Передача информации в общем случае существует двух видов – в пространстве и во времени. В пространстве информация передается с помощью материального носителя, которым чаще всего выступает электромагнитная волна. Информация помещается на носитель путем модуляции либо непрерывной несущей гармоники, либо импульсной последовательности. Очевидно, что для распространения носителя в пространстве необходимы затраты энергии. В отличие от этого передача информации во времени (хранение) во многих случаях осуществляется без энергетических затрат (энергонезависимая память, библиотеки и др.).
Возможно ли использовать принципы передачи информации во времени для передачи ее в пространстве?
Рассмотрим два объекта в пространстве, один из которых – передатчик информации, другой – приемник, синхронизированные друг с другом (имеющие внутренние генераторы с одинаковой тактовой частотой). В начальный момент времени в передатчике запускается таймер, формирующий интервал времени, длительность которого задается подлежащим передаче цифровым блоком, поступившим от источника информации. Одновременно в приемнике запускается счетчик времени, отсчитывающий время с нуля. По каналу связи между передатчиком и приемником в это время ничего не передается. По достижению таймером заданного значения передатчик останавливает счет и излучает короткий стоп-импульс, несущий один бит информации. Приемник, получив этот импульс, тоже останавливает счет времени, фиксирует значение счетчика и передает значение длительности измеренного интервала времени получателю информации. Единственный передаваемый по каналу связи стоп-импульс выполняет также функцию синхронизации передатчика и приемника – с момента его формирования начинается интервал передачи следующего блока информации.
Таким образом, используя передачу в пространстве только одного импульса предельно малой длительности, переносящего один бит информации, можно передать цифровой информационный блок произвольной величины без излучения энергии в пространство. Этим решаются вопросы энергоэффективности и дефицита частот.
Максимальное количество информации, содержащееся в передаваемом цифровом блоке, определяется числом разрядов счетчиков в передатчике и приемнике, а скорость передачи – тактовой частотой в этих счетчиках. Тактовая частота, в свою очередь, никак не зависит от канала связи, а определяется только быстродействием используемых счетчиков. Данный способ передачи информации можно назвать одноимпульсной модуляцией (SPM – single pulse modulation).
Способы применения одноимпульсной модуляции:
1. Канал связи с минимальной энергетикой
Например, в передатчике и приемнике используются 6-разрядные счетчики с тактовой частотой 10 ГГц. Максимальное значение передаваемого блока – 64, объем информации – 6 бит. Максимальное время передачи (время счета 64 такта) – 6,4 нс, тогда скорость передачи информации – 938 Мбит/с. Возьмем в качестве стоп-импульса положительный полупериод синусоиды частотой 10 ГГц, тогда среднее время занятия канала связи при передаче информации составит 1,6%. Возможное применение – автономные передатчики с батарейным питанием, используемые в интернете вещей, и передача информации в дальнем космосе при ограниченной энергетике.
2. Многоканальная передача – мультиплексирование с временным разделением
Если блоки информации по каналу связи передаются, оставляя физический канал свободным в течение 99% времени, этот канал можно использовать для организации параллельной работы нескольких логических каналов, образуя мультиплексирование с одноимпульсной модуляцией (SPM/M).
В логических каналах каждый из них должен иметь собственный стоп-импульс, чтобы идентифицировать окончание своего интервала времени. При небольшом числе каналов (2-5) стоп-импульс может быть образован группой импульсов, число которых в группе соответствует номеру канала. При большем числе логических каналов составной стоп-импульс может соответствовать номеру канала в двоичном коде, тогда для 32-канальной системы стоп-импульс должен состоять из 5 одиночных импульсов. Скорость передачи при использовании 30-канального уплотнения составит 10 Гбит/с.
3. Множественный доступ
Метод SPM/M позволяет организовать множественный доступ к среде передачи – сеть независимых передатчиков, работающих на одной частоте.
Каждый передатчик имеет собственный стоп-импульс, несущий номер передатчика. При небольшом числе передатчиков вероятность коллизии (наложения стоп-импульсов) будет небольшой, и возникающие ошибки могут устраняться повторной передачей. Возможно введение дополнительного кодирования, динамически меняющего длительность передаваемого блока путем введения дополнительного бита для предотвращения коллизий. Вариант применения – построение сети мобильной связи с гигабитовыми скоростями, использующей одну частоту.
