要理解如何进行无线数据传输,我们需要了解:
-
什么是频率?
-
信息 / 数据信号
-
时间表示
-
频率表示,为什么它很重要?
-
滤波器如何工作?
-
FCC 通信频段
-
调制和解调
这些主题可能您在大学专业课上学过(您也可以在维基百科中查询),其中涉及非常庞大的知识。此前我为高级项目组中非电子工程专业的学生准备的 PPT 中,配套介绍了这些主题――学生们期望能够弄清楚我们谈到的“900MHz”、“2.4GHz”或“跳频”等术语。本文限于篇幅,难以对这些主题的阐述完 整、彻底,忽略了专业课所涉及的很多细节,仅提供无线传输方面的概念性说明。
什么是频率?
频率是描述每隔多长时间振荡一次或重复一次的术语,单位为赫兹(Hz)或秒的倒数。如果每秒振荡 60 次,则其频率为 60 Hz。在本文中,我们将主要探讨音频波(气压的振荡),及其如何以数百千赫频率从无线电台传播到您的车载收音机上(或任何 AM 无线电台)。任何波都有一个频率,光波也一样。光波和其他更高频率的波(例如 X 射线、伽马射线、微波)一般用波长来表示,而不用频率。例如,绿色光的波长大约为 400 纳米。
下图显示了行进波单位间的关系:
正弦波的基本单位。
假设信号速度恒定,则波长和频率是可以换算的,不过这已超出本文的讨论范畴。
不同复杂性的信息信号
如果发送一个纯正弦波信号(称为“音频”)。它不携载任何实际信息,听上去也并不好听。下图是一个正弦波的图像,X 轴为时间,Y 轴为电压,这是一个 150 Hz 参考信号。
单音频信号(时域)
那么为什么要看这幅图像呢?让我们来看一下时域中复杂性不断增加的信号。这是一个双音频信号(两个音频叠加在一起)。此正弦波与上一个正弦波相同,只不过又加上了另一个倍频(300 Hz)的正弦波。
双音频信号(时域)
那么由多个不同频率的音频组成的信号是什么样的呢?
多音频信号(时域)
它变得毛刺更多。您能在此图中看到的唯一真实信息便是在指定时间内的电压电平。这就是信息的本质,它极其重要——但也使分析变得复杂,更使了解调制工作变 得更加困难。为此,您可能希望用另一种不同的方式(频域)绘制信号图像。它显示信号在一系列频率上的强度。让我们看一下。
为何信号的频谱很重要?
要将大量信号转换到频域中,需要进行精密的数学运算。这项工作很困难,计算量很大,必须反复练习才能掌握。我甚至定期对那些重要信号的进行卷积运算,练习 我的转换能力。不管怎样,让我们看一下以上三个信号如何用这种形式来表示(这里忽略中间的推演运算)。我们不再绘制信号电压随时间的变化,而是绘制信号功 率随频率的变化。
单音频信号(频域)
双音频信号(频域)
多音频信号(频域)
注意到图中明显的尖峰了吗?那是正弦波在特定频率(X 轴)上的数学表示。理想情况下,这些尖峰应当是无限窄(宽度)和无限高的,但是受我所使用的 Spice 软件的技术水平限制,它是不完美的。这种信号称为脉冲信号。
有关此信号的详细说明,请阅读此处!对于这个音频,我们看到在频域看到一个尖峰,在150Hz 处。而双音频信号在频域 有两个尖峰,在 150Hz 和 300Hz 处。多音频信号在时域中基本无法解读,时域信号中众多的小尖峰,是多个频率点的叠加组成的。
最后举一个例子,一个实际的音频信号。如下图,我采样了 15 秒歌手 Cream 的歌曲《白色的房间(White Room)》。不必为信号长的摸样担心,在 Eric Clapton 的吉他独奏期间,任何麦克风都没有损坏。
音频信号
这就是大多数信号的看上去的样子,尤其是模拟信号。人和乐器的声音并不是在离散的频率上播放,其频率内容分布在整个频率范围内(尽管某些内容几乎是听不到 的)。
这个范围在 3 Hz 至 20kHz 之间,大约就是人耳能够听到的频率范围。低音部的频率较低,高音部的频率较高。Y 轴标度用 dB 表示,dB 表示一个比例,没有单位。在本质上来说,dB 值越高,那个频率对应的信号就越高。
理论上,我们可以用无数个音频信号累加之和来表示这个模拟信号。
滤波器
幸好频域的图形表示可为滤波器设计提供一些帮助。
滤波器有四种类型,
包括: