Em um dos comentários a artigos anteriores, questionou-se se é possível determinar o tipo de modulação pelo tipo de sinal. A ideia de olhar para os principais tipos de modulação parecia muito interessante.
Vamos tentar descobrir, sem fórmulas e o mais simples possível, como você pode transferir dados do ponto "A" ao ponto "B".
OOK (On-Off Keying)
O tipo mais simples de codificação digital. Basta ligar / desligar o transmissor de acordo com o sinal binário:
no espectro, tal sinal se parece com isso, existem alguns deles em ~ 433 MHz:
o circuito do transmissor é muito simples, portanto, é usado ativamente em controles remotos sem fio, botões de rádio e outros dispositivos a um preço de US $ 1-2. Normalmente não há criptografia aqui, a frequência e a sequência de bits são conectadas, qualquer pessoa pode transmitir e receber um sinal, então eu não colocaria esse controle remoto na porta da garagem onde o Lamborgini está, mas servirá para uma lâmpada de cabeceira (como uma lâmpada comprada no MediaMarkt mais próximo está trabalhando para mim há 3 anos, nunca houve alarmes falsos, o princípio do "elusivo Joe" em ação).
É interessante notar que, historicamente, este é provavelmente um dos primeiros modos de transmissão de rádio. Se você liga / desliga o transmissor com uma chave e recebe o sinal de ouvido ou em fita de papel, obtemos o bom e velho código Morse.
Modulação de amplitude (AM)
Provavelmente seremos capazes de ver AM por muito tempo - a modulação é usada tanto em estações de transmissão quanto em transmissores da faixa aérea de 118-137 MHz. Uma característica distintiva do AM é que o espectro é simétrico em relação à frequência central. "A olho", você pode até mesmo entender aproximadamente o que está sendo transmitido, fala ou música. Captura de tela do receptor online Websdr Twente:
Historicamente, AM foi um dos primeiros métodos de recepção e transmissão de fala - o conhecido circuito receptor detector "escolar" era extremamente simples e nem precisava de baterias para recepção - fones de ouvido de alta impedância tinham energia de ondas de rádio suficiente para funcionar. É curioso que esses receptores tenham sido produzidos em massa na URSS até os anos 60:
Receptor detector "Komsomolets" (c) Wikipedia
Aparentemente, havia certos problemas com a disponibilidade de receptores e fontes de energia no outback, de modo que o receptor do detector permaneceu relevante por um longo tempo.
Modulação de frequência (FM)
A conhecida transmissão FM trabalha com modulação de frequência. É interessante notar que no transmissor de uma estação FM, não apenas o som é codificado - um sinal complexo é transmitido, incluindo canais mono e estéreo, tom piloto, RDS, etc. Para não ser confundido com FM "normal", os engenheiros costumam chamar essa modulação WFM (Wide FM). No programa HDSDR é fácil ver o espectro da estação de rádio após a decodificação:
No sinal (canto inferior direito) é fácil ver o tom piloto em uma frequência de 19 kHz, RDS, canais de transmissão FM mono e estéreo. Ao contrário do WFM, babás eletrônicas, walkie-talkies e outros dispositivos semelhantes usam modulação FM "estreita" (NFM, FM estreita), onde apenas o som é transmitido.
A modulação de frequência é usada ativamente para sinais digitais; neste caso, a comutação de duas frequências pode ser usada para transmitir um código binário. Um exemplo é o sinal da estação alemã Pinneberg , a presença de duas frequências é claramente visível no espectro:
Pinneberg transmite boletins meteorológicos para navios em ondas longas, médias e curtas. As frequências, em princípio, podem ser mais de 2x. Um exemplo de tal sinal é o rádio amador FT8 :
com o FT8, os rádios amadores podem trocar mensagens curtas a uma distância de vários milhares de quilômetros com apenas alguns watts de potência.
