Модулациите, използвани за обмен на цифрови данни чрез радиосигнали

1
802

Понякога се питаме, дали е възможно по вида и формата на сигнала да се определи неговата модулация. Нека да разгледаме кои са основните видове модулации, които се използват за приемане и предаване на цифрови данни с помощта на радиосигнали.

Нека да опитаме да се справим без да използваме математически формули и по максимално опростен начин да покажем как могат да се предадат данни от точка А до точка Б.

OOK (On-Off Keying)

Това е най-опростеният тип цифрово кодиране. Просто включваме и изключваме предавателя в съответствие с двоичния сигнал:

Ето как изглежда честотният спектър на този сигнал. Да уточним, че този тип модулация твърде често се използва при честоти около 433 MHz.

Схемата на предавателя за подобен тип модулация е съвсем опростена и този подход се използва при дистанционните, радио бутоните, и на различните устройства с цена 1-2 долара. Тук няма никакво криптиране, като честотата и последователността от битове са твърдо зададени, а това означава че този сигнал може да бъде предаван и приеман от всеки желаещ. Тоест, не е добра идея да се използва подобен тип модулация за управлението на ролетната врата на гараж, където е прибрано някое Lamborgini. Устройствата, които използват OOK модулация са удобни за управлението на осветлението, за регулирсне силата на светлина на нощната лампа и т.н.

Исторически това е един от първите начини за радиопредаване. Чрез включване и изключване на високочестотния сигнал е възможно да се предават морзови сигнали.

Амплитудна модулация (АМ)

Въпреки широкото разпространение на цифровите предаватели, амплитудната модулация ще се използва още дълго. Към днешен ден нейната употреба е сведена до някои радиопредаватели на средни и дълги вълни, както и при предавателите в авиационния диапазон с честота 118-137 MHz. Една от най-характерните особености на АМ е, че нейният спектър е симетричен относно централната носеща честота. Ако се наблюдава в реално време дори може да се разбере дали се предава човешка реч или музика. Ето един скрийншот от приемника Websdr Twente:

Исторически погледнато амплитудната модулация е един от първите начини за предаване и приемане на човешка реч. Класическата схема на АМ детекторния приемник се състои от само трептящ кръг, един диод, слушалки и филтриращ кондензатор, като е необходима и сравнително добра антена и е желателно да се използва и заземяване.

Поради своята простота и липсата на захранване детекторният приемник дълго време бе много популярен.

Честотна модулация (FM)

Честотната модулация е известна преди всичко от FM радиото, което осигурява качествен звук. Интересно е да се отбележи, че предавателят на FM радиостанциите, кодира не само звук. Предава се сложен сигнал, включваш моно и стерео канали, пилотен тон, RDS и други. За да не става объркване с обикновената FM, специалистите наричат тази модулация WFM (Wide FM). Приложението HDSDR добре показва спектъра на радиостанцията след декодирането:

В дясната долна част на изображението много добре се виждат пилот сигнала с честота 19 KHz, RDS, моно каналът и допълнителният звуков канал за получаването на стерео звук. За разлика от WFM, радиостанциите на различните бебефони и други подобни устройства използват FM с тясна честотна лента (NFM, Narrow FM) – модулация с която се предава само звук.

Честотната модулация активно се използва за цифрови сигнали. В този случай за излъчването на двоичен код може да се използва превключването между две честоти. Ето един пример на сигнала на германския предавател Pinneberg, в спектъра на който добре се виждат двете честоти:

Pinneberg предава метеорологична информация за морските съдове, която се излъчва на дълги, средни и къси вълни. Разбира се, честотите могат да бъдат и повече от две. Пример за подобен сигнал е излъчването на радиолюбителската станция FT8:

С помощта на FT8 радиолюбителите си обменят неголеми съобщения на разстояние няколко хиляди километра при мощност на предавателя едва няколко вата.

