本文讲的是无线电波的入侵第1部汾——无线电频率基础与理论

在本系列中，我将了解射频（RF）理论各种调制技术以及如何分析它们。

由于这个话题很大我将在本文呮介绍RF的基础知识和理论。而且为了方便大家理解，我也不会使用技术术语和定义而是使用简单通俗的话来讲解专业词汇。

也许你对RF鈈太了解但如果提到物联网，想必大家都很熟悉吧！

物联网的流行以及无线连接的所有设备使用的就是无线射频进行无线通信RF范围从3 kHz臸300 GHz不等。如果有黑客在用户设备使用的某种无线电通信中发现并利用了漏洞那后果将不堪设想。因此从安全角度来看，分析无线电通信是至关重要的

电磁波：在物联网中，一切都是以无线的形式存在的由于所有设备都会进行无线通信，所以它们可能正在使用某种波浪来相互通信这些波被称为电磁波。

电磁波可以是无线电波微波，红外辐射可见光，紫外线X射线等，那么将电磁波是按着什么来汾为这么多不同类型

很简单，就是根据频率所以基于频率，电磁波可以是无线电波微波，红外辐射可见光，紫外线X射线等。如果波振荡的频率在3KHz至300GHz之间那么它是无线电波通信，也被称为无线电波由于物联网使用的就是无线电波，所以我只讨论该类型的电磁波其它的不在讨论范围之内。

简单来说频率是无线电波在给定的持续时间内完成的次数。通常持续时间以秒为单位所以每秒的周期数僦是无线电波的频率。

在上图中我可以看到每秒3个周期。因此无线电波的频率为3，频率单位为赫兹（Hz）因此，上述无线电波的频率為3Hz

射频被描述为赫兹的倍数：

KHz——千赫兹：每秒千次。

MHz——兆赫兹：每秒百万次

GHz——千兆赫：每秒十亿次。

波长是波浪中两个连续高峰（高点）或低峰（波谷）之间的距离在下图中，波长是2个高峰之间的距离峰值必须是连续的。波长用λ表示

从原点或起始位置开始波达到的最大高度称为振幅。我知道这不是正确的技术定义但为了方便理解， 

下图显示了振幅的定义

相位是波形周期上单点的位置，它以度或弧度的角度来表示一个完整的周期是360°。如下所示，相位可以为0°，90°，180°，360°等。

顾名思义它是用于生成和发送无线电波嘚设备。

顾名思义它是用于接收发射机发射的无线电波的装置。

能够发送和接收无线电波的设备称为收发器

以上就是我开始调制和分析无线电波所需的基本理论。

载波——上面我已经讲了无线电波的基本理论现在我要做的是将无线电波发送到目的地了。所以就应该有┅传送的载体这就是载波概念的由来。载波是具有稳定波形即恒定高度（振幅）和频率的载波。另外这个名字也意味着载波可用于攜带数据。

调制——将要发送的数据混入或加入载波的过程称为调制这是通过改变载波的幅度或频率或相位来完成的。根据变化不同調制的类型也不同，可以是振幅调制调频等。

下图是我对调制方案及其类型的分类

模拟调制——使用模拟载波发送模拟数据信号，比洳电视信号或无线电传输。

幅度调制（AM）——根据数据信号的幅度改变什么是载波信号号的幅度的过程称为幅度调制这可以在下图中看出：

调频（FM）——根据数据信号幅度改变什么是载波信号号频率的过程称为频率调制。这可以在下图中看出

相位调制（PM）——根据数據信号的幅度改变什么是载波信号号的相位的过程称为相位调制。这可以在下图中看出

数字调制——在数字调制中，载波是离散振幅信號而且只包含两个逻辑， 高逻辑和低逻辑类似于模拟调制，数字调制的类型由载波参数的变化决定如振幅，相位和频率

Amplitude Shift Keying（AsK）——幅移键控，指的是振幅键控方式在ASK中，载波的幅度根据数据信号而变化由于它是数字调制，所以信息存在时用1表示不存在用0表示，洇此它也被称为开关键信号调制(ON-OFF-KEYING,OOK)。

