Модуляция радиосигнала

    image В комментариях к статье «Критерии качества сигнала в сетях WiMax» zlyoha посетовал на отсутствие статей описывающей физическую сторону передачи информации по радио каналу.
    Мы решили исправить это упущение и написать цикл постов о беспроводной передаче данных.
    В первом из них мы расскажем о главном аспекте передачи информации посредством радиосигнала – модуляции.


    Модуля́ция (лат. modulatio — размерность) — процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала.
    Передаваемая информация заложена в управляющем сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим.
    Модуляция может осуществляться изменением амплитуды, фазы или частоты высокочастотной несущей.
    Эта техника дает несколько важных преимуществ:
    1. Позволяет сформировать радиосигнал, который будет обладать свойствами соответствующими свойствам несущей частоты. О свойствах волн разных частотных диапазонов можно почитать, например, тут.
    2. Позволяет использовать антенны малого размера, ведь размер антенны должен быть пропорционален длине волны.
    3. Позволяет избежать интерференции с другими радиосигналами.

    Передаваемый в сетях WiMax поток данных соответствует частоте в районе 11 кГц. Если мы попробуем передавать этот низкочастотный сигнал по воздуху, нам понадобится антенна следующих размеров:

    image
    Антенна длинной 24 километра не кажется достаточно удобной в использовании.
    Если же мы будем передавать этот сигнал наложенным на несущую частоту в 2.5 ГГц (частота используемая в Yota WiMax), то нам понадобится антенна длиной 12 см.

    Аналоговая модуляция.


    Прежде чем перейти непосредственно к цифровой модуляции, приведу картинку, иллюстрирующую аналоговую AM (амплитудную) и FM (частотную) модуляцию, которая освежит у многих школные познания:
    image
    исходный сигнал
    image
    AM (амплитудная модуляция)
    image
    FM (частотная модуляция)

    Цифровая модуляция и ее типы.


    В цифровой модуляции аналоговый несущий сигнал модулируется цифровым битовым потоком.
    Существуют три фундаментальных типа цифровой модуляции (или шифтинга) и один гибридный:
    1. ASK – Amplitude shift keying (Амплитудная двоичная модуляция).
    2. FSK – Frequency shift keying (Частотая двоичная модуляция).
    3. PSK – Phase shift keying (Фазовая двоичная модуляция).
    4. ASK/PSK.

    Упомяну, что существует традиция в русской терминологии радиосвязи использовать для модуляции цифровым сигналом термин «манипуляция».
    image
    В случае амплитудного шифтинга амплитуда сигнала для логического нуля может быть (например) в два раза меньше логической и единицы.
    Частотная модуляция похожим образом представляет логическую единицу интервалом с большей частотой, чем ноль.
    Фазовый шифтинг представляет «0» как сигнал без сдвига, а «1» как сигнал со сдвигом.
    Да, тут мы как раз имеем дело со «сдвигом по фазе» :)
    Каждая из схем имеет свои сильные и слабые стороны.
    • ASK хороша с точки зрения эффективности использования полосы частот, но подвержена искажениям при наличии шума и недостаточно эффективна с точки зрения потребляемой мощности.
    • FSK – с точностью до наоборот, энергетически эффективна, но не эффективно использует полосу частот.
    • PSK – хороша в обоих аспектах.
    • ASK/PSK – комбинация двух схем. Она позволяет еще лучше использовать полосу частот.

    Самая простая PSK схема (показанная на рисунке) имеет собственное название — Binary phase-shift keying. Используется единственный сдвиг фазы между «0» и «1» — 180 градусов, половина периода.
    Существуют также QPSK и 8-PSK:
    QPSK использует 4 различных сдвига фазы (по четверти периода) и может кодировать 2 бита в символе (01, 11, 00, 10). 8-PSK использует 8 разных сдвигов фаз и может кодировать 3 бита в символе.
    Подробнее тут
    Одна из частных реализаций схемы ASK/PSK которая называется QAM — Quadrature Amplitude Modulation (квадратурная амплитудная модуляция (КАМ). Это метод объединения двух AM-сигналов в одном канале. Он позваляет удвоить эффективную пропускную способность. В QAM используется две несущих с одинаковой частотой но с разницей в фазе на четверть периода (отсюда и возникает слово квадратура). Более высокие уровни QAM строятся по тому же принципы, что и PSK. Если вас интересуют детали, вы без труда можете их найти в сети.
    Теоретическая эффективность использования полосы пропускания:
    Формат Эффективность (бит/с/Гц)
    BPSK 1
    QPSK 2
    8-PSK 3
    16-QAM 4
    32-QAM 5
    64-QAM 6
    256-QAM 8

    Чем сложнее схема модуляции, тем более пагубное воздействие на нее оказывают искажения при передаче, и тем меньше расстояние от базовой станции, на котором сигнал может быть успешно принят.
    Теоретически возможны PSK и QAM схемы еще более высокого уровня, но на практике при их использовании возникает слишком большое количество ошибок.
    Теперь, когда мы рассмотрели основные моменты, можно написать какие схемы модуляции применяются в сетях WiMax.

