W tej części będzie trochę o modemach i korekcji błędów, czyli o technice przesyłania informacji tak, żeby było w miarę szybko i bezpiecznie oraz bez przekłamań.
W zasadzie to mowa o trzech podstawowych zasad komunikacji: terminowość, wierność i poufność. Jeśli wysyłamy do kogoś pilną wiadomość, to nie urządza nas dostarczenie jej w przyszłym tygodniu (pozdrawiamy Pocztę Polską). Jeśli wiadomość brzmi „Bądź o 16:00, przynieś flaszkę”, to chcemy, żeby kolega odebrał ją w takiej formie, a nie „Będę o 16:00, przyniosę flaszkę”. No i jeśli mamy 1l do wypicia we dwóch, to nie chcemy by jakieś sępy dowiedziały się o spotkaniu i zleciały się jak muchy do świeżego produktu metabolizmu, bo wyjdzie, że wódki nawet na dziury w zębach nie wystarczy.
Patrząc historycznie, to pierwszą próbą wiernego przesyłania informacji był kod Morse’a. Każdy znak z alfabetu miał swój odpowiednik w postaci kropek i kresek. Z czasem system ten udoskonalano i przekształcono z ręcznego w automatyczny zwiększając jego szybkość i niezawodność. Dziś mamy wiele standardów transmisji danych w radiokomunikacji z całkiem sensownymi prędkościami przesyłania danych. Dodatkowo, dzięki rozwojowi radiokomunikacji, pojawiły się rozwiązania pozwalające na wykrywanie i naprawianie błędów powstających w niełatwym medium transmisyjnym, jakim jest kanał KF (odsyłam do pierwszego odcinka całego cyklu). Po latach ewolucji mamy dziś systemy transmisji wykrywające błędne dane i automatycznie żądające ich powtórzenia przez nadawcę (ARQ Automatic Repeat reQuest), co pozwala na wykorzystanie łączności KF do połączeń typu komputer-komputer. Tak, wiem, młodzież właśnie stuka się w głowę i mruczy pod nosem „Co za głąb, przecież to normalne”. Dzisiaj normalne, ale 30 lat temu to był nie lada wyczyn przesłać ramkę danych przez radio KF i do tego zrobić to szybko i bez błędów. Wszystkim tym, co mają dziś światłowód 900Mb/s uświadamiam, że kiedyś informacje przesyłano z prędkością 75 b/s, czyli pierdylion razy wolniej. O przesyłaniu obrazu można było sobie pomarzyć.
Prawdziwy boom w rozwoju technik przesyłania i modemów (ang. MODEM od MOdulator/DEModulator) miał miejsce w latach 90 ubiegłego wieku. To wtedy powstało wiele obecnych technik ARQ oraz protokołów transmisyjnych. Trochę stety, trochę niestety, inżynierowie w tamtym czasie ścigali się kto pierwszy dopracuje i dopieści swoje dzieło w efekcie czego mamy dziś kilkanaście (a może i kilkadziesiąt) różnych standardów transmisji danych w paśmie KF. Od przybytku głowa nie boli, ale jednak nie jest to zjawisko pożądane. Część tych rozwiązań została ustandaryzowana i teoretycznie sprzęt jednego producenta powinien dogadać się z wyrobem innej firmy. Przynajmniej na rynku modemów i radiostacji cywilnych, bo w kwestii wojskowych rozwiązań nikt nie chwali się co tak do końca siedzi w jego sprzęcie i pojawia się problem z kompatybilnością. Jak raz zdecydowałeś się na zakup Harris, Rohde & Schwarz czy Thomson (dziś Thales), to potem trudno jest wprowadzić coś innego producenta, bo szczególnie w trybach pracy niejawnej jest wielki problem.
Dobra, rozpisałem się nie o tym, co trzeba. Miało być o modemach. Na początek trochę definicji i pojęć, dzięki którym można te modemy jakoś ocenić.
Komunikacja to proces przekazywania informacji od nadawcy/nadajnika do odbiorcy/odbiornika przez określony kanał komunikacyjny. Na co dzień może to być odgłos paszczą przenoszony przez powietrze do ucha słuchacza lub ciąg symboli graficznych w tym wpisie układających się w wyrazy i zdania przekazanych przez protokół https do Was, czyli czytelników. Analogicznie sytuacja wygląda w radiokomunikacji: w nadajniku dane wejściowe zamieniamy na postać cyfrową (znaki binarne czyli bity), przygotowujemy do wysłania układając je w ustalony sposób i przesyłamy przez kanał transmisyjny do odbiornika.
