沟通原理 - 快速指南

沟通原理 - 简介

沟通一词源自拉丁语“commūnicāre”，意思是“分享”。沟通是信息交流的基本步骤。

例如，摇篮里的婴儿通过哭声表达她需要母亲。牛遇到危险时会大声哞哞叫。一个人借助语言进行交流。沟通是分享的桥梁。

沟通可以定义为两个或多个个体之间通过言语、动作、符号等手段交换信息的过程。

沟通的需要

对于任何生物体来说，在共存的同时，都存在交换某些信息的必要性。每当需要交换信息时，就应该存在某种通信方式。虽然沟通的方式可以是任何东西，例如手势、符号、符号或语言，但沟通的需要是不可避免的。

语言和手势在人类交流中发挥着重要作用，而声音和动作对于动物交流也很重要。然而，当必须传达某些消息时，必须建立通信。

通讯系统部分

任何提供通信的系统都由三个重要且基本的部分组成，如下图所示。

发送者是发送消息的人。它可以是发射信号的发射站。
通道是消息信号传输到达目的地的媒介。
接收者是接收消息的人。它可以是接收站，接收所发送的信号。

什么是信号？

通过手势、声音、动作等某种方式传达信息可以称为信号传递。因此，信号可以是传输某些信息的能量源。该信号有助于在发送者和接收者之间建立通信。

传播一定距离以传达消息的电脉冲或电磁波可以称为通信系统中的信号。

根据其特性，信号主要分为两种类型：模拟信号和数字信号。模拟信号和数字信号进一步分类，如下图所示。

模拟信号

代表时变量的连续时变信号可以称为模拟信号。该信号根据代表该信号的量的瞬时值，随时间不断变化。

例子

让我们考虑一下，一个水龙头在一小时（早上 6 点到 7 点）内注满 100 升容量的水箱。填充水箱的部分随时间的变化而变化。这意味着，15 分钟（上午 6:15）后，水箱的四分之一被填满，而在上午 6:45，水箱的 3/4 被填满。

如果您尝试根据不同的时间绘制水箱中水的不同部分，则如下图所示。

由于该图中所示的结果随着时间而变化（增加），因此该时变量可以理解为模拟量。图中用斜线表示这种情况的信号是模拟信号。基于模拟信号和模拟值的通信称为模拟通信。

数字信号

本质上是离散的或形式上不连续的信号可以称为数字信号。该信号具有单独表示的单独值，这些值不基于先前的值，就好像它们是在该特定时刻导出的一样。

例子

让我们考虑一个有 20 名学生的教室。如果绘制出他们一周的出勤率，则如下图所示。

在此图中，各个值是单独表示的。例如，周三的上课人数为 20 人，周六的上课人数为 15 人。这些值可以单独考虑，也可以单独或离散地考虑，因此称为离散值。

仅含有 1 和 0 的二进制数字通常称为数字值。因此，代表1和0的信号也称为数字信号。基于数字信号和数字值的通信称为数字通信。

周期信号

任何在一段时间内重复其模式的模拟或数字信号都称为周期信号。该信号的模式重复连续，并且易于假设或计算。

例子

如果我们考虑工业中的一台机器，那么一个接一个发生的过程就是一个连续且重复的过程。例如，原材料的采购、分级、批量加工、一批产品依次包装等，都按照一定的程序重复进行。

无论是模拟的还是数字的，这样的过程都可以用图形表示如下。

非周期信号

任何在一段时间内不重复其模式的模拟或数字信号称为非周期信号。该信号具有连续的模式，但该模式不重复并且不那么容易假设或计算。

例子

如果考虑到一个人的日常生活，则由多种类型的工作组成，不同的工作需要不同的时间间隔。时间间隔或工作不会连续重复。例如，一个人不会从早到晚连续刷牙，在同一时间段内也是如此。

无论是模拟的还是数字的，这样的过程都可以用图形表示如下。

一般来说，通信系统中使用的信号本质上是模拟信号，根据需要以模拟方式传输或转换为数字然后传输。

但是，为了使信号传输到很远的地方，不受任何外部干扰或噪声添加的影响，并且不会消失，它必须经历一个称为调制的过程，这将在下一章中讨论。

通信原理-调制

信号可以是任何东西，比如你喊叫时发出的声波。这种喊叫只能在一定距离内听到。但为了使同一波长距离传播，您需要一种技术来增强该信号的强度，而不干扰原始信号的参数。

什么是信号调制？

携带信号的消息必须远距离传输，为了建立可靠的通信，需要借助高频信号，而高频信号不应影响消息信号的原始特性。

消息信号的特征如果改变，其中包含的消息也会改变。因此，必须注意消息信号。高频信号可以传输更远的距离，而不会受到外部干扰的影响。我们借助这种称为载波信号的高频信号来传输我们的消息信号。这样的过程简称为调制。