    Модуляция сигнала в сетях WiMax.


    В WiMax используется «динамическая адаптивная модуляция», которая позволяет базовой станции делать выбор между пропускной способностью и максимальным расстоянием до приемника. Чтобы увеличить дальность, базовая станция может переключиться между 64-QAM, 16-QAM и QPSK.

    Заключение.


    Я надеюсь, что у меня получилось соблюсти баланс между популярностью изложения и техничностью содержания. Если данная статья окажется востребованной, я продолжу работать в этом направлении. Технология WiMax имеет множество нюансов, о которых можно рассказать.
    Yota
    0,00
    Компания
    Поделиться публикацией
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 37

      +4
      Баланс хорош! Но что то мало, сгенерируйте еще.
        +2
        > Передаваемый в сетях WiMax поток данных соответствует частоте в районе 11 кГц

        Ы? 11 кГц даже при 64-QAM это 32 кбит/с.
          +7
          Ы!
          Я рад этому вопросу, потому что он свидетельствует о вдумчивом прочтении.
          Подробный ответ на него будет в одной из следующих статей. В двух словах, в WiMax используется множество «subcarrier» небольших частотных диапазонов, если мне не изменяет память, шириной около 10МГц, в каждом из них — своя несущая и свой битовый поток, — своего рода распараллеливание. В результате получится теоретический максимум в район 10 Мбит.
            +5
            Да, но употребить термины QPSK/QAM и забыть употребить термин OFDM — это путь к введению в заблуждение. Я попался.
              +2
              ну вот, вы погуглили :) одна из целей — разжечь тягу к знаниям.
              Возможно это упущение — не написать про OFDM, но мне не хотелось родить «много букаф» а OFDM потянул бы примерно на такой же объем
          +2
          Понравилось, все доступно, с удовольствием почитал бы продолжение темы.
            +2
            Весьма интересно иногда перечитывать материал, полученный еще давно в ВУЗе, особенно если он не применяется, плюс еще хорошо написано. Вспоминаются всякие мелочи и особенности,
            Спасибо, с удовольствием прочитаю продолжение!
              +2
              >Вспоминаются всякие мелочи и особенности,

              У меня от такого материала вспоминаются исключительно удивленные сиськи однокрупниц от зачистки проводов зубами.
              • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                  +1
                  А должна была вспомниться теорема Кательникова
                –4
                Может тогда сразу забабахаем проект хаброуниверситет?)
                Не знаю кто сетовал, но эту информацию довольно легко найти в сети. Что такое модуляция объясняют, если меня не подводит память, еще в школе — базовый курс физики. Как заметили выше — это еще и началтные курсы ВУЗа по любой технической специальности. Наверное, эта статья больше подходит для википедии… Уж извините, но это ИМХО.
                  +4
                  Имхо, нельзя отрицать пользу от этой статьи. С колокольни технаря тут все просто, но хабр уже давно не ресурс IT специалистов.

                  Базовый курс физики даром, что базовый, рассказывает о физических процессах в отрыве от технологий. Студенты, глотая голые лекции о модуляциях, понятия не имеют зачем оно им надо, и куда коней запрягают.

                  Уверен, для >50% аудитории хабра принципы модуляции так и остались в тетрадях по физике, а эта статья (а я надеюсь и дальнейший цикл статей) освежит в памяти, и самое главное, напомнит, где же и как применяются те самые модуляции и кодирования.
                    –4
                    Согласен. Но ссылка на ресурс для начинающих радиолюбителей была бы наверное полезнее.
                    Хотя, отрицать что качество изложения материала неплохое, да еще и довольно доступное — грех!) Только вот я пытаюсь донести, что,«эту бы энергию, да на мирные цели...».
                    Лючно я пользуюсь хабром, для того чтобы найти нюансы использования какой либо технологии и люблю читать, как авторы находят неожиданное применение тем вещам, с которыми мы каждый день сталкиваемся, плюс новости(комментарии уж точно нельзя сбрасывать со счетов).
                    Конечно, есть смысл публиковать статьи, например, о программировании на каком либо экзотическом языке/платформе/фреймворке, потому что данную информацию зачастую либо трудно найти, либо ее такое количество, что «без пол литра не разберешься»…
                    Когда я ищу какие то базовые вещи — я открываю википедию, и лично я был бы доволен как слон, если бы в русскоязычном сегменте вики было бы побольше так хорошо воспринимающихся статей.
                      +5
                      Как и в любом цикле статей автору нужна была вводная. Если дать в первом же посте многообещающего цикла кучу линков не вики — эффект будет совсем иным. Психологию любопытствующего читателя (а мне кажется хабр в большей степени ресурс развлекательно-информационный, нежели профессионально-технический) никто не отменял, читатель не будет кликать на вики, тем паче англицкую, если он читает серию статей «просто о сложном». Ему нужно подать ровно ту порцию начальных знаний, которая поможет осмыслить продолжение, а если кинуть в него линком на детали 256-QAM, то он скорее уйдет читать что-то другое.

