Einige Tricks für Funkkommunikation

Original: http://4p8.com/eric.brasseur/receivi.html

Ich dachte an den folgenden Systemen, um Geräte die ich brauchte zu bauen. Einige von ihnen sind klassische Lösungen.

1. Der Vorzeichendetektor

Eine Empfangsantenne ist eine Vorrichtung, die ein schwaches elektrisches Signal erzeugt. Das Signal soll auf die Empfangselektronik zugeführt werden.

Der Trick ist, ersten Eingang das Antennensignal in ein Vorzeichendetektor. Das ist ein Gerät, das ein binäres Signal ausgibt: 0, wenn das Antennensignal negativ ist, 1, wenn er positiv ist. Ein Komparator ein Operationsverstärker mit einer hohen Verstärkung, einem C-MOS-TTL-Gatter oder einer sättigenden Empfangsantennenverstärker kann zu diesem Zweck verwendet werden.

Die Tatsache, die anspruchsvolle Antennensignal wird zu einem einfachen binären Signals ermöglicht es dem Rest der Empfangselektronik vor allem eine rudimentäre 1-Bit-Digitalschaltung sein.

Nehmen Sie zum Beispiel eine Überlagerungs FM-Empfänger, wo der Multiplikator ist eine präzise eingestellt MOS-FET-Transistor in seinem Widerstandsfunktionsbereich verwendet. Dank der Vorzeichendetektor MOS-FET und passiven Komponenten können durch eine einfache X-ODER-Gatter ersetzt werden. Ein Eingang des Gatters empfängt das binäre Antennensignals empfängt der andere Gate eines digitalen Taktsignals mit einer Frequenz geringfügig von der Signalfrequenz. Das X-OR-Gatter-Ausgang kann direkt in einem rudimentären Niederfrequenzfilter zugeführt werden.

Man stelle sich die Verwendung eines Microcontroller, ein AM-Empfänger sein. Dank der Signaldetektor nur eine digitale Mikrokontroller Stift erforderlich, ein Eingangssignal vorhanden ist. Und nur einfache 1-Bit-Befehle werden verwendet, erhöhen bzw. verringern die beiden Empfangsspeicher, ohne Angst für Sättigung oder Zählschleife werden.

Dieses System kann man sie fürchten einen Informationsverlust bedeutet. Es wird in der Tat ein Verlust von Informationen für Empfänge mit einem hohen Signal / Rausch-Verhältnis zu sein. Aber es wird kein Verlust für Empfänge mit schwachem Signal / Rausch-Verhältnis zu sein, und das ist, was zählt.

Der Vorzeichendetektor bietet drei wesentliche Vorteile:

Die Empfangselektronik wird viel einfacher und billiger zu bauen.

Der Empfänger ist nicht mehr empfindlich auf Schwankungen der Antennensignalintensität. Tatsächlich werden nur die Vorzeichen der Signalfragen, es ist nicht Amplitude.

Im Falle eines AM-Empfängers, der Empfänger direkt berechnet das Signal / Rausch-Verhältnis.

Und vier Nachteile:

Der Vorzeichendetektor möglicherweise nicht für sehr hohe Frequenzen verwendet werden, da gibt es keine digitalen Geräte, die bei einem solchen Frequenzen.

Wenn ein AM-Signal wird zu gut empfangen, stärker als die Funkrauschen, das Vorzeichen-Detektor nicht in der Lage, die Messung der AM-Signalamplitude zu erlauben. Es sei denn, eine künstliche starke Rauschsignal absichtlich mit dem Antennensignal vor dem Vorzeichendetektor hinzugefügt!

Jede elektronische Schaltung erzeugt eine Funkstörungen. Besonders wenn es sich der Stromkreis eines Empfängers sollte mehr oder weniger abgeschirmt werden. Ansonsten dass Rauschen von der Antenne empfangen werden und wird die Leistung des Empfängers zu senken. Digitale Schaltungen sind sehr hellhörig Schaltungen und müssen daher eine differenziertere Abschirmung.

