Get best of the week

Cómo divertirse de forma aislada o transferir datos usando una tarjeta de sonido

Hola habr

Después de una publicación reciente sobre la transmisión OFDM , se volvió interesante comprobar cómo sería más eficiente transmitir datos por aire. Intentaremos diferentes tipos de modulación y veremos cuáles son mejores para transferir datos de un extremo del departamento u oficina al otro. Para las pruebas, una computadora portátil, teléfono inteligente y el programa MultiPSK serán suficientes.



Para aquellos que estén interesados ​​en cómo funciona esto, continuó bajo el corte.

Para las pruebas, utilizaremos el programa MultiPSK, que es conveniente porque admite una gran cantidad de estándares de comunicación diferentes, tanto aficionados (están disponibles tanto para recepción como para transmisión) y profesionales (solo hay recepción disponible). Por supuesto, para no hacer que el artículo sea gigantesco, elegiré solo los tipos de modulación más populares y veremos qué sucede. MultiPSK fue originalmente diseñado para comunicaciones de radio.por qué la tarjeta de sonido debe estar conectada al receptor o transmisor, pero nada prohíbe reproducir la señal directamente desde los altavoces. La prueba será bastante simple: el texto sin formato "1234567890" está codificado de diferentes maneras, la señal se reproduce en una PC y se graba con un teléfono inteligente en el otro extremo del apartamento. Por supuesto, cualquiera puede repetir los experimentos descritos a continuación, no se requiere equipo especial para esto.

Empecemos.

Modulación de frecuencia (FSK, modulación por desplazamiento de frecuencia)


Como su nombre indica, la esencia de la modulación es cambiar la frecuencia de la señal. El método más simple disponible en MultiPSK es RTTY. En este caso, transmitimos datos cambiando entre dos frecuencias a una velocidad determinada. En el espectro, esto se puede ver muy claramente. Veamos qué sucede con la señal cuando se transmite por el aire. En la parte superior, la señal original, recibida desde abajo:



además de la atenuación obvia, hay un cambio más no obvio en la amplitud: la señal se ha "desgarrado", la salida ha resultado ser algo así como latidos. Es interesante que aparezcan en momentos de cambio de frecuencia, en momentos en que la frecuencia no cambia, los cambios de amplitud son mínimos. Con lo que está conectado, es difícil de decir.

Hablando del espectro, estaba distorsionado, aunque en principio, la forma de onda se puede adivinar:



Veamos si MultiPSK puede decodificar el sonido grabado. Por desgracia, no, la salida es solo "basura". Varios intentos de normalizar y filtrar tampoco condujeron al éxito:



la siguiente señal que es interesante probar es MFSK, una modulación de frecuencia en la que el número de frecuencias es más de 2x. La imagen "antes" y "después" de la transferencia es aproximadamente similar al resultado anterior.



También vemos latidos de amplitud, que probablemente surgen en el proceso de re-reflexión de sonido. Pero hay una ventaja notable: con más frecuencias, la decodificación de la señal es mucho más segura. Con la excepción de "basura" en la pausa entre señales, los datos se reciben sin error.



Quizás esto también se deba a la velocidad de transmisión u otro algoritmo de decodificación, pero el resultado es bastante interesante.

Modulación de fase (PSK, Phase Shift Keying)


El siguiente tipo de modulación es la fase, en la que se transmite una señal sinusoidal, y la información se codifica cambiando la fase.



Señal BPSK "antes" y "después" de la transmisión:



Resultado del reconocimiento: se detectó el 20-40% de los caracteres en algún lugar, desde la línea 1234567890, como puede ver, se pueden distinguir 3, 4, 7 y 9.



El espectro no se muestra, porque para la modulación de fase BPSK, es una línea casi recta.

La idea general, creo, es comprensible, y no tiene sentido considerar tipos de señales más complejos: está claro que no habrá decodificación estable. Sin embargo, únicamente por "interés deportivo", considere una señal analógica.

SSTV (Televisión de exploración lenta)


Este modo, en su esencia, se parece a un fax, y un cambio en la frecuencia aquí codifica el brillo o el color de la imagen con el tiempo. Es interesante ver qué tan distorsionada está la imagen después de la transmisión y si seguirá siendo legible.

La señal de "antes" y "después": una



imagen con un gato, y un intento de recibirla:



con la debida imaginación, probablemente se pueda adivinar el contorno del gato. Aunque si transmite algo más simple, como un "cuadrado negro", probablemente será más fácil reconocer la imagen. Por cierto, esta es una de las ventajas de la transmisión de datos analógica sobre digital, donde el "dígito" ya no funcionará, en forma análoga, entre los ruidos, el ojo o el oído humano pueden captar una señal útil.

Suma: características de frecuencia y tiempo


Hablando de la señal analógica, como se sugiere en los comentarios, es posible verificar la respuesta de amplitud-frecuencia del "canal de transmisión" si se reproduce ruido blanco y un tono que varía en altura. Dicha señal es fácil de generar en cualquier editor de audio. Para la prueba, el archivo se reprodujo en un extremo del apartamento y el registro se hizo en el otro. El resultado es bastante interesante, ya que es interesante que las altas frecuencias no sean audibles en absoluto (en mi caso, el borde está en algún lugar alrededor de 14KHz), y la transmisión de datos a ellos todavía es posible en principio:



y finalmente, se obtiene un resultado no menos interesante si se genera un pulso de sonido corto :



Al aplicar un pulso con una longitud de 0.01 s, el eco dura casi 10 veces más. Por supuesto, esto también debe tenerse en cuenta al elegir una velocidad de datos.

Conclusión


Como puede ver, la transmisión de sonido a través del aire (como probablemente a través del agua) no es tan simple, debido a los reflejos, la atenuación y otros efectos. A pesar de la aparente "frivolidad" de la tarea, transmitir datos de manera confiable incluso a 10 metros no es tan simple debido a la distorsión de la señal. El método de modulación de frecuencia MFSK ha demostrado ser el más estable. Y parece que no solo fui yo quien realizó experimentos similares, un artículo sobre el protocolo de activación Yandex.Station dice que utiliza el mismo método de transferencia de datos. Pero, en general, cuanto más simple es la modulación y menor es la velocidad, mayor es la posibilidad de que los datos se reciban sin errores.

Aquellos que lo deseen pueden seguir experimentando por su cuenta, MultiPSK es fácil de encontrar en Internet, la cantidad de estándares de transmisión que admite es bastante grande.

Todos los experimentos exitosos.

More articles:


All Articles