调制是根据调制信号的瞬时值改变载波信号参数的过程。

需要调制

基带信号不兼容直接传输。对于这样的信号，为了传播更远的距离，必须通过高频载波调制来增加其强度，这不会影响调制信号的参数。

调制的优点

如果不引入调制，用于传输的天线必须非常大。由于电波无法在不失真的情况下传播到很远的距离，因此通信范围受到限制。

以下是在通信系统中实现调制的一些优点。

天线尺寸减小。
不会发生信号混合。
通讯范围增加。
发生信号复用。
允许调整带宽。
接待质量提高。

调制过程中的信号

以下是调制过程中的三种类型的信号。

消息或调制信号

包含要传输的消息的信号称为消息信号。它是基带信号，必须经过调制过程才能传输。因此，它也被称为调制信号。

载波信号

具有一定相位、频率和幅度但不包含任何信息的高频信号称为载波信号。这是一个空信号。它只是用于将调制后的信号传送到接收器。

调制信号

经过调制处理后得到的信号称为调制信号。该信号是调制信号和载波信号的组合。

调制类型

调制有多种类型。根据所使用的调制技术，它们的分类如下图所示。

调制的类型大致分为连续波调制和脉冲调制。

连续波调制

在连续波调制中，使用高频正弦波作为载波。这又分为幅度调制和角度调制。

如果高频载波的幅度根据调制信号的瞬时幅度而变化，则这种技术称为幅度调制。
如果载波的角度根据调制信号的瞬时值而变化，则这种技术称为角度调制。
- 如果载波的频率根据调制信号的瞬时值而变化，则这种技术称为频率调制。
- 如果高频载波的相位根据调制信号的瞬时值而变化，则这种技术称为相位调制。

脉冲调制

在脉冲调制中，矩形脉冲的周期序列被用作载波。这进一步分为模拟调制和数字调制。

在模拟调制技术中，如果脉冲的幅度、持续时间或位置根据基带调制信号的瞬时值而变化，则这种技术称为脉冲幅度调制（PAM）或脉冲持续时间/宽度调制（PDM） /PWM)或脉冲位置调制 (PPM)。

在数字调制中，使用的调制技术是脉冲编码调制 (PCM)，其中模拟信号被转换为 1 和 0 的数字形式。由于结果是编码脉冲串，因此称为 PCM。这进一步发展为增量调制（DM），将在后续章节中讨论。因此，PCM 是一种将模拟信号转换为数字形式的技术。

通信原理 - 噪声

在任何通信系统中，在信号传输期间或接收信号时，一些不需要的信号会被引入通信中，使接收者感到不愉快，从而质疑通信质量。这种干扰称为噪声。

什么是噪音？

噪声是一种不需要的信号，它会干扰原始消息信号并破坏消息信号的参数。通信过程中的这种改变会导致消息被改变。它最有可能是在通道或接收器处输入的。

通过查看以下示例可以理解噪声信号。

因此，可以理解，噪声是一些没有模式、没有恒定频率或幅度的信号。它是相当随机且不可预测的。通常会采取措施来减少它，但不能完全消除它。

最常见的噪音例子是 -

无线电接收器中发出嘶嘶声
电话交谈中发出嗡嗡声
电视接收机等中的闪烁

噪音的影响

噪声是一个影响系统性能的不方便的特性。以下是噪声的影响。

噪声限制了系统的工作范围

噪声间接限制了放大器可以放大的最弱信号。混频器电路中的振荡器可能会因噪声而限制其频率。系统的运行取决于其电路的运行。噪声限制了接收器能够处理的最小信号。

噪声影响接收器的灵敏度

灵敏度是获得指定质量输出所需的最小输入信号量。噪声会影响接收器系统的灵敏度，最终影响输出。

噪音的类型

噪声的分类是根据源的类型、它所表现出的效果或它与接收器的关系等来进行的。

产生噪音的方式主要有两种。一种是通过某些外部源，而另一种是由接收器部分内的内部源创建。

外部源

这种噪声通常是由可能出现在通信媒介或通道中的外部源产生的。这种噪音无法完全消除。最好的方法是避免噪声影响信号。

例子

此类噪声最常见的例子是 -

大气噪声（由于大气中的不规则性）。
外星噪声，例如太阳噪声和宇宙噪声。
工业噪音。

内部来源

这种噪声是由接收器组件在运行时产生的。电路中的元件由于连续工作，可能会产生几种类型的噪声。这种噪音是可以量化的。正确的接收器设计可以降低这种内部噪声的影响。

例子

此类噪声最常见的例子是 -

热搅拌噪声（约翰逊噪声或电噪声）。
散粒噪声（由于电子和空穴的随机运动）。
传输时间噪声（在转换期间）。
杂项噪声是另一种类型的噪声，包括闪烁、电阻效应和混频器产生的噪声等。