Ich habe einst für den Absturz einer Drohne Build von Freunden verantwortlich, da eine Schaltung verwendet einen Microcontroller. Obwohl die Microcontroller vollständig von geerdeten Metall umgeben, haben die hohen Frequenzen sie produziert die Funkverbindung mit dem Piloten gestört. Die hohen Frequenzen gereist, um der Funkempfänger des Drohne durch die Vcc und Signalleitungen. Die Lösungen waren die folgenden, (je nach Anwendung einige Lösungen können sinnlos):

Das laute elektronische Schaltung und es ist Abschirmung sollte so wenig wie möglich zu sein.

Alle Kabel sollten aus der Abschirmung durch ein einziges Loch in dieser Abschirmung kommen.

Um hohe Frequenzen an der Flucht aus der Abschirmung durch die Drähte zu verhindern, folgendes getan werden kann, oder nicht sein sollte:

Gemeinsame selfs und Spulen lassen die hohen Frequenzen durch, wegen einer kapazitiven oder induktiven Effekt zwischen Eingang und Ausgang Schleifen. Das ist also keine gute Lösung. Es ist möglich, selfs verwenden noch sie entweder sehr lang oder benutzen zu dünnen Draht. Vielleicht selfs kann für diesen Zweck gekauft dazu dienen, doch konnte ich keine finden (oder besser gesagt: Ich fand eine Menge, aber keiner hat den Job).

Gemeinsame Optokoppler keine gute Lösung, da der kapazitive Wirkung zwischen Eingang und Ausgang. Hohe Frequenzen überqueren einen Optokoppler mit kein Problem. Ein kurzer Lichtleiter sollte mit einer sehr geringen kapazitiven Effekt verwendet werden oder spezielle Optokopplern.

DC / DC-Wandler können für Vcc verwendet werden, sofern es keine kapazitive Wirkung zwischen Eingang und Ausgang. Solche Geräte können auch nicht gemeinsam Geschäfte zu finden.

Hohe Impedanz Metallschichtwiderstände sind eine sehr gute Lösung für die Signalleitungen. So etwas wie 100 k oder 1 M. Hohe Frequenzen werden blockiert und geschwächt stark, wenn sie müssen durch eine solche Widerstand (jedes Signal sein wird) übergeben, und so gut wie am Ausgang verschwinden. Die Widerstände sollten in der Nähe der Ausgangsöffnung in der Abschirmung befinden. (Bitte beachten Sie für die Sicherheit gegen Rauschen und Störungen der C-MOS-Eingänge ein Signal empfängt, die mit einem solchen Widerstand sollte verriegelt, um durch einen kleinen Kondensator schleifen ging.)

Kleine gemeinsame Kondensatoren, einige Nanofarad, sofern sie für hohe Frequenzen geeignet, sind eine sehr gute Lösung: Sie sollten verwendet werden, um die Kabel zu Boden Riegel werden. Der beste Ort ist, wo der Draht aus der Abschirmung kommt. Für einige Anwendungen die Kondensatoren gab so gutes Ergebnis der Schirm war nutzlos. (Da Kondensatoren sind eine Abkürzung für hohe Frequenzen, die Ausgänge, die auf den Boden so sollte zunächst über einen Widerstand gehen verriegelt sind;., Um nicht zu machen, die Ausgangstore erwärmen und mit zu viel Strom)

Ein Vorzeichendetektor für schwache Funksignale kann schwierig zu bauen:

Eine Lösung ist, eine hohe Verstärkung Empfangsantenne Verstärkerschaltung (möglicherweise zwei Verstärker in Serie gebracht) verwenden und schneiden Sie das Ausgangssignal mit einem Widerstand und zwei Dioden (nichts sieht eher aus wie ein digitales Signal als eine gesättigte analoge Signal).

Die Eingabe sollte nicht jede Art von Hysterese.

Die Schaltung sollte keine stärkere interne Rauschen als das Rauschen von der Antenne empfangen zu erzeugen. Wenn Sie die Menge der durch die Schaltung selbst erzeugten Lärm zu überprüfen wollen, versuchen Sie, um das Signal zu messen, bevor es in ein digitales Signal umgewandelt und zu sehen, welchen Unterschied Sie erhalten, wenn der Eingang auf Masse verriegelt. Wenn der Eingang auf Masse verriegelt, das Geräusch, das man zu messen ist, das durch die Schaltung selbst erzeugt wird.

