How Bits Ride on Radio Waves: Modulationبیتەکان چۆن سواری شەپۆلە ڕادیۆییەکان دەبن: مۆدیولەیشن

A sensor in a greenhouse measures 24 °C. A moment later the number is on a gateway hundreds of metres away, with no cable between them. How? Data transmission means sending information by changing it into signals, and a wireless device does it in three steps: the data becomes bits (0s and 1s), and the bits become electromagnetic waves that travel through the air.

هەستەوەرێک (Sensor) لە گوڵخانەیەکدا ⁦24 °C⁩ دەپێوێت. چرکەیەک دواتر ژمارەکە لەسەر دەروازەیەکی ڕایەڵەیە (Gateway) کە سەدان مەتر دوورە، بەبێ هیچ کێبڵێک لە نێوانیاندا. چۆن؟ ناردنی دراوە واتە ناردنی زانیاری بە گۆڕینی بۆ سیگناڵەکان (Signal) و ئامێرێکی بێتەل (Wireless) ئەمە بە سێ هەنگاو دەکات: دراوەکە دەبێتە بیتەکان (⁦0⁩ و ⁦1⁩)، پاشان بیتەکان دەبنە شەپۆلە ئەلیکترۆموگناتیسییەکان کە بە هەوادا دەڕۆن.

The last step, from bits to a wave, is called modulation, and the part of the device that does it is the radio. This lesson explains both. Analog and digital signals themselves are taught in Analog and digital signals.

دوایین هەنگاو، لە بیتەکانەوە بۆ شەپۆل، پێی دەوترێت مۆدیولەیشن و ئەو بەشەی ئامێرەکە کە دەیکات ڕادیۆیە. ئەم وانەیە هەردووکیان ڕوون دەکاتەوە. خودی سیگناڵەکانی ئەنالۆگ (Analog) و دیجیتاڵ لە سیگناڵەکانی ئەنالۆگ و دیجیتاڵ فێر دەکرێن.

Computers and radios work with two values only, so 24 must be written in binary. With eight bits, the place values are 128, 64, 32, 16, 8, 4, 2 and 1. Since 24 = 16 + 8, the two bits for 16 and 8 are 1 and all the others are 0: 24 = 00011000.

کۆمپیوتەرەکان (Computer) و ڕادیۆکان تەنیا بە دوو بەها کار دەکەن، بۆیە دەبێت ⁦24⁩ بە دووانی (Binary) بنووسرێت. بە هەشت بیت، بەهای شوێنەکان ⁦128⁩، ⁦64⁩، ⁦32⁩، ⁦16⁩، 8، 4، 2 و 1ن. چونکە ⁦24 = 16 + 8⁩، ئەو دوو بیتەی بۆ ⁦16⁩ و 8ن دەبنە 1 و هەموو ئەوانی تر 0ن: ⁦24 = 00011000⁩.

Eight bits can hold any whole number from 0 to 255. How to convert step by step is taught in Decimal to binary; how a sensor’s voltage became a number in the first place is in the ADC. Real devices often send 24.5 °C as 245 in 16 bits so the decimal survives; packing readings into few bytes is shown in LoRa.

هەشت بیت دەتوانێت هەر ژمارەیەکی تەواو (Integer) لە 0 تا ⁦255⁩ هەڵبگرێت. گۆڕین هەنگاو بە هەنگاو لە دەیی بۆ دووانی فێر دەکرێت؛ چۆنیەتیی بوونی ڤۆڵتیەی (Voltage) هەستەوەرێک بە ژمارە لە گۆڕەری ئەنالۆگ بۆ دیجیتاڵدایە. ئامێرە ڕاستەقینەکان زۆرجار ⁦24.5 °C⁩ وەک ⁦245⁩ بە ⁦16⁩ بیت دەنێرن بۆ ئەوەی ژمارەی دوای خاڵەکە نەفەوتێت؛ پەستاوتنی خوێندنەوەکان بۆ ناو چەند بایتێکی (Byte) کەم لە LoRa پیشان دراوە.

A radio sends a carrier wave: a steady sine wave at one fixed frequency, for example 868 MHz. On its own it carries nothing, like a blank page. To write bits on it, the radio changes one of its three properties:

ڕادیۆ شەپۆلێکی هەڵگر دەنێرێت: شەپۆلێکی ساین (Sine wave) جێگیر لەسەر یەک لەرەلەری نەگۆڕ، بۆ نموونە ⁦868 MHz⁩. بە تەنیا هیچ هەڵناگرێت، وەک پەڕەیەکی سپی. بۆ نووسینی بیتەکان لەسەری، ڕادیۆکە یەکێک لە سێ تایبەتمەندییەکەی دەگۆڕێت:

Careful: frequency is not the wave’s speed. Every radio wave travels at the speed of light, about 300,000 km per second. 868 MHz means 868 million cycles every second; a higher frequency only wiggles more often. Waves in general are described in Describing waves.

