<span id="lp3pz"></span>
<menuitem id="lp3pz"></menuitem>

    <menuitem id="lp3pz"><delect id="lp3pz"><pre id="lp3pz"></pre></delect></menuitem>
    <menuitem id="lp3pz"></menuitem>
    <span id="lp3pz"></span>

          <menuitem id="lp3pz"><thead id="lp3pz"></thead></menuitem>

          內容字號:默認大號超大號

          段落設置:段首縮進取消段首縮進

          字體設置:切換到微軟雅黑切換到宋體






          深入淺出的講解:信號調制到底是如何實現的?

          時間:2022-01-26 來源:未知 作者:陸濤 點擊:

          要理解如何進行無線數據傳輸,我們需要了解:


          • 什么是頻率?

          • 信息 / 數據信號

          • 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

          • 調制和解調


          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。本文限于篇幅,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。


          什么是頻率?

          頻率是描述每隔多長時間振蕩一次或重復一次的術語,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系:


          圖片


          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范疇。


          不同復雜性的信息信號


          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150Hz參考信號。


          圖片

          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(300Hz)的正弦波。


          圖片

          雙音頻信號(時域)


          那么由多個不同頻率的信號是什么樣的呢?


          圖片

          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——但也使分析變得復雜,更使了解調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信號的進行卷積運算,練習我的轉換能力。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。


          圖片

          單音頻信號(頻域)


          圖片

          雙音頻信號(頻域)


          圖片

          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軟件的技術水平限制,它是不完美的。這種信號稱為脈沖信號。有關此信號的詳細說明,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(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。


          圖片


          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。人和樂器的聲音并不是在離散的頻率上播放,其頻率內容分布在整個頻率范圍內(盡管某些內容幾乎是聽不到的)。這個范圍在3Hz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。


          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”一定范圍內的所有頻率都被濾除。

          圖片


          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)


          基于這個公式,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,那么必然會導致絕對的混亂。因此,應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、業余無線電、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,不妨用谷歌搜索一下,馬上就能找到一個更詳細的圖表。


          圖片

          FCC頻譜分配表


          FCC已為小范圍的個人應用、業余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換回可聽范圍?


          調制

          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!在此只是為了得到一個概念性的結果。之所以這么說是因為,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。


          調制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系式。在此例中,θ就是信息(可聽內容),φ是載波(例如,AM廣播頻率)。


          圖片

          圖中文字中英對照



          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。但是上述這種對應關系告訴我們: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制出經乘法運算得到的信號。


          圖片

          在載波(1000Hz)上調制的單音頻(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,分別位于1000-150和1000+150Hz處,也就是在850Hz和1150Hz處。那么當經過調制后,我們每個音節的表現如何呢?


          圖片

          聲音調制到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。


          圖片


          解調

          現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據,但它并不負責進行分類,這是調諧器和其他硬件的工作。信號解調的原理與調制原理完全相同,非常方便!要將我們的音頻信號轉回到“基帶”,并將其發送至揚聲器,我們可以再次用載波乘以所有信號。


          圖片


          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,它是我們討論調制及涉及的運算時,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,然后發送到揚聲器。太酷了!這就是它的圖像,但是要向后延遲一點。


          結論

          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據流而不會相互干擾。再次用載波相乘,將調制的信號轉換回基帶,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!



          (中國集群通信網 | 責任編輯:陸濤)

          中國集群通信網,國內首家集群通信專業網站。

          Copyright © PttCn.Net, All Rights Reserved.   

          聯系我們 聯系我們 中國集群通信網 對講機學堂 對講機世界

          精品久久久久久无码中文野结衣
          <span id="lp3pz"></span>
          <menuitem id="lp3pz"></menuitem>

            <menuitem id="lp3pz"><delect id="lp3pz"><pre id="lp3pz"></pre></delect></menuitem>
            <menuitem id="lp3pz"></menuitem>
            <span id="lp3pz"></span>

                  <menuitem id="lp3pz"><thead id="lp3pz"></thead></menuitem>