Einige Stromkreise haben eine unvorhersehbare Eingangspegel oder ein Niveau unruhig zu finden. Zum Beispiel kann ein HC Tor um 2,49 Volt schalten, während ein anderes kann um 2,50 Volt schalten. Das ist der zur gemeinsamen digitalen oder analogen Halb Zwecken ohne Bedeutung, aber für ein schwaches Funksignal es ist ein echtes Problem. Sofern die Schaltung eine invertierende Gate ist die Lösung, die mit dem Ausgang über einen hochohmigen Widerstand zu verriegeln. Auf diese Weise sollte die Eingabe beispielsweise zu niedrig, wird der Ausgang auf 5 Volt eingestellt werden und wird die Eingangskondensatoren zu laden, bis der Eingangspegel hoch genug wird. (Der Widerstand kann, um sehr effizient starke niedrigen Frequenzen wie 50 Hz oder 60 Hz AC Netz Aktuelle Filter entfernt berechnet werden.)

Die Stromversorgung für einen solchen Stromkreis soll oft optimal geregelt werden. Also nicht vergessen, eine gute Kondensator zwischen Vcc und Masse gesetzt. Manchmal ist eine gute Lösung ist eine solche Schaltung mit ihren eigenen dedizierten Spannungsregler zu bauen.

2. Die Modulatoren und Demodulatoren Kette

Eine gemeinsame Funksender enthält einen Modulator. Das ist ein Gerät, das ein Hochfrequenzsignal, dessen Amplitude (oder Frequenz oder Phasenverschiebung) wird durch das Signal Sie übertragen möchten beeinflusst produziert. Zum Beispiel: volle Amplitude, um ein binäres 1-Signal, Null-Amplitude, um eine binäre 0-Signal übertragen zu übertragen.

Eine gemeinsame Funkempfänger enthält einen Demodulator. Das ist eine Vorrichtung, die ein Hochfrequenzsignal eingibt und ein brauchbares Signal. Zum Beispiel: eine binäre 1 ist, wenn ein Hochfrequenzsignal detektiert wird ausgegeben, eine binäre 0 wird ausgegeben, wenn kein Hochfrequenz detektiert wird

Nehmen wir an, wir senden 1000 binäre Bits pro Sekunde. Und wir verwenden eine hohe Frequenz von 1 MHz. Dann müssen wir Uhren mit einer Genauigkeit besser als 1 / 1.000 th.

Nehmen wir an, wir beschließen, eine höhere Frequenz zu verwenden; 100 MHz. Das Frequenz, die 100-mal höher, sollen wir in der Lage, das Signal 10 Mal weiter zu senden. (Dies gilt nicht in der Tat: weil es weniger Umgebungsgeräusche bei höheren Frequenzen werden wir mehr als 10 Mal zu erhöhen Sofern sich Hindernisse wie ein Hügel oder der Erdkrümmung, und niedrigen Frequenzen, durch Beugung um Hindernisse herum und wieder auf die Beine. auf die Ionosphäre, kann viel weiter reisen als Hochfrequenzsignale. Aber hier sind wir, diese Phänomene zu vernachlässigen.)

Doch das erfordert unsere Uhren um eine Genauigkeit von 1 / 100.000 th haben.

Nehmen wir an, uns nicht gehörenden Uhren mit einer solchen Präzision. Wir haben nur Uhren mit einer Genauigkeit von 1 / 1.000 th. Dann, wenn wir senden mit 100 MHz, werden wir keine Erhöhung der Übertragungsreichweite.

Eine Lösung ist es, Ihnen Modulatoren und Demodulatoren Zwischen verwenden. (Dies wird allgemein zur Signal Verschlüsselung oder Übertragung mehrerer Signale auf einem eindeutigen Radiofrequenz getan ein Beispiel:.. Das Stereo-Differenzsignal, für Standard-FM-Empfänger, auf einer Unterfrequenz von 30 kHz, die zur gemeinsamen Monosignal hinzugefügt codiert anderes Beispiel: RC-Systeme für modelists verwenden mehrere Modulatoren parallel, genannt “Weisen”, die mit einer Frequenz in der Größenordnung von 10 kHz, um Befehle an verschiedene Aktoren im Modell Flugzeug, Schiff oder Auto übertragen Die Modulatoren Signale, bevor sie in gefüttert aufgenommen. das Radio-Modulator. Im Inneren des Modells wird das empfangene Signal an alle Demodulatoren gegeben und jeder von ihnen mit seiner eigenen Frequenz, extrahiert die Subfrequenz für ihn bestimmt sind. Aber hier sind wir tun es, um die Reichweite zu erhöhen.)

