Как данные передаются по радио?

    Привет, Хабр.

    В одном из комментариев к предыдущим статьям был задан вопрос, можно ли по виду сигнала определить вид его модуляции. Идея рассмотреть основные виды модуляции показалась довольно-таки интересной.



    Попробуем разобраться, без формул и максимально просто, как можно передать данные из точки «А» в точку «В».

    OOK (On-Off Keying)


    Самый простой вид цифрового кодирования. Просто включаем-выключаем передатчик в соответствии с двоичным сигналом:



    На спектре такой сигнал выглядит примерно так, их довольно много на частоте ~433 МГц:



    Схема передатчика очень проста, поэтому активно используется в беспроводных пультах, радиокнопках и прочих устройствах ценой 1-2$. Никакого шифрования здесь обычно нет, частота и битовая последовательность жестко «зашиты», передать и принять сигнал может любой желающий, так что ставить такой пульт на дверь гаража, где стоит Lamborgini, я бы не стал, но для ночника у кровати вполне сойдет (такая лампа, купленная в ближайшем MediaMarkt, работает у меня 3 года, ложных срабатываний не было ни разу, принцип «неуловимого Джо» в действии).

    Интересно отметить, что исторически это наверное один из самых первых способов радиопередачи. Если включать-выключать передатчик с помощью ключа и принимать сигнал на слух или на бумажную ленту, мы получим старую добрую азбуку Морзе.

    Амплитудная модуляция (АМ)


    АМ мы наверное сможем видеть еще долго — модуляция используется как в вещательных станциях, так и в передатчиках авиадиапазона 118-137 МГц. Отличительная особенность АМ — спектр симметричен относительно центральной частоты. «На глаз» даже можно примерно понять, что передается, речь или музыка. Скриншот из онлайн приемника Websdr Twente:



    Исторически АМ был одним из первых способов приема и передачи речи — всем известная «школьная» схема детекторного приемника отличалась крайней простотой, и даже не требовала батареек для приема — для работы высокоомных наушников было достаточно энергии радиоволн. Любопытно, что такие приемники выпускались в СССР серийно аж до 60х годов:



    Детекторный приемник «Комсомолец» (с) Википедия

    Видимо, с доступностью как приемников, так и источников питания в глубинке были определенные проблемы, так что детекторный приемник долго оставался актуален.

    Однополосная модуляция (USB, LSB, SSB)


    Однополосная модуляция является частным случаем амплитудной. Как было сказано выше, спектр АМ сигнала симметричен относительно центра. Но можно передавать лишь «одну половину» сигнала, что обеспечивает большую дальность при той же мощности передатчика:


    Однополосная модуляция (с) Википедия

    Как видно из картинки, можно настроиться на верхнюю или нижнюю боковую полосу, такой режим в приемнике или передатчике соответственно обозначается USB или LSB.

    В режиме однополосной модуляции работают служебные станции, передаются метеосводки на коротких волнах, также он используется радиолюбителями. Но не менее важен он еще и тем, что в режиме USB или LSB спектр сигнала фактически переносится с радиочастоты на звуковую без искажений — что позволяет принимать различные виды цифровых сигналов, рассмотренных ниже. Это важно иметь в виду при выборе радиоприемника — цифровые виды связи (FSK, PSK и пр) могут приниматься и декодироваться лишь в режиме однополосной модуляции, простой бытовой приемник с поддержкой «обычной» AM принять такие сигналы не сможет.

    Частотная модуляция (FM)


    В частотной модуляции работает всем известное FM-вещание. Интересно отметить, что в передатчике FM-станции кодируется не только звук — передается сложный сигнал, включающий моно и стерео каналы, пилот-тон, RDS и пр. Чтобы не путать с «обычной» FM, у инженеров такая модуляция обычно называется WFM (Wide FM). В программе HDSDR несложно увидеть спектр радиостанции после декодирования:



    На сигнале (справа снизу) несложно видеть пилот-тон на частоте 19 КГц, RDS, моно и стерео-каналы FM-вещания. В отличие от WFM, радионяни, рации и прочие аналогичные устройства используют «узкую» FM (NFM, Narrow FM) модуляцию, где передается только звук.

