Что такое модуляция в радиосвязи
Теория радиоволн: аналоговая модуляция
Амплитудная модуляция
При амплитудной модуляции, огибающая амплитуд несущего колебания изменяется по закону, совпадающему с законом передаваемого сообщения. Частота и фаза несущего колебания при этом не меняется.
Одним из основных параметров АМ, является коэфициент модуляции(M).
Коэффициент модуляции — это отношение разности между максимальным и минимальным значениями амплитуд модулированного сигнала к сумме этих значений(%).
Проще говоря, этот коэффициент показывает, насколько сильно значение амплитуда несущего колебания в данный момент отклоняется от среднего значения.
При коэффициенте модуляции больше 1, возникает эффект перемодуляции, в результате чего происходит искажение сигнала.
Данный спектр свойственен для модулирующего колебания постоянной частоты.
На графике, по оси Х представлена частота, по оси У — амплитуда.
Для АМ, кроме амплитуды основной частоты, находящейся в центре, представлены также значения амплитуд справа и слева от частоты несущей. Это так называемые левая и правая боковые полосы. Они отнесены от частоты несущей на расстояние равное частоте модуляции.
Расстояние от левой до правой боковой полосы называют ширина спектра.
В нормальном случае, при коэффициенте модуляции
Как данные передаются по радио?
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
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:
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).
Урок 2.2 Радиосигналы, передача информации, модуляция
В Уроке 2.1 была рассмотрена тема о радиоволнах и распределении частот в эфире. В этом уроке попытаемся выяснить в простой и доступной форме как это реализуется практически.
Радиоволны, это высокочастотные колебания электромагнитного поля, способные распространяться в свободном пространстве на значительные расстояния.
Самое привлекательное в этом то, что с помощью радиоволн можно передавать информацию.
Основными параметрами колебаний являются частота, амплитуда, фаза.
Если на передающей стороне изменять один из параметров колебаний, а на приемной стороне выделять это изменение, то таким способом можно передавать информацию на расстояние.
Процесс изменения одного из параметров колебаний в соответствии с передаваемой информацией на передающей стороне называется модуляцией.
Процесс выделения полезной информации из колебаний на приемной стороне, называется детектированием.
Высокочастотные колебания, параметр которых изменяется при передаче называется несущей.
Полезная информация, которая изменяет параметр несущей, называется модулирующим сигналом.
Если, модулирующий сигнал изменяет частоту несущей – то такая модуляция называется частотной. Модуляция частоты однотонным синусоидальным сигналом представлена на рисунке ниже.
Если модулирующий сигнал изменяет амплитуду несущей – то такая модуляция называется амплитудной. Модуляция амплитуды однотонным синусоидальным сигналом представлена на рисунке ниже.
Если модулирующий сигнал изменяет фазу несущей, то такая модуляция называется фазовой.
Простейший вид фазовой модуляции – фазовая манипуляция, когда фаза меняется скачкообразно.
Существует много видов модуляции. Все они имеют преимущества и недостатки.
Вы уже поняли, что частота несущей во много раз превышает частоту модулирующего сигнала. Модулирующий сигнал, например, речь, занимает область частот до 20 кГц, это при высоком качестве звука, в телефонии, где качество звука низкое — до 3 кГц. Сигналы этой частоты самостоятельно не способны распространяться в эфире на большие расстояния, но если мы ними промодулируем высокочастотный сигнал, например, 90 мГц, то сможем передать на большие расстояния.
Примеры наиболее распространенного использования модуляций:
Амплитудная модуляция – радиовещание на длинных, средних и коротких волнах. Передача видеосигнала в наземном телевизионном вещании.
Частотная модуляция – радиовещание на УКВ (и ФМ) диапазонах, передача звука в наземном телевизионном вещании, передача цветоразностных сигналов в наземном телевизионном вещании системы цветности СЕКАМ (была основной в СССР) и т.д.
Фазовая модуляция — передача цветоразностных сигналов в наземном телевизионном вещании системы цветности ПАЛ (основная в Европе).