信噪比

信噪比（SNR）是信号功率与噪声功率之比。SNR 值越高，接收输出的质量就越高。

不同点的信噪比可以使用以下公式计算 -

$$输入\: SNR = (SNR)_I = \frac{调制信号的平均功率}{输入处的噪声平均功率}$$

$$输出\: SNR = (SNR)_O = \frac{解调信号的平均功率}{输出处噪声的平均功率}$$

$$通道\: SNR = (SNR)_C = \frac{调制信号的平均功率}{消息带宽中噪声的平均功率} $$

品质因数

输出 SNR 与输入 SNR之比可称为品质因数 (F)。它由F表示。它描述了设备的性能。

$$F = \frac{(SNR)_O}{(SNR)_I}$$

接收器的品质因数是 -

$$F = \frac{(SNR)_O}{(SNR)_C}$$

之所以如此，是因为对于接收器来说，通道就是输入。

分析信号

要分析信号，必须将其表示出来。通信系统中的这种表示有两种类型 -

频域表示，以及
时域表示。

考虑频率为 1 kHz 和 2 kHz 的两个信号。两者都在时域和频域中表示，如下图所示。

时域分析给出特定时间段内的信号Behave。在频域中，信号被分析为相对于频率的数学函数。

在进行滤波、放大和混频等信号处理时需要频域表示。

例如，如果考虑如下信号，则可以理解其中存在噪声。

原始信号的频率可能是 1 kHz，但破坏该信号的特定频率的噪声是未知的。然而，当使用频谱分析仪在频域中表示相同的信号时，其绘制如下图所示。

在这里，我们可以观察到一些谐波，它们代表了原始信号中引入的噪声。因此，信号表示有助于分析信号。

频域分析有助于创建所需的波形。例如，计算机中的二进制位模式、CRO 中的利萨如模式等。时域分析有助于理解此类位模式。

调幅

在调制技术的类型中，主要分类是连续波调制和脉冲调制。连续波调制技术又分为幅度调制和角度调制。

连续波连续地进行，没有任何间隔，它是基带消息信号，其中包含信息。该波必须被调制。

根据标准定义，“载波信号的幅度随着调制信号的瞬时幅度而变化”。这意味着，不包含信息的载波信号的幅度在每个时刻随着包含信息的信号的幅度而变化。下图可以很好地解释这一点。