    Частотная модуляция активно используется и для цифровых сигналов, в этом случае для передачи бинарного кода может использоваться переключение двух частот. В качестве примера можно привести сигнал немецкой станции Pinneberg, наличие двух частот хорошо видно на спектре:



    Pinneberg передает метеосводки судам на длинных, средних и коротких волнах. Частот в принципе, может быть и больше 2х. Пример такого сигнала — радиолюбительский FT8:



    С помощью FT8 радиолюбители могут обмениваться короткими сообщениями на расстоянии в несколько тысяч километров при мощности всего лишь несколько ватт.

    Интересно, что модуляция может быть и комбинированной — например в авиации используется система ACARS, передающая текстовые сообщения. Цифровой FM сигнал передается через АМ передатчик. Зачем так сложно? Вероятно, используется уже готовый передатчик, ко входу которого просто подключили цифровую схему, формирующую FM-сигнал. Legacy в чистом виде, но вероятно, это дешевле, чем менять миллионы передатчиков в аэропортах и самолетах во всем мире.

    Фазовая модуляция (PSK)


    Кроме частоты, мы можем менять и фазу сигнала, что дает нам фазовую модуляцию. Такие сигналы могут уверенно приниматься на больших расстояниях, и используются в частности, в спутниковой связи. Из радиолюбительских протоколов можно отметить PSK31, который одно время был весьма популярен.



    С помощью PSK31 можно обмениваться информацией в виде «текстового чата», подключив трансивер к компьютеру. Фаз может быть больше 2х, например 4, 18 или 16, все зависит от скорости и канала связи.

    Можно менять и фазу и амплитуду одновременно, что дает нам еще большую скорость, но требует более сложного кодирования и декодирования. В качестве примера такого сигнала можно привести QAM. Такой сигнал наглядно проще всего изобразить на фазовой плоскости:



    Image (с) QAM Wikipedia

    Модуляция QAM используется при передаче данных в стандарте LTE и в цифровом телевидении DVB-T.

    Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM)


    Одним из современных методов модуляции является OFDM. Его суть состоит в том, что отдельные биты сигнала можно передавать параллельно, представляя сигнал в виде независимо работающих частотных каналов (subcarriers), каждый из которых передает свой отдельный бит. Есть определенные математические правила, гарантирующие что каналы не будут пересекаться и могут быть декодированы.

    В качестве примера можно привести DRM, сигналы такого формата можно увидеть на вещательных диапазонах, разница между АМ и DRM хорошо видна на спектре:



    Это цифровой сигнал шириной 10 КГц, в котором параллельно передается 206 несущих с интервалом 47 Гц. Стандарт DRM (Digital Radio Mondiale) используется для передачи цифрового радио на средних и коротких волнах, просьба не путать с другим стандартом Digital Rights Management.

    OFDM используется и в WiFi (802.11a), структура сигнала там сложнее, желающие могут изучить PDF самостоятельно.

    Code-division multiple access (CDMA)


    Другой способ широкополосной передачи — разделение данных. Данные для нескольких получателей могут быть комбинированы в один сигнал с помощью специальной функции (например Walsh code), которая гарантирует как прямое, так и обратное преобразование. Одним из ключевых факторов и в OFDM и в CDMA является так называемая «ортогональность», получаемые сигналы не должны «смешиваться», чтобы из результирующего сигнала можно было извлечь исходные данные.

    Кодирование CDMA используется в мобильных сетях 3G. Хороший пример разбора CDMA с помощью ручки и бумаги можно найти здесь, интересующимся рекомендую посмотреть.

    Заключение


    Все что приведено выше, это разумеется, очень краткое объяснение «на пальцах», в реальности, описание только одного декодера может занять в несколько раз больше текста чем вся статья целиком, да и вряд ли многим здесь это нужно — Хабр это все же не научный журнал. Впрочем, общее впечатление у читателей надеюсь все же осталось. При наличии интереса у аудитории (что будет определяться по оценкам текста:) какой-либо из сигналов можно будет разобрать более подробно.