При передаче информации с помощью радиосигналов основными задачами, с которыми приходится сталкиваться являются:
Чем выше частоты, тем больше каналов связи можно организовать. Но с ростом частот растет сложность и стоимость оборудования. Сейчас мы видим все более интенсивное освоение частот в диапазоне гигагерц (ГГц) и выше.
Структурная схема простого канала передачи звука на расстояние приведена ниже:
С развитием технического прогресса удается более рационально использовать частоты эфира, в котором так тесно. Хорошим тому примером является внедрение цифрового эфирного телевидения стандарта DVB T2. Если раньше, при простом аналоговом способе телевизионного вещания, на одной частоте дециметрового диапазона, например 430 МГц, располагался один телевизионный канал, то в стандарте DVB T2, на этой одной частоте можно расположить пакет из 8 телевизионных каналов с цифровым качеством. Это преимущество настолько явное, что уже идет повсеместное внедрение стандарта DVB T2 и отключение аналогового телевизионного вещания.
В подавляющем большинстве случаев речевой радиообмен в КВ, Си-Би и УКВ диапазонах предполагает использование амплитудной (АМ), частотной (FM) и однополосной (SSB) модуляции. Несколько особняком стоит телеграф (CW). Последний вид модуляции по мнению многих считается отмирающим, невзирая на его огромную дальнобойность при прочих равных условиях, из-за необходимости соответствующей квалификации оператора. К сожалению освоить «ключ» действительно непросто, да и скорость работы телеграфом в любом случае заметно ниже скорости радиообмена «голосовыми» видами модуляции. Но не обратить на него внимание было бы ошибкой. Итак, рассмотрим виды модуляции поподробнее, по мере возрастания их эффективности.
1. Амплитудная модуляция (АМ) по сути изменяет выходную мощность передатчика, согласно изменению звука. Наименее эффективный вид модуляции, так как большая часть мощности передатчика тратится, по сути, на излучение несущей частоты, и лишь малая часть этой мощности несет полезную информацию. Аппаратура связи, работающая с этим видом модуляции, подвержена очень многим видам помех, как по приемной, так и по передающей стороне. Однако, в силу простоты техники для работы в этой модуляции, она получила десятилетия назад очень серьезное распространение. Сейчас в АМ работают в основном ДВ/СВ/КВ вещательные радиостанции, в ней ведется радиообмен между самолетами гражданской авиации и наземными службами на ближних подступах. По полувековой традиции в АМ работает международно принятый дорожный (дальнобойный) канал (15 АМ на частоте 27.135 МГц). Пожалуй, в сиби диапазоне амплитудная модуляция нужна только в этом канале, и больше нигде в нем не применяется. (В некоторых регионах дальнобойщики используют «свои» местные каналы, например, польские водители часто общаются в 28 канале в «нулях» (частота 27280 кГц), но тоже чаще всего в АМ.) В наше время использование амплитудной модуляции для передачи звука (голоса) скорее дань традиции. В любительских или служебных УКВ бэндах она не получила какого-то распространения, за исключением так называемого «авиационного диапазона» (118-136 МГц). В то же время аналоговое эфирное телевидение во всем мире для передачи «картинки» использует именно амплитудную модуляцию.
2. Частотная модуляция (FM) накладывает звуковую информацию на несущую частоту посредством некоего изменения ее значения, то есть излучаемая частота «плавает» в определенных пределах, согласно изменению звука. Размах этого изменения называется девиация. В сиби, вещательных УКВ и любительских/профессиональных УКВ диапазонах приняты разные значения девиации.
Таким образом, в полосе одного радиовещательного FM передатчика «помещается» без взаимных помех 16-20 каналов радиосвязи. В полосу же одного телевизионного вещательного передатчика (8 МГц) «влезает» до 800 каналов голосовой AM или FM радиосвязи.
Если не брать вещательную WFM в расчет (здесь «по правилам игры» можно пожертвовать огромной излучаемой мощностью и при этом весьма скромной при прочих равных условиях дальностью уверенного приема ради его высокого качества), частотная модуляция куда эффективнее, помехозащищеннее и «дальнобойнее» амплитудной. На практике при прочих равных условиях, к примеру на частотах сиби диапазона, дальность связи растет где-то в 1,5 раза при переходе из АМ в FM.
