关于信号调制的工作原理

本文的目的是高度概括地介绍无线电信号是如何传输和调制的。通过将多个音频(或基带)信号乘以不同的高频信号(载波)，我们可以通过同一个信道成功传输多个数据流而不会相互干扰。再次用载波相乘，将调制的信号转换回基带，再用低通滤波器和放大器清理并放大信号，即可让我们听到各种美妙动听的声音

要理解如何进行无线数据传输，我们需要了解：

什么是频率? 信息 / 数据信号 时间表示 频率表示，为什么它很重要? 滤波器如何工作? FCC 通信频段 调制和解调

这些主题可能您在大学专业课上学过(您也可以在维基百科中查询)，其中涉及非常庞大的知识。此前我为高级项目组中非电子工程专业的学生准备的 PPT 中，配套介绍了这些主题DD学生们期望能够弄清楚我们谈到的“900MHz”、“2.4GHz”或“跳频”等术语。本文限于篇幅，难以对这些主题的阐述完整、彻底，忽略了专业课所涉及的很多细节，仅提供无线传输方面的概念性说明。

什么是频率?

频率是描述每隔多长时间振荡一次或重复一次的术语，单位为赫兹(Hz)或秒的倒数。如果每秒振荡 60 次，则其频率为 60 Hz。在本文中，我们将主要探讨音频波(气压的振荡)，及其如何以数百千赫频率从无线电台传播到您的车载收音机上(或任何 AM 无线电台)。任何波都有一个频率，光波也一样。光波和其他更高频率的波(例如 X 射线、伽马射线、微波)一般用波长来表示，而不用频率。例如，绿色光的波长大约为 400 纳米。下图显示了行进波单位间的关系：

正弦波的基本单位。

假设信号速度恒定，则波长和频率是可以换算的，不过这已超出本文的讨论范畴。

不同复杂性的信息信号

如果发送一个纯正弦波信号(称为“音频”)。它不携载任何实际信息，听上去也并不好听。下图是一个正弦波的图像，X 轴为时间，Y 轴为电压，这是一个 150 Hz 参考信号。

单音频信号(时域)

那么为什么要看这幅图像呢?让我们来看一下时域中复杂性不断增加的信号。这是一个双音频信号(两个音频叠加在一起)。此正弦波与上一个正弦波相同，只不过又加上了另一个倍频(300 Hz)的正弦波。

双音频信号(时域)

那么由多个不同频率的音频组成的信号是什么样的呢?

多音频信号(时域)

它变得毛刺更多。您能在此图中看到的唯一真实信息便是在指定时间内的电压电平。这就是信息的本质，它极其重要——但也使分析变得复杂，更使了解调制工作变得更加困难。为此，您可能希望用另一种不同的方式(频域)绘制信号图像。它显示信号在一系列频率上的强度。让我们看一下。

为何信号的频谱很重要?

要将大量信号转换到频域中，需要进行精密的数学运算。这项工作很困难，计算量很大，必须反复练习才能掌握。我甚至定期对那些重要信号的进行卷积运算，练习我的转换能力。不管怎样，让我们看一下以上三个信号如何用这种形式来表示(这里忽略中间的推演运算)。我们不再绘制信号电压随时间的变化，而是绘制信号功率随频率的变化。

单音频信号(频域)

双音频信号(频域)

多音频信号(频域)

注意到图中明显的尖峰了吗?那是正弦波在特定频率(X 轴)上的数学表示。理想情况下，这些尖峰应当是无限窄(宽度)和无限高的，但是受我所使用的 Spice 软件的技术水平限制，它是不完美的。这种信号称为脉冲信号。有关此信号的详细说明，请阅读此处!对于这个音频，我们看到在频域看到一个尖峰，在150Hz 处。而双音频信号在频域 有两个尖峰，在 150Hz 和 300Hz 处。多音频信号在时域中基本无法解读，时域信号中众多的小尖峰，是多个频率点的叠加组成的。

最后举一个例子，一个实际的音频信号。如下图，我采样了 15 秒歌手 Cream 的歌曲《白色的房间(White Room)》。不必为信号长的摸样担心，在 Eric Clapton 的吉他独奏期间，任何麦克风都没有损坏。

音频信号

这就是大多数信号的看上去的样子，尤其是模拟信号。人和乐器的声音并不是在离散的频率上播放，其频率内容分布在整个频率范围内(尽管某些内容几乎是听不到的)。这个范围在 3 Hz 至 20kHz 之间，大约就是人耳能够听到的频率范围。低音部的频率较低，高音部的频率较高。Y 轴标度用 dB 表示，dB 表示一个比例，没有单位。在本质上来说，dB 值越高，那个频率对应的信号就越高。

理论上，我们可以用无数个音频信号累加之和来表示这个模拟信号。

滤波器!

幸好频域的图形表示可为滤波器设计提供一些帮助。滤波器有四种类型，包括：

低通滤波器：高于“截止频率”的所有频率都被滤除。 高通滤波器：低于“截止频率”的所有频率都被滤除。 带通滤波器：距离“中心频率”一定范围外的所有频率都被滤除。 带阻滤波器：距离“中心频率”一定范围内的所有频率都被滤除。