在現代通信系統中，調制與解調是必不可少的重要手段。所謂調制，就是把信號轉換成適合在信道中傳輸的形式的一種過程。解調則是調制的相反過程，從已調制信號中恢復出原信號。在無線傳輸的過程中，信號調制是重要一環，要理解如何運用射頻技術（RF）進行無線數據傳輸，我們需要了解以下這些問題：
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據傳輸是怎么利用信號調制實現的。
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：
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。
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。
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，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。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，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
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。
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。
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。
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。
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？
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）。
結論
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！
