In einem der Kommentare zu den vorherigen Artikeln wurde die Frage gestellt, ob es möglich ist, die Art der Modulation durch die Art des Signals zu bestimmen. Die Idee, die wichtigsten Modulationsarten zu betrachten, schien ziemlich interessant.
Versuchen wir, ohne Formeln und so einfach wie möglich herauszufinden, wie Sie Daten von Punkt "A" nach Punkt "B" übertragen können.
OOK (On-Off-Keying)
Die einfachste Art der digitalen Codierung. Schalten Sie den Sender einfach entsprechend dem Binärsignal ein / aus:
Im Spektrum sieht ein solches Signal ungefähr so aus, es gibt einige davon bei ~ 433 MHz:
Die Senderschaltung ist sehr einfach, daher wird sie in drahtlosen Fernbedienungen, Optionsfeldern und anderen Geräten zu einem Preis von 1 bis 2 US-Dollar aktiv verwendet. Normalerweise gibt es hier keine Verschlüsselung, die Frequenz und die Bitfolge sind fest verdrahtet, jeder kann das Signal senden und empfangen, daher würde ich keine solche Fernbedienung an das Garagentor anbringen, an dem der Lamborgini steht, aber für eine Nachttischlampe reicht dies aus Eine im nächsten MediaMarkt gekaufte Lampe arbeitet seit 3 Jahren für mich, es gab nie Fehlalarme, das Prinzip des "schwer fassbaren Joe" in Aktion).
Es ist interessant festzustellen, dass dies historisch gesehen wahrscheinlich eine der frühesten Arten der Funkübertragung ist. Wenn Sie den Sender mit einem Schlüssel ein- und ausschalten und das Signal über das Ohr oder auf Papierband empfangen, erhalten wir den guten alten Morsecode.
Amplitudenmodulation (AM)
Wir werden AM wahrscheinlich noch lange sehen können - die Modulation wird sowohl in Rundfunkstationen als auch in Sendern des 118-137-MHz-Luftbandes verwendet. Ein charakteristisches Merkmal von AM ist, dass das Spektrum symmetrisch zur Mittenfrequenz ist. "Mit dem Auge" können Sie sogar grob verstehen, was übertragen wird, Sprache oder Musik. Screenshot des Websdr Twente-Online-Empfängers: In der Vergangenheit war
AM eine der ersten Methoden zum Empfangen und Senden von Sprache - die bekannte "Schul" -Detektor-Empfängerschaltung war äußerst einfach und benötigte nicht einmal Batterien für den Empfang - es gab genug Funkwellenenergie, um hochohmige Kopfhörer zu betreiben. Es ist merkwürdig, dass solche Empfänger in der UdSSR bis in die 60er Jahre in Massenproduktion hergestellt wurden:
Komsomolets Detektorempfänger (c) Wikipedia
Anscheinend gab es bestimmte Probleme mit der Verfügbarkeit von Empfängern und Stromquellen im Outback, so dass der Detektorempfänger lange Zeit relevant blieb.
Frequenzmodulation (FM)
Der bekannte FM-Rundfunk arbeitet in Frequenzmodulation. Es ist interessant festzustellen, dass im Sender eines UKW-Senders nicht nur Ton codiert wird, sondern auch ein komplexes Signal übertragen wird, einschließlich Mono- und Stereokanälen, Pilotton, RDS usw. Um nicht mit "normalem" UKW verwechselt zu werden, nennen Ingenieure diese Modulation normalerweise WFM (Wide) FM). Im HDSDR-Programm ist das Spektrum des Radiosenders nach dem Decodieren leicht zu erkennen:
Auf dem Signal (unten rechts) ist der Pilotton bei einer Frequenz von 19 kHz, RDS, Mono- und Stereo-FM-Sendekanälen leicht zu sehen. Im Gegensatz zu WFM verwenden Babyphone, Walkie-Talkies und ähnliche Geräte eine "schmale" FM-Modulation (NFM, Narrow FM), bei der nur Ton übertragen wird.
Die Frequenzmodulation wird aktiv für digitale Signale verwendet. In diesem Fall kann das Schalten von zwei Frequenzen zum Übertragen eines Binärcodes verwendet werden. Ein Beispiel ist das Signal des deutschen Senders Pinneberg , das Vorhandensein von zwei Frequenzen ist im Spektrum deutlich sichtbar:
Pinneberg sendet Wetterberichte an Schiffe auf langen, mittleren und kurzen Wellen. Die Frequenzen können im Prinzip mehr als 2x betragen. Ein Beispiel für ein solches Signal ist das Amateurfunkgerät FT8 :
Mit dem FT8 können Funkamateure mit nur wenigen Watt Leistung Kurznachrichten über eine Entfernung von mehreren tausend Kilometern austauschen.
Es ist interessant, dass Modulation auch kombiniert werden kann - zum Beispiel in der Luftfahrt wird das System verwendet ACARS, das Textnachrichten überträgt. Das digitale FM-Signal wird über den AM-Sender übertragen. Warum ist es so schwer? Wahrscheinlich wird ein vorgefertigter Sender verwendet, an dessen Eingang einfach eine digitale Schaltung angeschlossen wurde, um ein FM-Signal zu bilden. Vermächtnis in seiner reinsten Form, aber es ist wahrscheinlich billiger als das Wechseln von Millionen von Sendern in Flughäfen und Flugzeugen auf der ganzen Welt.
