В продолжение статей
Длинные волны (ДВ, 100–300 кГц) обладают уникальным свойством — они огибают земную поверхность и могут распространяться на тысячи километров, не требуя спутников или ретрансляторов. В прошлом веке ДВ-вещание было основой государственного радиовещания, но уступило место FM и интернету из-за низкой энергоэффективности классической амплитудной модуляции (АМ). Однако сегодня, когда инфраструктура связи становится уязвимой, а смартфоны оснащены встроенными Qi-катушками, идеально настроенными на диапазон 100–200 кГц, мы можем вернуть «дальнобойное» радио на новом технологическом уровне.
В этой статье мы расскажем, как с помощью импульсной амплитудной модуляции (ИАМ) можно передавать не только стереозвук высокого качества, но и встраивать в сигнал цифровые данные — «радио-СМС» — без ухудшения приёма на старых приёмниках и без потери дальности. Система универсальна и может применяться не только в ДВ, но и в любом диапазоне, отведённом для АМ-вещания (средние волны, короткие волны), при соответствующем выборе частоты и параметров.
Импульсная АМ: эффективность и дальность
Классическая АМ работает так: мощная несущая частота излучается непрерывно, а её амплитуда меняется в такт звуковому сигналу. При этом более 50% энергии уходит на несущую, которая сама по себе не несёт полезной информации. Это делает классический АМ-передатчик крайне неэкономичным (КПД 30–50 %).
В импульсной АМ используется принцип ударного возбуждения. Вместо непрерывной несущей передатчик генерирует короткие мощные импульсы (длительностью не более 20% от периода повторения). Эти импульсы «раскачивают» антенный контур, который благодаря высокой добротности (Q) продолжает колебаться между импульсами. Такой ключевой режим работы позволяет достичь КПД выходного каскада 80–90 % — в два-три раза выше, чем у классической АМ. При этом пиковая амплитуда сигнала может быть такой же, а дальность распространения сигнала увеличивается в два раза.
Стерео с временным разделением каналов
Для передачи стереофонического сигнала мы используем временное разделение каналов (Time Division Multiplexing, TDM). Частота ШИМ (широтно-импульсной модуляции) устанавливается, например, 200 кГц. В каждый период (5 мкс) передаётся информация либо левого, либо правого канала, и каналы чередуются. Так, левый канал обновляется с частотой 100 кГц, правый — тоже 100 кГц.
Важное преимущество такого подхода — полная совместимость с моно-приёмниками. Любой классический АМ-детектор выделяет огибающую, усреднённую за несколько периодов несущей, и воспроизводит сумму левого и правого каналов (L+R)/2 — то есть обычный моносигнал. Для стерео-приёма достаточно синхронного детектора, который разделяет чётные и нечётные периоды. На смартфоне это может быть выполнено программно с использованием сигнала с Qi-катушки.
Радио-СМС: цифровые данные внутри аналогового сигнала
Чтобы передавать короткие текстовые сообщения, команды оповещения или даже координаты, мы встраиваем цифровую информацию непосредственно в ширину ШИМ-импульсов, но так, чтобы она не влияла на воспринимаемый звук. Для этого используется микро-ШИМ: к значению скважности, определённому звуковым сигналом, добавляется малая дельта (±1 такт таймера). При максимальной скважности 9 тактов (20% периода) изменение на ±1 даёт изменение амплитуды менее 2% — для слуха это незаметно, особенно после фильтрации выходным LC-контуром.
Однако для надёжной передачи данных на большие расстояния, где присутствуют импульсные помехи (грозы, промышленные помехи), необходима избыточность и помехоустойчивое кодирование.
Поток данных организуется в кадры. Предлагаемый формат:
Поле - Размер (бит) - Назначение
- Преамбула - 16 - Фиксированная последовательность 10101010 10101010 для захвата битовой синхронизации.
- Стартовый маркер - 8 - Уникальный паттерн 11110000 (0xF0), обозначающий начало полезной нагрузки.
- Длина данных - 8 - Количество байт полезных данных (N), от 1 до 255.
- Данные - 8·N - Полезная нагрузка (текст, команда).
- CRC - 16 - Контрольная сумма данных по алгоритму CRC-16-CCITT (полином 0x1021).
- Стоп-маркер - 8 - 00001111 (0x0F) для дополнительной кадровой синхронизации.
Восстановление после повреждений
На физическом уровне каждый бит данных передаётся троекратно (REPETITION = 3). Приёмник принимает решение по большинству из трёх принятых символов, что позволяет исправлять одиночные ошибки. CRC-16 позволяет обнаружить остаточные ошибки, а в перспективе может использоваться код Рида-Соломона или свёрточное кодирование для исправления пакетов ошибок.
Метка времени (опционально) может быть включена в поле данных, например, в виде 4-байтового Unix-времени в начале сообщения.
Оптимальный размер блока данных
Для баланса между надёжностью и оперативностью рекомендуемый размер блока данных — 32 байта (256 бит). Это позволяет передавать короткое сообщение за ~100 мс при скорости информационных бит ~3,3 кбит/с. При необходимости можно увеличить до 128 байт, но это увеличит время передачи до ~0,4 с, что всё ещё приемлемо для некритичных сообщений.
Универсальность метода для других АМ-диапазонов
Хотя система разрабатывалась для ДВ-диапазона (100–200 кГц), она применима и в средневолновом (520–1710 кГц), и в коротковолновом диапазонах. Единственное, что меняется — это частота ШИМ (несущая) и параметры выходного контура. Всё остальное: метод ударного возбуждения, временное разделение каналов, микро-ШИМ и кадровая структура данных — остаётся неизменным. Это позволяет создавать унифицированные передатчики для разных диапазонов, а приёмником может служить тот же смартфон с Qi-катушкой (для ДВ) или любое другое устройство с настроенной на нужную частоту магнитной антенной.
Пример реализации на Arduino
По ссылке можно скачать код для Arduino (ATmega328), демонстрирующий работу передатчика, совмещающего стерео-вещание и передачу радио-СМС. Код использует таймер 2 для генерации ШИМ 200 кГц, АЦП для чтения двух аудиоканалов (левый — A0, правый — A1) и формирует кадры данных, встраивая их с помощью микро-ШИМ.
Примечание: Для реального использования необходим выходной LC-контур, настроенный на частоту ШИМ, и мощный ключевой каскад (MOSFET), управляемый сигналом с вывода ШИМ-модулятора. Код приведён для демонстрации логики формирования совмещенного потока аудио и данных.
Совмещение стереозвука и цифровой передачи данных в одном сигнале на основе импульсной амплитудной модуляции открывает новые возможности для дальней связи. Используя встроенные Qi-катушки смартфонов в качестве антенн, можно создать надёжную систему оповещения и вещания, не зависящую от интернета и спутников. Предложенные методы (микро-ШИМ, временное разделение каналов, избыточное кодирование и кадровая структура) обеспечивают высокую энергоэффективность, устойчивость к помехам и совместимость с существующими приёмниками. Предложенный способ радиовещания позволяет принимать звуковую информацию даже на детекторные приёмники.
Технология легко адаптируется для средневолнового и коротковолнового диапазонов, что делает её универсальным инструментом для восстановления «дальнобойного» радиовещания на новом техническом уровне. В условиях кризисов и необходимости массового оповещения такая система может стать последним надёжным каналом связи.