要理解如何進行無線資料傳輸,我們需要瞭解:
  • 什麼是頻率?
  • 資訊 / 資料訊號
    • 時間表示
    • 頻率表示,為什麼它很重要?
  • 濾波器如何工作?
  • FCC 通信頻段
  • 調變和解調
       這些主題可能您在大學專業課上學過(您也可以在維琪百科中查詢),其中涉及非常龐大的知識。此前我為高級專案組中非電子工程專業的學生準備的 PPT 中,配套介紹了這些主題――學生們期望能夠弄清楚我們談到的“900MHz”、“2.4GHz”或“跳頻”等術語。本文限於篇幅,難以對這些主題的闡述完整、徹底,忽略了專業課所涉及的很多細節,僅提供無線傳輸方面的概念性說明。
什麼是頻率?
       頻率是描述每隔多長時間振盪一次或重複一次的術語,單位為赫茲(Hz)或秒的倒數。如果每秒振盪 60 次,則其頻率為 60 Hz。在本文中,我們將主要探討音訊波(氣壓的振盪),及其如何以數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 奈米。下圖顯示了行進波單位間的關係:
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正弦波的基本單位。
        假設訊號速度?定,則波長和頻率是可以換算的,不過這已超出本文的討論範疇。
 
不同複雜性的資訊訊號
       如果發送一個純正弦波訊號(稱為“音訊”)。它不攜載任何實際資訊,聽上去也並不好聽。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 參考訊號。

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單音訊訊號(時域)
那麼為什麼要看這幅圖像呢?讓我們來看一下時域中複雜性不斷增加的訊號。這是一個雙音訊訊號(兩個音訊疊加在一起)。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。

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雙音訊訊號(時域)
那麼由多個不同頻率的音訊組成的訊號是什麼樣的呢?

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多音訊訊號(時域)
       它變得突波更多。您能在此圖中看到的唯一真實資訊便是在指定時間內的電壓電位。這就是資訊的本質,它極其重要——但也使分析變得複雜,更使瞭解調變工作變得更加困難。為此,您可能希望用另一種不同的方式(頻域)繪製訊號圖像。它顯示訊號在一系列頻率上的強度。讓我們看一下。
為何訊號的頻譜很重要?
        要將大量訊號轉換到頻域中,需要進行精密的數學運算。這項工作很困難,計算量很大,必須反復練習才能掌握。我甚至定期對那些重要訊號的進行卷積運算(convolution),練習我的轉換能力。不管怎樣,讓我們看一下以上三個訊號如何用這種形式來表示(這裡忽略中間的推演運算)。我們不再繪製訊號電壓隨時間的變化,而是繪製訊號功率隨頻率的變化。

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單音訊訊號(頻域)

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雙音訊訊號(頻域)

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多音訊訊號(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)上的數學表示。理想情況下,這些尖峰應當是無限窄(寬度)和無限高的,但是受我所使用的 Spice 軟體的技術水準限制,它是不完美的。這種訊號稱為脈衝訊號。有關此訊號的詳細說明,請閱讀此處!對於這個音訊,我們看到在頻域看到一個尖峰,在150Hz 處。而雙音訊訊號在頻域 有兩個尖峰,在 150Hz 和 300Hz 處。多音訊訊號在時域中基本無法解讀,時域訊號中眾多的小尖峰,是多個頻率點的疊加組成的。
最後舉一個例子,一個實際的音訊訊號。如下圖,我採樣了 15 秒歌手 Cream 的歌曲《白色的房間(White Room)》。不必為訊號長的模樣擔心,在 Eric Clapton 的吉他獨奏期間,任何麥克風都沒有損壞。

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音訊訊號
        這就是大多數訊號的看上去的樣子,尤其是類比訊號。人和樂器的聲音並不是在離散的頻率上播放,其頻率內容分佈在整個頻率範圍內(儘管某些內容幾乎是聽不到的)。這個範圍在 3 Hz 至 20kHz 之間,大約就是人耳能夠聽到的頻率範圍。低音部的頻率較低,高音部的頻率較高。Y 軸標度用 dB 表示,dB 表示一個比例,沒有單位。在本質上來說,dB 值越高,那個頻率對應的訊號就越高。
        理論上,我們可以用無數個音訊訊號累加之和來表示這個類比訊號。
濾波器!
      幸好頻域的圖形表示可為濾波器設計提供一些幫助。濾波器有四種類型,包括:

