【E課堂】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――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。

　　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(shù)標(biāo)度：

　　x [dB] = 10 * log(x[linear])

　　x [linear] = 10^(x[dB]/10)

　　基于這個公式，x[linear] = 0.7，對應(yīng)的x[dB]大約為 -3.0 dB，0.7就是70%，就是信號衰減30%，這時對應(yīng)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(shè)計可將低頻切換至低音揚聲器、高頻切換至高音揚聲器。這對于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，那么必然會導(dǎo)致絕對的混亂。因此，應(yīng)為不同用戶分配不同的頻率范圍。例如分別為 FM 無線電、AM 無線電、WiFi、移動電話、海事通信、空中交通管制、業(yè)余無線電、對講機、軍事通信、警用電臺等應(yīng)用分配不同頻段。對了，我們還沒提衛(wèi)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，不妨用谷歌搜索一下，馬上就能找到一個更詳細的圖表。

　　FCC 頻譜分配表

　　FCC 已為小范圍的個人應(yīng)用、業(yè)余愛好者的應(yīng)用和其他常規(guī)“ISM 頻段”應(yīng)用(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)預(yù)留了部分頻段。這就是 WiFi、對講機、無線傳感器和其他通信設(shè)備的工作頻段。讓我們再次討論一下頻率!人耳的聽力范圍為 20Hz 至 20kHz。如果我們的 AM 電臺為 680kHz，那么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?接收機如何將信號頻率轉(zhuǎn)換回可聽范圍?

　　調(diào)制

　　讓我們離開頻域，回到時域。再次重申一下：我們的討論過于簡單，略過了很多細節(jié)!在此只是為了得到一個概念性的結(jié)果。之所以這么說是因為，數(shù)學(xué)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(diào)制的作用就是將信號從低頻(信息)轉(zhuǎn)換到高頻(載波)。思路很簡單：用您的信息乘以高頻載波，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(shù)學(xué)關(guān)系式。在此例中，θ 就是信息(可聽內(nèi)容)，φ 是載波(例如， AM 廣播頻率)。

　　圖中文字中英對照

　　Product-to-sum[23]

　　cos

　　sin

　　積化和差[23]

　　cos

　　sin

　　我們的 AM 信號如果用公式來表達，涉及多個信號的乘法運算，這在時域或頻域中是很難想像的，因為我們僅僅看到音頻是什么樣的。但是上述這種對應(yīng)關(guān)系告訴我們：兩個信號相乘可用兩個信號相加來表示!現(xiàn)在，我們很容易在頻域中繪制出經(jīng)乘法運算得到的信號。

　　在載波(1000 Hz)上調(diào)制的單音頻(150 Hz)

　　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，分別位于 1000-150 和 1000+150 Hz處，也就是在 850Hz 和 1150Hz 處。那么當(dāng)經(jīng)過調(diào)制后，我們每個音節(jié)的表現(xiàn)如何呢?

　　聲音調(diào)制到 700 kHz

　　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(zhuǎn)的)。

　　這就是 AM 頻譜和信號內(nèi)容的大致圖解。

　　解調(diào)

　　現(xiàn)在我們來討論接收機。所有信號均從天線開始，在同一時間查看所有信號，看到的是一團亂麻。天線拾取到大量的數(shù)據(jù)，但它并不負責(zé)進行分類，這是調(diào)諧器和其他硬件的工作。信號解調(diào)的原理與調(diào)制原理完全相同，非常方便!要將我們的音頻信號轉(zhuǎn)回到“基帶”，并將其發(fā)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?dāng)?shù)學(xué)函數(shù)、括號和頻率變量。不過它是對的，我們由此導(dǎo)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(diào)制及涉及的運算時，常常會出現(xiàn)的數(shù)學(xué)產(chǎn)物。在雙倍載波上的兩個信號(假設(shè)載波遠大于信息，它們幾乎是相同的)可用低通濾波器濾出。低通濾波器會阻斷信號的所有高頻內(nèi)容，于是只將原始信息留給我們。我們可用放大器放大原始信息，然后發(fā)送到揚聲器。太酷了!這就是它的圖像，但是要向后延遲一點。