وریا بە: لەرەلەر خێرایی شەپۆلەکە نییە. هەموو شەپۆلێکی ڕادیۆیی بە خێرایی ڕووناکی دەڕوات، نزیکەی ⁦300000 km⁩ لە چرکەیەکدا. ⁦868 MHz⁩ واتە ⁦868⁩ ملیۆن خول لە هەر چرکەیەکدا؛ لەرەلەری بەرزتر تەنیا زیاتر دەلەرێتەوە. شەپۆل بە گشتی لە وەسفکردنی شەپۆل ڕوون کراوەتەوە.

To send bits over radio waves we must modulate the wave: change its behaviour so that it represents the data. There are three main types. Amplitude modulation (AM) changes the height of the wave, frequency modulation (FM) changes how fast it wiggles, and phase modulation (PM) changes its position in the cycle. Each changes the wave differently to carry information.

بۆ ناردنی بیتەکان بە شەپۆلە ڕادیۆییەکان دەبێت شەپۆلەکە مۆدیولەیت بکەین: ڕەفتاری بگۆڕین بۆ ئەوەی دراوەکە نیشان بدات. سێ جۆری سەرەکی هەیە. مۆدیولەیشنی دامەنە بەرزیی شەپۆلەکە دەگۆڕێت، مۆدیولەیشنی لەرەلەر خێرایی لەرینەوەکەی دەگۆڕێت و مۆدیولەیشنی فاز شوێنەکەی لە خولدا دەگۆڕێت. هەریەکەیان شەپۆلەکە بە شێوەیەکی جیاواز دەگۆڕێت بۆ هەڵگرتنی زانیاری.

AM and FM radio stations change the wave smoothly to follow a voice. For digital data the wave only switches between a few fixed states, and the same three ideas are then called ASK, FSK and PSK: amplitude-, frequency- and phase-shift keying.

وێستگە ڕادیۆییەکانی AM و FM شەپۆلەکە بە نەرمی دەگۆڕن بۆ ئەوەی بە دوای دەنگێکدا بڕوات. بۆ دراوەی دیجیتاڵ شەپۆلەکە تەنیا لە نێوان چەند دۆخێکی نەگۆڕدا دەگۆڕێت و ئەو کاتە هەمان سێ بیرۆکە پێیان دەوترێت ASK، FSK و PSK.

In ASK a 1 is sent as a tall wave and a 0 as a short one. In its simplest form, on-off keying, the radio is simply on for 1 and off for 0, like Morse code with a torch. ASK needs very little hardware, so many cheap 433 MHz remote controls use it, and many fibre-optic links switch light on and off the same way.

لە ASKـدا 1 وەک شەپۆلێکی بەرز و 0 وەک شەپۆلێکی نزم دەنێردرێت. لە سادەترین شێوەیدا، کلیلکردنی هەڵکردن و کوژاندنەوە ⁦(on-off keying)⁩، ڕادیۆکە بۆ 1 هەڵدەکرێت و بۆ 0 دەکوژێنرێتەوە، وەک کۆدی مۆرس (Morse code) بە چرایەک. ASK ئامێری زۆر کەمی پێویستە، بۆیە زۆرێک لە ڕیمۆتە هەرزانەکانی ⁦433 MHz⁩ بەکاری دەهێنن و زۆرێک لە بەستەرەکانی کێبڵی فایبەر ئۆپتیکیش (Fibre-optic cable) بە هەمان شێوە ڕووناکی هەڵ دەکەن و دەیکوژێننەوە.

Its weakness is noise. Electrical noise, other radios and fading all change the height of a wave, and height is exactly what the receiver measures. A burst of noise can make a 0 look like a 1.

لاوازییەکەی ژاوەژاوە (Noise). ژاوەژاو، ڕادیۆی تر و لاوازبوونی سیگناڵ هەموویان بەرزیی شەپۆل دەگۆڕن و بەرزیش ڕێک ئەو شتەیە کە وەرگرەکە دەیپێوێت. کەمێک ژاوەژاو دەتوانێت 0ـێک وەک 1 دەربخات.

In FSK the radio switches between two frequencies, one for 0 and one for 1, while the height stays the same. A receiver listens for “which tone?”, so noise that changes heights does not fool it. Most radios smooth the jumps between tones (GFSK), so the signal stays inside its channel.