Минцифры решило провести в 2025 году аукцион частот для 5G. Начальная цена лота шириной 100 МГц будет 26,23 млрд. руб.
Требования Международного союза электросвязи (ITU-R) к 5G : скорость передачи данных до 20 Гбит/с, задержка до 1 мс, плотность подключений до 1 миллиона устройств на квадратный километр и повышенная энергоэффективность. При этом не принято задавать вопросы, сколько нужно иметь частот для работы устройств, расположенных через каждый метр? Кто и как будет обеспечивать электропитание этих устройств?
Одноимпульсная модуляция позволяет снизить потребность в частотах и в энергии в десятки раз.
4. Локальные сети
В локальных компьютерных сетях повсеместно используется стандарт Ethernet (метод множественного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий). В сегменте такой сети могут работать до нескольких десятков узлов, но в каждый момент времени передачу может вести только один узел, поэтому пропускная способность сети делится на все узлы. При переходе к модуляции SPM/M доступная каждому узлу скорость передачи при достаточно большом числе узлов будет практически равна пропускной способности сети, потому что при обнаружении коллизии нужно ждать окончания передачи не всего блока информации, а только стоп-импульса. То есть заменой сетевых карт можно многократно ускорить работу локальных сетей.
Можно придумать и другие применения, отличающиеся, например, высокой помехоустойчивостью, скрытностью. Интересно, почему одноимпульсную модуляцию (модуляцию паузы, время-импульсную модуляцию – называть можно как угодно) никто не использует?
Комментарии (20)
CitizenOfDreams
09.11.2025 18:38Была же уже полгода назад здесь на Хабре эта хрень с "бесплатной" передачей нулей.
ALT0105 Автор
09.11.2025 18:38Не нашёл. Можете прислать ссылку?
Передача нулей по цифровому каналу требует затрат энергии и занимает канал. Два нуля передавать одновременно невозможно
CitizenOfDreams
09.11.2025 18:38Можете прислать ссылку?
Ссылка в моем ответе выше, в слове "уже".
Передача нулей по цифровому каналу требует затрат энергии
Передавайте нули отсутствием сигнала, тогда передача "10000000000000001" ничем физически не будет отличаться от передачи "1 пауза 1".
и занимает канал.
В предложенной схеме пауза точно так же занимает канал, поскольку во время нее мы не можем передавать другие данные - приемник не отличит единицу, посланную ему, от единицы, посланной кому-то еще.
ALT0105 Автор
09.11.2025 18:38Ссылка в моем ответе выше, в слове "уже".
Увидел. Да, общая идея та же. Но не проработаны способы реализации и не оценена эффективность.
Передавайте нули отсутствием сигнала, тогда передача "10000000000000001" ничем физически не будет отличаться от передачи "1 пауза 1".
В цифровом канале последовательности нулей путем отсутствия сигнала не передаются из-за потери синхронизации, поэтому вместо кода NRZ используется Манчестер, передающий тактовую частоту
В предложенной схеме пауза точно так же занимает канал, поскольку во время нее мы не можем передавать другие данные - приемник не отличит единицу, посланную ему, от единицы, посланной кому-то еще.
Предложенный способ предназначен для использования в аналоговом канале, поэтому пауза - это отсутствие сигнала, освобождение канала. Частотный канал используется 1% времени и занимается только для передачи стоп-импульса. Остальные 99% можно использовать для передачи других стоп-импульсов передаваемых параллельно других блоков информации. Это одинаково можно использовать и в эфире, и в локальной сети. Ethernet на нижнем, физическом уровне модели OSI при передаче нулей занимает среду передачи так же, как и при передаче единиц и все остальные узлы стоят в ожидании освобождения канала. В данном способе они могут передавать свои короткие стоп-импульсы практически без коллизий, т.е. работать одновременно. Для этого нужно модифицировать Ethernet и разработать новый метод доступа
randomsimplenumber
09.11.2025 18:38Частотный канал используется 1% времени и занимается только для передачи стоп-импульса. Остальные 99% можно использовать для передачи других стоп-импульсов передаваемых параллельно других блоков информации
Как вы планируете отличить свой стоп импульс от любого другого?
