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So haben Sie isoliert Spaß oder übertragen Daten mit einer Soundkarte

Hallo Habr.

Nach einer kürzlich erschienenen Veröffentlichung zur OFDM-Übertragung wurde es interessant zu prüfen, wie die Übertragung von Daten über Funk am effizientesten ist. Wir werden verschiedene Arten der Modulation ausprobieren und herausfinden, welche für die Übertragung von Daten von einem Ende der Wohnung oder des Büros zum anderen besser geeignet sind. Für Tests reichen ein Laptop, ein Smartphone und ein MultiPSK-Programm aus.



Für diejenigen, die daran interessiert sind, wie dies funktioniert, weiter unter dem Schnitt.

Für Tests verwenden wir das MultiPSK-Programm, das insofern praktisch ist, als es eine Vielzahl unterschiedlicher Kommunikationsstandards unterstützt, sowohl für Amateure (sie sind sowohl für den Empfang als auch für die Übertragung verfügbar) als auch für Profis (nur der Empfang ist verfügbar). Um den Artikel nicht gigantisch zu machen, werde ich natürlich nur die beliebtesten Modulationsarten auswählen und wir werden sehen, was passiert. MultiPSK war ursprünglich für die Funkkommunikation gedacht .warum die Soundkarte an den Empfänger oder Sender angeschlossen werden sollte, aber nichts verbietet die Wiedergabe des Signals direkt von den Lautsprechern. Der Test wird recht einfach sein - der Klartext „1234567890“ wird auf verschiedene Arten codiert, das Signal wird auf einem PC abgespielt und von einem Smartphone am anderen Ende der Wohnung aufgezeichnet. Natürlich kann jeder die unten beschriebenen Experimente wiederholen, dafür ist keine spezielle Ausrüstung erforderlich.

Lass uns anfangen.

Frequenzmodulation (FSK, Frequenzumtastung)


Wie der Name schon sagt, besteht die Essenz der Modulation darin, die Frequenz des Signals zu ändern. Die einfachste in MultiPSK verfügbare Methode ist RTTY. In diesem Fall übertragen wir Daten, indem wir mit einer bestimmten Geschwindigkeit zwischen zwei Frequenzen wechseln. Im Spektrum ist dies sehr deutlich zu erkennen. Mal sehen, was mit dem Signal passiert, wenn es durch die Luft übertragen wird. Oben das von unten empfangene Originalsignal:



Zusätzlich zur offensichtlichen Dämpfung gibt es eine nicht offensichtliche Änderung der Amplitude - das Signal ist "zerrissen", der Ausgang hat sich als etwas wie Beats herausgestellt. Es ist interessant, dass sie in Momenten der Frequenzänderung auftreten, in Zeiten, in denen sich die Frequenz nicht ändert, die Amplitudenänderungen minimal sind. Mit was es verbunden ist, ist es schwer zu sagen.

Apropos Spektrum, es war verzerrt, obwohl im Prinzip die Wellenform erraten werden kann:



Mal sehen, ob MultiPSK den aufgenommenen Sound dekodieren kann. Leider ist die Ausgabe nur "Müll". Verschiedene Versuche zu normalisieren und zu filtern führten ebenfalls nicht zum Erfolg:



Das nächste interessante Signal ist MFSK, eine Frequenzmodulation, bei der die Anzahl der Frequenzen mehr als 2x beträgt. Das Bild „vor“ und „nach“ der Übertragung ähnelt in etwa dem vorherigen Ergebnis.



Wir sehen auch Amplitudenschläge, die wahrscheinlich im Prozess der Schallreflexion auftreten. Aber es gibt ein spürbares Plus: Mit mehr Frequenzen ist die Decodierung des Signals viel sicherer. Mit Ausnahme von "Müll" in der Pause zwischen den Signalen werden die Daten selbst fehlerfrei empfangen.



Vielleicht liegt dies auch an der Übertragungsrate oder einem anderen Decodierungsalgorithmus, aber das Ergebnis ist ziemlich interessant.