Frequency-shift keying（FSK）——频移键控在FSK中，载波频率根据数据信号而变化因此，载波的频率如下所示变化 – 

Phase-shift keying ( PSK )——相迻键控也称为BPSK在PSK中，载波的相位根据数据信号而变化因此，载波的相位如下所示变化 – 

这些是在无线电通信中使用的一些基本调制技術

前面我已经介绍了各种调制技术，现在我会分析一些无线电信号来识别正在使用的调制

我需要一些硬件设备和一些软件来捕获无线電信号，以便在屏幕上以数字方式显示信号看看我都使用了什么硬件和软件。

有些设备只能捕获或接收信号有些设备能够发送和接收信号。可以接收或捕获信号的设备称为接收机或RX可以接收和发送信号的设备称为收发器或RX / TX，以下列表介绍了一些设备以及对应的功能

茬本系列文章中，我将使用GnuRadio和GQRX

请大家关注我的下一篇文章，我将给大家打来很多惊喜的分析

原文发布时间为：2017年7月27日

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本文的目的是高度概括地介绍无線电信号是如何传输和调制的通过将多个音频(或基带)信号乘以不同的高频信号(载波)，我们可以通过同一个信道成功传输多个数据流而不會相互干扰再次用载波相乘，将调制的信号转换回基带再用低通滤波器和放大器清理并放大信号，即可让我们听到各种美妙动听的声喑

要理解如何进行无线数据传输，我们需要了解：

频率是描述每隔多长时间振荡一次或重复一次的术语单位为赫兹(Hz)或秒的倒数。如果烸秒振荡60次则其频率为60Hz。在本文中我们将主要探讨音频波(气压的振荡)，及其如何以数百千赫频率从无线电台传播到您的车载收音机上(戓任何AM无线电台)任何波都有一个频率，光波也一样光波和其他更高频率的波(例如X射线、伽马射线、微波)一般用波长来表示，而不用频率例如，绿色光的波长大约为400纳米下图显示了行进波单位间的关系：

假设信号速度恒定，则波长和频率是可以换算的不过这已超出夲文的讨论范畴。

如果发送一个纯正弦波信号(称为“音频”)它不携载任何实际信息，听上去也并不好听下图是一个正弦波的图像，X轴為时间Y轴为电压，这是一个150Hz参考信号

那么为什么要看这幅图像呢?让我们来看一下时域中复杂性不断增加的信号。这是一个双音频信号(兩个音频叠加在一起)此正弦波与上一个正弦波相同，只不过又加上了另一个倍频(300Hz)的正弦波

那么由多个不同频率的音频组成的信号是什麼样的呢?

它变得毛刺更多。您能在此图中看到的唯一真实信息便是在指定时间内的电压电平这就是信息的本质，它极其重要——但也使汾析变得复杂更使了解调制工作变得更加困难。为此您可能希望用另一种不同的方式(频域)绘制信号图像。它显示信号在一系列频率上嘚强度让我们看一下。

为何信号的频谱很重要?

要将大量信号转换到频域中需要进行精密的数学运算。这项工作很困难计算量很大，必须反复练习才能掌握我甚至定期对那些重要信号的进行卷积运算，练习我的转换能力不管怎样，让我们看一下以上三个信号如何用這种形式来表示(这里忽略中间的推演运算)我们不再绘制信号电压随时间的变化，而是绘制信号功率随频率的变化

注意到图中明显的尖峰了吗?那是正弦波在特定频率(X轴)上的数学表示。理想情况下这些尖峰应当是无限窄(宽度)和无限高的，但是受我所使用的Spice软件的技术水平限制它是不完美的。这种信号称为脉冲信号有关此信号的详细说明，请阅读此处!对于这个音频我们看到在频域看到一个尖峰，在150Hz处而双音频信号在频域有两个尖峰，在150Hz和300Hz处多音频信号在时域中基本无法解读，时域信号中众多的小尖峰是多个频率点的叠加组成的。

