模电基础 - 信号

目录

一. 信号

二. 信号应用领域

三. 无线信号

四. 电信号

五. 无线通信,蓝牙,lora

无线通信（General Wireless Communication）

蓝牙（Bluetooth）

LoRa（Long Range）

一. 信号

信号是用于传递、表示或携带信息的物理量。它可以在不同的系统之间传输，使得信息能够从一个地方传递到另一个地方，或者在一个系统内部用于控制、监测和通信等目的。

从广义上讲，信号可以是任何能够传递信息的变化或模式。它可以表现为多种形式，比如：

1. 声音信号：通过空气传播的压力波，人类的语言、音乐等都属于声音信号。
2. 光信号：例如通过光纤传输的光脉冲，或者来自信号灯的光变化。
3. 电磁信号：包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X 射线和伽马射线等。
4. 机械信号：如振动、位移、速度、加速度等。

从性质上分类，信号主要有以下几种：

1. 确定性信号：具有明确的数学表达式，可以准确预测其在任何时刻的取值。例如正弦波、方波等。

   • 周期信号：在一定时间间隔内重复出现的确定性信号。
   • 非周期信号：不具有周期性的确定性信号。

2. 随机信号：无法用确定的数学表达式来描述，其在任何时刻的取值具有不确定性，但具有一定的统计规律。比如热噪声、散粒噪声等。

在通信和电子工程领域，信号的特征通常用以下几个参数来描述：

1. 幅度：信号的强度或大小。
2. 频率：单位时间内信号重复的次数。
3. 相位：表示信号在某一时刻的位置或状态。

信号处理是一门研究如何对信号进行分析、变换、滤波、编码、解码、调制、解调等操作，以提取有用信息、增强信号质量、减少噪声干扰或实现特定功能的学科。信号在现代科技的各个领域都有着至关重要的作用，如通信、控制工程、图像处理、音频处理、生物医学工程等。

二. 信号应用领域

1. 通信领域

   • 无线通信：包括手机通信、卫星通信、无线局域网等，通过电磁波作为载体传输各种类型的信号，实现语音、数据、图像等信息的传递。
   • 有线通信：如光纤通信，利用光信号在光纤中传输数据。

2. 电子工程

   • 电路设计：对电信号的特性进行分析和处理，以设计出满足特定功能的电子电路。
   • 集成电路：芯片内部的信息传递和处理依赖于各种电信号。

3. 控制工程

   • 自动化控制：传感器采集的物理量转换为电信号，反馈给控制系统，以实现对工业过程、机器人、飞行器等的精确控制。

4. 音频和视频处理

   • 音频录制和播放：将声音转换为电信号进行录制、存储和处理，再转换回声音播放。
   • 图像和视频处理：从图像传感器获取的光信号转换为电信号进行图像处理、压缩、传输和显示。

5. 生物医学工程

   • 医疗检测：如心电图（ECG）、脑电图（EEG）、肌电图（EMG）等，将人体生理活动产生的生物电信号进行检测和分析，用于疾病诊断。
   • 医学成像：磁共振成像（MRI）、计算机断层扫描（CT）等技术基于对各种物理信号的采集和处理来生成人体内部结构的图像。

6. 雷达和导航

   • 雷达系统：通过发射和接收电磁波信号来探测目标的位置、速度等信息。
   • 卫星导航：接收卫星发送的导航信号来确定位置和导航。

7. 金融领域

   • 股票市场分析：通过对股票价格、成交量等数据的分析，这些数据可以看作是一种时间序列信号。

8. 地震学和地质学

   • 地震监测：检测地震产生的地震波信号，用于研究地球内部结构和预测地震。

9. 天文学

   • 天体观测：接收来自天体的电磁信号，如射电望远镜接收的无线电信号，以研究天体的物理特性和结构。

三. 无线信号

无线信号是指在无需物理连接的情况下，通过电磁波在空间中传播的信号。

无线信号可以分为多种类型，例如无线电波、微波、红外线、可见光等。在通信领域中，常用的无线信号主要是无线电波和微波。

无线信号的传输过程主要包括以下几个关键步骤：

1. 信号生成：源端（如手机、基站等）产生要传输的信息信号，通常是电信号。

2. 调制：将原始的信息信号加载到高频载波上。这个过程可以改变载波的幅度、频率或相位等特性，使得信号能够有效地在空间中传播，并实现多路复用等功能。

3. 发射：经过调制的信号通过天线转换为电磁波，并向空间辐射出去。

4. 传播：电磁波在空间中以各种方式传播，可能是直线传播（如微波通信）、地波传播（沿地球表面传播）、天波传播（经电离层反射）等。在传播过程中，信号可能会受到多种因素的影响，如衰减、多径传播（信号通过多条路径到达接收端）、干扰、噪声等。