首先显示的调制波是消息信号。接下来是载波，它只是一个高频信号，不包含任何信息。最后一个是合成的调制波。

可以观察到，载波的正峰值和负峰值通过虚线互连。这条线有助于重新创建调制信号的精确形状。载波上的这条假想线称为包络线。它与消息信号相同。

数学表达

以下是这些波的数学表达式。

波的时域表示

令调制信号为 -

$$m(t) = A_mcos(2\pi f_mt)$$

令载波信号为 -

$$c(t) = A_ccos(2\pi f_ct)$$

其中A _m = 调制信号的最大幅度

A _c = 载波信号的最大幅度

调幅波的标准形式定义为 -

$$S(t) = A_c[1+K_am(t)]cos(2\pi f_ct)$$

$$S(t) = A_c[1+\mu cos(2\pi f_mt)]cos(2\pi f_ct)$$

$$其中，\mu = K_aA_m$$

调制指数

载波经过调制后，如果计算出调制电平，则这种尝试称为调制指数或调制深度。它说明了载波所经历的调制级别。

调制波的包络线的最大值和最小值分别由A _max和A _min表示。

让我们尝试建立一个调制指数方程。

$$A_{max} = A_c(1+\mu )$$

因为，在 A _max处，cos θ 的值为 1

$$A_{min} = A_c(1-\mu )$$

因为，在 A _min时，cos θ 的值为 -1

$$\frac{A_{max}}{A_{min}} = \frac{1+\mu }{1-\mu }$$

$$A_{max}-\mu A_{max} = A_{min}+\mu A_{min}$$

$$-\mu (A_{最大值}+A_{最小值}) = A_{最小值}-A_{最大值}$$

$$\mu = \frac{A_{max}-A_{min}}{A_{max}+A_{min}}$$

由此，得到调制指数的方程。µ表示调制指数或调制深度。这通常以百分比表示，称为百分比调制。它是以百分比表示的调制程度，用m表示。

对于完美的调制，调制指数的值应该是1，这意味着调制深度应该是100%。

例如，如果该值小于 1，即调制指数为 0.5，则调制输出将如下图所示。这称为欠调制。这种波称为欠调制波。

如果调制指数的值大于1，即1.5左右，则该波将是过调制波。它看起来如下图所示。

随着调制指数值的增加，载波会经历 180° 相位反转，这会导致额外的边带，从而导致波失真。这种过调制波会产生无法消除的干扰。

调幅带宽

带宽是信号的最低频率和最高频率之间的差值。

对于调幅波，带宽由下式给出

$$BW = f_{USB}-f_{LSB}$$

$$(f_c+f_m)-(f_c-f_m)$$

$$ = 2f_m = 2W$$

其中W是消息带宽

由此可知，调幅波所需的带宽是调制信号频率的两倍。

边带调制

在幅度调制或相位调制过程中，调制波由载波和两个边带组成。调制信号具有除载波频率外的整个频带内的信息。

边带

边带是包含功率的频带，是载波频率的较低频率和较高频率。两个边带都包含相同的信息。调幅波在频域的表示如下图所示。

图像中的两个边带包含相同的信息。这种包含一个载波和两个边带的信号的传输可以称为双边带全载波系统，或简称DSB-FC。其绘制如下图所示。

然而，这样的传输效率低下。三分之二的电力被浪费在载体上，而载体不携带任何信息。

如果抑制该载波，并将节省的功率分配到两个边带，这样的过程称为“双边带抑制载波系统”，或简称为“DSBSC”。其绘制如下图所示。

现在，我们得到一个想法，由于两个边带两次携带相同的信息，为什么我们不能抑制一个边带。是的，这是可能的。

抑制边带之一以及载波并传输单边带的过程称为单边带抑制载波系统，或简称为SSB-SC或SSB。其绘制如下图所示。

传输单边带的该SSB-SC或SSB系统具有高功率，因为分配给载波和另一边带的功率被用于传输该单边带(SSB)。

因此，使用这种 SSB 技术完成的调制称为SSB 调制。

边带调制 - 优点

SSB 调制的优点是 -

占用的带宽或频谱空间小于 AM 和 DSB 信号。
允许传输更多数量的信号。
省电了。
可传输高功率信号。
存在较少的噪音。
不太可能发生信号衰落。

边带调制 - 缺点

SSB 调制的缺点是 -

SSB信号的产生和检测是一个复杂的过程。
除非 SSB 发射器和接收器具有出色的频率稳定性，否则信号质量会受到影响。

边带调制 - 应用

SSB 调制的应用是 -

适合节能要求和低带宽要求。
陆地、空中和海上移动通信。
在点对点通信中。
在无线电通信中。
用于电视、遥测和雷达通信。
在军事通信方面，如业余无线电等。

VSB调制

在SSB调制的情况下，当边带通过滤波器时，带通滤波器在实践中可能无法完美工作。结果，一些信息可能会丢失。

因此，为了避免这种损失，选择了一种技术，它是DSB-SC和SSB之间的折衷方案，称为残留边带 (VSB)技术。遗迹这个词的意思是“一部分”，这个名字就是由此而来。