  • 低通濾波器:高於“截止頻率”的所有頻率都被濾除。
  • 高通濾波器:低於“截止頻率”的所有頻率都被濾除。
  • 帶通濾波器:距離“中心頻率”一定範圍外的所有頻率都被濾除。
  • 帶阻濾波器:距離“中心頻率”一定範圍內的所有頻率都被濾除。
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由上而下:帶通濾波器、低通濾波器、高通濾波器
“3dB”點是訊號輸出降低大約 30% 的地方。dB 是一個對數標度:
x [dB] = 10 * log(x[linear])
x [linear] = 10^(x[dB]/10)
        基於這個公式,x[linear] = 0.7,對應的x[dB]大約為 -3.0 dB,0.7就是70%,就是訊號衰減30%,這時對應的頻率就稱為濾波器的截止頻率。汽車音響就是一個實際的例子,它可能包括一個“分頻器”,其特殊的濾波器設計可將低頻切換至低音揚聲器、高頻切換至高音揚聲器。這對於無線接收機是非常重要的。
FCC 通信頻段
       FCC 和其他國際組織一致認為,如果任由任何人隨意使用任何頻率,那麼必然會導致絕對的混亂。因此,應為不同使用者分配不同的頻率範圍。例如分別為 FM 無線電、AM 無線電、WiFi、行動電話、海事通信、空中交通管制、業餘無線電、對講機、軍事通信、警用電臺等應用分配不同頻段。對了,我們還沒提衛星或空間通信!這真是太亂了,幸虧有 FCC 幫助管理。如果您感到好奇,不妨用google搜索一下,馬上就能找到一個更詳細的圖表。

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FCC 頻譜分配表
FCC 已為小範圍的個人應用、業餘愛好者的應用和其他一般“ISM 頻段”應用(工業、科學、醫療)預留了部分頻段。這就是 WiFi、對講機、無線感測器和其他通信設備的工作頻段。讓我們再次討論一下頻率!人耳的聽力範圍為 20Hz 至 20kHz。如果我們的 AM 電臺為 680kHz,那麼無線電塔如何將聲音變到該頻率呢?它如何避免干擾到其他電臺?接收機如何將訊號頻率轉換回可聽範圍?
調變
       讓我們離開頻域,回到時域。再次重申一下:我們的討論過於簡單,略過了很多細節!在此只是為了得到一個概念性的結果。之所以這麼說是因為,數學表示最適合在時域中使用,而圖形表示在頻域中效果最佳。
       調變的作用就是將訊號從低頻(資訊)轉換到高頻(載波)。想法很簡單:用您的資訊乘以高頻載波,例如 680 kHz,這就是 AM 廣播!稍等一下,事情果真如此簡單嗎?讓我們看幾個數學關係式。在此例中,θ 就是資訊(可聽內容),φ 是載波(例如, AM 廣播頻率)。

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       我們的 AM 訊號如果用公式來表達,涉及多個訊號的乘法運算,這在時域或頻域中是很難想像的,因為我們僅僅看到音訊是什麼樣的。但是上述這種對應關係告訴我們:兩個訊號相乘可用兩個訊號相加來表示!現在,我們很容易在頻域中繪製出經乘法運算得到的訊號。
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在載波(1000 Hz)上調變的單音訊(150 Hz)
       在此圖中,我們用 150Hz 音訊乘以 1000Hz 載波。上表顯示了兩個半功率訊號,分別位於 1000-150 和 1000+150 Hz處,也就是在 850Hz 和 1150Hz 處。那麼當經過調變後,我們每個音節的表現如何呢?

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聲音調變到 700 kHz
       不出所料,我們看到了兩個訊號。一個是載波 + 資訊,另一個是載波 - 資訊(甚至注意到它是如何反轉的)。
      這就是 AM 頻譜和訊號內容的大致圖解。

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解調
       現在我們來討論接收機。所有訊號均從天線開始,在同一時間查看所有訊號,看到的是一團亂麻。天線拾取到大量的資料,但它並不負責進行分類,這是調諧器和其他硬體的工作。訊號解調的原理與調變原理完全相同,非常方便!要將我們的音訊訊號轉回到“基頻”,並將其發送至揚聲器,我們可以再次用載波乘以所有訊號。
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       這個公式中包含一大串數學函數、括弧和頻率變數。不過它是對的,我們由此匯出了四個訊號:
  • 1/4 功率訊號,(2*載波 + 資訊)
  • 1/4 功率訊號,(資訊)
  • 1/4 功率訊號,(2*載波 - 資訊)
  • 1/4 功率訊號,(-資訊)
       讓我們忽略這個包含負頻率的項,它是我們討論調變及涉及的運算時,常常會出現的數學產物。在雙倍載波上的兩個訊號(假設載波遠大於資訊,它們幾乎是相同的)可用低通濾波器濾出。低通濾波器會阻斷訊號的所有高頻內容,於是只將原始資訊留給我們。我們可用放大器放大原始資訊,然後發送到揚聲器。太酷了!這就是它的圖像,但是要向後延遲一點。
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結論
        本文的目的是高度概括地介紹無線電訊號是如何傳輸和調變的。通過將多個音訊(或基頻)訊號乘以不同的高頻訊號(載波),我們可以通過同一個通道成功傳輸多個資料流程而不會相互干擾。再次用載波相乘,將調變的訊號轉換回基頻,再用低通濾波器和放大器清理並放大訊號,即可讓我們聽到各種美妙動聽的聲音!如想加入討論,請在下方留言!