V tomto blogovém příspěvku se budeme zabývat tím, proč lze signály v bezdrátové komunikaci přenášet přesně i přes šum, a to prostřednictvím modulačních metod, spolehlivosti a konceptů šířky pásma.
Analogové mobilní telefony se poprvé objevily v roce 1981. V té době byly mobilní telefony jednoduše zařízeními pro hlasové hovory a byly poměrně velké a těžké. Poté, v roce 1991, se komerčně stala dostupná 2G komunikace, která převedla stávající analogový komunikační systém na digitální, což výrazně zlepšilo výkon a použitelnost mobilních telefonů. 2G komunikace využívala digitální signály k poskytování hlasových hovorů a textových zpráv a byla také posílena bezpečnost. V roce 2000 se komerčně stala dostupná komunikace třetí generace, která umožnila mobilním telefonům odesílat a přijímat velké množství dat. Mobilní telefony, které se v této době objevily, šly nad rámec jednoduchých komunikačních zařízení a staly se počátkem chytrých telefonů s přístupem k internetu a multimediálními funkcemi.
V roce 2011 vstoupila technologie LTE (long-term evolution), která představuje dlouhodobý vývoj technologie 3G, do fáze komercializace. LTE umožnila vysokorychlostní přenos dat, což umožnilo plynulé streamování a přenos velkých souborů. To výrazně zlepšilo uživatelský zážitek pro uživatele chytrých telefonů a vedlo k explozivnímu nárůstu používání mobilního internetu. Podívejme se na výzkum v oblasti bezdrátových komunikačních technologií, které se vyvíjejí tak rychlým tempem.
Technologie bezdrátové komunikace je v podstatě zaměřena na přenos specifických informací na vzdálené místo. Když více zařízení současně odesílá a přijímá signály, bezdrátová komunikace prochází procesem transformace signálu, nazývaným modulace, při kterém jsou přijímány pouze signály vysílané z konkrétního zařízení. Modulace má dvě funkce: zvýšení frekvence signálů a šifrování signálů. Vývoj modulační technologie je jádrem moderní bezdrátové komunikace.
Jako jednoduchý příklad si uveďme, že na světě existují pouze tři mobilní telefony, A, B a C, a my chceme volat na A. Lidsky slyšitelný frekvenční rozsah je 20 až 20,000 20 Hz, takže data, která odesíláme a přijímáme, budou hlasové signály s frekvencemi mezi 20,000 a 100 20 Hz. Pokud však A, B a C odesílají signály současně bez modulace, dojde k interferenci mezi signály se stejným frekvenčním rozsahem, což znemožní rozlišit mezi těmito třemi signály signál od A. K vyřešení tohoto problému se během modulačního procesu provádí posun frekvence. Například celková frekvence může být zvýšena o 40 kHz, frekvence signálu A může být zvýšena o 100 kHz a frekvence signálu B může být zvýšena o 120 kHz před přenosem. Pak signál mezi 120 a 140 kHz je C, signál mezi 140 a 160 kHz je A a signál mezi 2 a 20 kHz je B, což umožňuje rozlišit, který signál pochází z kterého zařízení. Ve skutečné komunikaci se frekvence celkově zvýší přibližně o XNUMX GHz. Tato frekvence se nazývá nosná frekvence a rozsah frekvencí používaných každým zařízením se nazývá šířka pásma. Ve výše uvedeném příkladu je šířka pásma XNUMX kHz.
Na druhou stranu, když jsou hlasové signály přenášeny pouze zvýšením frekvence, rušení elektromagnetickými vlnami v prostoru způsobuje zkreslení signálu. Elektromagnetické vlny v prostoru se nazývají šum. V případě přenosu pouhým zvýšením frekvence je přenášená informace obsažena v amplitudě elektromagnetických vln, proto se tomu říká AM (amplitudová modulace). AM se však v každodenním životě příliš nepoužívá. Je to proto, že při použití AM je síla signálu ve srovnání s jinými metodami modulace relativně slabá a původní přenášený signál je značně zkreslen šumem. Aby se tento problém vyřešil, před přenosem se na signál aplikuje určitý typ šifrovacího procesu, který je poté přijímačem dešifrován. Tento proces se liší v závislosti na použité metodě modulace. Nejdůležitějšími faktory v procesu šifrování jsou spolehlivost modulačního procesu a účinnost šířky pásma.
Spolehlivost modulačního procesu je měřítkem toho, jak přesně lze přijatý signál interpretovat jako původní signál, když je informace původně zamýšlená k přenosu zkreslena šumem. Jednoduchým příkladem metody pro zvýšení spolehlivosti je odeslání signálu vícekrát. Například při přenosu digitální informace 1, pokud ji odešlete pětkrát na bit, vyšlete 11111, takže i když šum zkreslí signál na 11011, můžete snadno odvodit, že původní signál byl 1.
Na druhou stranu, jak již bylo zmíněno, když více zařízení interaguje současně, musí se frekvenční rozsahy používané mezi zařízeními lišit. V tomto případě platí, že čím menší je frekvenční rozsah použitý na zařízení, tím více zařízení může komunikovat se stejným frekvenčním rozsahem. Tomu se říká účinnost šířky pásma. Ve výše uvedeném příkladu, protože stejná informace je odeslána pětkrát, musí být informace odeslána pětkrát rychleji, aby se přenášela stejnou rychlostí. V důsledku toho, aby se informace odeslala pětkrát, musí být frekvence vysílaného signálu pětkrát větší, takže v tomto případě je účinnost šířky pásma velmi nízká. Obecně platí, že čím spolehlivější je metoda modulace, tím nižší bývá účinnost šířky pásma.
Reprezentativním příkladem zavedení nové modulační metody je LTE. LTE je standard pro vysokorychlostní bezdrátovou datovou komunikaci, což znamená, že kapacita kanálů a rychlost komunikace byly zvýšeny použitím nových modulačních metod pro technologie GSM/EDGE a UMTS/HSPA. GSM/EDGE je komunikační technologie 2G, kterou známe, a UMTS/HSPA je název pro technologii 3G. Stručně řečeno, LTE je nová modulační metoda pro technologii 3G, která zvyšuje rychlost. Přísně vzato, LTE nelze nazývat 4G, jak ji často propagují mobilní operátoři, ale stále má oproti stávající technologii 3G výhody, jako je vyšší rychlost, vyšší propustnost a nižší provozní náklady. Jak vidíte, historie komunikačních technologií ukazuje, že klíčem k pokroku bezdrátových komunikačních technologií je vývoj modulačních metod. V dnešní době se výzkumníci v oblasti bezdrátové komunikace stále snaží zjistit, jak překonat nedostatky stávajících modulačních metod a vyvinout rychlejší a přesnější bezdrátové komunikační technologie, a jejich úsilí postupně přináší ovoce v našem každodenním životě.
