En uno de los comentarios a artículos anteriores, se preguntó si es posible determinar el tipo de modulación por el tipo de señal. La idea de observar los principales tipos de modulación parecía bastante interesante.
Intentemos averiguar, sin fórmulas y lo más simple posible, cómo se pueden transferir datos del punto "A" al punto "B".
OOK (codificación de encendido y apagado)
La forma más simple de codificación digital. Simplemente encienda / apague el transmisor de acuerdo con la señal binaria:
en el espectro, dicha señal se parece a esto, hay bastantes de ellos a ~ 433 MHz:
el circuito del transmisor es muy simple, por lo tanto, se usa activamente en controles remotos inalámbricos, botones de radio y otros dispositivos a un precio de $ 1-2. Por lo general, no hay cifrado aquí, la frecuencia y la secuencia de bits están cableadas, cualquiera puede transmitir y recibir una señal, por lo que no pondría un control remoto en la puerta del garaje donde se encuentra el Lamborgini, pero servirá para una lámpara de noche (como una lámpara comprada en el MediaMarkt más cercano ha estado funcionando para mí durante 3 años, no ha habido falsas alarmas, el principio de "Joe elusivo" en acción).
Es interesante notar que históricamente este es probablemente uno de los primeros modos de transmisión de radio. Si enciende / apaga el transmisor con una llave y recibe la señal de oído o en cinta de papel, obtenemos el buen código Morse.
Modulación de amplitud (AM)
Probablemente podamos ver AM durante mucho tiempo; la modulación se usa tanto en estaciones de transmisión como en transmisores de la banda aérea de 118-137 MHz. Una característica distintiva de AM es que el espectro es simétrico con respecto a la frecuencia central. "A simple vista" puede incluso comprender de forma aproximada lo que se está transmitiendo, el habla o la música. Captura de pantalla del receptor en línea Websdr Twente:
Históricamente, AM fue uno de los primeros métodos de recepción y transmisión de voz; el conocido circuito receptor detector "escolar" era extremadamente simple y ni siquiera requería baterías para la recepción; los auriculares de alta impedancia tenían suficiente energía de ondas de radio para funcionar. Es curioso que estos receptores se produjeran en masa en la URSS hasta los años 60:
receptor detector Komsomolets (c) Wikipedia
Aparentemente, hubo ciertos problemas con la disponibilidad de receptores y fuentes de energía en el interior, por lo que el receptor detector siguió siendo relevante durante mucho tiempo.
Modulación de frecuencia (FM)
La conocida radiodifusión de FM funciona en modulación de frecuencia. Es interesante notar que en el transmisor de una estación de FM, no solo se codifica el sonido, sino que se transmite una señal compleja, que incluye canales mono y estéreo, tono piloto, RDS, etc. Para no confundirlo con FM "normal", los ingenieros suelen llamar a esta modulación WFM (Wide FM). En el programa HDSDR es fácil ver el espectro de la estación de radio después de la decodificación:
En la señal (abajo a la derecha) es fácil ver el tono piloto a una frecuencia de 19 kHz, canales de transmisión de FM RDS, mono y estéreo. A diferencia de WFM, los monitores para bebés, los walkie-talkies y otros dispositivos similares utilizan modulación FM "estrecha" (NFM, Narrow FM), donde solo se transmite sonido.
La modulación de frecuencia se usa activamente para señales digitales; en este caso, se puede usar la conmutación de dos frecuencias para transmitir un código binario. Un ejemplo es la señal de la estación alemana Pinneberg , la presencia de dos frecuencias es claramente visible en el espectro:
Pinneberg transmite informes meteorológicos a los barcos en ondas largas, medias y cortas. Las frecuencias, en principio, pueden ser más de 2x. Un ejemplo de dicha señal es el radioaficionado FT8 :
con el FT8, los radioaficionados pueden intercambiar mensajes cortos a una distancia de varios miles de kilómetros con solo unos pocos vatios de potencia.