Wir nutzen unser binäres Datensignal bei 1 kHz, eine binäre Frequenz bei 1 MHz moduliert, dann verwenden wir diese moduliert 1 MHz Signal, um ein Funksignal bei 100 MHz zu modulieren.

Der Empfänger einen Demodulator mit einer Leistung bei 1 MHz, die in einen zweiten Demodulator, der die 1 kHz Digital Binärdatensignal machen wird zugeführt wird enthalten.

Auf diese Weise werden wir in der Lage, weiter bei der Verwendung geringe Präzisionsuhren zu übertragen!

Der Abstand Erhöhung nicht 10 ist, wird sie kleiner sein. Es ist ein Faktor zwei Unterschied. Dennoch ist das Ergebnis immer noch wichtig.

Eine Kette von mehr als zwei Modulatoren und Demodulatoren verwendet werden. Sie können drei, vier, fünf sein … So ist es theoretisch möglich, ein Signal an jede Distanz, unabhängig von der Uhr Präzision übertragen auf.

Es ist möglich, um beispielsweise ein Bit pro Stunde mit einer 1-GHz-Funksignal durch zwei Modulatoren mit kleinen Quarzkristalle mit einer Genauigkeit von 1 / 1.000.000 th (erhältlich gemeinsam elektronischen Bauteile speichert für $ 2) zu übertragen. Das ist sehr interessant für spezielle Zwecke wie Raumsonden oder Mess und Aktivierungssysteme in sehr lauten Umgebungen. Würde ein solches Übertragungssystem sind in dem Prozessor der Pioneer 10 Sonde programmiert wurde, würden wir immer noch in Kontakt mit ihr, während mit einem viel billiger Antennensystem sein. Vielleicht ist die Übertragungsrate würde von ein paar Byte pro Jahr sein, aber das ist genug, um einige wichtige Informationen zu erhalten.

Die meisten lustig mit diesem System ist die Tatsache, bei großen Abständen der erste Demodulator nur ein Geräusch auf den zweiten Demodulator-Feeds. Doch der zweite Demodulator sich dem Signal von dem Lärm zu erkennen!

Wie oben erwähnt, ist dieses System nicht absolut gleichwertig mit einem einzigen Modulator und Demodulator Stufe mit hohen Präzisionsuhren. Es ist ein Verlust (vergleichbar mit der Partikel / Wellenpaket Erkennung in der Quantenmechanik). Daher sollte die Anzahl der Stufen so wenig wie möglich gehalten werden und die bestmögliche Uhren verwendet werden.

Ein weiteres Problem ist die Tatsache, das Funksignal eine Bandbreite viel breiter als nötig zu verwenden. Dies kann teilweise durch die Tatsache, mehrere Übertragungen gleichzeitig zu arbeiten, unter Verwendung der gleichen Hauptfunkfrequenz, aber unter Verwendung unterschiedlicher Subfrequenzen kompensiert werden. Wenn ein Sender emittiert bei 100 MHz ein Signal mit einem Signal von 1 MHz, die durch ein Signal von 1 kHz moduliert ist, moduliert wird, wird sie nicht von einem Empfänger, die auch bei 100 MHz empfängt, hören aber demoduliert dann bei 2 MHz zu erzeugen, auch eine Signal bei 1 kHz. Auf diese Weise kann die Bandbreite effektiv genutzt werden, ohne zu viel Verschwendung. Es ist einfach eine andere Art der Aufteilung der Bandbreite.

Weitere Vorteile sind:

Die Möglichkeit, kleine und kostengünstige Geräte zu bauen, da keine sehr hohe Präzision Uhren gebraucht werden.

Telekommunikationssysteme, die beispielsweise eine viel weniger empfindlich auf den Doppler-Effekt wird.