Не получив распространения в КВ служебных и радиолюбительских диапазонах, частотная модуляция стала практически единственным видом модуляции в сиби и любительских/служебных УКВ диапазонах в силу эффективности и удобства повседневного использования.
3. Однополосная модуляция (SSB) сложнее и в схемотехнической реализации и в повседневном использовании (в силу чего редко применяется на транспортных средствах), да и в объяснении сути такого способа наложения звуковой информации на радиочастоту пожалуй тоже. Тем не менее попробую.
Предположим, что Вы промодулировали по амплитуде радиосигнал частотой в 1 МГц звуковым сигналом в 1 КГц. Математически в этом случае выходная мощность передатчика поделится на три неравных по выходной мощности сигнала (несущая частота 1 МГц + частота несущей за вычетом частоты модулирующего сигнала или нижняя боковая полоса 999КГц + сумма частоты модулирующего сигнала и несущей частоты, или верхняя боковая полоса). Собственно говоря, информацию о звуковом сигнале будет нести лишь малая часть выходной мощности передатчика, а львиная доля ее будет уходить в разогрев воздуха. Так от половины (теоретический минимум) до 80-90 процентов (на практике) мощности передатчика уйдет на формирование несущей частоты, а верхняя и нижняя боковые полосы будут нести полезную информацию о голосе оператора. При этом как верхняя (USB), так и нижняя (LSB) боковые полосы будут содержать полную информацию о наложенном звуке.
Возникает резонный вопрос: зачем излучать несущую и одну из боковых полос, бесполезно растрачивая до 90% мощности передатчика?
Оказывается, делать это совершенно необязательно, и схемотехнически подавив все, кроме нужной нам боковой полосы, мы получаем однополосную модуляцию.
При прочих равных условиях этот вид модуляции из «голосовых» наиболее эффективен по дальнобойности, но неудобен в работе тем, что для полноценного приема речевого сообщения необходимо точно настраиваться на частоту передачи. В силу разных причин настройку приходится уточнять фактически в процессе ведения радиообмена, а неточность настройки в 100-200 Гц уже ощутимо сказывается на разборчивости речевого сообщения.
Полоса частот, занимаемая одним SSB передатчиком, соответствует полосе передаваемого голосового сигнала (около 3-3,5 кГц), что в 3-4 раза Уже, чем у АМ или NFM передатчика.
В силу описанных причин данный вид модуляции получил распространение в основном в служебных и любительских КВ бэндах. В сиби диапазоне, как и в УКВ любительских диапазонах, применяется крайне редко, а в служебных УКВ диапазонах применения вообще не нашел.
В радиолюбительских КВ бэндах на частотах ниже 10 МГц принято работать в LSB, а выше в USB. Служебные радиостанции в основном используют USB.
4. Телеграф (CW) в наше время в основном используется в радиолюбительских КВ (и намного реже в УКВ) диапазонах. В силу того, что детектирует эту модуляцию по большому счету человеческий мозг, а не «железо», при должной квалификации оператора на протяжении более чем века данный вид модуляции уверенно держит первенство по дальнобойности/эффективности при прочих равных условиях. Помехозащищенность телеграфа также выше всяких похвал, и опытный телеграфист в состоянии принимать сообщения фактически даже при отрицательном соотношении «полезный сигнал/шум», но к сожалению остается все меньше людей, умеющих грамотно работать на ключе.
Что такое модуляция в радиосвязи
Модуляция. Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные колебания, интенсивно излучаемые антенной. Незатухающие гармонические колебания высокой частоты вырабатывает генератор, например генератор на транзисторе.
а) график колебаний высокой частоты, которую называют несущей частотой;
б) график колебаний звуковой частоты, т. е. модулирующих колебаний;
в) график модулированных по амплитуде колебаний.
Без модуляции мы в лучшем случае можем контролировать лишь, работает станция или молчит. Без модуляции нет ни телефонной, ни телевизионной передачи.
Модуляция — медленный процесс. Это такие изменения в высокочастотной колебательной системе, при которых она успевает совершить очень много высокочастотных колебаний, прежде чем их амплитуда изменится заметным образом.
Полученный в результате детектирования сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления колебания низкой частоты могут быть превращены в звук.