残留边带

传输不需要两个边带，因为这是一种浪费。但如果传输单个频带，则会导致信息丢失。因此，这种技术得到了发展。

残留边带调制或VSB 调制是对称为残留的信号的一部分以及一个边带进行调制的过程。VSB 信号可以如下图所示绘制。

在该技术中，与上边带一起，还传输下边带的一部分。为了避免干扰，在VSB两侧放置了宽度非常小的保护带。VSB 调制主要用于电视传输。

传输带宽

VSB 调制波的传输带宽表示为 -

$$B=(f_{m}+f_{v})赫兹$$

在哪里，

f _m = 消息带宽

f _v = 残留边带的宽度

VSB 调制 – 优点

以下是 VSB 的优点 -

高效率。
带宽减少。
滤波器设计很容易，因为不需要高精度。
低频分量的传输是可能的，没有困难。
具有良好的相位特性。

VSB 调制 – 缺点

以下是 VSB 的缺点 -

与 SSB 相比，带宽更大。
解调很复杂。

VSB 调制 - 应用

VSB 最突出和最标准的应用是电视信号的传输。此外，当考虑带宽使用时，这是最方便、最有效的技术。

角度调制

连续波调制中的另一种调制类型是角度调制。角度调制是载波的频率或相位根据消息信号而变化的过程。这进一步分为频率调制和相位调制。

调频是随消息信号线性改变载波信号频率的过程。
相位调制是随消息信号线性改变载波信号相位的过程。

现在让我们更详细地讨论这些主题。

调频

在幅度调制中，载波的幅度发生变化。但在调频 (FM) 中，载波信号的频率根据调制信号的瞬时幅度而变化。

载波信号的幅度和相位保持恒定，而载波的频率发生变化。通过观察下图可以更好地理解这一点。

当消息信号为零时，调制波的频率保持恒定作为载波频率。当消息信号达到其最大幅度时，频率增加。

这意味着，随着调制或消息信号幅度的增加，载波频率也会增加。同样，随着调制信号幅度的减小，频率也会减小。

数学表示

设载波频率_为fc

消息信号最大幅度的频率 = f _c + Δf

消息信号最小振幅处的频率 = f _c - Δf

FM 调制频率与正常频率之间的差异称为频率偏差，用Δf表示。

载波信号的频率从高到低或从低到高的偏差可以称为载波摆幅。

载波摆幅 = 2 × 频率偏差

= 2 × Δf

FM WAVE 方程

FM 波的方程为 -

$$s(t) = A_ccos[W_ct + 2\pi k_fm(t)]$$

在哪里，

A _c = 载波的幅度

w _c = 载波角频率 = 2πf _c

m(t) = 消息信号

调频可分为窄带调频和宽带调频。

窄带调频

窄带调频的特点如下：

这种频率调制的带宽较小。
调制指数小。
其频谱由载波、USB 和 LSB 组成。
这用于移动通信，例如警察无线、救护车、出租车等。

宽带调频

宽带调频的特点如下：

这种频率调制具有无限带宽。
调制指数很大，即高于1。
其频谱由一个载波和位于其周围的无数边带组成。
这用于娱乐广播应用，例如调频广播、电视等。

调相

在频率调制中，载波的频率发生变化。但在相位调制（PM）中，载波信号的相位根据调制信号的瞬时幅度而变化。

载波信号的幅度和频率保持恒定，而载波的相位发生变化。通过观察下图可以更好地理解这一点。

调制波的相位有无限个点，波中可以发生相移。调制信号的瞬时幅度改变了载波的相位。当幅度为正时，相位沿一个方向变化，如果幅度为负，则相位沿相反方向变化。

PM和FM的关系

相位的变化会改变调制波的频率。波的频率也会改变波的相位。尽管它们相关，但它们的关系不是线性的。相位调制是产生 FM 的间接方法。相位调制器产生的频移量随着调制频率的增加而增加。采用音频均衡器来补偿这一点。

PM 波方程

PM 波的方程为 -

$$s(t) = A_ccos[W_ct + k_pm(t)]$$

在哪里，

A _c = 载波的幅度

w _c = 载波角频率 = 2πf _c

m(t) = 消息信号

相位调制用于移动通信系统，而频率调制主要用于调频广播。

通信原理 - 多路复用

多路复用是通过共享介质将多个信号组合成一个信号的过程。

如果这些信号本质上是模拟的，则该过程称为模拟复用。
如果对数字信号进行复用，则称为数字复用。

多路复用首先是在电话领域发展起来的。许多信号被组合起来通过一根电缆发送。多路复用过程将通信信道划分为多个逻辑信道，为每个逻辑信道分配不同的消息信号或要传输的数据流。进行多路复用的设备可以称为MUX。

相反的过程，即从一个通道中提取通道数，在接收器处完成，称为解复用。进行解复用的设备称为DEMUX。

下图说明了 MUX 和 DEMUX 的概念。它们的主要用途是在通信领域。

多路复用器的类型

多路复用器主要有两种类型，即模拟多路复用器和数字多路复用器。它们又分为FDM、WDM和TDM。下图给出了这种分类的详细思路。

复用技术有多种类型。其中，我们有主要类型和一般分类，如上图所示。让我们分别看一下它们。

模拟多路复用

模拟复用技术涉及本质上是模拟的信号。模拟信号根据频率 (FDM) 或波长 (WDM) 进行复用。

频分复用

在模拟复用中，最常用的技术是频分复用（FDM）。该技术使用各种频率来组合数据流，以便将它们作为单个信号在通信介质上发送。

示例- 传统电视发射机使用 FDM 通过单根电缆发送多个频道。

波分复用

波分复用（WDM）是一种模拟技术，其中许多不同波长的数据流在光谱中传输。如果波长增加，信号的频率就会降低。MUX 的输出端和 DEMUX 的输入端可以使用能够将不同波长转换为一条线的棱镜。

示例- 光纤通信使用 WDM 技术，将不同波长合并为单个光以进行通信。

数字复用

术语“数字”表示离散的信息位。因此，可用数据采用帧或数据包的形式，它们是离散的。

时分复用 (TDM)

在 TDM 中，时间帧被分为多个时隙。该技术用于通过为每个消息分配一个时隙，在单个通信信道上传输信号。

在TDM的所有类型中，主要有同步TDM和异步TDM。

同步时分复用

在同步 TDM 中，输入连接到帧。如果有“n”个连接，则该帧被分为“n”个时隙。为每条输入线分配一个插槽。

在这种技术中，所有信号的采样率都是相同的，因此给出相同的时钟输入。MUX始终为每个设备分配相同的插槽。

异步时分复用

在异步 TDM 中，每个信号的采样率不同，不需要公共时钟。如果分配的设备在某个时隙内不传输任何内容并且处于空闲状态，则该时隙将分配给另一个设备，这与同步不同。

这种类型的 TDM 用于异步传输模式网络。

解复用器

解复用器用于将单个源连接到多个目的地。这个过程是多路复用的逆过程。如前所述，它主要用于接收器。DEMUX 有很多应用。它用于通信系统中的接收器。用于计算机中的算术逻辑单元，起供电、传递通讯等作用。

