信號頻率

因此通信信道最大傳輸速率與信道帶寬之間存在著明確的關(guān)系，所以人們可以用“帶寬”去取代“速率”。例如，人們常把網(wǎng)絡(luò)的“高數(shù)據(jù)傳輸速率”用網(wǎng)絡(luò)的“高帶寬”去表述。因此“帶寬”與“速率”在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的討論中幾乎成了同義詞。

或許有人還記得，早在1998年，美國東北波士頓大學(xué)的一年級新生、18歲的肖恩?范寧為了能夠解決他的室友的一個問題——如何在網(wǎng)上找到音樂而編寫的一個簡單的程序，這個程序能夠搜索音樂文件并提供檢索，把所有的音樂文件地址存放在一個集中的服務(wù)器中，這樣使用者就能夠方便地過濾上百的地址而找到自己需要的MP3文件。到了1999年，令他們沒有想到的是，這個叫做Napster的程序成為了人們爭相轉(zhuǎn)告的“殺手程序”——它令無數(shù)散布在互聯(lián)網(wǎng)上的音樂愛好者美夢成真，無數(shù)人在一夜之內(nèi)開始使用Napster。在最高峰時Napster網(wǎng)絡(luò)有8000萬的注冊用戶，這是一個讓其他所有網(wǎng)絡(luò)望塵莫及的數(shù)字。這大概可以作為P2P軟件成功進(jìn)入人們生活的一個標(biāo)志。

第一個例子仍是數(shù)字方波信號的基帶傳輸（信號可能從零頻率，也可能不是從零開始，直至某個較高的頻率分量占滿整個信道帶寬，該較高頻率分量通常由信道上限頻率決定），我們知道，數(shù)字方波信號帶寬可以無限，但信道帶寬總是有限的，因此信道帶寬限定了通過信道的信號帶寬。如果信號基頻和部分諧波能通過該信道，一般說來，接收到信號是可以被識別出的；如果信道的下限頻率高于信號的基頻，則基頻甚至部分諧波被濾除，由于基頻包含了信號的大部分能量（在時域圖上反映出是所有疊加的信號波形中振幅最大的波形），因此接收到的信號難以識別。所以傳輸方波的信道要求其下限頻率要低于信號的基頻。

第二個例子是電話信道，假定其頻率范圍從300~3300Hz，帶寬為3kHz，而語音信號頻譜則一般為100Hz~7kHz的范圍。電話信道將語音信號頻譜掐頭去尾，因?yàn)檎Z音信號的主要能量集中在中心的一些頻率分量附近，所以通過電話信道傳輸?shù)恼Z音信號，雖有失真，但仍能分辨。

第三個例子是電話線數(shù)字載波，即把數(shù)字信號調(diào)制到音頻載波信號上，該載波是正弦波。電話線數(shù)據(jù)傳輸并不占滿整個帶寬，而是取中間部分頻帶，即600~3000Hz，帶寬2400Hz。假定采用幅度調(diào)制（最簡單的做法是通過在每個信號單元保留載波或除去載波來表示二進(jìn)制的兩種取值），如果采用全雙工通信方式，則需將電話線數(shù)據(jù)信道一分為二，每個子信道各占1200Hz帶寬，一個600~1800Hz，另一個1800~3000Hz；兩個子信道的載波頻率是各子信道中的中心頻率，即分別為1200Hz和2400Hz，換句話說，每個中心頻率兩邊各有一個600Hz的邊帶。

數(shù)字調(diào)頻術(shù)和調(diào)相技術(shù)更復(fù)雜些，在時域上看，它們的每個信號單元周期時間可以與調(diào)幅相同；但從頻域上看，每個周期內(nèi)使載波頻率和相位隨著所表示的數(shù)值變化而發(fā)生改變，信號相位的變化實(shí)際上在幅-頻頻域圖上也表現(xiàn)為頻率的變化。尤其是當(dāng)每個信號單元包含多個比特的情況，會產(chǎn)生多個頻率分量。對于每個信號單元包含1個比特的情況，數(shù)字調(diào)頻的每個子信道需要兩個不同的頻率表示二進(jìn)制數(shù)字，也就是說，在2400Hz帶寬的數(shù)據(jù)信道上有四個中心頻率以及它們的邊帶。也就是說，分為了四段頻帶，600~1200Hz、1200~1800Hz、1800~2400Hz、2400~3000Hz；中心頻率分別為900Hz、1500Hz、2100Hz和2700Hz。

