Передача цифрового сигнала по воздуху

Вот и попробуем разобраться, как «голос преобразуется в цифру».

Методы модуляции аналоговых сигналов

Любой аналоговый сигнал, например, электрический ток из микрофона, при передаче по цифровым каналам связи нужно, как говорят, «оцифровать». То есть, выполнить цифровую модуляцию. Можно, конечно, и в аналоговом виде сигнал передавать, но с середины прошлого века так уже никто не делает – это чревато высокими затратами и очень низким качеством связи.

Для оцифровки аналоговый сигнал А (рис. 1) нужно подвергнуть модуляции. Например, существует Импульсно-Амплитудная Модуляция (ИАМ), по-английски PAM (Pulse Amplitude Modulation), что показано на графике В. По сути, это просто выборка (дискретизация) значений амплитуды сигнала через равные промежутки времени. В результате сигнал все равно остаётся аналоговым, только представленным в виде «столбиков», высота которых представляет собой амплитуду сигнала в момент выборки.

Теперь по одному проводу можно передавать несколько сигналов, если в промежутке между двумя выборками сигнала А передавать выборки от других сигналов.

Другой вид модуляции — широтно-импульсная модуляция (ШИМ), или PWM — Pulse Width Modulation, что мы видим на графике С. Здесь амплитуда А сигнала в каждый момент выборки представлена длительностью («шириной») импульсов, амплитуда которых всегда постоянная.

На графике D показана фазовая модуляция, или PPM — Pulse Position Modulation. Дословно сиё переводится как «модуляция по положению импульса». Фактически, амплитуда сигнала А здесь представлена фазой (сдвигом) импульсов равной амплитуды относительно момента дискретизации исходного сигнала А.

Ну и наконец, есть ещё импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), которая показана на графике Е. По-английски она называется PСM (Pulse Сode Modulation).

Вот эта модуляция нас и будет больше всего интересовать, поскольку она и есть цифровая!

Передача цифрового сигнала по воздуху

Рис. 1. Виды модуляции аналогового сигнала.

Заметим, что и цифровой сигнал тоже можно различным образом модулировать.

Преобразование аналогового сигнала в цифровой

Чтобы преобразовать аналоговой сигнала в цифровую форму, нужно его, во-первых, сделать выборку его величины (амплитуды) через равные промежутки времени. Это процесс называется «семплированием» (от слова sample – «образец») и показан на рис. 2.

Передача цифрового сигнала по воздуху

Рис. 2. Преобразование аналогового сигнала в цифровой

Во-вторых, нужно сделать квантование, т.е. измерение величины амплитуды сигнала в моменты выборки и округление результата измерения до ближайшего значения ступени квантования.

И в-третьих, полученные кванты нужно представить в цифровой форме, т.е. закодировать тем или иным способом. На рисунке 2 показано кодирование в виде трёхразрядного (трёхбитового) двоичного числа.  Вообще, этого очень мало, на практике обычно применяют 8-битное кодирование. Поэтому, как видим, полученный результат довольно сильно отличается от формы исходного сигнала.

Что нужно, чтобы повысить точность, т.е. соответствие полученных значений исходному сигналу? Очевидно, нужно увеличить частоту семплирования. То есть, чаще производить выборку. Здесь можно воспользоваться теоремой, у которой аж целых три автора: два зарубежных, Найквист и Шэннон, и наш, российский Котельников. Поэтому в России эту теорему называют теоремой Котельникова, а за рубежом – Найквиста-Шэннона. И гласит эта теорема следующее: «сигнал, спектр которого ограничен частотой среза (fср), может быть восстановлен без потерь, если частота дискретизации составляет не менее fд = 2fср». То есть, берём самую высокую гармонику сигнала (как известно, сигнал любой практически формы можно разложить на сумму синусоидальных гармоник с различными амплитудами), и умножаем её на два. После этого, можем считать, что мы адекватно преобразовали аналоговый сигнал в цифровую форму. Ну, если не считать т.н. «шумов квантования», о которых речь немного позже.

Например, если частотный диапазон телефонного сигнала ограничен частотой 3400 Гц (а он именно такой частотой и ограничен, на входе ставят частотный фильтр), то частота выборки (семплирования) должна быть не менее 6800 Гц. На практике обычно делают семплирование с частотой 8000 Гц.

И ещё, как уже отмечалось, нужно повысить разрядность кодирования, то есть кодировать выборки не трёхразрядным двоичным числом, а восьмиразрядным (байтом).