    В завершение интересно отметить, что различные схемы кодирования — это не просто какая-то математическая абстракция — все это активно используется, в том числе и в военных целях (например протокол STANAG модемов NATO). Этот скриншот сделан во время написания текста с помощью онлайн-приемника Websdr:



    Как можно видеть, несмотря на наличие интернета практически в любой обитаемой точке планеты, возможность передать данные напрямую, анонимно и без посредников, весьма актуальна — каждая линия на графике это работающий прямо сейчас канал связи (и да, внимательные читатели могут заметить здесь даже сигналы азбуки морзе, несмотря на 2020 год).
    Ads
    AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

    More

    Comments 34

      +6
      Полезно. Нужно развивать тему.
        +1

        помоему nfm отличается от wfm шириной полосы, а все остальное — следствие

          +1
          Очень удобно пользоваться aresvalley.com/Artemis и www.sigidwiki.com/wiki/Signal_Identification_Guide хоть и не все виды сигналов там есть.
            0
            Эхх, сделать гифки, и студентам на лекциях показывать…
            +2
            Никакого шифрования здесь обычно нет, передать и принять такой сигнал может любой желающий

            Невозможность принять сигнал (псевдослучайная смена несущей частоты) — только лишь один из видов шифрования. Толку, если вы приняли сигнал но не поняли что внутри.

            мы получим старую добрую азбуку Морзе.

            Вот только не говорите, что азбукой Морзе шифровку передать невозможно.

            Отличительная особенность АМ — спектр симметричен

            С одной боковой полосой не бывает в принципе?

            здесь даже сигналы азбуки Морзе, несмотря на 2020 год


            Для того чтобы передавать информацию азбукой Морзе нужно два человека\устройства понимающих азбуку Морзе. И любая среда передачи информации: от дымовых сигналов до гравитационных волн. Я более чем уверен, что у военных на складах длительного хранения хранятся модульные радиостанции СВ\ДВ диапазонов мощностью в сотни киловатт. На случай, если спутники закончатся.
            И да, тренированные радисты могут обеспечивать связь азбукой Морзе с достаточно приличной скоростью — десятки групп в минуту, при очень сильных помехах в канале.

              0
              С одной боковой полосой не бывает в принципе?
              SSB и есть однополосная модуляция
                0
                Просто в статье утверждается
                Отличительная особенность АМ — спектр симметричен
                . Вот я и поинтересовался…
                  0
                  без дополнительных преобразований — симметричен.
                  ssb и однополосная — это дополнительные преобразования модулированного сигнала.
                0
                Есть с одной боковой полосой, причем как нижняя, так и верхняя. А Морзе сейчас спокойно обрабатывается компьютером, причем как с одной стороны, так и с обеих. В полку ОсНаз ГРУ под Владивостоком нагляделся и морзянок компьютерных, особенно те, что КНДР своим ракетам посылают вообще ажиотаж сразу в приемном зале устраивают, сразу на всех частотах начинают другие виды передач (вроде относительно свежих неизвестного типа в модуляции FM8) искать.
                –1
                Видимо, с доступностью как приемников, так и источников питания


                Автор, вы видимо, не жили в советские времена, и на представляете себе насколько сложно было достать автономные источники питания, они же «батарейки».
                  +2
                  у нас была картошка
                    0
                    Хм, интересный вопрос, можно ли запитать от картошины транзисторный приемник

                    svetosmotr.ru/kak-sdelat-batarejku-iz-kartoshki

                    Насчет лампового все же есть сомнения, много картошки понадобится :)
                    0
                    373 и 3336 вполне доступны были, денег просто стоили, 30 копеек не так мало.

                      +2
                      373 еще ладно. А вот 3336 и Крона отсутствовали как класс. Привозили их в не бедную Одессу командированные из Москвы и Ленинграда.
                        0

                        Плохо жили в Одессе. В Архангельской области редкостью были 343 и 316. С "квадратными" проблем не было. Самыми редкими были 332 и 3рц53.

                    0

                    Статья интересная, но… не хватает ответов на вопросы почему и зачем? :) было бы здорово увидеть некое "сравнение". Не таблица, а небольшим тестом: основная идея(на самом деле это в статье уже есть), какие задачи решает, какие проблемы имеются и тп.

                      +1
                      даже сигналы азбуки морзе, несмотря на 2020 год).//
                      В субботу состоялся Кубок Москвы CW, 1 января AGCW Happy New Year Contest… так вообще не протолкнуться будет от CW ))
                        0
                        В статье все же речь про служебную связь, да и диапазон на скриншоте не радиолюбительский, ну а в качестве хобби и фехтованием некоторые занимаются, почему нет ;) Впрочем, думаю что CW в автоматических станциях давно генерируется компьютером а не человеком.
                          0
                          Да… в фильмах про американский спецназ))
                      +1
                      В специализированной литературе различают «модуляцию» и «манипуляцию»:
                      манипуляция — изменение параметра за время <T,
                      модуляция — изменение параметра за время >>T (где T — период).

