無線電是怎么傳輸信息的

牟興越 盧存旺

人類的通信歷史非常悠久，早在遠古時候，人們就能利用簡單的語言、手勢等方式傳遞信息。經(jīng)過千百年的發(fā)展，人們逐漸發(fā)明圖案、文字等傳遞信息的方式，其中一些方式至今仍在使用，但是這些方式一般都依靠人類自身的感官來傳遞信息，作用距離很短，傳輸速率較慢，傳遞的內(nèi)容也有限。人類通信領域的根本性巨大變革發(fā)生在19世紀中葉，隨著第一個人類感應電火花在實驗室里發(fā)出，赫茲通過實驗證明了麥克斯韋的理論，也為人類實現(xiàn)無線電通信奠定了基礎。隨著越來越多的科學家投入到利用無線電通信的研究當中，最終實現(xiàn)大規(guī)模推廣無線電通信的是馬可尼，在1897年，馬可尼已經(jīng)可以實現(xiàn)跨越英吉利海峽的無線電通信，并建立了馬可尼無線電報公司，從此無線電通信才算正式走入人們的日常生活。

無線電信號看不見摸不著，又與我們的生活息息相關，移動支付、移動電話甚至衛(wèi)星傳輸信號都要依靠它，但很多人不知道到底是個什么東西，更不明白它是如何傳遞信息的。現(xiàn)在，這篇文章將為你解答無線電是如何傳遞信息的疑惑。

原始的無線電通信就是通過控制電磁脈沖的發(fā)射實現(xiàn)的通信的，你可以類比為利用一個開關的開閉控制電燈的滅和亮，其他人通過事先約定的規(guī)則，將電燈的閃爍規(guī)律翻譯成信息，而電報則是將電磁脈沖的能量轉變?yōu)橛幸?guī)律的聲音或者燈光，再由人將其翻譯為語言信息。

現(xiàn)代無線電通信經(jīng)過長足的發(fā)展，已經(jīng)與原始的無線電信號大不相同。現(xiàn)代的數(shù)字通信系統(tǒng)模型如下：

在數(shù)字通信的時代，信息從信源流入，經(jīng)過一系列處理，再通過傳輸路徑傳遞到接收設備，最終到達信宿。在整個系統(tǒng)中，信源和信宿可以是人也可以是機器，他們是原始信息的提供方和接收方，可以類比為寄信人和收信人。

信源編碼，是實現(xiàn)數(shù)字傳輸?shù)牡谝徊剑谶@一步需要將語音、文字、圖案等原始信息轉化為數(shù)字信號。信源編碼的主要作用，一是壓縮原始信息，去除冗余信息，提高系統(tǒng)有效性，二是將模擬信號轉換成數(shù)字信號，下面舉個例子說明為什么要信源編碼：大家在手機上看電影，會有清晰度的選擇，以現(xiàn)在各視頻平臺常見的720 P（1280*720）彩色（24位/像素）電影來說，為了觀影需求一般要求每秒25幀，它一秒鐘的數(shù)據(jù)量為552.96Mb，這意味著它需要553Mb/S的數(shù)據(jù)傳輸速率才能流暢觀看，而現(xiàn)實生活中，大家在手機上看電影的時候并不會需要如此高的網(wǎng)速，一般600kb/s到800kb/s就能流暢觀看，大家應該可以明白信源編碼的重要性了。信源譯碼作為信源編碼的逆過程，就是要將壓縮的信息還原成聲音、文字等信息。

加密，是保護信息安全的重要手段，一般在需要實現(xiàn)保密通信的場合，人們將已經(jīng)壓縮處理的數(shù)字信息按照一定的規(guī)則擾亂。在信息傳遞的過程中，信息就像裝進了上鎖的盒子里，這個上鎖的過程就是加密，別人竊取到信息后，如果不知道密碼或加密方式，看到的將是一片亂碼。解密過程是加密過程的逆過程，對接收到的信息進行解密后，恢復原來的信息。

信道編碼，是保證通信系統(tǒng)可靠性的重要一步。數(shù)字信號在傳輸?shù)倪^程中會受到各種干擾，我們將其稱為噪聲，顧名思義噪聲就是干擾信號傳輸?shù)碾姶挪ǎ拖翊蠼稚狭奶斓臅r候，路過的汽車的引擎聲，喇叭聲等等，它們可能會讓你聽不見或者聽不清甚至聽錯。信道編碼就是在傳輸?shù)男畔⒋a元中按照一定的規(guī)律加入保護成分，進而組成所謂抗干擾編碼。抗干擾編碼能實現(xiàn)檢錯和糾錯的功能，在接收端通過檢查這部分編碼，根據(jù)事先約定的規(guī)則，判別傳遞的信息是否出錯，并在一定程度上糾正錯誤，提高通信的正確率和效率。信道譯碼是信道編碼的逆過程，與加密解密一樣，信道編碼和信道譯碼都必須采用相同的編碼和譯碼方式。

數(shù)字調(diào)制是實現(xiàn)數(shù)字傳輸?shù)年P鍵一步，前面的步驟都是對信息本身的處理，而我們在通信的時候，并不是直接將信息發(fā)送出去。受到天線尺寸和傳輸速率等因素的要求，我們必須以很高的頻率發(fā)射無線電波，才能在讓手機等移動通信設備尺寸做到現(xiàn)在我們看到的這么小，上網(wǎng)速度這么快。因為當我們在某一個頻率通信的時候，要更好的發(fā)射和接受信號，天線的最佳尺寸是電磁波波長的四分之一，于此同時，相同條件下通信的頻率越高，能使用的帶寬越大，通信的速度也越快，最直接的感受就是網(wǎng)速更快了。然而在調(diào)制之前的信號并不滿足這些要求，我們要做的是將我們要傳輸?shù)男盘柤虞d到一個高頻率的載波上，這個過程就是調(diào)制。我們可以將調(diào)制前的信號類比為貨物，載波類比為貨車，路途遙遠，貨物不能直接轉移到收貨方，必須要用貨車運輸過去，到達目的地之后再將貨物卸下，這個過程就是解調(diào)的過程。數(shù)字調(diào)制又稱為載波鍵控，鍵就像開關一樣，控就是控制開關的開閉，是不是又像最初的電報？不過數(shù)字調(diào)制并不同于電報直接控制電磁脈沖的發(fā)射和關閉，數(shù)字調(diào)制控制的是載波。我們有移幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）、移相鍵控（PSK），三類調(diào)制方法，ASK是最像電報的一種調(diào)制方式，你可以認為它控制的就是信號的電壓;FSK 控制的是信號的頻率，它會根據(jù)你要傳遞的信號改變頻率發(fā)射;PSK控制的是電磁波的相位，它會控制正弦信號的相位的跳變。

經(jīng)過發(fā)射前的一系列處理，電磁能量會由天線輻射出去，電磁波在空中傳播，會受到各種電磁能量的干擾，這就是噪聲干擾，噪聲是沒有辦法消除的，我們只能不斷提高抗干擾的能力，提高有效信號的比例（信噪比）。

經(jīng)過本文的介紹，大家應該對無線電通信有了一定的了解，本文舉例的是現(xiàn)在與我們生活最近的數(shù)字通信，實際上還有模擬通信等通信方式，有興趣的可以更深入的了解。