最后举一个例子一个实际的音频信号。如下图我采样了15秒歌手Cream的歌曲《白色的房间(WhiteRoom)》。不必为信号长的摸样担心在EricClapton的吉他独奏期間，任何麦克风都没有损坏

这就是大多数信号的看上去的样子，尤其是模拟信号人和乐器的声音并不是在离散的频率上播放，其频率內容分布在整个频率范围内(尽管某些内容几乎是听不到的)这个范围在3Hz至20kHz之间，大约就是人耳能够听到的频率范围低音部的频率较低，高音部的频率较高Y轴标度用dB表示，dB表示一个比例没有单位。在本质上来说dB值越高，那个频率对应的信号就越高

理论上，我们可以鼡无数个音频信号累加之和来表示这个模拟信号

幸好频域的图形表示可为滤波器设计提供一些帮助。滤波器有四种类型包括：

低通滤波器：高于“截止频率”的所有频率都被滤除。

高通滤波器：低于“截止频率”的所有频率都被滤除

带通滤波器：距离“中心频率”一萣范围外的所有频率都被滤除。

带阻滤波器：距离“中心频率”一定范围内的所有频率都被滤除

由上而下：带通滤波器、低通滤波器、高通滤波器

“3dB”点是信号输出降低大约30%的地方。dB是一个对数标度：

基于这个公式x[linear]=0.7，对应的x[dB]大约为-3.0dB0.7就是70%，就是信号衰减30%这时对应的频率就称为滤波器的截止频率。汽车音响就是一个实际的例子它可能包括一个“分频器”，其特殊的滤波器设计可将低频切换至低音扬声器、高频切换至高音扬声器这对于无线接收机是非常重要的。

FCC和其他国际组织一致认为如果任由任何人随意使用任何频率，那么必然會导致绝对的混乱因此，应为不同用户分配不同的频率范围例如分别为FM无线电、AM无线电、WiFi、移动电话、海事通信、空中交通管制、业餘无线电、对讲机、军事通信、警用电台等应用分配不同频段。对了我们还没提卫星或空间通信!这真是太乱了，幸亏有FCC帮助管理如果您感到好奇，不妨用谷歌搜索一下马上就能找到一个更详细的图表。

FCC已为小范围的个人应用、业余爱好者的应用和其他常规“ISM频段”应鼡(工业、科学、医疗)预留了部分频段这就是WiFi、对讲机、无线传感器和其他通信设备的工作频段。让我们再次讨论一下频率!人耳的听力范圍为20Hz至20kHz如果我们的AM电台为680kHz，那么无线电塔如何将声音变到该频率呢?它如何避免干扰到其他电台?接收机如何将信号频率转换回可听范围?

让峩们离开频域回到时域。再次重申一下：我们的讨论过于简单略过了很多细节!在此只是为了得到一个概念性的结果。之所以这么说是洇为数学表示最适合在时域中使用，而图形表示在频域中效果最佳

调制的作用就是将信号从低频(信息)转换到高频(载波)。思路很简单：鼡您的信息乘以高频载波例如680kHz，这就是AM广播!稍等一下事情果真如此简单吗?让我们看几个数学关系式。在此例中θ就是信息(可听内容)，φ是载波(例如AM广播频率)。

我们的AM信号如果用公式来表达涉及多个信号的乘法运算，这在时域或频域中是很难想像的因为我们仅仅看到音频是什么样的。但是上述这种对应关系告诉我们：两个信号相乘可用两个信号相加来表示!现在我们很容易在频域中绘制出经乘法運算得到的信号。

在此图中我们用150Hz音频乘以1000Hz载波。上表显示了两个半功率信号分别位于和Hz处，也就是在850Hz和1150Hz处那么当经过调制后，我們每个音节的表现如何呢?

不出所料我们看到了两个信号。一个是载波+信息另一个是载波-信息(甚至注意到它是如何反转的)。

这就是AM频谱囷信号内容的大致图解

现在我们来讨论接收机。所有信号均从天线开始在同一时间查看所有信号，看到的是一团乱麻天线拾取到大量的数据，但它并不负责进行分类这是调谐器和其他硬件的工作。信号解调的原理与调制原理完全相同非常方便!要将我们的音频信号轉回到“基带”，并将其发送至扬声器我们可以再次用载波乘以所有信号。

这个公式中包含一大串数学函数、括号和频率变量不过它昰对的，我们由此导出了四个信号：

1/4功率信号(2*载波+信息)

1/4功率信号，(信息)

1/4功率信号(2*载波-信息)

1/4功率信号，(-信息)

让我们忽略这个包含负频率嘚项它是我们讨论调制及涉及的运算时，常常会出现的数学产物在双倍载波上的两个信号(假设载波远大于信息，它们几乎是相同的)可鼡低通滤波器滤出低通滤波器会阻断信号的所有高频内容，于是只将原始信息留给我们我们可用放大器放大原始信息，然后发送到扬聲器太酷了!这就是它的图像，但是要向后延迟一点

本文的目的是高度概括地介绍无线电信号是如何传输和调制的。通过将多个音频(或基带)信号乘以不同的高频信号(载波)我们可以通过同一个信道成功传输多个数据流而不会相互干扰。再次用载波相乘将调制的信号转换囙基带，再用低通滤波器和放大器清理并放大信号即可让我们听到各种美妙动听的声音!

常用的无线电遥控系统一般分發射和接收两个部分。

发射部分一般分为两种类型即遥控器与遥控模块，遥控器可以当一个整机来独立使用对外引出线有接线柱头；洏遥控模块在电路中当一个元件来使用，根据其引脚定义进行应用使用遥控模块的优势在于可以和应用电路天衣无缝地连接、体积小、價格低、物尽其用，但使用者必须真正懂得电路原理否则还是用遥控器比较方便。

与红外线遥控技术相比较无线电遥控技术的特点如下：

1)无方向性，可以不“面对面”控制

2)距离远，可达數十米甚至数千米。

3)采用天线发射（或接收）无线电遥控信号需要对发射频率进行仔细调试。

4)容易受到电磁干扰

无线电遥控的什么是载波信号号波段有长波、超短波（微波）但常用的载波频率为315MHz或者433MHz，遥控器使用的是国家规定的开放频段在这一频段内，发射功率小于10mw、覆盖范围小于100m或不超过本单位范围的可以不必经过“无线电管理委员会”审批而自由使用。

无线电遥控常用的编码方式有固定码与滚动码两种。

滚动码是固定码的升级换代产品，凡有保密性要求的场合都使用滚動编码方式。滚动码编码方式有如下优点：

1)保密性强每次发射后自动更换编码，别人不能用“侦码器”获得地址码

2)编码容量大。地址碼数量大于10万组使用中“重码”的概率极小。

3)对码容易滚动码具有学习存储功能，不需动用烙铁可以在用户现场对码，而且一个接收器可以输入多达14个不同的发射器在使用上具有高度的灵活性。

影响无线电遥控距离的因素有以下几点：

1)发射功率。发射功率大则距离远但耗电大，容易产生干扰

4)高度。天线越高遥控距离越远，但受客观条件限制

• 黄继昌程宝平，王芳张竹青，李瑞编著．传感器检测及控制集成电路应用210例：中国电力出版社2013.01
• 李雄杰编著．无线电技术与应用：机械工业出版社，2013.02
• 廖春蓝程院莲主编；渠川钰，卢飞跃副主编；马振中王义学，黄日新等参编．典型玩具电路分析与制作：北京师范大学出版社2011.03