ALT0105 Автор
09.11.2025 18:38Каждый приемник имеет свой стоп-импульс, точнее свою пачку импульсов. Если приемников немного, то у первого один импульс, второй два и т.д. Если их больше, то естественно использовать двоичное кодирование, тогда для 16 приемников пачка состоит из 4 импульсов, для 32 - из 5. Если в сети один передатчик и много приемников, он выбирает время для передачи, чтобы не произошло наложение и формирует стоп-импульс для каждого приемника. Если передатчиков много, они прослушивают среду передачи до завершения передачи текущего импульса и передают свой. Естественно, всем узлам сети прописывается свой аналог MAC-адреса и все их знают.
randomsimplenumber
09.11.2025 18:38Если вы умеете передавать и принимать пачку импульсов - можете не упарываться в синхронизацию а просто передавть данные как обычно.
Ну например, передатчики #4 и #5 одновременно передали одинаковую последовательность нулей. Они должны одновременно передать 4 и 5 стоп импульсов, ага? Вопрос: что именно примет приемник? 4, 5, 9, 1? ;)
ALT0105 Автор
09.11.2025 18:38Передавать данные как обычно можно, но дорого - низкая энергоэффективность и дефицит частот.
Все приемники слушают канал и распознают факт передачи своего стоп-импульса. Если передатчик один для многих приемников, импульсы не пересекутся. Если передатчиков много, возможны пересечения стоп-импульсов, нужно усложнять протокол. Это реализуемо, но требует более подробного описания - будет в журнале
randomsimplenumber
09.11.2025 18:38Вот что случается, когда теория сигналов прошла мимо ;) Мимо меня она тоже прошла, но я бухал в общаге с теми кто ее учил и слышал что то про спектр.
ALT0105 Автор
09.11.2025 18:38Спектр у стоп-импульса получается на первый взгляд страшный (широкий), но на второй, если сравнить его со спектром несущей, из которой он вырезан, - его не видно. Спектр стоп-импульса в 100 раз ниже спектра несущей
ALT0105 Автор
09.11.2025 18:38Этот материал был доложен на прошлой неделе на международной конференции "Проблемы техники и технологии телекоммуникаций" и вызвал интерес
programania
09.11.2025 18:38Узкий спектр имеет только непрерывная синусоида одной амплитуды.
Если её внезапно остановить и снова начать, спектр станет бесконечным.
В реальности мгновенно остановить и запустить невозможно.Для определения момента прихода импульса нужно точно измерять амплитуду.
Тогда проще передавать данные просто уровнем сигнала без пауз.
Т.е. получится амплитудная модуляция, чуствительная к помехам.
В чём выигрыш предложенного способа по сравнению с АМ?ALT0105 Автор
09.11.2025 18:38Стоп-импульс может иметь любую форму, например, прямоугольную. Я рассматривал другой пример - полупериод синусоиды. Для формирования и того, и другого нужен только ключ. При построении сети 6G, работающей в терагерцовом диапазоне, ключи, способные сформировать импульс длительностью доли наносекунды, всяко будут доступны.
Для определения момента прихода импульса нужен только пиковый детектор. Это гораздо проще чем любой другой демодулятор, посмотрите, например, схему приемника широко применяемого метода OFDM. При наличии помех можно использовать любой из известных методов повышения помехоустойчивости, например корреляционный прием для обнаружения стоп-импульса более сложной формы (в аналоговом канале, например, ЛЧМ, в цифровом канале - код Баркера).
Выигрыш по сравнению с АМ, ФМ, ЧМ и всеми видами импульсной модуляции - отсутствие передачи энергии в течение 99% времени сеанса связи, а это повышает энергоэффективность и освобождает частоты. Операторам не надо будет платить 24 миллиарда на диапазон частот для 5G.
randomsimplenumber
09.11.2025 18:38Так и не освобождает он никаких частот ;) даже если передается ничего - частота все равно занята.
Студенты 1 курса радиотехнических факультетов вышли из чатика ;)
ALT0105 Автор
09.11.2025 18:38В том-то и дело, что передатчик 99% времени выключен, канал совершенно свободен и его может использовать кто угодно. Некоторая аналогия с TDMA - разделением канала во времени. Более близкая аналогия с Ethernet - в котором десятки узлов работают в одном канале (по одной витой паре) и частота (канал) занимается всеми узлами по очереди.
Студенты 1 курса радиотехнических факультетов вышли из чатика ;)
Да, хорошо бы говорить без них
NightBlade74
Завязывай с наркотой
randomsimplenumber
С тех пор как в палату провели не только интернет но и
LLVMLVM - ни в чем нельзя быть уверенным