關(guān)于信號調(diào)制的工作原理

本文的目的是高度概括地介紹無線電信號是如何傳輸和調(diào)制的。通過將多個音頻(或基帶)信號乘以不同的高頻信號(載波)，我們可以通過同一個信道成功傳輸多個數(shù)據(jù)流而不會相互干擾。再次用載波相乘，將調(diào)制的信號轉(zhuǎn)換回基帶，再用低通濾波器和放大器清理并放大信號，即可讓我們聽到各種美妙動聽的聲音

要理解如何進行無線數(shù)據(jù)傳輸，我們需要了解：

什么是頻率? 信息 / 數(shù)據(jù)信號 時間表示 頻率表示，為什么它很重要? 濾波器如何工作? FCC 通信頻段 調(diào)制和解調(diào)

這些主題可能您在大學(xué)專業(yè)課上學(xué)過(您也可以在維基百科中查詢)，其中涉及非常龐大的知識。此前我為高級項目組中非電子工程專業(yè)的學(xué)生準(zhǔn)備的 PPT 中，配套介紹了這些主題DD學(xué)生們期望能夠弄清楚我們談到的“900MHz”、“2.4GHz”或“跳頻”等術(shù)語。本文限于篇幅，難以對這些主題的闡述完整、徹底，忽略了專業(yè)課所涉及的很多細(xì)節(jié)，僅提供無線傳輸方面的概念性說明。

什么是頻率?

頻率是描述每隔多長時間振蕩一次或重復(fù)一次的術(shù)語，單位為赫茲(Hz)或秒的倒數(shù)。如果每秒振蕩 60 次，則其頻率為 60 Hz。在本文中，我們將主要探討音頻波(氣壓的振蕩)，及其如何以數(shù)百千赫頻率從無線電臺傳播到您的車載收音機上(或任何 AM 無線電臺)。任何波都有一個頻率，光波也一樣。光波和其他更高頻率的波(例如 X 射線、伽馬射線、微波)一般用波長來表示，而不用頻率。例如，綠色光的波長大約為 400 納米。下圖顯示了行進波單位間的關(guān)系：

正弦波的基本單位。

假設(shè)信號速度恒定，則波長和頻率是可以換算的，不過這已超出本文的討論范疇。

不同復(fù)雜性的信息信號

如果發(fā)送一個純正弦波信號(稱為“音頻”)。它不攜載任何實際信息，聽上去也并不好聽。下圖是一個正弦波的圖像，X 軸為時間，Y 軸為電壓，這是一個 150 Hz 參考信號。

單音頻信號(時域)

那么為什么要看這幅圖像呢?讓我們來看一下時域中復(fù)雜性不斷增加的信號。這是一個雙音頻信號(兩個音頻疊加在一起)。此正弦波與上一個正弦波相同，只不過又加上了另一個倍頻(300 Hz)的正弦波。

雙音頻信號(時域)

那么由多個不同頻率的音頻組成的信號是什么樣的呢?

多音頻信號(時域)

它變得毛刺更多。您能在此圖中看到的唯一真實信息便是在指定時間內(nèi)的電壓電平。這就是信息的本質(zhì)，它極其重要——但也使分析變得復(fù)雜，更使了解調(diào)制工作變得更加困難。為此，您可能希望用另一種不同的方式(頻域)繪制信號圖像。它顯示信號在一系列頻率上的強度。讓我們看一下。

為何信號的頻譜很重要?

要將大量信號轉(zhuǎn)換到頻域中，需要進行精密的數(shù)學(xué)運算。這項工作很困難，計算量很大，必須反復(fù)練習(xí)才能掌握。我甚至定期對那些重要信號的進行卷積運算，練習(xí)我的轉(zhuǎn)換能力。不管怎樣，讓我們看一下以上三個信號如何用這種形式來表示(這里忽略中間的推演運算)。我們不再繪制信號電壓隨時間的變化，而是繪制信號功率隨頻率的變化。

單音頻信號(頻域)

雙音頻信號(頻域)

多音頻信號(頻域)

注意到圖中明顯的尖峰了嗎?那是正弦波在特定頻率(X 軸)上的數(shù)學(xué)表示。理想情況下，這些尖峰應(yīng)當(dāng)是無限窄(寬度)和無限高的，但是受我所使用的 Spice 軟件的技術(shù)水平限制，它是不完美的。這種信號稱為脈沖信號。有關(guān)此信號的詳細(xì)說明，請閱讀此處!對于這個音頻，我們看到在頻域看到一個尖峰，在150Hz 處。而雙音頻信號在頻域 有兩個尖峰，在 150Hz 和 300Hz 處。多音頻信號在時域中基本無法解讀，時域信號中眾多的小尖峰，是多個頻率點的疊加組成的。

最后舉一個例子，一個實際的音頻信號。如下圖，我采樣了 15 秒歌手 Cream 的歌曲《白色的房間(White Room)》。不必為信號長的摸樣擔(dān)心，在 Eric Clapton 的吉他獨奏期間，任何麥克風(fēng)都沒有損壞。

音頻信號

這就是大多數(shù)信號的看上去的樣子，尤其是模擬信號。人和樂器的聲音并不是在離散的頻率上播放，其頻率內(nèi)容分布在整個頻率范圍內(nèi)(盡管某些內(nèi)容幾乎是聽不到的)。這個范圍在 3 Hz 至 20kHz 之間，大約就是人耳能夠聽到的頻率范圍。低音部的頻率較低，高音部的頻率較高。Y 軸標(biāo)度用 dB 表示，dB 表示一個比例，沒有單位。在本質(zhì)上來說，dB 值越高，那個頻率對應(yīng)的信號就越高。

理論上，我們可以用無數(shù)個音頻信號累加之和來表示這個模擬信號。

濾波器!

幸好頻域的圖形表示可為濾波器設(shè)計提供一些幫助。濾波器有四種類型，包括：

低通濾波器：高于“截止頻率”的所有頻率都被濾除。 高通濾波器：低于“截止頻率”的所有頻率都被濾除。 帶通濾波器：距離“中心頻率”一定范圍外的所有頻率都被濾除。 帶阻濾波器：距離“中心頻率”一定范圍內(nèi)的所有頻率都被濾除。