Jak funguje analogové a digitální kódování v rádiové komunikaci — Code Magazine

V předchozích článcích jsme hovořili o rádiových vlnách a 5G komunikaci:

• Jak funguje rádiová komunikace
• Proč je 5G potřeba a jak funguje

Nyní se podívejme, jak se signály a data přenášejí pomocí rádiových vln a jaké algoritmy jsou za to zodpovědné. Tento článek není nijak zvlášť praktický, jen pro rozšíření vašich obzorů.

Analogové a digitální kódování

Smyslem kódování jakéhokoli signálu je prezentovat ho ve formě, se kterou příjemce pohodlně pracuje. Znaková řeč, písmena na papíře, mrknutí na bar, klepání na radiátor nebo obscénní gesto u stolu ve třídě jsou vše způsoby, jak zakódovat signál.

Rádiové vlny jsou fyzikálním způsobem přenosu dat. Elektromagnetický zářič ruší elektromagnetické pole a vlna se přes pole valí. Představte si, že někdo uprostřed noci klepe na radiátor, aby uklidnil sousedy. Radiátor a všechny trubky k němu připojené jsou jako elektromagnetické pole, prostupuje celým domem (a celým vesmírem). Klepání na radiátor je záření, které pole ruší. Jak silně a jak často klepou, je kódování signálu.

Analogové kódování — v tomto případě signál nevyžaduje digitální dekódování. Představte si, že váš kamarád sedí ve třídě a vy jste si vyrazili na dvůr kvůli práci a rozhodli jste se na něj něco zakřičet z okna. Váš hlas byl mírně zkreslený, protože zvuk prolétl oknem a odrážel se od stěn učebny, ale celkově byl váš křik přijat bez dalšího dekódování.

Analogové rozhlasové vysílání funguje podobným způsobem. Signál lze zachytit a převést za chodu pomocí běžného amatérského radioamatérského zařízení. Analogový signál se mění plynule a nepřetržitě, bez náhlých přerušení.

Příkladem analogových dat je hlas a hudba v rádiu nebo televizi ve starém formátu, kdy se za špatného počasí po obrazovce šířily vlnky, šum a rušení. Rušení je přesně způsob, jak odlišit analogový signál od digitálního. Pokud dochází k rušení – vizuálnímu nebo zvukovému – znamená to, že data byla přenášena analogovým způsobem.

Digitální signál je navržen jinak: je to spíš jako vzkaz ve třídě. Napíšete něco na kus papíru, podáte ho kamarádovi u vedlejšího stolu, on papír rozloží a přečte si ho. Pokud je schopen rozumět tomu, co jste napsali, pochopí to přesně a bez zkreslení. Vaše sdělení je zakódováno v písmenech na vzkazu.

V digitálním rádiovém signálu je zpráva zakódována v binárním kódu, tedy v posloupnosti silného a slabého záření. Pro počítač je to stejné, jako když čtete písmena na notě. Pokud písmena znáte, porozumíte zprávě bez zkreslení.

Při digitálním přenosu dat nedochází k analogovému rušení, které by přidávalo vlnění nebo šum – místo toho dochází ke ztrátě dat. Pokud je samotný rádiový signál slabý nebo nesrozumitelný kvůli rušení při přenosu, digitální přijímač tento datový signál jednoduše ignoruje a čeká na další.

Příkladem ztráty v digitálním přenosu je, když se obraz na kabelové televizi zasekne, i když zvuk pokračuje. To znamená, že přijímač ztratil některé pakety zodpovědné za video a čeká na spuštění dalších. Velké fragmenty pixelů během takového vysílání jsou také známkou ztráty paketů.

Analogové kódování – AM a FM

Rozhlasové stanice vysílají hlas a hudbu vzduchem a aby i ten nejlevnější přijímač dokázal signál přijmout a dešifrovat, kódují jej analogově. V závislosti na vlnové délce se používá buď amplitudová modulace (AM), nebo frekvenční modulace (FM). Existují i jiné možnosti modulace, ale fungují na podobném principu.

Vezměme si stejný signál, který potřebujeme zašifrovat – například hlas moderátora. Pokud si ho představíme jako zvukové vibrace, bude vypadat nějak takto:

Amplitudová modulace mění amplitudu nosné frekvence (amplituda udává, jak vysoko nad osu X vlna stoupá) tak, aby horní vrcholy tvořily signál, který potřebujeme:

V tomto algoritmu zůstává frekvence konstantní a mění se pouze amplituda signálu. Toto obvykle funguje na středních a krátkých vlnách – ty se nejčastěji používají pro přenos na velké vzdálenosti.

Frekvenční modulace funguje jinak – samotná frekvence se mění, ale amplituda se nemění. Frekvence se ale mění ve velmi úzkém rozsahu, takže přijímače nemusí přepínat na jinou vlnu.

Mohlo by vás zajímat:

Digitální kódování

V radiotechnice se digitální kódování nazývá digitální modulace. Účelem takové modulace je přenášet například nuly a jedničky ve formě rádiových vln, aby je digitální přijímač mohl okamžitě zpracovat.

Nejjednodušší způsob digitalizace jakéhokoli signálu je zapnout a vypnout vysílač, když chcete vysílat jedničky a nuly:

V principu se to neliší od způsobu přenosu signálu po vodiči: pokud je tam napětí, je to jedna. Pokud tam žádné napětí nebo je nízké, je to nula. Rozdíl je v tom, že místo napětí je tam elektromagnetické záření.

A jak to celé funguje?

1. Vysílač ve vašem routeru ruší elektromagnetické pole (jedno pole pro celý vesmír).
2. Přijímač ve vašem smartphonu „naslouchá“ rušení pole a snaží se z něj extrahovat vibrace na frekvenci, kterou potřebuje.
3. Po výpočtu těchto vibrací je přijímač začne dešifrovat: převádí je na jedničky a nuly.
4. Z celé masy jedniček a nul procesor vybírá to, co je určeno konkrétně pro toto zařízení.
5. Po identifikaci paketů, které jsou pro něj určeny, je procesor předá k dalšímu zpracování operačnímu systému, kde jsou data zpracována.