Die Möglichkeit, eine kontinuierliche und sehr schwache elektrische Strommenge verbrauchen, ohne die Probleme mit der Emission von Funk “blinkt”, die viel Strom ein kurzer Zeit verbrauchen verbunden (dies ist ein weiterer Trick, um weit mit niedrigen Präzisionsuhren emittieren).

3. Die fraktalen Signal

Das oben beschriebene System impliziert Information ist bei einer gegebenen Rate übertragen wird; 1 kHz in den Beispielen.

Nehmen wir nun an Sie wollen einfach nur eine Statusmeldung “ON” Signal. Um Hilfe zu rufen, zum Beispiel.

Das Problem ist, ist es schwierig, mit welcher Geschwindigkeit Sie wollen, dass zu übertragende Signal zu wählen. Angenommen, Sie 1 Sekunde wählen. Nun, das ist schnell. Okay, aber was, wenn man sehr weit vom Empfänger entfernt sind? Ihr Signal nicht zu hören. Sofern Sie nicht langsamer übertragen, sagen auf eine Stunde. So können Sie 60 Mal weiter zu übertragen. Aber das ist dumm, wenn Sie in der Nähe des Empfängers waren. Warum warten Sie eine Stunde, bevor die Retter gewarnt?

Bei der Verwendung von nur einer Modulation und Demodulation der Bühne, ist die Lösung einfach: lassen Sie der Empfänger an Akkumulatoren akkumulieren Informationen über eine Stunde Basis, aber Blick auf den Inhalt jeder zweite. Wenn ein starkes Signal ankommt, wird es machen die Akkus zu erhöhen sehr schnell. Das wird erkennbar sein und erlaubt dem System sofort zu reagieren.

Aber was, wenn ein Demodulatoren Kette verwendet?

Die Lösung ist, anstatt nur auf die nächste Demodulator Einspeisung ermöglichen jedem Demodulatorstufe um auch die Eigenschaft, um das Signal an seiner Frequenz zu erkennen haben. So, wenn das Signal sehr stark ist, der erste Demodulator sofort reagieren. “Ich höre ihn!”. Wenn sie schwächer ist, werden der erste Demodulator nur ein Geräusch zu hören. Das Geräusch ist mit dem zweiten Demodulator Bühne, die das Signal zu erfassen und darauf reagieren wird, aber seine Reaktion wird langsamer sein zugeführt. Wenn das Signal für den zweiten Demodulator zu schwach zu, wird der Lärm auf den dritten Demodulator vielleicht machen ihn zu reagieren, dennoch noch einmal sehr viel langsamer als die zweite. Und so weiter, können Sie eine guirland von Demodulatoren / Detektoren verwenden, so dass das Signal in wenigen Millisekunden oder in einem Jahr festgestellt werden …

Auf jeder Stufe muss immer ein Signal zu jeder Zeit sein. Zum Beispiel, es muß immer eine Frequenz von x Hz oder 2 x Hz betragen. Der Weg zwischen den zwei Frequenzen das Signal wechselt, wird verwendet, um den nächsten Demodulator zuzuführen. Aber der Demodulator reagieren, wenn eine der beiden Frequenzen erkannt wurde.

Wenn Sie ein solches moduliertes Signal zu zeichnen, erhalten Sie eine eindimensionale fraktalen Muster. Vorherige System hatte auch eine fraktale Look, doch hier die vollständige Identität einer fraktalen erscheint: die Fraktalität können bis zu einer nahezu unendlich niedriger Frequenz entwickelt werden, und jede Stufe hat das gleiche Ziel: machen einen Demodulator reagieren.

4. Der Lärm Link

Im Allgemeinen ist das Grundsignal ist eine Sinuskurve. Das Sinuskurve ist, um Informationen zu übertragen moduliert.

Sie können alles, was anstelle einer Sinuskurve zu verwenden. Sie können sogar mit einem Lärm; ein völlig nicht-wiederkehrende Zufallssignal.

Die einzige Bedingung ist, dass der Empfänger weiß, dass Lärm. Es muss jedes Detail davon kennen und wissen, wenn es ausgegeben wird. Präzise Uhren und Zeitverschiebung Einstellung Techniken verwendet werden.