Tu mała dygresja: bity w powszechnej świadomości mają postać zera lub jedynki. Z punktu widzenia algebry Boole’a i logiki matematycznej tak jest. Patrząc na bity pod kątem transmisji powinno raczej postrzegać je jako obecność danego sygnału na poziomie X (odpowiadającym logicznej 1) lub poziomie Y (odpowiadającym logicznemu 0). Może to być np. +5V i -5V (systemy transmisyjne w „kablach” z tzw. NRZ – non-return-to-zero) lub częstotliwość F1 i F2 (dla transmisji radiowych). To tak w skrócie, bo z poprzedniej nitki wiecie, że rodzajów modulacji i przedstawianie 0 i 1 jest jak psów na wsi.
Szybkość transmisji, czyli BIT RATE - jeden z głównych parametrów modemów i jest wyrażany ilością bitów przysyłanych w ciągu jednej sekundy. Oznaczane jako bps (bit per second) lub b/s. Szybkość transmisji zależy od modulatora , wybranej modulacji ale również kanału transmisyjnego i szerokości pasma (im szersze pasmo transmisji, tym większa szybkość transmisji).
MODULACJE Z TRANSMISJĄ ASYNCHRONICZNĄ A TRANSMISJA SYNCHRONICZNA
O co tu chodzi? Transmisja asynchroniczna to taka, w której w ciągu przekazywanych danych zarezerwowano miejsce dla specjalnych bitów: bit start i bit stop. Bit startu jest sygnałem dla odbiornika, by przygotował się do odbioru zestawu bitów (najczęściej 8 bitów lub ich wielokrotności). Bit stop jest sygnałem, by odbiornik przeszedł z odbioru na nasłuch.
Przy transmisji synchronicznej nie ma tych dwóch bitów start/stop na początku i końcu, ale za to stosowana jest w niej inny zabieg informujący odbiornik, że ma do czynienia z początkiem transmisji. Jest to tzw. preambuła, czyli ciąg np. 8 jedynek. Preambuła służy również do zsynchronizowania zegara nadajnika i odbiornika.
To na czym polega różnica? Jeśli w danych standardzie transmisji umówiliśmy się, że jeden znak (taka litera) składa się z ciągu 8 bitów (7 bitów na zakodowanie informacji + 1 bit parzystości do sprawdzania błędów w tych poprzednich 7), to przy transmisji asynchronicznej mam na każdy znak dodatkowe 2 bity (start/stop), czyli do wysłania jest nie 8 a 10 bitów, a to znaczy, że mamy zwiększoną długość znaku aż o 25%. Tak więc w systemach asynchronicznych przesyłamy informację wolniej, ale nie potrzebujemy synchronizować zegarów po stronie nadawczej i odbiorczej.
Dawniej radia KF były projektowane do przesyłania jedynie informacji analogowej w postaci ludzkiego głosu lub kluczowania częstotliwości, popularnie zwanego titawą. Z chwilą pojawienia się nowych technik modulacji nikt rozsądny nie wyrzucił dotychczasowego sprzętu tylko dokupił odpowiedni modulator i wpiął go w tor audio swojego zestawu. To było takie obejście pozwalające na upgrade sprzętu. Modulator zamieniał cyfrowy sygnał na sygnał audio i wysyłał przez „stary” tor nadajnika. Po drugiej stronie odbiornik wypluwał w torze audio odebraną informację, która wpadała do demodulatora, a ten sygnał audio zamieniał na sygnał cyfrowy. Współczesne radiostacje mają już wbudowane modemy dużych prędkości i są dostosowane do pracy z fonem lub danymi (a nawet fonem i danymi jednocześnie).
Generalnie modemy dla zakresu KF można podzielić na trzy kategorie: wolne (oparte na manipulacji częstotliwości FSK – Frequency Shift Keying); średnie z prędkościami transmisji rzędu 2400bps oraz szybkie z prędkościami 9600bps i więcej.
Najprostszą formą implementacji modemu jest wykorzystanie manipulacji częstotliwości FSK, która (odsyłam do poprzedniej nitki) wykorzystuje dwie częstotliwości F1 i F2 do przesyłania logicznych zer i jedynek. Jest tylko jeden problem – rzeczywista prędkość transmisji oscyluje w tym przypadku w granicach 600bps. W latach 80-tych minionego wieku może i robiło to na kimś wrażenie. Na szczęście rozwój elektroniki oraz technik cyfrowej obróbki sygnałów (DSP Digital Signal Procesor) popchnął tę dziedzinę technologii do przodu i dziś możemy cieszyć się mobilnym dostępem do serwisów streamingowych.
CO Z TĄ KOREKCJĄ BŁĘDÓW?