لە FSKـدا ڕادیۆکە لە نێوان دوو لەرەلەردا دەگۆڕێت، یەکێک بۆ 0 و یەکێک بۆ 1، لە کاتێکدا بەرزییەکە وەک خۆی دەمێنێتەوە. وەرگر گوێ دەگرێت بزانێت «کام دەنگە؟»، بۆیە ئەو ژاوەژاوەی بەرزی دەگۆڕێت هەڵی ناخەڵەتێنێت. زۆربەی ڕادیۆکان بازدانی نێوان دەنگەکان نەرم دەکەن (GFSK) بۆ ئەوەی سیگناڵەکە لە ناو کەناڵی ڕادیۆییەکەی (Channel (radio)) خۆیدا بمێنێتەوە.

Because the height never changes, the transmitter’s amplifier can run flat out, where it wastes the least battery. That is why FSK and GFSK are everywhere in IoT: Bluetooth LE, Z-Wave and many sub-GHz sensors use them, Sigfox uses GFSK for its downlink, and LoRaWAN offers an FSK data rate of 50 kbit/s besides LoRa.

چونکە بەرزییەکە هەرگیز ناگۆڕێت، بەهێزکەری (Amplifier) نێرەرەکە دەتوانێت بە تەواوی هێز کار بکات، کە لەوێدا کەمترین پاتری بەفیڕۆ دەدات. بۆیە FSK و GFSK لە هەموو شوێنێکی IoTـدا هەن: بلووتووسی کەموزە (Bluetooth Low Energy)، Z-Wave و زۆر هەستەوەری خوار ⁦1 GHz⁩ بەکاریان دەهێنن، Sigfox بۆ ناردنی خوارەوەکەی (Downlink) GFSK بەکار دەهێنێت و LoRaWAN جگە لە LoRa ڕێژەیەکی FSKـی ⁦50 kbit/s⁩ـیش پێشکەش دەکات.

In PSK height and frequency stay the same, but the wave jumps to a different point of its cycle. In the simplest form, BPSK, a 0 is the same wave turned upside down: shifted by 180°. QPSK uses four phases, so each change carries two bits.

لە PSKـدا بەرزی و لەرەلەر وەک خۆیان دەمێننەوە، بەڵام شەپۆلەکە باز دەدات بۆ خاڵێکی تری خولەکەی. لە سادەترین شێوەیدا، BPSK، 0 هەمان شەپۆلە بە سەرەوژێری: ⁦180°⁩ جووڵاوە. QPSK چوار فاز بەکار دەهێنێت، بۆیە هەر گۆڕانێک دوو بیت هەڵدەگرێت.

BPSK survives the most noise of these methods, but the receiver must keep very exact time to know where each cycle should be. Differential PSK (DBPSK) makes this easier: the receiver only checks whether the phase changed from one bit to the next. Sigfox sends its uplinks with DBPSK, and Zigbee at 2.4 GHz uses a four-phase form (O-QPSK).

BPSK لە نێو ئەم شێوازانەدا زۆرترین ژاوەژاو بەرگە دەگرێت، بەڵام وەرگرەکە دەبێت کاتێکی زۆر ورد بپارێزێت بۆ ئەوەی بزانێت هەر خولێک دەبێت لە کوێ بێت. PSKـی جیاوازی ⁦(DBPSK)⁩ ئەمە ئاسانتر دەکات: وەرگرەکە تەنیا دەپشکنێت ئایا فاز لە بیتێکەوە بۆ بیتی دواتر گۆڕاوە. Sigfox ناردنەکانی سەرەوەی (Uplink) بە DBPSK دەنێرێت و Zigbee لە ⁦2.4 GHz⁩ـدا شێوەیەکی چوار-فازی ⁦(O-QPSK)⁩ بەکار دەهێنێت.

So what is a radio? It is the hardware part — the physical layer (PHY) — that takes your bits and runs an algorithm to turn them into modulated electromagnetic waves, then sends them out through the antenna. On the other side another radio demodulates the wave: it measures the heights, tones or phases and turns them back into bits. This is how Wi-Fi, Bluetooth, LoRa and 4G all send data wirelessly; they differ in how they modulate.

