Как работают алгоритмы кодирования в радиосвязи

Как работают алгоритмы кодирования в радиосвязи

Как вообще это возможно — что по воздуху к нам прилетает видео?

В прошлых материалах мы поговорили и про радиоволны, и про связь 5G:

Теперь посмотрим, как по радиоволнам передаются сигналы и данные и какие алгоритмы за это отвечают. Эта статья без особой практической применимости, просто для расширения кругозора. 

Аналоговое и цифровое кодирование

Смысл кодирования любого сигнала — представить их в таком виде, чтобы с ними было удобно работать получателю. Язык жестов, буквы на бумаге, подмигивание в баре, стук по батарее или неприличный жест на уроке за партой — это всё способы закодировать сигнал.

Радиоволны — это физический способ передачи данных. Электромагнитный излучатель возмущает электромагнитное поле, по полю прокатывается волна. Представьте, что кто-то стучит по батарее, чтобы соседи не шумели посреди ночи. Батарея и все связанные с ней трубы — это как бы электромагнитное поле, оно пронизывает весь дом (и всю Вселенную). Стук по батарее — это излучение, которое возмущает поле. Как сильно и как часто стучат — это кодирование сигнала. 

Аналоговое кодирование — это когда когда сигнал не требует цифровой расшифровки. Представьте, что ваш друг сидит в школе на уроке, а вы вышли во двор по делам и решили крикнуть ему что-то в окно. Ваш голос немного исказился, пока звук пролетел сквозь окно и отразился от стен класса, но в целом ваш крик был воспринят без дополнительной расшифровки. 

Похожим образом работает аналоговое радиовещание. Сигнал можно поймать и на лету преобразовать обычными радиолюбительскими средствами. Аналоговый сигнал изменяется плавно и непрерывно, без резких обрывов.

Пример аналоговых данных — голос и музыка на радио или телевидение в старом формате, когда на экране в плохую погоду бегали рябь, шум и помехи. Помехи — это как раз способ отличить аналоговый сигнал от цифрового. Если есть помехи, — визуальные или звуковые, — значит, данные передавались аналоговым способом.

Как работают алгоритмы кодирования в радиосвязи
Как работают алгоритмы кодирования в радиосвязи
Помехи в аналоговом телевидении. Изображение «поплыло», но смотреть можно

Цифровой сигнал устроен иначе: он больше похож на записку в классе. Вы написали что-то на бумажке, передали другу за соседнюю парту, он развернул бумажку и прочитал. Если он в состоянии понять, что вы написали, он поймёт это точно и без искажений. Ваше послание закодировано в буквах на записке. 

В цифровом радиосигнале послание кодируется двоичным кодом, то есть последовательностью сильного и слабого излучения. Для компьютера это то же самое, что для вас читать буквы в записке. Если вы знаете эти буквы, вы поймёте сообщение без искажений. 

Как работают алгоритмы кодирования в радиосвязи

В цифровой передаче данных нет аналоговых помех, которые добавляют рябь или шум — вместо этого там есть потери данных. Если сам радиосигнал будет слабым или неразборчивым из-за помех при передаче, то цифровой приёмник просто проигнорирует этот кусок данных и будет ждать следующий. 

Пример потерь в цифровой передаче — когда замирает картинка в кабельном телевидении, даже если звук продолжает идти. Это значит, что приёмник потерял часть пакетов, отвечающих за видео, и ждёт начала следующих. Крупные пиксельные фрагменты во время таких трансляций — тоже признак потери пакетов.

Как работают алгоритмы кодирования в радиосвязи
Помехи в цифровом телевидении. Картинка распадается и замирает, смотреть такое сложно

Аналоговое кодирование — AM и FM

Радиостанции отправляют в эфир голос и музыку, а чтобы принять и расшифровать сигнал мог даже самый дешёвый приёмник, они кодируют сигнал аналоговым способом. В зависимости от длины волны используют либо амплитудную модуляцию (AM), либо частотную модуляцию (FM). Есть ещё другие варианты модуляций, но они работают по похожему принципу.