Восстановление формы исходного аналогового сигнала на приёмном конце линии связи

Затем, полученный цифровой сигнал передают тем или иным способом по линии связи. Как это делается, нас пока не интересует. Однако, на приёмном конце линии связи форму сигнала нужно восстановить. Вот что при этом получается (рис. 3).

Передача цифрового сигнала по воздуху

Рис. 3. Восстановление исходной аналогового формы сигнала.

Как видим, при трёхразрядном кодировании (семь уровней квантования) исходную форму сигнала удаётся восстановить лишь приблизительно. На рис. 3. даже на глаз видны существенные различия полученного сигнала от исходного, хотя общая форма сигнала похожа. Например, если исходный аналоговый сигнал представляет речь, то собеседник на приёмном конце при этом сможет понять, о чем его визави говорит, но тембр голоса может сильно измениться, и возможно, некоторые слова придётся повторять.

При квантовании аналогового сигнала, как показано на рис.1, реальное значение сигнала заменяется ближайшим ему уровней квантования. При этом, реальная волнообразная форма аналогового сигнала заменяется «лесенкой», ступени которой соответствуют уровням квантования.

Передача цифрового сигнала по воздуху

Рис. 4. Аппроксимация аналогового сигнала уровнями квантования.

Ясно, что такая «пилообразная» кривая отличается от исходной формы аналогового сигнала. Различие (ошибка) между аналоговым сигналом и его ступенчатой аппроксимацией и есть шумы квантования.

Чем больше уровней квантования, тем точнее аппроксимация аналогового сигнала при квантовании, что видно на рис. 5.

Передача цифрового сигнала по воздуху

Рис. 5. Точность аппроксимации повышается с увеличением числа уровней квантования.

Импульсно-кодовая модуляция ИКМ (PCM, Pulse Code Modulation)

Импульсно-кодовая модуляция – и есть цифровизация аналогового сигнала, то есть, представление аналогового сигнала, вернее его квантованных значений, в цифровой форме. По линии связи при этом передаётся последовательность нолей и единиц (битов), которая представляет собой двоичное число, равное значению уровня квантования в момент квантования.

Передача цифрового сигнала по воздуху

Квантование, в соответствии с теоремой Котельникова (или Шеннона-Найквиста), производится с частотой 8000 Гц, то есть период квантования составляет 125 мкс. Длительность передачи 8-битового кода выборки квантования составляет 3,91 мкс.

Почему именно 8000 Гц? Потому, что частота среза в телефонном канале составляет 3400 Гц. С «запасом прочности» величина частота среза выбрана равной 4000 Гц, поэтому частота дискретизации выбрана 8000 Гц.

Методы двоичного кодирования.

Двоичное кодирование сигнала для передачи его по каналам связи производится различными методами.

Передача цифрового сигнала по воздуху

Рис. 7. Методы двоичного кодирования.

Дилемма между сильным и слабым сигналом

Метод ИКМ не лишен недостатков. Кроме шумов квантования, есть ещё и проблема возрастания ошибок квантования, если сигнал имеет низкую амплитуду. В случае телефонного разговора, это будет означать, что если собеседник будет говорить негромко, то его речь может стать совсем неразборчивой.

Передача цифрового сигнала по воздуху

Рис. 8. Линейное и нелинейное кодирование.

Это может произойти при линейном кодировании, когда все уровни квантования имеют одинаковый шаг по амплитуде сигнала. На рис. 8 видно, что при линейном квантовании слабый сигнал сильно искажается.

Поэтому применяется нелинейное кодирование (компандирование) сигнала.

Компандирование: А-закон и μ-закон

Существует два метода компандирования: А-закон (используется в Европе и России) и μ-закон (используется в Северной Америке и Японии).

А-закон командирования выглядит, как показано на рис. 9, и выражается следующей математической формулой:

Передача цифрового сигнала по воздуху

Передача цифрового сигнала по воздуху

Рис. 9. А-закон компандирования

В правой части рис. 9 показана кривая А-закона только для положительных значений входного сигнала. Такая же кривая имеется для отрицательных значений, которая будет «смотреть» вниз.

По вертикальной оси отложено 128 ступеней квантования. Если учесть нижнюю часть кривой, ступеней будет 256. В двоичной форме число 256 можно представить байтом из 8 разрядов. Принцип кодирования показан в таблице в левой части рисунка 9.

При 256 ступенях квантования можно обеспечить довольно хорошее соответствие квантованных значений сигнала его исходной кривой.

Компандирование сигнала и формула μ-закона показано на рисунке 10. Принципиальных отличий от А-закона здесь нет.

Передача цифрового сигнала по воздуху

Рис. 10. Компандирование по μ-закону.