Es interesante que la modulación también se pueda combinar; por ejemplo, en la aviación, el sistema se usa ACARS transmitiendo mensajes de texto. La señal digital de FM se transmite a través del transmisor AM. Porqué es tan dificil? Probablemente, se usa un transmisor listo para usar, a cuya entrada se conectó simplemente un circuito digital para formar una señal de FM. Legacy en su forma más pura, pero probablemente sea más barato que reemplazar millones de transmisores en aeropuertos y aviones de todo el mundo.
Modulación de fase (PSK)
Además de la frecuencia, también podemos cambiar la fase de la señal, lo que nos da modulación de fase. Dichas señales pueden recibirse de forma fiable a largas distancias y se utilizan en particular en comunicaciones por satélite. De los protocolos de radioaficionados, se puede destacar el PSK31 , que en un momento fue muy popular.
Con la ayuda de PSK31 puede intercambiar información en forma de "chat de texto" conectando el transceptor a una computadora. Puede haber más de 2 fases, por ejemplo 4, 18 o 16, todo depende de la velocidad y del canal de comunicación.
Es posible cambiar tanto la fase como la amplitud al mismo tiempo, lo que nos da una velocidad aún mayor, pero requiere una codificación y decodificación más compleja. QAM es un ejemplo de tal señal. Tal señal se visualiza más fácilmente en el plano de fase:
Imagen (c) QAM Wikipedia La
modulación QAM se utiliza en la transmisión de datos en el estándar LTE y en la televisión digital DVB-T.
Multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM)
Uno de los métodos de modulación modernos es OFDM . Su esencia radica en el hecho de que los bits individuales de la señal se pueden transmitir en paralelo, representando la señal como canales de frecuencia que operan independientemente (subportadoras), cada uno de los cuales lleva su propio bit separado. Existen ciertas reglas matemáticas para garantizar que los canales no se crucen y puedan decodificarse. DRM
se puede citar como ejemplo , las señales de este formato se pueden ver en las bandas de transmisión, la diferencia entre AM y DRM es claramente visible en el espectro: Esta es una señal digital de 10 kHz, en la que 206 portadoras se transmiten en paralelo con un intervalo de 47 Hz. Estándar DRM ( Digital Radio Mondiale
) se utiliza para transmitir radio digital en onda media y corta, no lo confunda con otro estándar de gestión de derechos digitales.
OFDM también se usa en WiFi (802.11a), la estructura de la señal es más complicada allí, quienes lo deseen pueden estudiar el PDF por su cuenta.
Acceso múltiple por división de código (CDMA)
Otra forma de transmisión de banda ancha es el intercambio de datos. Los datos de varios destinatarios se pueden combinar en una señal mediante una función especial (p. Ej., Código Walsh ) que garantiza tanto la conversión hacia adelante como hacia atrás. Uno de los factores clave tanto en OFDM como en CDMA es la denominada "ortogonalidad", las señales recibidas no deben "mezclarse" para extraer los datos originales de la señal resultante.
La codificación CDMA se utiliza en redes móviles 3G. Un buen ejemplo de análisis CDMA con lápiz y papel se puede encontrar aquí , recomiendo a los interesados que busquen.
Conclusión
Todo lo que se da arriba es, por supuesto, una explicación muy breve "en los dedos", en realidad, la descripción de un solo decodificador puede tomar varias veces más texto, y es poco probable que mucha gente lo necesite aquí - Habr todavía no es una revista científica. Sin embargo, espero que los lectores todavía tengan una impresión general. Si la audiencia está interesada (lo que vendrá determinado por las estimaciones del texto :), se puede analizar con más detalle cualquiera de las señales.
En conclusión, es interesante observar que varios esquemas de codificación no son solo una especie de abstracción matemática; todo esto se usa activamente, incluso con fines militares (por ejemplo, el protocolo STANAG de los módems de la OTAN). Esta captura de pantalla se tomó mientras se escribía texto con el receptor en línea Websdr:
Como puede ver, a pesar de la presencia de Internet en casi cualquier lugar habitado del planeta, la capacidad de transferir datos de manera directa, anónima y sin intermediarios es muy relevante: cada línea del gráfico es un canal de comunicación que está funcionando en este momento (y sí, los lectores atentos incluso pueden notar señales aquí Código Morse a pesar de 2020).