要理解如何進行無線數據傳輸，我們需要了解：

 

什麼是頻率？

 

信息/數據信號

 

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

 

調製和解調

 

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，僅提供無線傳輸方麵的概念性說明。

 

 

頻率是描述每隔多長時間振蕩一次或重複一次的術語
，單位為赫茲（Hz）或秒的倒數。如果每秒振蕩60次，則其頻率為60Hz。在本文中，我們將主要探討音頻波（氣壓的振蕩），及其如何以數百千赫頻率從無線電台傳播到您的車載收音機上（或任何AM無線電台）。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係：

 

正弦波的基本單位。

 

假設信號速度恒定，則波長和頻率是可以換算的，不過這已超出本文的討論範疇。

 

 

如果發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150Hz參考信號。

 

單音頻信號（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，隻不過又加上了另一個倍頻（300Hz）的正弦波。

 

雙音頻信號（時域）

 

那麼由多個不同頻率的音頻組成的信號是什麼樣的呢？

 

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的電壓電平。這就是信息的本質
，它極其重要——但也使分析變得複雜，更使了解調製工作變得更加困難。為此
，您可能希望用另一種不同的方式（頻域）繪製信號圖像。它顯示信號在一係列頻率上的強度。讓我們看一下。

 

 

要(yao)將(jiang)大(da)量(liang)信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)到(dao)頻(pin)域(yu)中(zhong)
，需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)精(jing)密(mi)的(de)數(shu)學(xue)運(yun)算(suan)。這(zhe)項(xiang)工(gong)作(zuo)很(hen)困(kun)難(nan)，計(ji)算(suan)量(liang)很(hen)大(da)

，必(bi)須(xu)反(fan)複(fu)練(lian)習(xi)才(cai)能(neng)掌(zhang)握(wo)。我(wo)甚(shen)至(zhi)定(ding)期(qi)對(dui)那(na)些(xie)重(zhong)要(yao)信(xin)號(hao)的(de)進(jin)行(xing)卷(juan)積(ji)運(yun)算(suan)
，練(lian)習(xi)我(wo)的(de)轉(zhuan)換(huan)能(neng)力(li)。不(bu)管(guan)怎(zen)樣(yang)，讓(rang)我(wo)們(men)看(kan)一(yi)下(xia)以(yi)上(shang)三(san)個(ge)信(xin)號(hao)如(ru)何(he)用(yong)這(zhe)種(zhong)形(xing)式(shi)來(lai)表(biao)示(shi)（這裏忽略中間的推演運算）。我們不再繪製信號電壓隨時間的變化，而是繪製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軟件的技術水平限製，它是不完美的。這種信號稱為脈衝信號。有關此信號的詳細說明，請閱讀此處！對於這個音頻
，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。

 

最後舉一個例子，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(WhiteRoom)》。不必為信號長的摸樣擔心，在EricClapton的吉他獨奏期間，任何麥克風都沒有損壞。

 

音頻信號

 

這就是大多數信號的看上去的樣子，尤其是模擬信號。人和樂器的聲音並不是在離散的頻率上播放
，其頻率內容分布在整個頻率範圍內（盡管某些內容幾乎是聽不到的）。這個範圍在3Hz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
，那個頻率對應的信號就越高。

 

理論上，我們可以用無數個音頻信號累加之和來表示這個模擬信號。

 

 

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：

 

 

 

由上而下：帶通濾波器、低通濾波器、高通濾波器

 

“3dB”點是信號輸出降低大約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-3.0dB，0.7就是70%，就是信號衰減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和he其qi他ta國guo際ji組zu織zhi一yi致zhi認ren為wei，如ru果guo任ren由you任ren何he人ren隨sui意yi使shi用yong任ren何he頻pin率lv
，那na麼me必bi然ran會hui導dao致zhi絕jue對dui的de混hun亂luan。因yin此ci，應ying為wei不bu同tong用yong戶hu分fen配pei不bu同tong的de頻pin率lv範fan圍wei。例li如ru分fen別bie為weiFM無線電
、AM無線電、WiFi、移動電話、海事通信、空中交通管製、業餘無線電、對講機

、軍事通信
、警用電台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
，不妨用穀歌搜索一下，馬上就能找到一個更詳細的圖表。

 