При восстановлении аналогового сигнала из цифровой формы на стороне приёма выполняется обратное компандирование, таким образом, удаётся получить довольно хорошее соответствие полученного сигнала исходному за счёт двух факторов:

***

В следующей статье Ликбеза рассмотрим методы формирования цифровых трактов.

— Ты прошёл через мой беспроводной цифровой поток и промодулировался!

Передача цифрового сигнала по воздуху

Все чаще вы можете увидеть различные FPV компоненты, которые работают в цифровом формате, к ним относятся конечно же комплекты камер с видеопередатчиком или просто видеопередатчики. В статье расскажем об отличии аналогового сигнала от цифрового, как эти форматы работают и что лучше.

Существует одно основное различие между цифровыми FPV-сигналами и аналоговыми сигналами. Аналоговые сигналы непрерывны, а цифровые дискретны. Непрерывные сигналы могут принимать любое значение в пределах заданного диапазона, а дискретные сигналы могут принимать только заданное количество значений.

Передача цифрового сигнала по воздуху

Под сигналом подразумевается сигнал принимаемый экраном вашего FPV шлема или очками, а не передаваемый сигнал. Это важно, потому что цифровые и аналоговые сигналы передаются по воздуху только в аналоговом формате. Для цифровых FPV-систем это называется цифровой модуляцией. Цифровая модуляция-это когда аналоговый радиочастотный сигнал модулируется цифровыми данными.

Цифровой сигнал FPV сильно отличается от аналогового сигнала. Он в своей основе посылает аналогичную информацию, только другим способом. Цифровой сигнал принимает информацию от камеры, аналогового устройства, и кодирует ее в цифровой формат. Он должен сначала его декодировать в стандартный формат отображения, но, например, аналоговый сигнал не нуждается в декодировании, поскольку уже находится в стандартном формате PAL или NTSC. Популярными цифровыми форматами все еще считаются JPG или GIF для сжатых изображений и AVI или MP4 для сжатого видео.

У каждой системы есть свои преимущества и недостатки, об этом ниже.

Качество изображения

Почему цифровые FPV-системы стали такими популярными? Дело в качестве изображения, в цифре оно значительно лучше, при этом еще есть потенциал куда стремиться. Такое видео выглядит гораздо более четким, в то время как у аналогового оно замылено и там нет четких границ объектов, нет резкости. Преимущество здесь большое, ведь пилот сможет более качественно погружаться в полет и самое главное — будет видеть мелкие ветки и прочие такие препятствия во время полета.

Качество аналогового изображения

Картинка аналогового изображения формируется непрерывно по линиям, сверху вниз и тут же пропадает. Делается это все так быстро, что вы не будете замечать мерцания и ваш глаз будет видеть картинку полностью. Из-за непрерывности сигнала и формирования линий, отдельные сегменты полоски могут «смешиваться» с сегментами этой же линии. Например, этот пиксель образно должен быть черного цвета, а соседний пиксель должен быть уже белого цвета, но из-за физики работы аналогового сигнала, формирующаяся полоска не сможет четко разграничить пиксели и цвета наедут друг на друга, а если быть точнее, то переход будет плавно-переходящим, а не четким как у цифрового сигнала.

Получается, что аналоговый сигнал усредняет цвета в переходах, давая нам ту самую замыленную и не четкую картинку. Если вы распечатаете диаграмму для фокусировки камеры и направите на нее объектив FPV-камеры, то заметите, что в местах, где черный переходит в белый (границы) или наоборот — цвет будет серым. Такое есть и у цифрового сигнала, но он почти не выражен.

Качество цифрового изображения

В отличие от аналоговой картинки, цифровая FPV-система присваивает каждому пикселю его цвет, контрастность и яркость, а не сливает полосой единое изображение. Именно поэтому картинка такая резкая и качественная. За это как раз таки отвечает дискретность.

Передача цифрового сигнала по воздуху

https://youtube.com/watch?v=tOgS4ME5tBg%3Fstart%3D319%26feature%3Doembed

Разрешение

Аналоговое видео в формате PAL или NTSC фиксируется с максимальным разрешением 720×576 пикселей при 25 FPS или 720×480 FPS соответственно. Цифровые системы сейчас продаются тоже с разрешением по ширине в 720 пикселей, но частотой кадров в секунду от 60 до 120.

Сжатие и пропускная способность

Как вы уже знаете, цифровая FPV-система передает качественную картинку, но из-за этого получается одна проблема — сжатие и пропускная способность.