                      Если вы читаете хабр давно, то можно заметить, как сильно разнится число комментариев к «профессиональным» статьям и к «научпопу». За профессиональным освещением тем лучше идти на профильные форумы и блоги, а вот за легким научпопом именно на хабр.
                        +3
                        Спасибо за поддержку! Ваш комментарий очень хорошо отражает мою точку зрения.
                        Я стараюсь писать так и о том, что у меня (надеюсь) получается лучше.
                          +2
                          Да у меня просто аналогичное готовится =)
                          И именно в ключе простых и доступных знаний, т.е. почти так, как я хотел бы это видеть в качестве факультативных знаний в университете.
                          0
                          Сразу вспомнилось сакраментальное «храбрости уже не торт!»)))
                          В остальном спорить не стану.
                            0
                            Извините… Видимо надо отключить автодополнение… Конечно же «хабр уже не торт».
                              +2
                              А меня натолкнуло на фразу «принять чего-нибудь для хабрости :)»
                              +3
                              «Посты разные нужны, посты разные важны» — как важны разные хабралюди и их интересы.
                              Не зря создана хабралента, чтобы каждый мог читать что ему интересно
                                +1
                                Именно по этой причине я и выразил свое мнение по этому поводу, ведь если мы будем молчать, то… даже предполагать не хочу, что будет на хабре происходить.
                                Рад что мы поняли друг-друга)
                        +5
                        Да принцип радиосвязи действительно проходят в школе. Однако цифровая модуляция в мои школьные годы не проходилась. Для выпускника ВУЗа по направлению «телекоммуникации» этот пост не откроет ничего нового, но я предположил, что среди хаброаудитории найдется много специалистов в других областях IT, которым этот пост может показаться интересным. Несколько позитивных комментариев доказывают мою правоту.
                        Я обещаю не частить со статьями этого цикла, чтобы они не раздражали тех, кто разделяют вашу точку зрения.
                          +1
                          Всё-таки модуляция в школе изучается не так подробно. Там, насколько я помню, изучается аналоговая амплитудная и частотная модуляция, а импульсная модуляция и цифровая модуляция практически игнорируется, а ведь именно они-то и применяются сейчас больше всего.
                            0
                            Да. Более сложные типы уже только в ВУЗах.
                          0
                          Что-то толком ничего не описано. Ссылка на английскую википедию почему-то. А где спектры сигналов? Без них понять смысл если и не невозможно, то очень тяжело.
                            +2
                            русская википедия, как оказалось, очень сильно уступает английской в освещении этого вопроса.
                            Насчет спектров, это немного другой аспект.
                            Почему в качестве несущей используют гармонические колебания, как с точки зрения электротехники осуществляется модуляция и демодуляция и так далее. Я считаю что это слишком специальная информация, и может быть многим не интересна.
                            Если ваша точка зрения будет поддержана, я подумаю над тем чтобы последовать вашему совету в одной из следующих статей.
                            0
                            >Чем сложнее схема модуляции, тем более пагубное воздействие на нее оказывают искажения при передаче, и тем меньше расстояние от базовой станции, на котором сигнал может быть успешно принят.
                            Тут не помешало бы объяснение — почему :) Не примере PSK, с круговыми диаграммами ;)
                              +1
                              мне показалось, что это интуитивно понятно и «не стоит плодить сущностей сверх необходимого» :)
                                +1
                                Потому что нельзя передать больше, чем разрешает граница Шеннона.
                                  +1
                                  *thumbs up*
                                0
                                А почему вы длину волны (лямбда) назвали длиной антенны?
                                  +3
                                  ну это такое расхожее мнение, что антенна должна быть равной длине волны.
                                  На самом деле она может быть lambda/2, lambda/4 или 2*lambda и так далее
                                    +1
                                    Просто как-то глаз резнуло лямбда и она же длина антенны :)
                                    Про размеры антенн знаю. Спасибо. 5 лет на кафедре радиоэлектронных систем управления учился =)
                                  +1
                                  АИМ, ЧИМ, ФИМ — некорректный перевод аббревиатур ASK, FSK и PSK. Правильно говорить как о амплитудной/частотной/фазовой двоичной модуляции (манипуляции), а амплитудно/частотно/фазо-импульсная модуляция — это совсем не то.
                                    +3
                                    Спасибо большое, я поправил.
                                    +1
                                    а ещё стоит наверное рассказать, что те биты которыми непосредственно модулируется сигнал — это не биты передаваемой информации: символьная скорость, битовая скорость несущей, вероятность наибольшего обнаружения и т.д.
                                      0
                                      Что все про эти длинные антенны чушь пишут, попробуйте сделать антенну от 0 до NГц, а вот если сместить этот диапазон высоких частот, эта задача сильно упрощается.

                                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                      Самое читаемое