在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，調(diào)制與解調(diào)是必不可少的重要手段。所謂調(diào)制，就是把信號轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過程。解調(diào)則是調(diào)制的相反過程，從已調(diào)制信號中恢復(fù)出原信號。在無線傳輸?shù)倪^程中，信號調(diào)制是重要一環(huán)，要理解如何運用射頻技術(shù)（RF）進行無線數(shù)據(jù)傳輸，我們需要了解以下這些問題：
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)?
這些主題可能大家多多少少了解一些，但偏零碎，這其中涉及非常龐大的知識。今天我們就跟家從以上的問題中探討無線數(shù)據(jù)傳輸是怎么利用信號調(diào)制實現(xiàn)的。
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(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：
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150Hz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（300Hz）的正弦波。
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？
多音頻信號（時域）
它變得毛刺更多。大家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，有沒有可能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。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，這種信號稱為脈沖信號。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，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(dān)心，在EricClapton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(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
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-3.0dB，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(rèn)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。
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。
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：用個人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(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
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（1000Hz）上調(diào)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(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(zhuǎn)的）。
結(jié)論
這篇分享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！
