Tässä blogikirjoituksessa tarkastelemme, miksi signaaleja voidaan lähettää tarkasti langattomassa tietoliikenteessä kohinasta huolimatta modulaatiomenetelmien, luotettavuuden ja kaistanleveyden käsitteiden avulla.
Analogiset matkapuhelimet ilmestyivät ensimmäisen kerran vuonna 1981. Tuolloin matkapuhelimet olivat vain äänipuhelulaitteita, ja ne olivat melko suuria ja painavia. Sitten vuonna 1991 tuli kaupallisesti saataville 2G-viestintä, joka muutti olemassa olevan analogisen viestintäjärjestelmän digitaaliseksi, mikä paransi huomattavasti matkapuhelinten suorituskykyä ja käytettävyyttä. 2G-viestintä käytti digitaalisia signaaleja äänipuheluiden ja tekstiviestien tarjoamiseen, ja myös turvallisuutta parannettiin. 2000-luvulla kolmannen sukupolven viestintä tuli kaupallisesti saataville, ja se mahdollisti matkapuhelimien lähettää ja vastaanottaa suuria tietomääriä. Tuolloin ilmestyneet matkapuhelimet menivät yksinkertaisia viestintälaitteita pidemmälle ja niistä tuli älypuhelimien alku, joissa oli internet-yhteys ja multimediaominaisuudet.
Vuonna 2011 LTE (long-term evolution), joka edustaa 3G:n pitkän aikavälin kehitystä, siirtyi kaupallistamisvaiheeseen. LTE mahdollisti nopean tiedonsiirron, mikä mahdollisti sujuvat suoratoistopalvelut ja suurten tiedostojen siirrot. Tämä paransi huomattavasti älypuhelinten käyttäjien käyttökokemusta ja johti mobiili-internetin käytön räjähdysmäiseen kasvuun. Tarkastellaanpa langattoman viestintätekniikan tutkimusta, joka kehittyy niin nopeasti.
Langattoman viestintätekniikan tarkoituksena on pohjimmiltaan lähettää tiettyä tietoa etäsijaintiin. Kun useat laitteet lähettävät ja vastaanottavat signaaleja samanaikaisesti, langaton viestintä käy läpi signaalinmuunnosprosessin, jota kutsutaan modulaatioksi. Siinä vastaanotetaan vain tietyn laitteen lähettämät signaalit. Modulaatiolla on kaksi toimintoa: signaalien taajuuden lisääminen ja signaalien salaaminen. Modulaatiotekniikan kehitys on nykyaikaisen langattoman viestinnän ydin.
Yksinkertaisena esimerkkinä oletetaan, että maailmassa on vain kolme matkapuhelinta, A, B ja C, ja haluamme soittaa A:han. Ihmisen kuulotaajuusalue on 20–20,000 20 Hz, joten lähettämämme ja vastaanottamamme data on äänisignaaleja, joiden taajuudet ovat 20,000–100 20 Hz. Jos A, B ja C kuitenkin lähettävät signaaleja samanaikaisesti ilman modulaatiota, saman taajuusalueen signaalien välillä esiintyy interferenssiä, mikä tekee mahdottomaksi erottaa A:n signaalia kolmen signaalin joukosta. Tämän ongelman ratkaisemiseksi modulaatioprosessin aikana suoritetaan taajuussiirto. Esimerkiksi kokonaistaajuutta voidaan nostaa 40 kHz:llä, signaalin A taajuutta voidaan nostaa 100 kHz:llä ja signaalin B taajuutta voidaan nostaa 120 kHz:llä ennen lähetystä. Tällöin 120–140 kHz:n signaali on C, 140–160 kHz:n signaali on A ja 2–20 kHz:n signaali on B, jolloin on mahdollista erottaa, mikä signaali tuli mistäkin laitteesta. Todellisessa tiedonsiirrossa taajuutta nostetaan yhteensä noin XNUMX GHz. Tätä taajuutta kutsutaan kantoaaltotaajuudeksi ja kunkin laitteen käyttämää taajuusaluetta kaistanleveydeksi. Yllä olevassa esimerkissä kaistanleveys on XNUMX kHz.
