电磁波的信号加载

只看该作者 · 2023-12-5 00:43

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电磁波的信号加载
电磁波(Electromagnetic wave)是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的振荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性，其粒子形态称为光子，电磁波与光子不是非黑即白的关系，而是根据实际研究的不同，其性质所体现出的两个侧面。由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁波在真空中速率固定，速度为光速。

在1865年James Clerk Maxwell提出了电磁基本方程（麦克斯韦方程）预测了电磁波的存在，并指出电磁波是由波动的电场和磁场构成，传播速度可通过自由空间的基本电磁属性来计算。

电磁场包含电场与磁场两个方面，分别用电场强度E或电位移D及磁通密度B（或磁场强度H）表示其特性；E和H在空间上都是正弦变化的。在相位上，电场和磁场相互垂直，并且都垂直于传播方向。每秒通过某特定位置的波峰的个数成为频率（f），可用每秒的周期数来量度（赫兹Hz）。在雷达系统中，频率通常指载波的频率。两个相邻波峰之间的距离成为波长λ。波长与频率的关系：λ=c/f=2π/λ=2πf/c。瞬时的能量通量密度（w/m2）为|S|=E×H，S为波印亭矢量。

载波信号单位Hz，就是把普通信号（声音、图象）加载到一定频率的高频信号上，在没有加载普通信号的高频信号时，高频信号的波幅是固定的，加载之后波幅就随着普通信号的变化而变化（调幅），还可以调相，调频。载波信号一般要求正弦载波的频率远远高于调制信号的带宽，频率越高，对应着电磁波的波长越短，能量越高，衰减越快，穿透性越差，散射越少，对人体伤害越大。
幅度调制 Amplitude Modulation，这种调制方式改变的是信号的幅度或者强度。幅度调制是第一种用于广播声音的调制类型。

频率调制Frequency modulation，这种调试方式改变的是信号的频率。频率调制的优点是可以限制信号上的幅度噪声，因为只有频率变化才能携带所需的信息。这可以通过使信号通过一个进入限制的阶段来实现，从而消除可能是噪声和一般信号变化的结果的幅度变化。

相位调制Phasemodulation，相位调制根据调制信号改变载波的相位。相位调制和频率调制有许多相似之处并且是相互联系的——一个是另一个的差分。
调制组合可以使用结合幅度和角度调制分量的调制形式。以这种方式可以获得性能的增强。

   正交幅度调制QAM，Quadrature Amplitude Modulation是一种在两个正交载波上进行幅度调制的调制方式。这两个载波通常是相位差为90度（π/2）的正弦波，因此被称作正交载波。在接收器处，由于它们的正交特性，两个波可以相干分离（解调）。另一个关键属性是，与载波频率相比，调制是低频/低带宽波形，这被称为窄带假设。
幅度相位调制APSK，AmplitudePhaseShiftKeying：是一种幅度相位调制方式，与传统方型星座QAM（如16QAM、64QAM）相比，在卫星信道中使用高阶调制方式，显然也意味着在抗噪声接收方面的技术进步。与 QAM 相比，使用 APSK，可以安排星座以优化峰值与平均功率比，并且可以设置更少的幅度级别。正交频分复用OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing通过整合调制技术和复用技术来提高频谱效率。传输信道被分成许多较小的子信道或子载波。选择副载波频率和间距时需使它们成正交关系。
   信号带宽：定义了在给定无线电频谱段内可以容纳的信道数量。随着无线电频谱压力的增加，无线电信号带宽是任何类型无线电发射或传输的重要特征。可分为模拟信道和数字信道。无线调幅广播以载波频率为中心频率，将原始信号作为两个相同带宽的边带(上下边带)寄载到该载波上，调制后的该调幅信号总带宽为原始信号的2倍。
数据速率和波特率：香农-哈特雷定律，理论上的最大数据速率或信道容量（C）（单位为bits/s）是信道带宽（B）信道（单位为Hz）和信噪比（SNR）的函数：
　　C = B log2 （1 + SNR）
   最大数据速率与带宽成正比，与SNR成对数比。在误码率（BER）一定的情况下，噪声会大幅降低数据速率。
　　另一个关键因素是波特率，即每秒传送的调制符号数。调制符号这个术语是指正弦载波信号的一种具体状态。它可以是振幅、频率、相位或者这些参数的某种形式的组合。基本的二进制传输模式采用每个符号一比特的机制。
  影响频谱效率的因素：
　　正向纠错（FEC）技术：可以大幅改进BER。这种编码方式可以增加额外的比特数，因此可以检测和纠正错误。额外的编码比特会增加信号的开销，从而降低数据的净比特率，不过这往往是CNR的一位数dB改进的一个可以接受的折衷因素。如今几乎所有的无线系统都有这种编码增益。
　　数字压缩的技术：要发送的数字数据易受用来大幅减少信息量的压缩算法的影响。这样就可以减少数字信号量，以便这些信号以更短更慢的数据流进行传输。比如，数字手机和互联网协议语言（VoIP）电话的语言信号就是经过压缩的。MP3或AAC文件的音乐经过压缩后可以获得更快的传输速度，并且所需的存储空间也更小。视频经过压缩后，高分辨率的图像可以更快地传输或者在带宽有限的系统中传输。
　　多输入多输出（MIMO）技术，该技术使用多个天线和收发器来传送两个或多个比特流。单个高速率流被分成两个并行流，并同时以相同的带宽进行传输。通过对流及其独特的通路特性进行编程，接收器可以对每个流进行识别和解调，并将其重编成原始的流。因此，MIMO可以提升数据速率、噪声性能和频谱效率。802.11n和802.11ac/ad等更新的无线LAN （WLAN）标准以及LTE和WiMAX等蜂窝标准都采用MIMO技术。