第四個例子是無線調(diào)幅廣播的模擬載波，即把語音、音樂等音頻數(shù)據(jù)生成的原始電信號調(diào)制到具有某個廣播頻率的載波上（實(shí)際是頻譜搬移，將相對較低的20Hz~20kHz頻譜搬遷到較高300kHz~3MHz的頻譜上）。無線信道利用的是自由空間，帶寬似乎可以達(dá)到整個頻譜，但實(shí)際上并非如此，首先，不同波段的頻率需要不同的傳播方式（地表導(dǎo)波、對流層散射、電離層反射、視線定向、空間轉(zhuǎn)發(fā)）才能發(fā)揮最佳效率，不可能只采用一種傳播方式使用如此廣闊的頻帶；其次，頻帶跨度太大，不同頻率分量傳播的時延相差較遠(yuǎn)，不利于信號的正確識別和還原，數(shù)據(jù)率也因高低難以兼顧而受限；再則，無線信道是一種共享的公用廣播信道，為了避免不同信源的相互干擾，在全球或者局部范圍，必須進(jìn)行信道分割與分配，分割出的每個信道根據(jù)不同的用途，其帶寬相距很大，但不管多寬，都是很有限的；無論何種信號（即使理論上帶寬無限的信號）在實(shí)際的傳輸中也不必一定要非常寬，也是允許損失一定頻率成分的。無線調(diào)幅廣播以載波頻率為中心頻率，將原始信號作為兩個相同帶寬的邊帶(上下邊帶)寄載到該載波上。

是信號頻譜的寬度，也就是信號的最高頻率分量與最低頻率分量之差，譬如，一個由數(shù)個正弦波疊加成的方波信號，其最低頻率分量是其基頻，假定為f =2kHz，其最高頻率分量是其7次諧波頻率，即7f =7×2=14kHz，因此該信號帶寬為7f - f =14-2=12kHz。

信道帶寬則限定了允許通過該信道的信號下限頻率和上限頻率，也就是限定了一個頻率通帶。比如一個信道允許的通帶為1.5kHz至15kHz，其帶寬為13.5kHz，上面這個方波信號的所有頻率成分當(dāng)然能從該信道通過，如果不考慮衰減、時延以及噪聲等因素，通過此信道的該信號會毫不失真。然而，如果一個基頻為1kHz的方波，通過該信道肯定失真會很嚴(yán)重；方波信號若基頻為2kHz，但最高諧波頻率為18kHz，帶寬超出了信道帶寬，其高次諧波會被信道濾除，通過該信道接收到的方波沒有發(fā)送的質(zhì)量好；那么，如果方波信號基頻為500Hz，最高頻率分量是11次諧波的頻率為5.5kHz，其帶寬只需要5kHz，遠(yuǎn)小于信道帶寬，是否就能很好地通過該信道呢？其實(shí)，該信號在信道上傳輸時，基頻被濾掉了，僅各次諧波能夠通過，信號波形一定是不堪入目的。

通過上面的分析并進(jìn)一步推論，可以得到這樣一些結(jié)果：

（1）如果信號與信道帶寬相同且頻率范圍一致，信號能不損失頻率成分地通過信道；

（2）如果帶寬相同但頻率范圍不一致時，該信號的頻率分量肯定不能完全通過該信道（可以考慮通過頻譜搬移也就是調(diào)制來實(shí)現(xiàn)）；

（3）如果帶寬不同而且是信號帶寬小于信道帶寬，但信號的所有頻率分量包含在信道的通帶范圍內(nèi)，信號能不損失頻率成分地通過；

（4）如果帶寬不同而且是信號帶寬大于信道帶寬，但包含信號大部分能量的主要頻率分量包含在信道的通帶范圍內(nèi)，通過信道的信號會損失部分頻率成分，但仍可能被識別，正如數(shù)字信號的基帶傳輸和語音信號在電話信道傳輸那樣；

（5）如果帶寬不同而且是信號帶寬大于信道帶寬，且包含信號相當(dāng)多能量的頻率分量不在信道的通帶范圍內(nèi)，這些信號頻率成分將被濾除，信號失真甚至嚴(yán)重畸變；

（6）不管帶寬是否相同，如果信號的所有頻率分量都不在信道的通帶范圍內(nèi)，信號無法通過；

（7）不管帶寬是否相同，如果信號頻譜與信道通帶交錯，且只有部分頻率分量通過，信號失真。

另外，我們在分析在信道上傳輸?shù)男盘枙r，不能總是認(rèn)為其帶寬一定占滿整個信道，比如頻帶傳輸；即使信號占據(jù)整個信道，也不一定總是把它想像成一個方波，它也可能是其它的波形，比如在一個單頻的正弦波上寄載其它模擬信號或數(shù)字信號而形成的復(fù)合波形。我們再舉一些實(shí)例，進(jìn)一步明晰信號與信道的帶寬問題。

高低頻劃分:

極低頻 ELF 3KHZ以下

甚低頻 VLF 3-30KHZ

低 頻 LF 30-300KHZ

中 頻 MF 300-3MHZ

高 頻 HF 3-30MHZ

甚高頻 VHF 30-300MHZ(電視1---12頻道)

特高頻 UHF 300-3GHZ(電視13頻道以上)

超高頻 SHF 3G-30GHZ

也有這樣劃分:

頻率按照規(guī)定劃分，以便有專業(yè)的交流語言:

超低頻:0.03-300Hz

極低頻:300-3000Hz(音頻)

甚低頻:3-300KHz

但對于高速電子設(shè)計工程師來說，理解應(yīng)當(dāng)更為深刻，我們除了關(guān)心信號的固有頻率，還應(yīng)當(dāng)考慮信號發(fā)射時同時伴隨產(chǎn)生的高階諧波的影響，一般我們使用下面這個公式來做定義信號的發(fā)射帶寬，有時也稱為EMI發(fā)射帶寬:

F=1/(Tr*π), F是頻率(GHz);Tr(納秒)指信號的上升時間或下降時間。

通常當(dāng)F>100MHz的時候,就可以稱為高頻電路。

所以，在數(shù)字電路中,是否是高頻電路,并不在于信號頻率的高低,而主要是取決于上升沿和下降沿。根據(jù)這個公式可以推算,當(dāng)上升時間小于3.185ns左右的時候,我們認(rèn)為是高頻電路。

1、在傳統(tǒng)的電子測量儀器中，示波器在進(jìn)行頻率測量時測量精度較低，誤差較大。頻譜儀可以準(zhǔn)確的測量頻率并顯示被測信號的頻譜，但測量速度較慢，無法實(shí)時快速的跟蹤捕捉到被測信號頻率的變化。正是由于頻率測定儀能夠快速準(zhǔn)確的捕捉到被測信號頻率的變化，因此，頻率計擁有非常廣泛的應(yīng)用范圍。

2、在傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造企業(yè)中，頻率測定儀被廣泛的應(yīng)用在產(chǎn)線的生產(chǎn)測試中。頻率測定儀能夠快速的捕捉到晶體振蕩器輸出頻率的變化，用戶通過使用頻率計能夠迅速的發(fā)現(xiàn)有故障的晶振產(chǎn)品，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

3、在計量實(shí)驗(yàn)室中，頻率測定儀被用來對各種電子測量設(shè)備的本地振蕩器進(jìn)行校準(zhǔn)。

4、在無線通訊測試中，頻率測定儀既可以被用來對無線通訊基站的主時鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，還可以被用來對無線電臺的跳頻信號和頻率調(diào)制信號進(jìn)行分析。

雷達(dá)測速儀的主要原理是多普勒效應(yīng)(Doppler Effect)，即當(dāng)目標(biāo)向雷達(dá)天線靠近時，反射信號頻率將高于發(fā)射機(jī)頻率;反之，當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離天線而去時，反射信號頻率將低于發(fā)射機(jī)頻率。雷達(dá)測速儀發(fā)射電磁波，碰觸到物體的時候會反射回來。當(dāng)觸碰到的物體有朝向或者背向的位移運(yùn)動時，測速儀發(fā)射與反射回來的電磁波有個頻率差，通過這個頻率差從而求得物體運(yùn)動的速度，實(shí)現(xiàn)速度測量的目的。 現(xiàn)已經(jīng)廣泛用于警察超速測試等行業(yè)。雷達(dá)測速儀有固定式和便攜式兩種。

固定式測速儀顧名思義是以位置固定不動的方式進(jìn)行測量的測速儀器。指的是通過將車輛測速儀固定在桿架、龍門架或者測速箱的方式進(jìn)行測速，應(yīng)用于高速公路較多。

便攜式測速儀指的是測速儀可以靈活移動測量，可手持、裝三腳架或者車載的方式進(jìn)行測速的儀器，因其靈活性應(yīng)用于各行業(yè)的徑向測速。

①功能上的區(qū)別

固定式測速儀主要是相關(guān)執(zhí)行部門對車輛進(jìn)行超速罰款用的，該類測速儀一般都是帶拍照功能的，通過將雷達(dá)與攝像機(jī)結(jié)合，雷達(dá)觸發(fā)攝像機(jī)對超速車輛進(jìn)行抓拍以便做處罰證據(jù)之用。另外還有類固定式測速儀(車速提示屏)會帶個顯示屏，在路邊放著，會顯示經(jīng)過車輛的車輛信息及其速度值，是否超速等信息。

便攜式測速儀功能比較的多樣化，有簡單測速型的，比如說純粹的就是為了測速，只需要知道物體的速度，而不需要做任何記錄或者處罰用的。也有功能齊全一點(diǎn)的，比如帶輸出接口、帶打印、帶抓拍的測速儀。

②人力資源的占用程度上的區(qū)別

一般的固定式測速儀都是全天候自動測速系統(tǒng)，無需人員值守操作，可以自動測速、抓拍、上傳等功能，可以大大減少人力資源。而便攜式的無論是手持式還是交警用的流動測速儀，都需要相關(guān)人員值守操作。

③價格和應(yīng)用范圍上的區(qū)別

固定式測速儀因考慮到安裝、調(diào)試、圖片信息上傳聯(lián)網(wǎng)等。同樣配置的固定式測速儀一般價格高于便攜式測速儀，固定式測速儀一般用于高速公路、國道、省道等快速又容易出現(xiàn)交通事故的路段較多。而便攜式測速儀應(yīng)用范圍相對也更加廣泛，包括一些廠礦、機(jī)場、碼頭等一些大型廠區(qū)，也有交警用的移動測速儀(流動電子警察之類的)。