解复用器用作串行到并行转换器。串行数据以固定的时间间隔作为 DEMUX 的输入，并附有一个计数器来控制解复用器的输出。

复用器和解复用器在通信系统的发送器和接收器部分都发挥着重要作用。

通信原理 - 调频收音机

频分复用用于广播和电视接收机。FM 的主要用途是无线电通信。让我们看一下 FM 发射器和 FM 接收器的结构及其框图和工作原理。

调频发射机

调频发射机是以音频信号为输入，将调频调制波传送到天线作为输出进行发射的整个单元。FM 发射机由 6 个主级组成。如下图所示。

FM发射机的工作原理可以解释如下。

来自麦克风输出的音频信号被提供给前置放大器，前置放大器提高调制信号的电平。
然后该信号被传递到高通滤波器，该滤波器充当预加重网络以滤除噪声并提高信噪比。
该信号进一步传递到 FM 调制器电路。
振荡器电路产生高频载波，与调制信号一起提供给调制器。
采用多级倍频器来提高工作频率。即使这样，信号的功率也不足以传输。因此，最后使用射频功率放大器来增加调制信号的功率。该 FM 调制输出最终传递到天线进行传输。

接收者的要求

无线电接收器用于接收 AM 频段和 FM 频段信号。AM的检测通过称为包络检测的方法完成， FM的检测通过称为频率鉴别的方法完成。

这种无线电接收器具有以下要求。

它应该具有成本效益。
它应该接收 AM 和 FM 信号。
接收器应该能够调谐和放大所需的电台。
它应该有能力拒绝不需要的电台。
无论载波频率是什么，都必须对所有电台信号进行解调。

为了满足这些要求，调谐器电路和混频器电路应该非常有效。射频混频的过程是一个有趣的现象。

射频混频

RF混频单元开发出中频（IF），将任何接收到的信号转换为中频，以便有效地处理信号。

RF混频器是接收器中的一个重要阶段。获取两个不同频率的信号，其中一个信号电平影响另一个信号的电平，以产生最终的混合输出。输入信号和最终的混频器输出如下图所示。

当两个信号进入射频混频器时，

第一信号频率 = F ₁
第二信号频率 = F ₂

那么，所得信号频率 = (F ₁ + F ₂ )和(F ₁ - F ₂ )

在输出处产生两个不同频率信号的混频器。

如果在频域中观察到这一点，则该模式如下图所示。

RF混频器的符号如下图所示。

两个信号混合后产生一个合成信号，其中一个信号的效果会影响另一个信号，并且两者都会产生与之前所见不同的模式。

调频接收器

FM接收器是以调制信号作为输入并产生原始音频信号作为输出的整个单元。业余无线电爱好者是最初的无线电接收者。然而，它们也存在灵敏度和选择性差等缺点。

选择性是选择特定信号而拒绝其他信号。灵敏度是指在最低功率水平下检测射频信号并解调信号的能力。

为了克服这些缺点，发明了超外差接收机。该 FM 接收器由 5 个主级组成。它们如下图所示。

射频调谐器部分

天线接收到的调制信号首先通过变压器传递到调谐器电路。调谐器电路只不过是一个LC电路，也称为谐振或储能电路。它选择无线电接收器所需的频率。它还同时调谐本地振荡器和射频滤波器。

射频混频器

调谐器输出的信号被提供给RF-IF 转换器，该转换器充当混频器。它有一个本地振荡器，可产生恒定的频率。混合过程在这里完成，将接收到的信号作为一个输入，将本地振荡器频率作为另一输入。_{最终的输出是由混频器产生的两个频率[(f 1} + f ₂ ),(f ₁ − f ₂ )]的混合，称为中频(IF)。

中频的产生有助于解调具有任何载波频率的任何电台信号。因此，所有信号都被转换为固定的载波频率以获得足够的选择性。

中频滤波器

中频滤波器是带通滤波器，可通过所需的频率。它消除了其中存在的任何不需要的高频分量以及噪声。IF 滤波器有助于提高信噪比 (SNR)。

解调器

现在使用发射机侧使用的相同过程对接收到的调制信号进行解调。鉴频一般用于FM检波。

音频放大器

这是功率放大器级，用于放大检测到的音频信号。处理后的信号被赋予有效的强度。该信号被传递到扬声器以获得原始声音信号。

这种超外差接收机因其具有较好的信噪比、灵敏度和选择性等优点而得到广泛应用。

FM 中的噪声

噪声的存在也是 FM 中的一个问题。每当频率接近所需信号的强干扰信号到达时，接收器就会锁定该干扰信号。这种现象称为捕获效应。

为了提高较高调制频率下的信噪比，发射机使用了称为预加重的高通电路。另一种电路称为去加重，在接收端采用预加重的逆过程，是一个低通电路。预加重和去加重电路广泛应用于调频发射机和接收机中，以有效提高输出信噪比。