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常規“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
、無線傳感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電台為680kHz，那麼無線電塔如何將聲音變到該頻率呢？它如何避免幹擾到其他電台？接收機如何將信號頻率轉換回可聽範圍？

 

 

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！在此隻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。

 

調製的作用就是將信號從低頻（信息）轉換到高頻（載波)。思路很簡單：用您的信息乘以高頻載波，例如680kHz，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就是信息（可聽內容）

，φ是載波（例如
，AM廣播頻率）。

 

 

圖中文字中英對照

 

 

我們的AM信(xin)號(hao)如(ru)果(guo)用(yong)公(gong)式(shi)來(lai)表(biao)達(da)，涉(she)及(ji)多(duo)個(ge)信(xin)號(hao)的(de)乘(cheng)法(fa)運(yun)算(suan)，這(zhe)在(zai)時(shi)域(yu)或(huo)頻(pin)域(yu)中(zhong)是(shi)很(hen)難(nan)想(xiang)像(xiang)的(de)，因(yin)為(wei)我(wo)們(men)僅(jin)僅(jin)看(kan)到(dao)音(yin)頻(pin)是(shi)什(shen)麼(me)樣(yang)的(de)。但(dan)是(shi)上(shang)述(shu)這(zhe)種(zhong)對(dui)應(ying)關(guan)係(xi)告(gao)訴(su)我(wo)們(men)：兩個信號相乘可用兩個信號相加來表示！現在，我們很容易在頻域中繪製出經乘法運算得到的信號。

 

在載波（1000Hz）上調製的單音頻（150Hz）

 

在此圖中，我們用150Hz音頻乘以1000Hz載波。上表顯示了兩個半功率信號，分別位於1000-150和1000+150Hz處

，也就是在850Hz和1150Hz處。那麼當經過調製後，我們每個音節的表現如何呢？

 

聲音調製到700kHz

 

不出所料
，我們看到了兩個信號。一個是載波+信息，另一個是載波-信息（甚至注意到它是如何反轉的）。
 

這就是AM頻譜和信號內容的大致圖解。

 

 

 

現xian在zai我wo們men來lai討tao論lun接jie收shou機ji。所suo有you信xin號hao均jun從cong天tian線xian開kai始shi
，在zai同tong一yi時shi間jian查zha看kan所suo有you信xin號hao
，看kan到dao的de是shi一yi團tuan亂luan麻ma。天tian線xian拾shi取qu到dao大da量liang的de數shu據ju，但dan它ta並bing不bu負fu責ze進jin行xing分fen類lei，這zhe是shi調tiao諧xie器qi和he其qi他ta硬ying件jian的de工gong作zuo。信xin號hao解jie調tiao的de原yuan理li與yu調tiao製zhi原yuan理li完wan全quan相xiang同tong，非fei常chang方fang便bian！要將我們的音頻信號轉回到“基帶”
，並將其發送至揚聲器
，我們可以再次用載波乘以所有信號。

 

 

這個公式中包含一大串數學函數、括號和頻率變量。不過它是對的，我們由此導出了四個信號：

 

1/4功率信號，（2*載波+信息）

 

1/4功率信號
，（信息）

 

1/4功率信號
，（2*載波-信息）

 

1/4功率信號，（-信息）

 

讓我們忽略這個包含負頻率的項，它是我們討論調製及涉及的運算時
，常常會出現的數學產物。在雙倍載波上的兩個信號（假設載波遠大於信息，它們幾乎是相同的）keyongditonglvboqilvchu。ditonglvboqihuizuduanxinhaodesuoyougaopinneirong
，yushizhijiangyuanshixinxiliugeiwomen。womenkeyongfangdaqifangdayuanshixinxi
，ranhoufasongdaoyangshengqi。taikule！這就是它的圖像
，但是要向後延遲一點。

 

 

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製的。通過將多個音頻（或基帶）信號乘以不同的高頻信號（載波），womenkeyitongguotongyigexindaochenggongchuanshuduogeshujuliuerbuhuixianghuganrao。zaiciyongzaiboxiangcheng，jiangtiaozhidexinhaozhuanhuanhuijidai，zaiyongditonglvboqihefangdaqiqinglibingfangdaxinhao，jikerangwomentingdaogezhongmeimiaodongtingdeshengyin！