像以太网电缆,光纤。我们有一个方波信号,我们是否直接沿着电缆向下发送方波信号?如果我们直接发送,为什么我们不能将方波信号直接发送到空中无线信道?背后的原因是什么?是不是因为电缆或电线更稳定,而无线却很不稳定?
为什么方波(或数字信号)可以直接通过有线电缆传输而不能通过无线传输?
由于锋利的边缘,方波具有宽频谱和大量谐波。
您可以使用天线通过无线方式发送它,但是:
1- 由于带宽有限,信号形状将在接收器处失真
2-它将使用比它需要的更多的带宽。对于无线电传输,您希望尽可能少地使用带宽,并且不要在您不使用的频率上发射任何能量,以便为其他用户、其他频道等留下其他可用频率。因此它的频谱利用率会很糟糕。这就是为什么数字信号是电磁干扰和噪声的极好来源,并且是制造实际有用的发射器的糟糕方法。所以,如果你想制作一个宽带无线电干扰器,而不是一个真正的发射器,那就太好了。
3-接收器的 SNR 很差
4- 与电缆不同,无线电不会下降到直流,因此如果数字数据不包含相同数量的零和一,则结果会发生偏移
这就是为什么更好的选择是使用适合无线电传输的调制和编码。例如,简单的编码是对载波进行 AM 调制。
tl; dr:RF需要载波,cable可以使用基带。两者都是频带受限的射频系统,更多地使用载波。
完美的方波具有无限次谐波。一个好的方波有很多。正因为如此,方波使用大量带宽来承载信息。他们非常低效。这限制了它们对低速信号的使用,即使在电缆上也是如此。
查看 serdes 协议,例如 PCI Express 或 Gbit 以太网。您会看到它们不使用方波,而是更优化的基带编码以从电缆中挤出更多的吞吐量。
同样,RF 载波上的方波对频谱的使用效率非常低(尽管有可能——原始的开关键控正是这样做的。)也就是说,可以通过 RF 发送非常高带宽的数字数据。挑战在于在使用的频谱范围内有效地做到这一点,并通过接收器可以使用的载波并稳健地恢复数据。
最后,无线系统不能直接代表直流连接或低频。您只能得到接收端通量强度变化的近似导数。对于射频工作,需要使用性能良好的编码系统,就好像它是交流耦合到电线上一样。使用载体克服了这个问题。
也就是说,看看 TEMPEST。这是一组被动间谍技术,可从泄漏的数字和模拟设备中提取信息,即从进入射频的基带波(方波和其他波)中提取信息。
除了提到的所有带宽和其他考虑因素外,您不直接传输数据的主要原因是每个人都将以相同的频率传输。
以以太网为例。 它使用两对(或更多)双绞线来传输两个独立的信息通道(您的以太网卡在一对上发送数据并在另一对上接收数据。)
如果您只是直接广播来自每对的信号,那么您无法将它们分开。
电线限制了信号的作用,它们几乎只去它们打算去的地方。
如果您只是将每个调制到一个载波上,您可以将它们分开 - 但是您知道哪个载波频率用于什么。
这适用于几个频道,但随着您添加更多频道(用户),会变得非常困难。
WiFi 通过拥有多个频道并使用一些智能来决定谁使用哪个载波频率以及使用多长时间来解决这个问题。它还具有协调最终用户的 WiFi 路由器,并积极尝试避免来自其他路由器和用户的干扰。
天线的物理特性起着很大的作用。要理解这一点,您必须考虑信号的傅里叶变换。对于一个简单的二进制 NRZ 代码,其中 0 是 0V,1 是某个电压,大部分傅立叶能量都包含在 0-B/2 频率范围内,其中 B 是您的比特率。但是天线是频率选择性的:在高端,高效的非定向天线的有效信号收集区域随着频率的平方而下降。在低端,如果天线的尺寸远小于波长,则效率会受到影响。整个故事比上面要复杂得多,但是任何改善某些参数的频率依赖性的尝试都会增加其他参数的频率依赖性。然而,最高工作频率与最低工作频率之比较小的天线在该窄频率范围内可以具有几乎恒定的参数。不幸的是,NRZ 信号有一个无限比率,因为最低频率为零!任何直接通过一对天线发送 NRZ 信号的尝试都会产生极度失真的信号。
通常的解决方法是调制频率为 f 的波,该频率至少是比特率的几倍。这将傅里叶能量移动到一个频带,可能是 f±B/2,最高频率与最低频率的比率很小。然后,天线性能良好,您可以使用解调器恢复接收到的数据。