Dans l'un des commentaires aux articles précédents, la question a été posée de savoir s'il est possible de déterminer le type de modulation par le type de signal. L'idée d'examiner les principaux types de modulation semblait assez intéressante.
Essayons de comprendre, sans formule et aussi simple que possible, comment vous pouvez transférer des données du point "A" au point "B".
OOK (saisie marche-arrêt)
La forme la plus simple de codage numérique. Il suffit d'allumer / d'éteindre l'émetteur en fonction du signal binaire:
sur le spectre, un tel signal ressemble à ceci, il y en a un certain nombre à ~ 433 MHz:
Le circuit de l'émetteur est très simple, il est donc activement utilisé dans les télécommandes sans fil, les boutons radio et autres appareils au prix de 1-2 $. Il n'y a généralement pas de cryptage ici, la fréquence et la séquence de bits sont câblées, tout le monde peut transmettre et recevoir un signal, donc je ne mettrais pas une telle télécommande sur la porte de garage où se trouve la Lamborgini, mais cela fera l'affaire pour une lampe de chevet (telle une lampe achetée dans le MediaMarkt le plus proche fonctionne pour moi depuis 3 ans, il n'y a jamais eu de fausses alarmes, le principe de "insaisissable Joe" en action).
Il est intéressant de noter qu'historiquement, il s'agit probablement de l'un des premiers modes de transmission radio. Si vous allumez / éteignez l'émetteur avec une clé et recevez le signal à l'oreille ou sur du ruban de papier, nous obtenons le bon vieux code Morse.
Modulation d'amplitude (AM)
Nous pourrons probablement voir AM pendant longtemps - la modulation est utilisée à la fois dans les stations de radiodiffusion et dans les émetteurs de la bande aérienne 118-137 MHz. Une caractéristique distinctive de AM est que le spectre est symétrique par rapport à la fréquence centrale. «À l'œil nu», vous pouvez même comprendre grossièrement ce qui est transmis, la parole ou la musique. Capture d'écran du récepteur en ligne Websdr Twente:
Historiquement, la FA était l'une des premières méthodes de réception et de transmission de la parole - le circuit récepteur du détecteur "scolaire" bien connu était extrêmement simple et ne nécessitait même pas de piles pour la réception - les écouteurs à haute impédance avaient suffisamment d'énergie d'ondes radio pour fonctionner. Il est curieux que de tels récepteurs aient été produits en masse en URSS jusque dans les années 60:
Récepteur de détecteur Komsomolets (c) Wikipedia
Apparemment, il y avait certains problèmes avec la disponibilité des récepteurs et des sources d'alimentation dans l'arrière-pays, de sorte que le récepteur du détecteur est resté pertinent pendant longtemps.
Modulation de fréquence (FM)
La diffusion FM bien connue fonctionne en modulation de fréquence. Il est intéressant de noter que dans l'émetteur d'une station FM, non seulement le son est codé - un signal complexe est transmis, y compris les canaux mono et stéréo, la tonalité pilote, le RDS, etc. Afin de ne pas être confondu avec la FM "normale", les ingénieurs appellent généralement cette modulation WFM (Wide FM). Dans le programme HDSDR, il est facile de voir le spectre de la station de radio après le décodage:
sur le signal (en bas à droite), il est facile de voir la tonalité pilote à une fréquence de 19 kHz, RDS, canaux de diffusion FM mono et stéréo. Contrairement au WFM, les moniteurs pour bébé, les talkies-walkies et autres appareils similaires utilisent une modulation FM «étroite» (NFM, Narrow FM), où seul le son est transmis.
La modulation de fréquence est activement utilisée pour les signaux numériques, dans ce cas la commutation de deux fréquences peut être utilisée pour transmettre un code binaire. Un exemple est le signal de la station allemande Pinneberg , la présence de deux fréquences est clairement visible sur le spectre:
Pinneberg transmet des bulletins météorologiques aux navires sur des ondes longues, moyennes et courtes. Les fréquences, en principe, peuvent être supérieures à 2x. Un exemple d'un tel signal est la radio amateur FT8 :
avec le FT8, les radioamateurs peuvent échanger des messages courts sur une distance de plusieurs milliers de kilomètres avec seulement quelques watts de puissance.