Phasenmodulation (PSK, Phase Shift Keying)


Die nächste Art der Modulation ist die Phase, in der ein sinusförmiges Signal übertragen wird und die Information durch Ändern der Phase codiert wird.



BPSK-Signal "vor" und "nach" der Übertragung:



Erkennungsergebnis: 20-40% der Zeichen wurden irgendwo in der Zeile 1234567890 erkannt, wie Sie sehen können, 3, 4, 7 und 9 können unterschieden werden.



Das Spektrum wird nicht angezeigt, weil Für die BPSK-Phasenmodulation ist es eine fast gerade Linie.

Ich denke, die allgemeine Idee ist verständlich, und es macht keinen Sinn, komplexere Signaltypen zu betrachten - es ist klar, dass es keine stabile Decodierung geben wird. Betrachten Sie jedoch rein aus "sportlichem Interesse" ein analoges Signal.

SSTV (Slow Scan Television)


Dieser Modus ähnelt im Wesentlichen einem Fax, und eine Änderung der Frequenz codiert hier die Helligkeit oder Farbe des Bildes im Laufe der Zeit. Es ist interessant zu sehen, wie verzerrt das Bild nach der Übertragung ist und ob es lesbar bleibt.

Das Vorher- und Nachher-Signal: Ein



Bild mit einer Katze und ein Versuch, es zu empfangen:



Mit der richtigen Vorstellungskraft kann der Umriss der Katze wahrscheinlich erraten werden. Wenn Sie jedoch etwas Einfacheres wie ein "schwarzes Quadrat" übertragen, ist es wahrscheinlich einfacher, das Bild zu erkennen. Dies ist übrigens einer der Vorteile der analogen Datenübertragung gegenüber der digitalen - wo die "Ziffer" nicht mehr funktioniert, kann das analoge Auge oder Ohr unter den Geräuschen möglicherweise ein nützliches Signal empfangen.

Ergänzung: Frequenz- und Zeitcharakteristik


Wenn Sie vom analogen Signal sprechen, wie in den Kommentaren vorgeschlagen, können Sie den Amplituden-Frequenzgang des „Übertragungskanals“ überprüfen, wenn Sie weißes Rauschen und einen Ton mit unterschiedlicher Höhe wiedergeben. Ein solches Signal ist in jedem Audio-Editor einfach zu erzeugen. Für den Test wurde die Datei an einem Ende der Wohnung abgespielt und die Aufzeichnung am anderen. Das Ergebnis ist sehr interessant, da es interessant ist, dass hohe Frequenzen überhaupt nicht hörbar sind (in meinem Fall liegt die Grenze irgendwo bei 14 kHz) und eine Datenübertragung zu ihnen im Prinzip immer noch möglich ist:



Und schließlich wird ein nicht weniger interessantes Ergebnis erzielt, wenn ein kurzer Schallimpuls erzeugt wird :



Bei Anlegen eines Impulses mit einer Länge von 0,01 s hält das Echo fast zehnmal länger an. Dies sollte natürlich auch bei der Auswahl einer Datenrate berücksichtigt werden.

Fazit


Wie Sie sehen können, ist die Schallübertragung durch Luft (wie wahrscheinlich durch Wasser) aufgrund von Reflexionen, Dämpfung und anderen Effekten nicht so einfach. Trotz der offensichtlichen „Frivolität“ der Aufgabe ist die zuverlässige Übertragung von Daten auch nach 10 Metern aufgrund von Signalverzerrungen nicht so einfach. Die MFSK-Frequenzmodulationsmethode hat sich als die stabilste erwiesen. Und es scheint, dass nicht nur ich ähnliche Experimente durchgeführt habe. Ein Artikel über das Aktivierungsprotokoll von Yandex.Station besagt, dass es dieselbe Methode der Datenübertragung verwendet. Im Allgemeinen ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Daten fehlerfrei empfangen werden, umso größer, je einfacher die Modulation und je niedriger die Geschwindigkeit ist.

Wer möchte, kann weiter alleine experimentieren, MultiPSK ist im Internet leicht zu finden, die Anzahl der von ihm unterstützten Übertragungsstandards ist recht groß.

Alle erfolgreichen Experimente.

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