广播、电视和移动通信

官方物理老师·12 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·3 天前
电磁波调制解调蜂窝网络信号传输

广播、电视和移动通信

搞懂电磁波如何载着声音、画面和数据飞越千山万水

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电磁波调制解调蜂窝网络信号传输

广播、电视和移动通信

搞懂电磁波如何载着声音、画面和数据飞越千山万水

1第 1 页 · 广播、电视和移动通信

音频信号

声音是广播、电视和移动通信里最古老、也最基础的内容——电台播音、电视伴音、手机通话,本质上都在传『音频信号』。但它和声音本身不是一回事。

本质
声音波形的电学副本,电压随时间连续变化
关键参数
幅度对应响度,频率对应音高;可听范围 20Hz~20kHz
两种形态
模拟信号连续可变,数字信号用 0/1 采样编码
典型应用
广播、电视伴音、移动通话、流媒体音乐
水位计对应 →音频信号

水位计把水位起伏变成指针偏转,麦克风把声压变化变成电压曲线

2第 2 页 · 音频信号

视频信号

上一页我们讲了音频信号——它只记录声音随时间的变化,一根时间轴就够了。但打开视频通话,你看到的不仅是声音,还有同学的表情和手势。视频信号在音频的基础上,多出了一个维度:空间。

时空二维信号
音频只有时间一维,视频在时间轴上叠加了空间图像维度
帧率 fps
每秒播放的图像帧数,电影用24fps,游戏常用60fps让运动更平滑
分辨率与像素
每帧图像由像素阵列组成,决定画面精细程度,4K是3840×2160
亮度+色度分离
模拟视频把画面拆为亮度Y和色度C,便于兼容黑白电视和压缩传输
手翻书动画对应 →视频信号

一页页静止画快速翻过,眼睛看到的就是连续动作;视频本质就是把翻书做到每秒几十次

数据率××帧率×色深\text{数据率} \approx \text{宽} \times \text{高} \times \text{帧率} \times \text{色深}
3第 3 页 · 视频信号

射频电流

音频、视频都是低频电信号,电流变化慢,根本无法以电磁波形式有效辐射。要让信号「飞」起来,得先把它搬到一个高频的「肩膀」上——这就是射频电流。

定义
频率约 20 kHz~300 GHz 的交变电流
高频特性
振荡极快,能激发同频电磁波向外辐射
载波角色
作为载体,把低频音视频信号「搭载」传播
典型应用
广播发射塔、电视塔、基站天线中的工作电流
快速抖动绳子一端对应 →射频电流激发电磁波

抖动够快时,绳上波纹会脱离绳端向外传开

4第 4 页 · 射频电流

电磁波发射

上一页我们知道射频电流能让信号"飞"起来,但电流本身还困在导线上,电磁波是怎么从天线"飞"到远方的呢?

高频振荡
频率足够高的电流才能有效辐射,太低时能量困在电路里
开放电路
把闭合LC回路"打开"成天线,让电磁场能扩散到外部空间
场的变化辐射
天线中变化电流产生变化电场,电场变化又激发磁场
调制装载
用低频信号(音频/视频)调制高频载波,让信息能远距离传播
往湖面扔石头对应 →电磁波发射

高频振动源(天线)持续扰动,能量以波纹形式向四周扩散开来

5第 5 页 · 电磁波发射

电磁波接收

上一页把电磁波「送了出去」,但通信是来回的。这一页看另一半:远方的设备怎么把空中的电磁波「接回来」,还原成声音和画面。

天线
接收电磁波的入口,把空中的电磁波转化为高频电流
选频(谐振)
谐振电路只让目标频率通过,滤掉其他电台干扰
解调
从载波中剥离出原始的音频或视频信号,调制的逆过程
放大与还原
放大微弱信号,再由扬声器或显示屏变回声和像
嘈杂餐厅只听同桌人说话对应 →接收机的选频过程

谐振电路像大脑的过滤机制,只放大目标频率,其余当作噪音滤掉

f0=12πLCf_0 = \dfrac{1}{2\pi\sqrt{LC}}
6第 6 页 · 电磁波接收

调制

前几页我们知道了:低频音频视频信号自己走不远,而高频电磁波能跑很远。怎么把这两件事接起来?这就是调制要解决的问题。

调制的定义
把低频信号"装载"到高频电磁波上的过程
为何需要调制
低频信号衰减快传不远,高频载波负责远距离运输
常见调制方式
调幅(AM)改载波幅度、调频(FM)改载波频率最常用
解调
接收端把原始信号从载波上取下来的逆过程
信件装进快递包裹对应 →调制与解调

信件是低频信号(内容少、易丢),快递车是高频载波(跑得远),到目的地拆包取信就是解调

7第 7 页 · 调制

解调

上页我们把低频的音视频信号装进了高频载波这个'信封'里——这就是调制。现在问题来了:收音机、电视机、手机收到这堆高频信号后,怎么把里面的'信'——也就是原始音视频——重新掏出来?