Phasenmodulation (PSK)
Zusätzlich zur Frequenz können wir auch die Phase des Signals ändern, wodurch wir eine Phasenmodulation erhalten. Solche Signale können über große Entfernungen zuverlässig empfangen werden und werden insbesondere in der Satellitenkommunikation eingesetzt. Von den Amateurfunkprotokollen kann PSK31 notiert werden , was zu einer Zeit sehr beliebt war.
Mit Hilfe von PSK31 können Sie Informationen in Form eines "Text-Chats" austauschen, indem Sie den Transceiver an einen Computer anschließen. Es kann mehr als 2 Phasen geben, zum Beispiel 4, 18 oder 16, alles hängt von der Geschwindigkeit und dem Kommunikationskanal ab.
Es ist möglich, sowohl die Phase als auch die Amplitude gleichzeitig zu ändern, was uns eine noch größere Geschwindigkeit verleiht, jedoch eine komplexere Codierung und Decodierung erfordert. QAM ist ein Beispiel für ein solches Signal. Ein solches Signal lässt sich am einfachsten auf der Phasenebene visualisieren:
Bild (c) QAM Wikipedia Die
QAM-Modulation wird bei der Datenübertragung im LTE-Standard und im digitalen Fernsehen DVB-T verwendet.
Orthogonales Frequenzmultiplex (OFDM)
Eine der modernen Modulationsmethoden ist OFDM . Sein Wesen liegt in der Tatsache, dass einzelne Bits des Signals parallel übertragen werden können, wobei das Signal als unabhängig arbeitende Frequenzkanäle (Unterträger) dargestellt wird, von denen jedes sein eigenes separates Bit überträgt. Es gibt bestimmte mathematische Regeln, um sicherzustellen, dass sich die Kanäle nicht kreuzen und dekodiert werden können.
Als Beispiel kann DRM angeführt werden , Signale dieses Formats sind auf Rundfunkbändern zu sehen, der Unterschied zwischen AM und DRM ist im Spektrum deutlich sichtbar:
Dies ist ein digitales 10-kHz-Signal, bei dem 206 Träger parallel mit einem Intervall von 47 Hz übertragen werden. DRM-Standard ( Digital Radio Mondiale) wird für die digitale Funkübertragung von Mittel- und Kurzwellen verwendet. Bitte nicht mit anderen Digital Rights Management-Standards verwechseln.
OFDM wird auch in WiFi (802.11a) verwendet, die Signalstruktur ist dort komplizierter, wer möchte, kann das PDF selbst studieren .
CDMA (Code-Division Multiple Access)
Eine andere Art der Breitbandübertragung ist der Datenaustausch. Daten für mehrere Empfänger können mithilfe einer speziellen Funktion (z. B. Walsh-Code ) zu einem Signal kombiniert werden , die sowohl eine Vorwärts- als auch eine Rückwärtskonvertierung garantiert. Einer der Schlüsselfaktoren sowohl bei OFDM als auch bei CDMA ist die sogenannte "Orthogonalität". Die empfangenen Signale sollten nicht "gemischt" werden, um die Originaldaten aus dem resultierenden Signal zu extrahieren.
CDMA-Codierung wird in 3G-Mobilfunknetzen verwendet. Ein gutes Beispiel für das Parsen von CDMA mit Stift und Papier finden Sie hier . Ich empfehle Interessierten, es sich anzusehen.
Fazit
Alles, was oben angegeben ist, ist natürlich eine sehr kurze Erklärung "an den Fingern". In Wirklichkeit kann die Beschreibung nur eines Decoders ein Mehrfaches an Text enthalten, und es ist unwahrscheinlich, dass viele Menschen ihn hier benötigen - Habr ist immer noch keine wissenschaftliche Zeitschrift. Ich hoffe jedoch, dass die Leser noch den allgemeinen Eindruck haben. Wenn das Interesse des Publikums besteht (was durch die Schätzungen des Textes bestimmt wird :), kann jedes der Signale detaillierter analysiert werden.
Zusammenfassend ist es interessant festzustellen, dass verschiedene Codierungsschemata nicht nur eine Art mathematische Abstraktion sind - all dies wird aktiv genutzt, auch für militärische Zwecke (zum Beispiel das STANAG- Protokoll von NATO-Modems). Dieser Screenshot wurde beim Schreiben von Text mit dem Websdr- Online-Empfänger aufgenommen :
Wie Sie sehen, ist trotz der Präsenz des Internets an fast jedem bewohnten Ort der Welt die Möglichkeit, Daten direkt, anonym und ohne Zwischenhändler zu übertragen, sehr relevant - jede Zeile in der Grafik ist ein Kommunikationskanal, der gerade funktioniert (und ja, aufmerksame Leser können hier sogar Signale bemerken Morsecode trotz 2020).