Toisaalta, kun äänisignaaleja lähetetään vain taajuutta nostamalla, tilassa olevien sähkömagneettisten aaltojen häiriöt aiheuttavat signaalin vääristymistä. Tilassa olevia sähkömagneettisia aaltoja kutsutaan kohinaksi. Pelkästään taajuutta nostamalla tapahtuvassa lähetyksessä lähetettävä informaatio sisältyy sähkömagneettisten aaltojen amplitudiin, joten tätä kutsutaan AM:ksi (amplitudimodulaatioksi). AM:ää ei kuitenkaan käytetä laajalti jokapäiväisessä elämässä. Tämä johtuu siitä, että AM:ää käytettäessä signaalin voimakkuus on suhteellisen heikko verrattuna muihin modulointimenetelmiin, ja alkuperäinen lähetetty signaali vääristyy suuresti kohinan vuoksi. Tämän ongelman ratkaisemiseksi signaaliin sovelletaan ennen lähetystä eräänlaista salausprosessia, jonka vastaanotin sitten purkaa. Tämä prosessi vaihtelee käytetyn modulointimenetelmän mukaan. Salausprosessin tärkeimmät tekijät ovat modulointiprosessin luotettavuus ja kaistanleveyden tehokkuus.
Modulaatioprosessin luotettavuus mittaa sitä, kuinka tarkasti vastaanotettu signaali voidaan tulkita alkuperäiseksi signaaliksi, kun alun perin lähetettäväksi tarkoitettu informaatio on kohinasta vääristynyt. Yksinkertainen esimerkki menetelmästä luotettavuuden lisäämiseksi on lähettää signaali useita kertoja. Esimerkiksi digitaalista informaatiota 1 lähetettäessä, jos lähetät sen viisi kertaa bittiä kohden, lähetät 11111, joten vaikka kohina vääristäisi signaalia 11011:een, voit helposti päätellä, että alkuperäinen signaali oli 1.
Toisaalta, kuten aiemmin mainittiin, kun useat laitteet ovat vuorovaikutuksessa samanaikaisesti, laitteiden välillä käytettyjen taajuusalueiden on oltava erilaiset. Tässä tapauksessa mitä pienempi on laitteen käyttämä taajuusalue, sitä useammat laitteet voivat kommunikoida samalla taajuusalueella. Tätä kutsutaan kaistanleveyden tehokkuudeksi. Yllä olevassa esimerkissä, koska sama tieto lähetetään viisi kertaa, tieto on lähetettävä viisi kertaa nopeammin, jotta tieto voidaan lähettää samalla nopeudella. Tämän seurauksena tiedon lähettämiseksi viisi kertaa lähetetyn signaalin taajuuden on oltava viisi kertaa suurempi, joten tässä tapauksessa kaistanleveyden tehokkuus on hyvin alhainen. Yleisesti ottaen, mitä luotettavampi modulointimenetelmä on, sitä alhaisempi on yleensä kaistanleveyden tehokkuus.
Hyvä esimerkki uuden modulointimenetelmän käyttöönotosta on LTE. LTE on standardi nopealle langattomalle tiedonsiirrolle, mikä tarkoittaa, että kanavakapasiteettia ja tiedonsiirtonopeutta on lisätty käyttämällä uusia modulointimenetelmiä GSM/EDGE- ja UMTS/HSPA-teknologioissa. GSM/EDGE on meille tuttu 2G-tiedonsiirtotekniikka ja UMTS/HSPA on 3G-tekniikan nimi. Lyhyesti sanottuna LTE on uusi modulointimenetelmä 3G-tekniikalle, joka lisää nopeutta. Tarkkaan ottaen LTE:tä ei voida kutsua 4G:ksi, kuten matkaviestinoperaattorit usein mainostavat, mutta sillä on silti etuja olemassa olevaan 3G-tekniikkaan verrattuna, kuten nopeampi nopeus, suurempi läpäisykyky ja alhaisemmat käyttökustannukset. Kuten näette, tietoliikennetekniikan historia osoittaa, että langattoman tietoliikennetekniikan kehityksen avain on modulointimenetelmien kehittämisessä. Nykyään langattoman tietoliikenteen tutkijat yrittävät edelleen selvittää, miten nykyisten modulointimenetelmien puutteet voidaan korjata ja kehittää nopeampia ja tarkempia langattomia tietoliikenneteknologioita, ja heidän ponnistelunsa kantavat vähitellen hedelmää jokapäiväisessä elämässämme.