脉冲调制

到目前为止，我们已经讨论了连续波调制。现在是离散信号的时候了。脉冲调制技术处理离散信号。让我们看看如何将连续信号转换为离散信号。称为采样的过程可以帮助我们实现这一点。

采样

将连续时间信号转换为等效的离散时间信号的过程，可以称为采样。采样过程中不断采样某一时刻的数据。

下图表示连续时间信号x(t)和采样信号x _s (t)。当x(t)乘以周期脉冲序列时，得到采样信号x _s (t) 。

采样信号是具有单位幅度的周期性脉冲序列，以相等的时间间隔T _s进行采样，时间间隔称为采样时间。该数据在时刻T _s被发送并且载波信号在剩余时间被发送。

采样率

为了离散化信号，样本之间的间隙应该是固定的。该间隙可以称为采样周期 T _s。

$$采样频率 = \frac{1}{T_s} = f_s$$

在哪里，

T _s = 采样时间

f _s = 采样频率或采样率

抽样定理

在考虑采样率时，应该考虑一个重要的点，即采样率必须是多少。采样率应该使得消息信号中的数据既不丢失也不重叠。

采样定理指出，“如果以大于或等于最大频率 W 两倍的速率f _s采样信号，则可以准确地再现信号。 ”

简单来说，为了有效再现原始信号，采样率应该是最高频率的两倍。

意思是，

$$f_s \geq 2W$$

在哪里，

f _s = 采样频率

W是最高频率

这种采样率称为奈奎斯特率。

采样定理，也称为奈奎斯特定理，为带限函数类提供了在带宽方面足够采样率的理论。

对于连续时间信号x(t)，频域中的带限信号可以表示如下图所示。

如果信号以高于奈奎斯特速率采样，则可以恢复原始信号。下图解释了在频域中以高于 2w 的速率采样的信号。

如果以小于 2w 的速率对同一信号进行采样，则采样信号将如下图所示。

从上面的模式我们可以看出，信息发生了重叠，从而导致信息的混淆和丢失。这种不需要的重叠现象称为混叠。

混叠可以被称为“信号频谱中的高频分量呈现出其采样版本频谱中的低频分量的特征”。

因此，信号采样选择为奈奎斯特速率，如采样定理中所述。如果采样率等于最高频率的两倍（2W）。

这意味着，

$$f_s = 2W$$

在哪里，

f _s = 采样频率

W是最高频率

结果将如上图所示。信息被替换而不会造成任何损失。因此，这是一个很好的采样率。

模拟脉冲调制

连续波调制之后，下一个部分是脉冲调制。脉冲调制又分为模拟调制和数字调制。模拟调制技术主要分为脉冲幅度调制、脉冲持续时间调制/脉宽调制和脉冲位置调制。

脉冲幅度调制

脉冲幅度调制 (PAM)是一种模拟调制方案，其中脉冲载波的幅度与消息信号的瞬时幅度成比例变化。

当信号追踪整个波的路径时，脉冲幅度调制信号将跟随原始信号的幅度。在自然 PAM 中，以奈奎斯特速率采样的信号通过具有精确截止频率的高效低通频率 (LPF)进行重建

下图解释了脉冲幅度调制。

尽管PAM信号经过LPF，但它无法不失真地恢复信号。因此，为了避免这种噪声，进行平顶采样，如下图所示。

平顶采样是这样的过程，其中采样信号可以用脉冲来表示，对于要采样的模拟信号，信号的幅度不能改变。振幅的顶部保持平坦。该过程简化了电路设计。

脉冲宽度调制

脉冲宽度调制 (PWM)或脉冲持续时间调制 (PDM)或脉冲时间调制 (PTM)是一种模拟调制方案，其中脉冲载波的持续时间或宽度或时间与消息信号的瞬时幅度成比例变化。