Интересно е че модулацията може да бъде и комбинирана – в авиацията например се използва системата ACARS за обмен на текстови съобщения. Цифровият FM сигнал се излъчва чрез AM предавател. Защо е така сложно? Навярно се използва вече готов предавател, на входа на който просто е сложен цифров чип, формиращ FM сигнала. Legacy в най-чистия си вид, но вероятно така е по-евтино, отколкото да се сменят милиони предаватели в летищата и самолетите от целия свят.

Фазова модулация (PSK)

Освен честотата ние можем да променяме и фазата на сигнала, което ни дава фазова модулация. Сигналите от този тип уверено се приемат на големи разстояния и се използват в сателитните връзки. От радиолюбителските протоколи можем да отбележим PSK31, който навремето бе много популярен:

С помощта на PSK31 е възможно да се обменя информация от тип текстов чат, като трансивърът се включи към компютъра. Фазите на модулация могат да бъдат повече от две – например 4, 8 и дори 16, като Всичко зависи от скоростта и канала на връзка.

Възможно е едновременната промяна както на фазата така и на амплитудата, което ни дава по-висока скорост за обмен на цифрови сигнали, но изискват по-сложно кодиране и декодиране. Като пример на подобен сигнал можем да покажем QAM, който по-добре се вижда на фазовата плоскост:

QAM се използва при LTE сигналите на мобилните връзки и в DVB-T цифровата телевизия.

Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM)

Един от най-съвременните методи за модулация е OFDM. Идеята тук е, че отделните битове на цифровия сигнал се излъчват паралелно, като сигналът се състои от няколко независимо работещи честотни канала (subcarriers). Всеки един от тези канали излъчва свой собствен отделен бит. Използват се определени математически правила, гарантиращи че каналите няма да се застъпват и могат да бъдат лесно декодирани.

Като пример можем да покажем DRM, като сигналите на този формат са интересни за разглеждане във вид на спектри. Разликата между АМ и DRM много добре се вижда в спектъра:

Това е цифров сигнал с ширина на честотната лента 10 KHz, който има 206 носещи честоти с интервал от 47 Hz. стандартът DRM (Digital Radio Mondiale) се използва за излъчване на цифрово радио на средни и къси вълни. Не бива да се бърка с цифровата защита – Digital Rights Management.

OFDM се използва и във WiFi (802.11a), като там структурата на сигнала е много по-сложна.

Code-division multiple access (CDMA)

Друг начин за широколентово излъчване на данните е използването на тяхното разделяне. Данните за няколко получателя могат да бъдат комбинирани в един общ сигнал с помощта на специална функция – например с Walsh code, която гарантира както пряко така и обратно преобразуване. Един от ключовите фактори както в OFDM, така и в CDMA е така наречената ортогоналност – получаваните сигнали не трябва да се смесват, за да може от общия сигнал да се извадят всички цифрови данни.

CDMA кодирането се използва в 3G мобилните мрежи. В YouTube има интересно видео, показващо основите на този тип кодиране,


Всичко показано дотук разбира се, са едни съвсем кратки и опростени обяснения на различните видове модулация. Няма как да бъде повече, понеже описанието на само един декодер може да отнеме няколко пъти повече от текст.

И накрая да отбележим, че различните схеми за кодиране не са просто някаква математическа абстракция – всичко описано дотук изключително активно се използва в ежедневния живот, включително и за военни цели – например протоколът STANAG в модемите на НАТО. Скрийншотът по-долу е направен с помощта на онлайн приемника Websdr:

Може да се види, че въпреки наличието на интернет в почти във всяка обитаема точка на планетата, възможността за директен обмен на данни – анонимно и без посредници е изключително актуална – всяка една линия на показаното по-горе изображение е работещ предавател. По-внимателните може би ще забележат използването на морзовата азбука въпреки че днес сме 2020 година.

5 5 гласа
Оценете статията
Абонирай се
Извести ме за
guest
1 Коментар
стари
нови оценка
Отзиви
Всички коментари