模拟通信的基本原理解析

早期马可尼等无线电先驱者们发明的无线电报只能传输莫尔斯电码中的点和划，而不能传输人类的语音。直到1915年，基于亚历山大·贝尔先生发明的有线电话，人们通过无线电进行了第一次模拟的语音通信，即把麦克风所产生的语音电信号通过调幅(Amplitude Modulation，AM)或调频(Frequency Modulation，FM)方式在无线电波上传送，无线电才被用于传送语音和音乐。不过，当时的无线电通信多为专用的，主要用途为广播、公共安全、紧急通信等。

早期无线电通信示意如图2-1所示。

图2-1 早期无线电通信示意

早期的模拟无线电通信系统采用了幅度(或频率)调制和频分多址接入技术。这里出现了两个非常重要的概念，一个是调制(modulation)，另一个是多址接入(multiple access)。

1.调制

所谓无线电通信中的调制，就是把所要传递的信号(通常为语音信号)通过某种方式搬运到一个较高的载波频率上去，然后通过发射机和天线发射出去。

1875年由亚历山大·贝尔发明的电话系统是不需要调制与解调的，语音被麦克风转换成模拟电信号后，直接可以通过电话线传送，其原理如图2-2所示。但是，这是在有线通信中，即发射端和接收端有电线相连接。而在无线电通信中，情况则不太一样，低频率的语音信号并不能直接被天线发送出去，这是由无线电波的特性所决定的。

图2-2 早期有线电话的通信原理

根据电磁波的特性，当发送天线的尺寸和所发送信号的波长为一个数量级时，如1/4波长，电磁波才能被有效地发送出去。其中波长等于光速/频率，光速为3×108 m/s。一般人们说话经过麦克风产生的语音信号频率低于几千赫兹，由于频率较低，其波长达到了几万米，这样的信号是无法通过天线由无线电波发送出去的。

因此，人们想了一个办法，即首先把这种信号“搬运”到较高的频率(比如几十兆的频率)上，再通过天线发送出去，那么此时所需要的天线尺寸就要小得多(比如几厘米)。这就是所谓的调制过程。在接收端，则通过某种信号处理的方法，进行发射过程的逆操作，把语音信号恢复出来，这个过程叫做解调。无线电通信整个调制与解调的信号处理过程如图2-3所示。

图2-3 模拟无线电通信中的调制与解调

早期人们发明了两种对模拟的语音信号进行调制的方法，即所谓的幅度调制和频率调制，分别如图2-4和图2-5所示。

图2-4 幅度调制示意

图2-5 频率调制示意

幅度调制是使发射的无线电载波信号的幅度按照所需传递信号的变化规律而变化的调制方法。在接收侧，则通过检测接收载频的幅度变化而获得原始信号。

频率调制则是使发射的无线电载波信号的瞬时频率按照所需传递信号的变化规律而变化的调制方法。在接收侧，则通过检测接收载频的频率变化而获得原始信号，这一调制方法被广泛地应用于调频广播、电视伴音、微波通信等方面。无线电信道中通常存在各种加性的干扰信号和噪声，相对于幅度调制，频率调制的抗干扰能力要好得多。(www.xing528.com)

调制解决了语音信号通过无线电波传送的问题，但是，这只适用于在通话中的某一对用户之间。在同一区域中，如果有不同的用户对在同时通信，不经过协调，他们之间就会出现相互干扰，而且彼此可以听到对方讲话。

因此，为了把若干不同用户的信号在一个区域空间内传送，避免相互间的干扰，还需要引入所谓的多址接入技术。早期的移动通信系统普遍采用了频分多址接入(FDMA)的方法，解决不同用户共享同一区域内的无线资源的问题。频分多址接入则可以追溯到马可尼时代。

2.多址接入

马可尼在发明了无线电报后，又在他的发明基础上增加了调谐滤波的概念，即在无线信号发射机(由电容器和线圈构成)的谐振电路中，通过调整电容器和线圈的参数，使得不同发射机电磁波的中心频率(即对应的波长)各有不同，从而达到互不干扰的目的。在接收机部分也是如此，只有调谐到和发送机一致频率的用户才能接收对应的发送信号。1900—1920年马可尼时代常用的火花塞发射机原理图如图2-6所示。

图2-6 1900—1920年马可尼时代常用的火花塞发射机原理图

就这样，在同一区域内的不同用户组可以使用不同的频率点相互传送信息。马可尼为此申请了专利。这实际上就是无线电通信中最早使用的频分多址技术。频分多址接入示意如图2-7所示。

图2-7 频分多址接入示意

现代无线通信大多使用小区制基站接入的方式，某个小区内的手机用户通过基站接入电话网络。一个小区内通常会有很多用户，他们通过多址接入技术共用同一个基站，共享其中的频率资源。

早期的无线电通信系统大多采用了频分多址(FDMA)的方式，系统的频率带宽被分隔成多个相互隔离的频道，每个用户占用其中的一个频道，即采用不同的载波频率，通过滤波器过滤选取信号并抑制无用干扰。这样各子信道可同时使用。为了确保各个隔离的子信道间相互不干扰，子信道间需要预留保护带宽。频分多址是早期使用非常广泛的一种接入方式，实现起来非常简单，被应用于AMPS、TACS等第一代无线通信系统中。在频分多址中，每个移动用户进行通信时都占用一个频率信道，频带利用率不是很高，相互间也容易产生干扰。