5. 接收：接收端的天线接收到电磁波，并将其转换为电信号。

6. 解调：对接收的信号进行解调，从载波中恢复出原始的信息信号。

7. 信号处理和恢复：对解调后的信号进行滤波、放大、解码等处理，以还原出原始的传输信息。

影响无线信号传输的因素包括：

1. 距离：信号强度通常随着距离的增加而减弱。
2. 障碍物：如山体、建筑物等会阻挡、反射或散射信号，导致信号衰减和失真。
3. 天气条件：如雨、雾、雪等可能会吸收或散射信号。
4. 电磁干扰：来自其他电子设备或无线信号源的干扰。

无线信号，虽然我们无法直接看到或摸到，但可以通过一些类比和具体的现象来帮助理解。

想象一下无线信号就像是空气中无形的“波浪”。就像我们在平静的水面上扔一块石头会产生一圈圈向外扩散的水波一样，当一个无线设备发送信号时，也会产生类似的“电磁波波”向四周扩散。

这些电磁波具有不同的频率和波长，就像水波有高有低、有长有短。不同的频率范围被划分用于不同的用途，比如手机通信、无线网络、广播电台等，就好像不同大小的船只适合在不同深度和宽度的水域航行。

四. 电信号

电信号是指以电压、电流、电荷或电磁波等形式存在，并能够在电路、系统或设备中传递信息的物理量。

电信号主要有模拟信号和数字信号两种类型。

模拟信号是在时间和幅度上都连续变化的信号。例如，音频信号中的声波被转换为电信号时，电压会随着声音的强度和频率连续变化。模拟信号的优点是能够更精细地表示信息，但容易受到噪声和干扰的影响，在传输和处理过程中可能会导致信号失真。

数字信号则是在时间和幅度上都离散的信号，通常只有两种状态，例如高电平和低电平，分别用“1”和“0”表示。数字信号具有抗干扰能力强、便于存储和处理、精度高等优点，在现代通信和计算机技术中得到广泛应用。

电信号的特性包括频率、幅度、相位等。频率决定了信号变化的快慢，幅度表示信号的强度，相位反映了信号的起始点和周期内的位置。

电信号可以通过导线、电缆、光纤等传输介质进行传输。在传输过程中，可能会发生衰减、失真、延迟等现象，需要采取相应的措施来补偿和改善，如使用放大器、均衡器、中继器等。

电信号在众多领域发挥着关键作用，如通信、控制工程、计算机技术、电子仪器仪表等。在通信领域，电信号承载着语音、图像、数据等信息；在控制系统中，电信号用于传递控制指令和反馈信息；在计算机内部，电信号实现了数据的存储、处理和传输。

五. 无线通信,蓝牙,lora

无线通信、蓝牙和LoRa是三种不同的无线通信技术，它们各自有着独特的原理和应用场景。

无线通信（General Wireless Communication）

无线通信的原理基于电磁波的传输，它涵盖了多种技术和标准，从最基础的AM/FM广播到复杂的移动通信网络如4G、5G。无线通信的基本原理是利用天线发射和接收电磁波，将信息编码到电磁波上进行传输。在接收端，电磁波被解码，信息得以恢复。无线通信技术涉及调制解调、编码、多址接入、天线设计、射频电路等多个方面。

蓝牙（Bluetooth）

蓝牙是一种短距离无线通信技术，主要应用于个人设备之间，如手机、耳机、键盘和鼠标等。蓝牙的原理基于跳频扩频（Frequency-Hopping Spread Spectrum, FHSS）技术，它将信号在多个频率之间快速切换，以减少干扰和提高通信的安全性。蓝牙使用2.4 GHz的ISM频段，具有自动重传请求（Automatic Repeat Request, ARQ）机制，以及链路控制和链路管理协议，以确保数据的可靠传输。

LoRa（Long Range）

LoRa是一种专为低功耗广域网络（LPWAN）设计的无线通信技术，用于物联网（IoT）设备之间的长距离通信。LoRa的原理基于线性调频扩频（Chirp Spread Spectrum, CSS）技术，通过将信号的频率随时间线性变化（啁啾）来扩展信号的带宽，从而增加传输距离和抗干扰能力。LoRa工作在免授权的ISM频段，如433 MHz、868 MHz或915 MHz，能够以非常低的功耗实现几公里至几十公里的通信距离。