Возьмём один и тот же сигнал, который нам нужно зашифровать, — например, голос ведущего. Если представить его в виде звуковых колебаний, то он будет выглядеть примерно так:

Как работают алгоритмы кодирования в радиосвязи

Амплитудная модуляция меняет амплитуду несущей частоты (амплитуда — это насколько высоко над осью Х поднимается волна), чтобы верхние пики образовали нужный нам сигнал:

Как работают алгоритмы кодирования в радиосвязи

В этом алгоритме частота остаётся неизменной, а меняется только амплитуда сигнала. Обычно это работает на средних и коротких волнах — их чаще всего используют для передачи на длинные расстояния.

Частотная модуляция работает иначе — меняется сама частота, а амплитуда не меняется. Но частота меняется в очень узком диапазоне, чтобы приёмникам не пришлось переключаться на другую волну.

Как работают алгоритмы кодирования в радиосвязи

Цифровое кодирование

В радиотехнике цифровое кодирование называют цифровой модуляцией. Задача такой модуляции — передать в виде радиоволн, например, нули и единицы, чтобы цифровой приёмник сразу мог их обработать.

Самый простой способ оцифровать любой сигнал — включать и выключать передатчик, когда нужно передать 1 и 0:

Как работают алгоритмы кодирования в радиосвязи

Принципиально это не отличается от того, как передаётся сигнал по проводу: если напряжение есть, это единица. Если напряжения нет или оно низкое — это ноль. Разница в том, что вместо напряжения — электромагнитное излучение.

И как это всё работает?

  1. Излучатель в вашем роутере возмущает электромагнитное поле (одно поле на всю Вселенную).
  2. Приёмник в вашем смартфоне «слушает» возмущения поля и пытается вычленить из них вибрации на нужной ему частоте.
  3. Вычислив эти вибрации, приёмник начинает их расшифровывать: превращать в единицы и нули. 
  4. Из всей массы единиц и нулей процессор вычленяет то, что предназначено конкретно для этого устройства. 
  5. Вычленив предназначающиеся ему пакеты, процессор передаёт их на обработку дальше в операционную систему, где происходит обработка данных. 

Текст:

Михаил Полянин

Редактор:

Максим Ильяхов

Художник:

Даня Берковский

Корректор:

Ирина Михеева

Вёрстка:

Кирилл Климентьев

Соцсети:

Алина Грызлова

Получите ИТ-профессию
В «Яндекс Практикуме» можно стать разработчиком, тестировщиком, аналитиком и менеджером цифровых продуктов. Первая часть обучения всегда бесплатная, чтобы попробовать и найти то, что вам по душе. Дальше — программы трудоустройства.
Начать карьеру в ИТ
Получите ИТ-профессию Получите ИТ-профессию Получите ИТ-профессию Получите ИТ-профессию
Еще по теме
Как выглядит сервер
Как выглядит сервер

Он может быть размером со шкаф или со спичечный коробок

За что админы любят SSH

И почему вам тоже нужно его полюбить.

easy
Настраиваем сервер для своего облачного хранилища
Настраиваем сервер для своего облачного хранилища

Готовимся к переезду в личное облако

hard
Что такое UNIX и зачем он нужен
Что такое UNIX и зачем он нужен

Операционная система, которая изменила мир, хотя в ней почти никто не работал

medium
«Я не успеваю писать код, но участвую во всех важных обсуждениях». Как работает руководитель разработки Яндекс.Практикума
«Я не успеваю писать код, но участвую во всех важных обсуждениях». Как работает руководитель разработки Яндекс.Практикума

От первого сайта за 300$ до руководителя в Яндексе.

medium
Не Worlde, а «Вордль»: русифицируем заморскую игру
Не Wordle, а «Вордль»: русифицируем заморскую игру

Управляем анимацией и добавляем экранную клавиатуру

medium
Что такое менеджер пакетов в программировании
Что такое менеджер пакетов в программировании

Система, которая наводит порядок в ваших библиотеках

easy
Как работает сортировка расчёской
Как работает сортировка расчёской

Улучшаем пузырьковую сортировку.

easy
Что такое Apache и как он работает
Что такое Apache и как он работает

Простой, но очень полезный веб-сервер

medium
Vue.js — конструктор для веб-приложений
Vue.js — конструктор для веб-приложений

Переходим на новый уровень программирования

medium
medium