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Comment s'amuser de manière isolée ou transférer des données à l'aide d'une carte son

Salut Habr.

Après une récente publication sur la transmission OFDM , il est devenu intéressant de vérifier comment il serait plus efficace de transmettre des données par voie aérienne. Nous allons essayer différents types de modulation et voir lesquels sont les meilleurs pour transférer des données d'un bout à l'autre de l'appartement ou du bureau. Pour les tests, un ordinateur portable, un smartphone et un programme MultiPSK seront suffisants.



Pour ceux qui sont intéressés par la façon dont cela fonctionne, continue sous la coupe.

Pour les tests, nous utiliserons le programme MultiPSK, qui est pratique car il prend en charge un grand nombre de normes de communication différentes, à la fois amateur (ils sont disponibles pour la réception et la transmission) et professionnel (seule la réception est disponible). Bien sûr, afin de ne pas rendre l'article gigantesque, je ne choisirai que les types de modulation les plus populaires, et nous verrons ce qui se passe. MultiPSK était à l'origine destiné aux communications radio.pourquoi la carte son doit être connectée au récepteur ou à l'émetteur, mais rien n'interdit de reproduire le signal directement à partir des haut-parleurs. Le test sera assez simple - le texte brut «1234567890» est codé de différentes manières, le signal est lu sur un PC et enregistré par un smartphone à l'autre bout de l'appartement. Bien sûr, n'importe qui peut répéter les expériences décrites ci-dessous, aucun équipement spécial n'est requis pour cela.

Commençons.

Modulation de fréquence (FSK, Frequency Shift Keying)


Comme son nom l'indique, l'essence de la modulation est de changer la fréquence du signal. La méthode la plus simple disponible dans MultiPSK est RTTY. Dans ce cas, nous transmettons des données en basculant entre deux fréquences à une certaine vitesse. Sur le spectre, cela se voit très clairement. Voyons ce qui arrive au signal lorsqu'il est transmis dans l'air. En haut, le signal d'origine, reçu d'en bas:



en plus de l'atténuation évidente, il y a un changement plus non évident de l'amplitude - le signal est devenu "déchiré", la sortie s'est avérée être quelque chose comme des battements. Il est intéressant de noter qu'ils apparaissent à des moments de changement de fréquence, à des moments où la fréquence ne change pas, les changements d'amplitude sont minimes. Avec ce qu'il est connecté, c'est difficile à dire.

En parlant de spectre, il a été déformé, bien qu'en principe, la forme d'onde puisse être devinée:



Voyons si MultiPSK peut décoder le son enregistré. Hélas, non, la sortie est juste "poubelle". Diverses tentatives de normalisation et de filtrage n'ont pas non plus abouti:



le prochain signal intéressant à essayer est le MFSK, une modulation de fréquence dans laquelle le nombre de fréquences est supérieur à 2x. L'image «avant» et «après» le transfert est approximativement similaire au résultat précédent.



Nous voyons également des battements d'amplitude, apparaissant probablement dans le processus de réflexion du son. Mais il y a un avantage notable - avec plus de fréquences, le décodage du signal est beaucoup plus sûr. À l'exception des «ordures» dans la pause entre les signaux, les données elles-mêmes sont reçues sans erreur.



Cela est peut-être également dû au taux de transmission ou à un autre algorithme de décodage, mais le résultat est assez intéressant.

Modulation de phase (PSK, Key Shift Keying)


Le type de modulation suivant est la phase, dans laquelle un signal sinusoïdal est transmis, et les informations sont codées en changeant la phase.



Signal BPSK «avant» et «après» la transmission:



Résultat de la reconnaissance: 20 à 40% des caractères ont été détectés, à partir de la ligne 1234567890, comme vous pouvez le voir, 3, 4, 7 et 9 peuvent être distingués.



Le spectre n'est pas affiché, car pour la modulation de phase BPSK, c'est une ligne presque droite.

L'idée générale, je pense, est compréhensible, et cela n'a aucun sens de considérer des types de signaux plus complexes - il est clair qu'il n'y aura pas de décodage stable. Cependant, par pur "intérêt sportif", considérons un signal analogique.

SSTV (télévision à balayage lent)


Ce mode dans son essence ressemble à un fax, et un changement de fréquence code ici la luminosité ou la couleur de l'image au fil du temps. Il est intéressant de voir à quel point l'image est déformée après la transmission et si elle restera lisible.

Le signal «avant» et «après»: une



image avec un chat, et une tentative de le recevoir:



avec une bonne imagination, le contour du chat peut probablement être deviné. Bien que si vous transmettez quelque chose de plus simple, comme un "carré noir", il sera probablement plus facile de reconnaître l'image. Soit dit en passant, c'est l'un des avantages de la transmission de données analogiques par rapport au numérique - où le "chiffre" ne fonctionnera plus, dans l'analogue, parmi les bruits, l'œil ou l'oreille humaine pourraient bien capter un signal utile.

Addition: caractéristiques de fréquence et de temps


En parlant du signal analogique, comme suggéré dans les commentaires, vous pouvez vérifier la réponse amplitude-fréquence du «canal de transmission» si vous reproduisez un bruit blanc et une tonalité qui varie en hauteur. Un tel signal est facile à générer dans n'importe quel éditeur audio. Pour le test, le fichier a été joué à une extrémité de l'appartement, et l'enregistrement a été fait à l'autre. Le résultat est assez intéressant, car il est intéressant que les hautes fréquences ne soient pas du tout audibles (dans mon cas, la frontière se situe autour de 14KHz), et la transmission de données vers elles est toujours possible en principe:



Et enfin, un résultat non moins intéressant est obtenu si une impulsion sonore courte est générée :



Lors de l'application d'une impulsion d'une durée de 0,01 s, l'écho dure presque 10 fois plus longtemps. Bien sûr, cela doit également être pris en compte lors du choix d'un débit de données.

Conclusion


Comme vous pouvez le voir, la transmission du son dans l'air (comme probablement dans l'eau) n'est pas si simple, en raison des reflets, de l'atténuation et d'autres effets. Malgré l'apparente «frivolité» de la tâche, la transmission fiable de données même à 10 mètres n'est pas si simple en raison de la distorsion du signal. La méthode de modulation de fréquence MFSK s'est avérée la plus stable. Et il semble que non seulement j'ai mené des expériences similaires, un article sur le protocole d'activation Yandex.Station dit qu'il utilise la même méthode de transfert de données. Mais en général, plus la modulation est simple et plus la vitesse est faible, plus les chances de recevoir les données sans erreur sont grandes.

Ceux qui le souhaitent peuvent continuer à expérimenter par eux-mêmes, MultiPSK est facile à trouver sur Internet, le nombre de normes de transmission prises en charge est assez important.

Toutes les expériences réussies.

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