کەواتە ڕادیۆ چییە؟ بەشێکی ڕەقەواڵەیە (Hardware) — چینی فیزیکی ⁦(PHY)⁩ — کە بیتەکانت وەردەگرێت و ئەلگۆریزمێک (Algorithm) جێبەجێ دەکات بۆ گۆڕینیان بۆ شەپۆلە ئەلیکترۆموگناتیسییەکانی مۆدیولەیتکراو، پاشان لە ڕێگەی ئەنتێناوە (Antenna) دەیاننێرێت. لە لای ترەوە ڕادیۆیەکی تر شەپۆلەکە دیمۆدیولەیشن (Demodulation) دەکات: بەرزی، دەنگ یان فازەکان دەپێوێت و دەیانکاتەوە بە بیت. وای‌فای (Wi-Fi)، Bluetooth، LoRa و ⁦4G⁩ هەموویان بەم شێوەیە دراوە بە بێتەلی دەنێرن؛ لە شێوازی مۆدیولەیشندا جیاوازن.

The PHY is the lowest layer of a network. Everything above it — addresses, the rules for who may send when, the app’s data — belongs to higher layers; see The physical layer. A modem does the same job over a cable: How modulation works.

چینە فیزیکییەکە نزمترین چینی ڕایەڵەیە (Network). هەموو شتێک لە سەرووییەوە — ناونیشان، یاساکانی کێ و کەی دەتوانێت بنێرێت، دراوەی ئەپەکە — هی چینە بەرزترەکانە؛ بڕوانە چینی فیزیکی. مۆدێم (Modem) هەمان کار بە کێبڵ دەکات: مۆدیولەیشن چۆن کار دەکات.

Wi-Fi, 4G and 5G change height and phase together (QAM) and spread the data over hundreds of narrow carriers (OFDM), so each change of the wave carries many bits; see QAM and OFDM. That needs a strong, clean signal and an amplifier that keeps every height exact, which costs power.

وای‌فای، ⁦4G⁩ و ⁦5G⁩ بەرزی و فاز پێکەوە دەگۆڕن (QAM) و دراوە بەسەر سەدان شەپۆلی هەڵگری تەسکدا بڵاو دەکەنەوە (OFDM)، بۆیە هەر گۆڕانێکی شەپۆل زۆر بیت هەڵدەگرێت؛ بڕوانە QAM و OFDM. ئەمە سیگناڵێکی بەهێز و پاکی پێویستە، لەگەڵ بەهێزکەرێک کە هەموو بەرزییەک ورد بپارێزێت و ئەمەش وزەی دەوێت.

A battery sensor 10 km from its gateway has the opposite problem: a weak signal and a tiny battery. So LPWAN radios choose waves whose height never changes: FSK, and LoRa’s chirps, whose frequency sweeps smoothly up or down (LoRa). The amplifier can then run flat out, where it wastes the least energy; the chips stay simple and cheap; and slow changes give every bit more energy, so it is understood farther away (the trade-off). Sigfox goes another way: very slow, very narrow DBPSK.

هەستەوەرێکی پاتری کە ⁦10 km⁩ لە دەروازەی ڕایەڵەکەی دوورە کێشەی پێچەوانەی هەیە: سیگناڵێکی لاواز و پاترییەکی بچووک. بۆیە ڕادیۆکانی ڕایەڵەی فراوانی کەموزە (Low-power wide-area network) ئەو شەپۆلانە هەڵدەبژێرن کە بەرزییان هەرگیز ناگۆڕێت: FSK و جریوەکانی LoRa، کە لەرەلەرەکەیان بە نەرمی بەرز یان نزم دەبێتەوە (LoRa). ئەو کاتە بەهێزکەرەکە دەتوانێت بە تەواوی هێز کار بکات، کە لەوێدا کەمترین وزە بەفیڕۆ دەدات؛ چیپەکان (Microchip) سادە و هەرزان دەمێننەوە. هەروەها گۆڕانی خاو وزەی زیاتر دەداتە هەر بیتێک، بۆیە لە دووریی زیاتریشدا دەناسرێتەوە (هاوسەنگییەکە). Sigfox ڕێگەیەکی تر دەگرێت: DBPSKـی زۆر خاو و زۆر تەسک.

Here are the radios of this chapter and what they change on the wave. Notice how the battery-powered IoT radios prefer methods that keep the height steady.

لێرەدا ڕادیۆکانی ئەم بەشە و ئەوەی لەسەر شەپۆلەکە دەیگۆڕن دانراون. سەرنج بدە چۆن ڕادیۆکانی IoT کە بە پاتری کار دەکەن ئەو شێوازانەیان پێ باشە کە بەرزی جێگیر دەهێڵنەوە.

Next: LoRa, the long-range radio that modulates with chirps.

دواتر: LoRa، ئەو ڕادیۆیەی بۆ دووریی زۆر دەنێرێت و بە جریوەکان مۆدیولەیت دەکات.