                      И, добавлю, авиадиапазон все-таки 100-149,975 МГц, а вот для радиообмена с экипажами как раз указанный автором 118-137 МГц. По бокам от «разговорного» интервала — позывные «морзянкой» от наземных средств навигации, уникальные для каждого средства — для их однозначной идентификации экипажами.
                      0
                      Интересна тема квадратурной амплитудной модуляции применительно к аналоговому сигналу, которую хотел внедрить Поляков и о стерео на АМ. Если будет возможность, напишите об этом.
                        +2
                        Ни разу не пробовал, поиском в гугле встречается только это видео:
                        Видео

                        0
                        Весьма интересно. Интересно было бы про приемник подробнее и сам принцип модуляции.
                          0
                          Скриншоты делались с помощью онлайн приемника http://websdr.ewi.utwente.nl:8901

                          Насколько я знаю, приемник сделан по технологии SDR DDC, оцифровывает сразу весь диапазон 0..30 МГц, каждый подключенный юзер получает картинку спектра и свой аудиопоток шириной до 6 КГц. Таким образом можно разделять один приемник на достаточно большое число подключенных пользователей.
                          0
                          Существуют схемы транзисторных многокаскадных приёмников с питанием от радиоволн. Сам такие паял в молодости. Звук получается громче и чище чем у детектора
                            0
                            Да, целая книга у Полякова про это была, если не ошибаюсь. Но в городе без больших антенн детекторный приемник сделать проблемно. Я в детстве делал, слышно было станцию, обрадовался тогда, потом вынул диод — все равно работает :) Уже через много лет догадался, что это было не детектирование, а наводки от проводной радиосети…
                            +1
                            Ух, словно на полгода назад, когда в полку ОсНаз ГРУ под Владивостоком служил, в КВ ловили супостатов. Правда, микрофонных передач мало — только во время массовых учений на Окинаве\Хоккайдо НАТОвской морпехоты интересное было. А так в основном все в цифре (ALE\ALE3G, STANAG, FM8 и прочих) и морзянке (которую ловить интересно, особенно если эта морзянка — от командных пунктов РВСН КНДР к их ракетам во время пуска:3). Даром, азиаты активно транслируют в КВ диапазоне свои FM и AM станции на всех языках, а то ночью со скуки уснуть можно было.
                              0
                              Почитайте здесь, думаю будет интересно: www.radioscanner.ru/forum/32.html

                              Кстати про мониторинг китайских сетей там вроде не было еще.
                              0
                              Раз уж затронули фазовую модуляцию, то необходимо упомянуть и фазовую манипуляцию. И производные аббревиатуры: BPSK, QPSK, QAM тем более что вокруг этого крутится мобильная связь и цифровое телевидение.
                                +1
                                Спасибо Вам за интересную статью!
                                Как Вы правильно отметили, технология OFDM используется для параллельной передачи отдельных бит на разных ортогональных поднесущих. Хочется добавить, что поднесущие сигнала OFDM, в свою очередь, для передачи отдельных бит используют квадратурную цифровую модуляцию (PSK, QAM). Кроме того, ключевой особенностью данной технологии является использование защитного интервала между символами сигнала. Он помогает бороться с межсимвольной интерференцией, которая сильно мешает приёму в условиях многолучевого канала.
                                Аналогично и с технологией CDMA. Её основная задача — обеспечение множественного доступа разных абонентов к одной несущей за счёт использования специальных ортогональных расширяющих сигналов (как Вы правильно отметили, например, функций Уолша). В свою очередь эти сигналы «расширяют» уже модулированные, например с использованием PSK, сигналы абонентов. Помимо CDMA, множественный доступ также обеспечивают за счёт временного (TDMA), частотного (FDMA) или комбинированного разделения. Но это уже скорее про спутниковые каналы.
                                Таким образом, под сигналами OFDM или CDMA скрывается множество квадратурно модулированных сигналов PSK или QAM.
                                  0
                                  Так уже фидо таскают по радиосигналу…

                                  Only users with full accounts can post comments. Log in, please.