Für geheime Übertragungen ist der Vorteil der Verwendung eines Rausch offensichtlich. Es ist völlig unhörbar für Empfänger, die nicht wissen, was genau das Geräusch ertönt. Es gibt nur drei Nachteile:

Ausgangsleistung muss vernünftigerweise schwach. Andernfalls wird der Emitter gehört und lokalisiert, nur weil es emittiert eine starke Geräusch werden.

Es darf nicht zu viel Radio Echo sein. Sinuswellen relativ gut mit Echo zu tun, da die zufällige Summe von Sinuswellen ist immer eine Sinuswelle. Die Geräuschwelle, im Gegenteil, werden selbst zu zerstören, wenn es zu viel Echo.

Die Empfänger-Elektronik, um die Zeitverschiebung des Signals zu finden, folgen Sie dann den Zeitverschiebungen, um bleiben gesperrt, braucht einige Rechenleistung und Uhr Präzision. (. Doch nichts zu enormen) Was mehr ist, sind die Zufallszahlen-Generatoren durch die Sender und Empfänger verwendet von guter Qualität sein; nicht-repetitive und unvorhersehbar, aber beide, die dieselben Zahlen. (Sie können eine Kombination aus berechneten Zufallszahlen und gemeinsamen Listen von echten Zufallszahlen zu verwenden.)

Beste Weg, um das Rauschsignal zu modulieren ist, es umzukehren. Zum Beispiel ist es nicht ausgegeben wird für die digitale 1 umgedreht und für digitale 0. Der Empfänger muss nur das Antennensignal mit dem Lärm zu multiplizieren und die Ergebnisse zusammenfassen, um große Zahlen, die digital 1 anzeigt, wenn sie positive und digitale 0 sofern sie bekommen invertiert negativ sind. So kann der Emitter emittiert ständig mit der gleichen Leistung. (Diese Methode zur Vermehrung der Signale und zum Summieren der Ergebnisse wird als Korrelationsgrad).

Auch hier ist die Zeitverschiebung ein ernstes Problem. Wenn der Empfänger nicht am Emitter gesperrt ist, muss es zu versuchen, alle möglichen Zeitverschiebungen, bis das Signal festgestellt wird. Dann muss das Signal gefolgt vorsichtig, um nicht verloren gehen.

Ein Weg, um ein rauschähnliches Signal zu emittieren, während sie näher an üblichen Techniken ist es, die Summe einer Vielzahl von ultraschwachen Sinusoide emittieren. Der Empfänger wird auch eine breite Palette von Demodulatoren, eine für jede Frequenz enthalten, dennoch alle Demodulatoren verwenden dieselben gemeinsamen Akkumulatoren, ihre Sinus-Perioden zu summieren. Diese einzelnen Akkumulatoren mit der Summe aller Summen aller Demodulatoren, wird dann verwendet, um zu sagen, ob es eine Emission oder nicht. (Ein solcher Satz von Demodulatoren können auch verwendet werden, um festzustellen, ob beispielsweise ein Emitter Emittieren einer kontinuierlichen Reihe von Dirac Wellenmuster.)

5. Modulieren mehrere Bits zusammen

Erster Hand das Verfahren die Bits entlang einer sehr rauschbehafteten Kanal übertragen wird, um den Status von jedem Bit zu modulieren und die einer nach dem anderen zu senden jedes Bit. Und doch gibt es einen Nachteil. Wenn sagen, hundert oder tausend Modulationsperioden für jedes Bit verwendet, dann ist die Übertragungsausbeute wird ziemlich weit weg von der maximalen Übertragungsrate von der Shannon-Theorem erlaubt sein. Eine bessere Ausbeute erzielt wird, wenn viel mehr Modulationsperioden kann für jedes Bit verwendet werden. Sagen zehnmal bis hundertmal mehr. Doch dies würde eine langsamere Baudrate implizieren. Die Lösung besteht darin, mehrere Bits gemeinsam übertragen, jedes mit seinem eigenen Modulation. Wenn zehn Bits zusammen übertragen werden, dann ist die Anzahl von Signalperioden für jedes Bit zur Verfügung um etwa zehn multipliziert werden.

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