Il est intéressant de noter que la modulation peut également être combinée - par exemple, dans l'aviation, le système est utilisé ACARS transmettant des messages texte. Le signal FM numérique est transmis via l'émetteur AM. Pourquoi est-ce si difficile? Probablement, un émetteur prêt à l'emploi est utilisé, à l'entrée duquel un circuit numérique a simplement été connecté pour former un signal FM. L'héritage dans sa forme la plus pure, mais c'est probablement moins cher que de changer des millions d'émetteurs dans les aéroports et les avions du monde entier.
Modulation de phase (PSK)
En plus de la fréquence, nous pouvons également changer la phase du signal, ce qui nous donne une modulation de phase. De tels signaux peuvent être reçus de manière fiable sur de longues distances et sont notamment utilisés dans les communications par satellite. Parmi les protocoles de radio amateur, on peut noter PSK31 , qui à une époque était très populaire.
Avec l'aide du PSK31, vous pouvez échanger des informations sous forme de "chat textuel" en connectant l'émetteur-récepteur à un ordinateur. Il peut y avoir plus de 2 phases, par exemple 4, 18 ou 16, tout dépend de la vitesse et du canal de communication.
Il est possible de changer à la fois la phase et l'amplitude en même temps, ce qui nous donne une vitesse encore plus grande, mais nécessite un codage et un décodage plus complexes. QAM est un exemple d'un tel signal. Ce signal est le plus facilement visualisé sur le plan de phase:
Image (c) QAM La
modulation QAM Wikipedia est utilisée dans la transmission de données dans la norme LTE et dans la télévision numérique DVB-T.
Multiplexage orthogonal par répartition en fréquence (OFDM)
L'une des méthodes de modulation modernes est l' OFDM . Son essence réside dans le fait que des bits individuels du signal peuvent être transmis en parallèle, représentant le signal comme des canaux de fréquence fonctionnant indépendamment (sous-porteuses), chacun d'eux transmettant son propre bit séparé. Il existe certaines règles mathématiques pour garantir que les canaux ne se croisent pas et peuvent être décodés. DRM
peut être cité en exemple , les signaux de ce format peuvent être vus sur les bandes de diffusion, la différence entre AM et DRM est clairement visible sur le spectre: Il s'agit d'un signal numérique de 10 kHz, dans lequel 206 porteuses sont transmises en parallèle avec un intervalle de 47 Hz. Norme DRM ( Digital Radio Mondiale
) est utilisé pour la transmission radio numérique à ondes moyennes et courtes, veuillez ne pas confondre avec d'autres normes de gestion des droits numériques.
OFDM est également utilisé en WiFi (802.11a), la structure du signal y est plus compliquée, ceux qui le souhaitent peuvent étudier le PDF par eux-mêmes.
Accès multiple par division de code (CDMA)
Un autre moyen de transmission à large bande est le partage de données. Les données de plusieurs destinataires peuvent être combinées en un seul signal à l'aide d'une fonction spéciale (par exemple le code de Walsh ) qui garantit à la fois la conversion vers l'avant et vers l'arrière. L'un des facteurs clés à la fois de l'OFDM et du CDMA est ce que l'on appelle "l'orthogonalité", les signaux reçus ne doivent pas être "mélangés" afin d'extraire les données d'origine du signal résultant.
Le codage CDMA est utilisé dans les réseaux mobiles 3G. Un bon exemple d'analyse CDMA utilisant un stylo et du papier peut être trouvé ici , je recommande à ceux qui sont intéressés de regarder.
Conclusion
Tout ce qui est donné ci-dessus est, bien sûr, une très brève explication "sur les doigts", en réalité, la description d'un seul décodeur peut prendre plusieurs fois plus de texte, et il est peu probable que beaucoup de gens en aient besoin ici - Habr n'est toujours pas une revue scientifique. Cependant, j'espère que les lecteurs ont encore l'impression générale. Si le public est intéressé (ce qui sera déterminé par les estimations du texte :), n'importe lequel des signaux peut être analysé plus en détail.
En conclusion, il est intéressant de noter que divers schémas de codage ne sont pas simplement une sorte d'abstraction mathématique - tout cela est activement utilisé, y compris à des fins militaires (par exemple, le protocole STANAG des modems OTAN). Cette capture d'écran a été prise lors de l'écriture de texte à l'aide du récepteur en ligne Websdr:
Comme vous pouvez le voir, malgré la présence d'Internet dans presque tous les lieux habités de la planète, la possibilité de transférer des données directement, de manière anonyme et sans intermédiaires, est très pertinente - chaque ligne du graphique est un canal de communication qui fonctionne en ce moment (et oui, les lecteurs attentifs peuvent même remarquer des signaux ici Code Morse malgré 2020).