解调的定义
从已调射频载波上把原始低频信息信号还原出来的过程
调制的逆过程
调制把信息装进载波,解调把信息从载波上剥离,频谱搬移反向进行
AM 检波
二极管整流+电容滤波提取包络,最简单、成本最低
FM 鉴频
把频率偏移转换为电压变化,常用鉴频器或锁相环
数字相干解调
用同频同相的本地载波相乘再低通滤波,抗噪声远优于模拟解调
拆信封取出信纸对应 →解调

调制是把信纸装进信封(原始信号装入载波),解调就是把信纸从信封里取出来(从载波剥离原始信号)

s(t)=A[1+m(t)]cosωctA1+m(t)低通Am(t)s(t)=A[1+m(t)]\cos\omega_c t \xrightarrow{|\cdot|} A|1+m(t)| \xrightarrow{\text{低通}} A\,m(t)
8第 8 页 · 解调

频道

上一页把信息调制到载波上,但同一片空域中的信号不能全挤在同一个频率。系统先把共享频谱划成可管理的“道路”,再让接收机选中其中一条。

划分背景
同一地区有众多广播、电视和移动业务,频谱只能分段共享,频道就是分配边界
中心与带宽
用中心频率定位频道,用带宽容纳载波及边带,接收机调谐后只接收这一段
邻道隔离
相邻频道须留出保护间隔;强信号越界或滤波器不理想,仍可能造成邻道干扰
数字频道复用
一个物理频道可按时隙承载多套节目;节目号是逻辑频道,不能等同射频频道
道路上的车道对应 →电磁频谱中的频道

车道划定通行边界,频道划定频带边界;留出的空隙能降低越线和邻道干扰

9第 9 页 · 频道

移动电话工作方式

广播塔对着整片区域喊,你能听却没法回嘴——它是单向的。手机能说也能听,关键不是手机变厉害了,而是背后有一张'蜂窝网'和无数个中转站在协同工作。

蜂窝小区
把覆盖范围切成蜂窝状的格子,每格由一个基站负责
基站中继
手机不直接找对方,先把信号交给最近的基站再转发
双向通信
上行下行都靠电磁波,手机同时是发射机和接收机
越区切换
跨小区移动时,基站之间悄悄交接通话,保证不掉线
接力赛跑对应 →越区切换

小区像接力区段,手机走到边界就把通话'棒'悄悄传给下一个基站

10第 10 页 · 移动电话工作方式

本节要点

  • 低频信号须调制到高频载波上,才能以电磁波形式远传
  • 电磁波只载着调制后的信息,不直接装音视频
  • 频道是对频率资源的划分,频率不重叠就不串扰
  • 移动通信依赖基站接力与小区切换
延伸主题:数字调制与编码原理5G与毫米波通信卫星通信的工作方式
11第 11 页 · 本节要点

课后思考

先遮住答案区独立思考,再对照参考答案检验思路。

1为什么不能直接把低频音频信号以电磁波形式发射出去?

参考答案低频信号波长极长,需要巨大天线才能有效辐射;不同低频信号还会混叠,无法区分频道。调制到高频后天线可缩小、便于选频接收。

2如果城市里有多家电台同时广播,它们的信号会相互干扰吗?为什么?

参考答案不会严重干扰,因为不同电台使用不同载波频率(频道),接收端通过选频解调只接收目标信号——见「频道」与「解调」。

3移动电话为什么不采用广播式的大功率单基站,而是采用蜂窝小区结构?

参考答案广播是单向、众多听众共享同一信号;移动电话是双向、每个用户独占信道。蜂窝小区可频率复用,大幅提升同时通话容量——见「移动电话工作方式」。

12第 12 页 · 课后思考