)与cos(ω0t)的卷积。
在接收端的频域发生的事情非常有趣。记住，时域的乘法就是频域的卷积，与频域的函数的卷积会导致频移。图5中的频谱上移f0，下移f0，如图6所示。正如在时域中(图2)，我们有一个低频分量，和一个2f0的分量，同样在图5的频谱中显示。由于2f0的频率比基带调制信号大得多，后者很容易用低通滤波器分离。
图6:接收到的调幅信号与本振信号cos(ω0t)相乘后的频谱。
我是，所以我存在
AM无处不在。在这篇应用笔记中，我们回顾了调幅的历史，并赞扬了几位重要的先驱，他们在历史上留下了不可磨灭的印记。我们还研究了AM具有强大立足点并似乎将继续存在的各种应用，包括航空通信和广播。说明了调幅信号的时域和频域表示，以解释如何创建、发送和接收调幅的理论。
自AM出现以来的100多年里，电子技术的许多发展都发生了。使用火花隙发生器作为载波频率让位于真空管振荡器。最终，大多数真空管(除了大功率广播电台的真空管)将被晶体管所取代。自20世纪50年代以来，已经售出了数十亿台晶体管收音机。50多年前，在1972年，摩托罗拉推出了MC1496，一种双平衡乘频IC，该器件可以用作射频混频器，乘频器或调制器，能够产生SSB(单边带)或DSB(双边带)AM信号。MC1496还用于SSB或DSB信号的解调以及许多其他RF应用。快进50年，今天的现代手机可能在控制器IC中内置了8个双平衡乘法器，占用的空间不到千分之一。调幅仍然是一个非常重要的调制方案，不仅是因为它的寿命长，而且因为今天许多更复杂的波形，如QAM(正交调幅)依赖于它。我们将在随后的文章中专门讨论QAM。