Полоса пропускания — это выбранный частотный диапазон для передачи данных системой FPV. Теорема Шеннона-Хартли утверждает, что определенное количество информации может быть передано по заданной полосе пропускания в присутствии шума. Увеличение пропускной способности увеличивает количество информации, которая может быть передана в течение заданного времени. Стандартные аналоговые FPV-сигналы имеют максимальную полосу пропускания выделенного канала 20 МГц, поскольку они передают до 10 МГц выше и ниже своей установленной частоты.

Чтобы не создавать помехи другим пилотам с аналоговой системой, выбирать каналы нужно так, чтобы сверху и снизу от выбранной вами полосы было по 20 МГц свободной частоты.

В случае цифровых FPV-систем количество используемой полосы пропускания существенно определяет качество изображения и задержку. При использовании низкой полосы пропускания цифровая FPV-система может либо отправить задержанный канал высокой четкости, либо снизить качество видео, чтобы уменьшить задержку. Качество видео может быть снижено путем снижения разрешения или сжатия изображения.

Сжатие видео довольно интенсивное для выполнения в режиме реального времени, поэтому существующие цифровые FPV-системы не могут соответствовать задержке аналоговых систем.

Типичный алгоритм сжатия видео не сжимает по 1 кадру, а ждет 8 или более кадров, прежде чем начать процесс сжатия, отсюда и появляется повышенная задержка

Сжатие цифрового видео снижает резкость и общее качество видео. Если бы цифровая FPV-система, отображающая изображения в виде кадров, была вынуждена использовать полосу пропускания 20 МГц (такую же, как и аналоговая система), передача 25 кадров в секунду потребовала бы сжатия каждого кадра до размера около 100 кб (это было обратной стороной расчета огибающей для типичной шумной радиочастотной среды, которая наблюдается в гонках дронов). Результатом этого является потеря детализации из-за сжатия, как показано на изображении ниже:

Картинка с сжатием и без сжатия

Цифровые системы требуют большой полосы пропускания для оптимальной работы и такой новатор, как DJI, внедрили прыгающую перестройку частоты в свои цифровые FPV-системы. Это позволяет их передатчикам переключаться на неиспользуемые частоты, чтобы максимизировать доступную полосу пропускания. Также работает и ваш Wi-Fi дома.

Что нам ждать?

Ждать нам решения вопроса с пропускной способностью, чтобы цифровые FPV-системы могли передавать картинку с еще более высоким разрешением и меньшей задержкой. Это позволит летать одновременной на цифре большому количеству пилотов. Более высокие частоты в диапазоне 10-15 ГГц были бы тем, что нужно, так как у них хорошая пропускная способность: если мы возьмем диапазон частот 150 МГц, то полоса пропускания в 10 МГц выглядит достаточно большой, в отличие от диапазона 150ГГц, где 10 МГц это уже мелочь. Есть и обратная сторона — чем выше частота, тем меньшее ее проникающая способность через плотные объекты. Именно поэтому TBS CrossFire работает на частоте 915 МГц вместо стандартных 2.4 ГГц и может «пробивать» на много километров вдаль.

Что происходит при плохом сигнале?

Преимущество аналогового сигнала в том, что видео не будет пропадать и теряться, когда на экране будет много шумов. С системами Rapidfire и Clearview видео будет передаваться даже тогда, когда на экране будут почти одни шумы (шумы до 90%):

Передача цифрового сигнала по воздуху

С цифровым сигналом все обстоит иначе. Так как используется алгоритм сжатия из нескольких кадров, могут пропадать целые кадры или сегменты кадров:

Заключение

Если вы любите гонять на гоночном квадрокоптера, то вам определенно еще нужно оставаться на аналоговой FPV-системе из-за минимальных задержек и пропадания фрагментов в кадре. Если вам больше нравится фристайлить и просто летать, то выбор очевиден и это цифровая FPV-система. В минусы цифры можно записать:

В прошлых материалах мы поговорили и про радиоволны, и про связь 5G:

Теперь посмотрим, как по радиоволнам передаются сигналы и данные и какие алгоритмы за это отвечают. Эта статья без особой практической применимости, просто для расширения кругозора.

Аналоговое и цифровое кодирование

Смысл кодирования любого сигнала — представить их в таком виде, чтобы с ними было удобно работать получателю. Язык жестов, буквы на бумаге, подмигивание в баре, стук по батарее или неприличный жест на уроке за партой — это всё способы закодировать сигнал.

Радиоволны — это физический способ передачи данных. Электромагнитный излучатель возмущает электромагнитное поле, по полю прокатывается волна. Представьте, что кто-то стучит по батарее, чтобы соседи не шумели посреди ночи. Батарея и все связанные с ней трубы — это как бы электромагнитное поле, оно пронизывает весь дом (и всю Вселенную). Стук по батарее — это излучение, которое возмущает поле. Как сильно и как часто стучат — это кодирование сигнала.