W zasadzie powinienem napisać z detekcją i korekcją błędów. O tym, że błędy w transmisji się zdarzają (szczególnie w KF) pisałem już wielokrotnie i inżynierowi łamali sobie głowy co z tym problemem zrobić. Generalnie mamy dwa podejścia do tematu:
1) prostsze czyli detekcja błędów po stronie odbiorczej – mocno upraszczając: przed wysłaniem informacja w modulatorze jest dzielona na kawałki, „pakowana” w swego rodzaju „wagoniki z węglem”, a dla każdego „wagonika” liczona jest suma kontrolna lub bit parzystości i doklejana do każdego kawałka informacji. Swego rodzaju list przewozowy dla każdego z tych „wagoników”. Po stronie odbiorczej każda porcja informacji jest sprawdzana z bitem parzystości/sumą kontrolną. Jeśli się zgadza jest uznana za transmisję prawidłową, jeśli nie – za transmisję błędną. Tylko co z taką „wadliwą” porcją informacji zrobić? Trzeba zgłosić ten fakt do nadajnika i odebrać ponownie. Wygląda to mniej więcej tak:
- Odbiornik (O): Ty, nadajnik, znalazłem błąd w pakiecie nr 325. Nadaj go jeszcze raz.
- Nadajnik (N): Znalazłeś błąd w pakiecie 325? Nadać jeszcze raz?
- (O): TAK, NADAJ JESZCZE RAZ!
- (N): Dobra, spokojnie, nadaję jeszcze raz pakiet 325.
- (O) Nadawaj, czekam.
- (N): Nadaję, słuchaj…
Ciekawostka: sumą kontrolną jest ostatnia cyfra w naszych PESELach. Jak się pomylisz, system od razu wypluje info, że taki PESEL nie istnieje.
2) trudniejsze i bardziej złożone czyli detekcja i korekcja błędów – jest kilka podejść do tematu, ale znów maksymalnie upraszczając mamy coś, co można ogólnie nazwać Forward Error Coerrection (FEC). Polega to na doklejaniu do każdej porcji informacji, czyli naszych „wagoników z węglem”, dodatkowych nadmiarowych danych. Tak, zabieramy w ten sposób trochę miejsca na przesyłaną informację, ale dzięki tym nadmiarowym danym po stronie odbiorczej możemy wykryć i poprawić błędy, a co za tym idzie nie potrzebujemy kanału zwrotnego do nadajnika, sygnalizowania błędów i powtarzania transmisji uszkodzonych „wagoników”. Coś za coś: mamy szybszą i płynniejszą transmisję kosztem większej ilości danych nadmiarowych.
Korekcja FEC działa najlepiej, gdy błędy w transmisji pojawiają się losowo i nie są skumulowane. Jeśli śledzicie nitki z tego wątku to już wiecie, a dla tych co trafili tu pierwszy raz dodam w kwestii wyjaśnienia, że kanał KF jest szczególnie wredny i wymagający, bo zakłócenia potrafią pojawiać się w nim całymi seriami i rozciągać się w czasie. Na to łebscy inżynierowie też znaleźli rozwiązanie: interleaving, czyli przeplatanie. Na czym to polega? Nadajnik nie wypluwa z siebie informacji w takim porządku, jak dostał na wejściu, tylko korzysta z bufora pamięci ze zmyślną tabelą. Bity danych wpisywane są do bufora w rzędach, w naszym przykładzie od 1-szego do 9-tego. Natomiast opuszczają bufor w kolumnach, w naszym przykładzie od 1-szej do 10-tej. Tak więc pierwsza porcja danych to nie bity od 1 do 9, tylko bity o nr 1, 11, 21, 31, …91. Druga porcja danych to bity 2, 12, 22… i tak dalej. Tak poprzeplatane bity trafiają do modulatora i są wysyłane w eter. Po stronie odbiorczej proces jest odwracany: odebrane dane są wpisywane do matrycy bufora w kolumnach, a opuszczają ją w rzędach.
Co nam to daje? Jeśli w kanale transmisyjnym pojawią się uporczywe zakłócenia, które zniszczą „wagonik” z 9-cioma bitami tak przeplecionych danych, to po rozpleceniu nie więcej jak 3 z nich będą „uszkodzone” w całej 30-bitowej sekwencji danych. Dzięki przeplotowi rozkładamy w zasadzie skumulowane zakłócenia w kanale radiowym na większą porcję danych i stają się one bardzie „pseudolosowe”, a z takimi zakłóceniami algorytmy FEC radzą sobie już bardzo dobrze.
Możemy dołożyć do tego tzw. dekodowanie „soft-decision”, które polega na złożonych algorytmach porównujących odebrany symbol z bazą danych wszystkich możliwych symboli kodowych i na tej podstawie „podejmuje” decyzję co zostało nadane po stronie nadawczej. Otrzymamy w ten sposób całkiem efektywny system radzący sobie z błędami transmisji, czyli mamy zapewnioną i terminowość i wierność transmisji.
O poufności będzie następnym razem.
CQ QRU QTX SK
Greetings Freakradio Pl,
Transparency and proven results are core to what we do. We help WordPress websites, blogs, and shops build high-authority links with live weekly reports tracking your keywords and backlink growth.
Begin with our free WordPress website audit, and use coupon code WP20 to save 20% on any of our SEO backlink campaigns.
See our transparent pricing and plans: https://tiny.cc/Wpbacklinks
Cheers,
WPBacklinks team
To unsubscribe please use tiny.cc/no-emails