É interessante que a modulação também pode ser combinada - por exemplo, na aviação, o sistema é usado ACARS transmitindo mensagens de texto. O sinal digital de FM é transmitido pelo transmissor AM. Por que é tão difícil? Provavelmente, um transmissor pronto é usado, à entrada do qual um circuito digital foi simplesmente conectado para formar um sinal FM. Legado em sua forma mais pura, mas provavelmente é mais barato do que trocar milhões de transmissores em aeroportos e aviões em todo o mundo.
Modulação de fase (PSK)
Além da frequência, também podemos alterar a fase do sinal, o que nos dá a modulação de fase. Esses sinais podem ser recebidos de forma confiável em longas distâncias e são usados principalmente em comunicações por satélite. Dos protocolos de radioamador, pode-se destacar o PSK31 , que já foi muito popular.
Com a ajuda do PSK31 você pode trocar informações na forma de "chat de texto" conectando o transceptor a um computador. Pode haver mais de 2 fases, por exemplo 4, 18 ou 16, tudo depende da velocidade e do canal de comunicação.
É possível alterar a fase e a amplitude ao mesmo tempo, o que nos dá uma velocidade ainda maior, mas requer codificação e decodificação mais complexas. QAM é um exemplo de tal sinal. Este sinal é mais facilmente visualizado no plano de fase:
Imagem (c) QAM Wikipedia A
modulação QAM é usada na transmissão de dados no padrão LTE e na televisão digital DVB-T.
Multiplexação por divisão de frequência ortogonal (OFDM)
Um dos métodos de modulação modernos é OFDM . Sua essência reside no fato de que bits individuais do sinal podem ser transmitidos em paralelo, representando o sinal como canais de frequência de operação independente (subportadoras), cada um dos quais transmite seu próprio bit separado. Existem certas regras matemáticas para garantir que os canais não se cruzem e possam ser decodificados. O DRM
pode ser citado como exemplo , sinais deste formato podem ser vistos em bandas de transmissão, a diferença entre AM e DRM é claramente visível no espectro: Este é um sinal digital de 10 kHz, no qual 206 portadoras são transmitidas em paralelo com um intervalo de 47 Hz. Padrão DRM ( Digital Radio Mondiale
) é usado para transmitir rádio digital em ondas médias e curtas, não confunda com outro padrão de gerenciamento de direitos digitais.
OFDM também é usado em WiFi (802.11a), a estrutura do sinal é mais complicada lá, quem quiser pode estudar o PDF por conta própria.
Acesso múltiplo por divisão de código (CDMA)
Outra forma de transmissão de banda larga é o compartilhamento de dados. Os dados para vários destinatários podem ser combinados em um sinal usando uma função especial (por exemplo, código Walsh ), que garante a conversão direta e reversa. Um dos principais fatores tanto em OFDM quanto em CDMA é a chamada "ortogonalidade", os sinais recebidos não devem ser "misturados" para extrair os dados originais do sinal resultante.
A codificação CDMA é usada em redes móveis 3G. Um bom exemplo de análise de CDMA usando caneta e papel pode ser encontrado aqui , recomendo a quem estiver interessado.
Conclusão
Tudo o que é dado acima é, claro, uma explicação muito breve "nos dedos", na verdade, a descrição de apenas um decodificador pode exigir várias vezes mais texto, e é improvável que muitos precisem dele aqui - Habr ainda não é uma revista científica. No entanto, espero que os leitores ainda tenham uma impressão geral. Se houver interesse do público (que será determinado pelas estimativas do texto :), qualquer um dos sinais pode ser analisado com mais detalhes.
Em conclusão, é interessante notar que vários esquemas de codificação não são apenas algum tipo de abstração matemática - tudo isso é usado ativamente, inclusive para fins militares (por exemplo, o protocolo STANAG dos modems da OTAN). Esta captura de tela foi tirada enquanto escrevia o texto com o receptor online Websdr:
Como você pode ver, apesar da presença da Internet em quase todos os lugares habitados do planeta, a capacidade de transferir dados diretamente, anonimamente e sem intermediários, é muito relevante - cada linha do gráfico é um canal de comunicação que está funcionando agora (e sim, leitores atentos podem até notar sinais aqui Código Morse, apesar de 2020).