Аналоговое кодирование — это когда когда сигнал не требует цифровой расшифровки. Представьте, что ваш друг сидит в школе на уроке, а вы вышли во двор по делам и решили крикнуть ему что-то в окно. Ваш голос немного исказился, пока звук пролетел сквозь окно и отразился от стен класса, но в целом ваш крик был воспринят без дополнительной расшифровки.

Похожим образом работает аналоговое радиовещание. Сигнал можно поймать и на лету преобразовать обычными радиолюбительскими средствами. Аналоговый сигнал изменяется плавно и непрерывно, без резких обрывов.

Пример аналоговых данных — голос и музыка на радио или телевидение в старом формате, когда на экране в плохую погоду бегали рябь, шум и помехи. Помехи — это как раз способ отличить аналоговый сигнал от цифрового. Если есть помехи, — визуальные или звуковые, — значит, данные передавались аналоговым способом.

Передача цифрового сигнала по воздуху

Передача цифрового сигнала по воздуху

Помехи в аналоговом телевидении. Изображение «поплыло», но смотреть можно

Цифровой сигнал устроен иначе: он больше похож на записку в классе. Вы написали что-то на бумажке, передали другу за соседнюю парту, он развернул бумажку и прочитал. Если он в состоянии понять, что вы написали, он поймёт это точно и без искажений. Ваше послание закодировано в буквах на записке.

В цифровом радиосигнале послание кодируется двоичным кодом, то есть последовательностью сильного и слабого излучения. Для компьютера это то же самое, что для вас читать буквы в записке. Если вы знаете эти буквы, вы поймёте сообщение без искажений.

Передача цифрового сигнала по воздуху

В цифровой передаче данных нет аналоговых помех, которые добавляют рябь или шум — вместо этого там есть потери данных. Если сам радиосигнал будет слабым или неразборчивым из-за помех при передаче, то цифровой приёмник просто проигнорирует этот кусок данных и будет ждать следующий.

Пример потерь в цифровой передаче — когда замирает картинка в кабельном телевидении, даже если звук продолжает идти. Это значит, что приёмник потерял часть пакетов, отвечающих за видео, и ждёт начала следующих. Крупные пиксельные фрагменты во время таких трансляций — тоже признак потери пакетов.

Передача цифрового сигнала по воздуху

Помехи в цифровом телевидении. Картинка распадается и замирает, смотреть такое сложно

Аналоговое кодирование — AM и FM

Радиостанции отправляют в эфир голос и музыку, а чтобы принять и расшифровать сигнал мог даже самый дешёвый приёмник, они кодируют сигнал аналоговым способом. В зависимости от длины волны используют либо амплитудную модуляцию (AM), либо частотную модуляцию (FM). Есть ещё другие варианты модуляций, но они работают по похожему принципу.

Возьмём один и тот же сигнал, который нам нужно зашифровать, — например, голос ведущего. Если представить его в виде звуковых колебаний, то он будет выглядеть примерно так:

Передача цифрового сигнала по воздуху

Амплитудная модуляция меняет амплитуду несущей частоты (амплитуда — это насколько высоко над осью Х поднимается волна), чтобы верхние пики образовали нужный нам сигнал:

Передача цифрового сигнала по воздуху

В этом алгоритме частота остаётся неизменной, а меняется только амплитуда сигнала. Обычно это работает на средних и коротких волнах — их чаще всего используют для передачи на длинные расстояния.

Частотная модуляция работает иначе — меняется сама частота, а амплитуда не меняется. Но частота меняется в очень узком диапазоне, чтобы приёмникам не пришлось переключаться на другую волну.

Передача цифрового сигнала по воздуху

В радиотехнике цифровое кодирование называют цифровой модуляцией. Задача такой модуляции — передать в виде радиоволн, например, нули и единицы, чтобы цифровой приёмник сразу мог их обработать.

Самый простой способ оцифровать любой сигнал — включать и выключать передатчик, когда нужно передать 1 и 0:

Передача цифрового сигнала по воздуху

Принципиально это не отличается от того, как передаётся сигнал по проводу: если напряжение есть, это единица. Если напряжения нет или оно низкое — это ноль. Разница в том, что вместо напряжения — электромагнитное излучение.

Про анемометры:  СНиП 41-01-2003 Отопление, вентиляция и кондиционирование от 26 июня 2003 -
Оцените статью
Анемометры
Добавить комментарий