在这种方法中，脉冲的宽度会变化，但信号的幅度保持恒定。幅度限制器用于使信号的幅度恒定。这些电路将幅度削波至所需水平，因此噪声受到限制。

下图解释了脉宽调制的类型。

PWM 共有三种变体。他们是 -

脉冲的前沿是恒定的，后沿根据消息信号而变化。
脉冲的后沿恒定，前沿根据消息信号而变化。
脉冲的中心是恒定的，前沿和后沿根据消息信号而变化。

这三种类型如上图所示，并带有时序槽。

脉冲位置调制

脉冲位置调制 (PPM)是一种模拟调制方案，其中脉冲的幅度和宽度保持恒定，而每个脉冲相对于参考脉冲位置的位置根据消息的瞬时采样值而变化信号。

发射器必须发送同步脉冲（或简称同步脉冲）以保持发射器和接收器同步。这些同步脉冲有助于保持脉冲的位置。下图解释了脉冲位置调制。

脉冲位置调制是根据脉宽调制信号进行的。脉宽调制信号的每个尾部成为 PPM 信号中脉冲的起点。因此，这些脉冲的位置与 PWM 脉冲的宽度成正比。

优势

由于振幅和宽度恒定，因此处理的功率也是恒定的。

坏处

发射器和接收器之间的同步是必须的。

PAM、PWM 和 PPM 之间的比较

上述调制过程之间的比较显示在一个表中。

聚丙烯酰胺	脉宽调制	生产计划管理
幅度不同	宽度不同	立场不同
带宽取决于脉冲宽度	带宽取决于脉冲的上升时间	带宽取决于脉冲的上升时间
瞬时发射器功率随脉冲幅度变化	瞬时发射器功率随脉冲的幅度和宽度而变化	瞬时发射器功率随脉冲宽度保持恒定
系统复杂度高	系统复杂度低	系统复杂度低
噪音干扰高	噪音干扰低	噪音干扰低
与调幅类似	与调频类似	与相位调制类似

数字调制

到目前为止，我们已经了解了不同的调制技术。剩下的一种是数字调制，属于脉冲调制的类别。数字调制以脉冲编码调制（PCM）为主要分类。它进一步被处理为增量调制和 ADM。

脉冲编码调制

信号经过脉冲编码调制，将其模拟信息转换为二进制序列，即 1 和 0。脉冲编码调制 (PCM)的输出类似于二进制序列。下图显示了相对于给定正弦波瞬时值的 PCM 输出示例。

PCM 产生一系列数字或数字，而不是脉冲串，因此该过程称为数字过程。这些数字中的每一位虽然采用二进制代码，但都代表该时刻信号样本的近似幅度。

在脉冲编码调制中，消息信号由编码脉冲序列表示。该消息信号是通过在时间和幅度上以离散形式表示信号来实现的。

PCM 的基本要素

脉冲编码调制器电路的发射器部分由采样、量化和编码组成，这些部分在模数转换器部分中执行。采样之前的低通滤波器可防止消息信号的混叠。

接收器部分的基本操作是受损信号的再生、解码和量化脉冲串的重建。下图是 PCM 的框图，它代表了发送器和接收器部分的基本元素。

低通滤波器 (LPF)

该滤波器消除了输入模拟信号中存在的高于消息信号最高频率的高频分量，以避免消息信号的混叠。

采样器

该电路采用了有助于收集消息信号瞬时值的样本数据的技术，从而重建原始信号。根据采样定理，采样率必须大于消息信号最高频率分量W的两倍。

量化器

量化是减少过多比特并限制数据的过程。采样输出提供给量化器时，会减少冗余位并压缩值。

编码器

模拟信号的数字化是由编码器完成的。它通过二进制代码指定每个量化级别。这里完成的采样是采样保持过程。这三个部分将充当模拟到数字转换器。编码可以最大限度地减少所使用的带宽。

再生中继器

通道输出设有1个再生中继电路，用于补偿信号损失并重建信号。它还增加了信号的强度。

解码器

解码器电路对脉冲编码波形进行解码以再现原始信号。该电路充当解调器。

重构滤波器

在再生电路和解码器完成数模转换之后，使用低通滤波器（称为重建滤波器）来恢复原始信号。

因此，脉冲编码调制器电路将给定的模拟信号数字化、编码并采样。然后它以模拟形式传输。以相反的方式重复整个过程以获得原始信号。

调制技术

构建 PCM 信号需要遵循的调制技术很少。采样、量化和压扩等技术有助于创建有效的 PCM 信号，从而准确地再现原始信号。

量化

模拟信号的数字化涉及对近似等于模拟值的值进行四舍五入。采样方法在模拟信号上选择几个点，然后将这些点连接起来以将值舍入到接近稳定的值。这样的过程称为量化。

模拟信号的量化是通过使用多个量化级别对信号进行离散化来完成的。量化是用一组有限的电平来表示幅度的采样值，这意味着将连续幅度样本转换为离散时间信号。

下图显示了模拟信号如何量化。蓝线代表模拟信号，红线代表量化信号。

采样和量化都会导致信息丢失。量化器输出的质量取决于所使用的量化级别的数量。量化输出的离散幅度称为表示级别或重建级别。两个相邻表示级别之间的间距称为量子或步长。

PCM 中的压扩

Companding一词是Com Pressing 和 Expanding的组合，这意味着它两者兼而有之。这是 PCM 中使用的非线性技术，可压缩