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。

 

 

yaojiangdaliangxinhaozhuanhuandaopinyuzhong，xuyaojinxingjingmideshuxueyunsuan。zhexianggongzuohenkunnan，jisuanlianghenda，bixufanfulianxicainengzhangwo。woshenzhidingqiduinaxiezhongyaoxinhaodejinxingjuanjiyunsuan
，lianxiwodezhuanhuannengli。buguanzenyang
，rangwomenkanyixiayishangsangexinhaoruheyongzhezhongxingshilaibiaoshi（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(wei)FM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）可(ke)用(yong)低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)濾(lv)出(chu)。低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)會(hui)阻(zu)斷(duan)信(xin)號(hao)的(de)所(suo)有(you)高(gao)頻(pin)內(nei)容(rong)，於(yu)是(shi)隻(zhi)將(jiang)原(yuan)始(shi)信(xin)息(xi)留(liu)給(gei)我(wo)們(men)。我(wo)們(men)可(ke)用(yong)放(fang)大(da)器(qi)放(fang)大(da)原(yuan)始(shi)信(xin)息(xi)

，然(ran)後(hou)發(fa)送(song)到(dao)揚(yang)聲(sheng)器(qi)。太(tai)酷(ku)了(le)！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），我(wo)們(men)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)同(tong)一(yi)個(ge)信(xin)道(dao)成(cheng)功(gong)傳(chuan)輸(shu)多(duo)個(ge)數(shu)據(ju)流(liu)而(er)不(bu)會(hui)相(xiang)互(hu)幹(gan)擾(rao)。再(zai)次(ci)用(yong)載(zai)波(bo)相(xiang)乘(cheng)，將(jiang)調(tiao)製(zhi)的(de)信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)回(hui)基(ji)帶(dai)
，再(zai)用(yong)低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)和(he)放(fang)大(da)器(qi)清(qing)理(li)並(bing)放(fang)大(da)信(xin)號(hao)，即(ji)可(ke)讓(rang)我(wo)們(men)聽(ting)到(dao)各(ge)種(zhong)美(mei)妙(miao)動(dong)聽(ting)的(de)聲(sheng)音(yin)！