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Como se divertir isoladamente ou transferir dados usando uma placa de som

Oi Habr.

Após uma publicação recente sobre transmissão OFDM , tornou-se interessante verificar como seria mais eficiente transmitir dados por via aérea. Vamos tentar diferentes tipos de modulação e ver quais são melhores para transferir dados de uma extremidade do apartamento ou escritório para a outra. Para testes, um laptop, smartphone e programa MultiPSK serão suficientes.



Para aqueles que estão interessados ​​em como isso funciona, continuaram sob o corte.

Para testes, usaremos o programa MultiPSK, que é conveniente, pois oferece suporte a um grande número de diferentes padrões de comunicação, tanto amadores (disponíveis para recepção e transmissão) quanto profissionais (somente recepção disponível). Obviamente, para não tornar o artigo gigantesco, escolherei apenas os tipos mais populares de modulação e veremos o que acontece. O MultiPSK foi originalmente projetado para comunicações por rádio.por que a placa de som deve estar conectada ao receptor ou transmissor, mas nada proíbe a reprodução do sinal diretamente dos alto-falantes. O teste será bastante simples - o texto simples "1234567890" é codificado de diferentes maneiras, o sinal é reproduzido em um PC e gravado por um smartphone na outra extremidade do apartamento. Obviamente, qualquer um pode repetir os experimentos descritos abaixo, nenhum equipamento especial é necessário para isso.

Vamos começar.

Modulação de Frequência (FSK, Chaveamento por Mudança de Freqüência)


Como o nome sugere, a essência da modulação é alterar a frequência do sinal. O método mais simples disponível no MultiPSK é RTTY. Nesse caso, transmitimos dados alternando entre duas frequências a uma determinada velocidade. No espectro, isso pode ser visto com muita clareza. Vamos ver o que acontece com o sinal quando é transmitido pelo ar. No topo, o sinal original, recebido de baixo:



Além da atenuação óbvia, há uma mudança mais não óbvia na amplitude - o sinal ficou "rasgado", a saída acabou sendo algo como batidas. É interessante que eles apareçam nos momentos de mudança de frequência, nos momentos em que a frequência não muda, as mudanças de amplitude são mínimas. Com o que está conectado, é difícil dizer.

Falando no espectro, ele foi distorcido, embora, em princípio, a forma de onda possa ser adivinhada:



Vamos ver se o MultiPSK pode decodificar o som gravado. Infelizmente, não, a saída é apenas "lixo". Várias tentativas de normalizar e filtrar também não deram certo:



O próximo sinal interessante é o MFSK, modulação de frequência, na qual o número de frequências é superior a 2x. A imagem “antes” e “depois” da transferência é aproximadamente semelhante ao resultado anterior.



Também vemos batidas de amplitude, provavelmente surgindo no processo de re-reflexão do som. Mas há uma vantagem notável - com mais frequências, a decodificação do sinal é muito mais confiante. Com exceção do “lixo” na pausa entre os sinais, os próprios dados são recebidos sem erros.



Talvez isso também se deva à taxa de transmissão ou outro algoritmo de decodificação, mas o resultado é bastante interessante.

Modulação de fase (PSK, chaveamento de mudança de fase)


O próximo tipo de modulação é a fase, na qual um sinal sinusoidal é transmitido e a informação é codificada pela alteração da fase.



Sinal BPSK “antes” e “depois” da transmissão:



Resultado do reconhecimento: 20-40% dos caracteres foram detectados em algum lugar, a partir da linha 1234567890, como você pode ver, 3, 4, 7 e 9 podem ser distinguidos.



O espectro não é mostrado porque para modulação de fase BPSK, é uma linha quase reta.

A idéia geral, eu acho, é compreensível, e não faz sentido considerar tipos mais complexos de sinais - é claro que não haverá decodificação estável. No entanto, apenas para "interesse esportivo", considere um sinal analógico.

SSTV (Televisão com varredura lenta)


Esse modo, em sua essência, se assemelha a um fax, e uma mudança de frequência aqui codifica o brilho ou a cor da imagem ao longo do tempo. É interessante ver como a imagem está distorcida após a transmissão e se ela permanecerá legível.

O sinal de “antes” e “depois”: uma



foto com um gato e uma tentativa de recebê-lo:



com a devida imaginação, provavelmente é possível adivinhar o contorno do gato. Embora se você transmitir algo mais simples, como um "quadrado preto", provavelmente será mais fácil reconhecer a imagem. A propósito, essa é uma das vantagens da transmissão de dados analógicos sobre o digital - onde o "dígito" não funcionará mais, no analógico, entre os ruídos, o olho ou o ouvido humano pode muito bem captar um sinal útil.

Adição: características de frequência e tempo


Falando no sinal analógico, como sugerido nos comentários, é possível verificar a resposta em amplitude-frequência do “canal de transmissão” se forem reproduzidos ruído branco e um tom variando em altura. Esse sinal é fácil de gerar em qualquer editor de áudio. Para o teste, o arquivo foi reproduzido em uma extremidade do apartamento e o registro foi feito na outra. O resultado é bastante interessante, pois é interessante que as altas frequências não sejam audíveis (no meu caso, a borda está em torno de 14KHz), e a transmissão de dados para elas ainda é possível em princípio:



E, finalmente, um resultado não menos interessante é obtido se um pulso de som curto for gerado :



Ao aplicar um pulso com comprimento de 0,01 s, o eco dura quase 10 vezes mais. Obviamente, isso também deve ser levado em consideração ao escolher uma taxa de dados.

Conclusão


Como você pode ver, a transmissão do som pelo ar (provavelmente pela água) não é tão simples, devido a reflexões, atenuação e outros efeitos. Apesar da aparente "frivolidade" da tarefa, transmitir dados de maneira confiável até 10 metros não é tão simples devido à distorção do sinal. O método de modulação de frequência MFSK provou ser o mais estável. E parece que não fui apenas eu quem conduziu experimentos semelhantes, um artigo sobre o protocolo de ativação do Yandex.Station diz que ele usa o mesmo método de transferência de dados. Mas, em geral, quanto mais simples a modulação e menor a velocidade, maior a chance de os dados serem recebidos sem erros.

Para quem deseja continuar a experimentar por conta própria, o MultiPSK é fácil de encontrar na Internet, o número de padrões de transmissão suportados por ele é bastante grande.

Todas as experiências bem sucedidas.

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