Какое излучение используют для передачи информации

Конспект урока по физике на тему «Радио- и СВЧ-волны в средствах связи» (11 класс)

Рассмотреть принципы передачи информации посредством ЭМВ.

Обучающие: знать принципы передачи информации различного формата при помощи электромагнитных волн; знать основные виды радиосвязи и отличия их друг от друга.

Развивающие: развитие широкого кругозора, развитие прогностического мышления на основании данных свойств объекта.

Воспитательные: формирование аккуратного и бережного отношения к продуктам интеллектуальной деятельности одноклассников.

Умение грамотно объяснять принцип передачи информации разного формата с помощью электромагнитных волн. Знание видов радиосвязи и отличия их друг от друга.

Техническое обеспечение урока

Мультимедийный проектор или документ-камера для проецирования теста.

1. Организационный этап.

Приветствие обучающихся. Проверка явки и готовности обучающихся к уроку.

2. Постановка цели и задач урока. Мотивация учебной деятельности обучающихся.

На прошлых уроках мы познакомились с электромагнитными волнами, процессом их распространения и свойствами. В повседневной жизни мы постоянно используем электромагнитное излучение для передачи информации – общение, телевидение, беспроводная связь и многое другое.

Каким образом осуществляется передача информации посредством ЭМВ?

Есть ли разница в передаче звукового сигнала и видео сигнала?

Сегодня на уроке мы должны рассмотреть вопрос практического применения электромагнитных волн человеком для передачи информации различного формата.

3. Актуализация знаний.

Проверка домашнего материала в виде фронтального опроса.

Какие диапазоны ЭМИ вы знаете?

Назовите их общие свойства.

Какие источники излучений вы знаете?

Назовите источники излучений, которые окружают нас сейчас.

Какие воздействия они оказывают на нас?

Какие виды излучений полезны для человеческого организма?

Какие излучения могут нанести вред живому существу?

4. Первичное усвоение новых знаний.

(Тема изучается посредством самостоятельного разбора нового материала с применением текста учебника и дополнительной информации см. таблицу №1). Самостоятельно выполняется опорный конспект (работа в микрогруппах с презентацией результата перед классом).

Таблица №1

Радиосвязь – передача информации с помощью электромагнитных волн радиодиапазона.

Радиовещание – передача речи и музыки с помощью электромагнитных волн радиодиапазона.

Телевидение – передача изображения, речи и музыки с помощью электромагнитных волн радиодиапазона.

А. С. Попов повторил опыты Герца и в апреле 1895 г. создал первый приемник (грозоотметчик). » Генрих Герц » — первая в мире радиограмма. (Передавалась азбукой Морзе).

7 мая 1895 г. демонстрация прибора на заседании Русского физико-химического общества. Дальность — 250м; 1899 г. — 20 км; 1901 г.—150 км. Попов впервые использовал когерер и приемную антенну.

Одновременно с Поповым над той же проблемой работал итальянский изобретатель Гульермо Маркони . Он усовершенствовал приемник, создал первую фирму, занявшуюся производством и продажей радиооборудования (Нобелевская премия по физике).

1 — антенна, 2 — когерер, 3 — электромагнитное реле, 4 — электрический звонок, 5 — источник тока.

Когерер — трубка с металлическими опилками (R очень большое). Когда волна улавливается антенной, напряжение увеличивается, между опилками проскакивают искорки, и они спаиваются. Сопротивление уменьшается, сила тока увеличивается. Включается реле, срабатывает звонок, молоточек звонка ударяет по когереру и происходит встряхивание опилок. Сопротивление когерера увеличивается, цепь звонка размыкается. Приемник вновь готов к работе.

Роль антенны и заземления:

увеличение чувствительности и дальности приема.

Диапазоны радиоволн

Диапазон частот, Гц

Диапазон длин волн

3 . 10 4 -3 . 10 5

3 . 10 5 — 3 . 10 6

Огибают земную поверхность.

3 . 10 6 — 3 . 10 7

Отражаются от ионосферы и поверхности

3 . 10 7 — 3 . 10 8

3 . 10 8 — 3 . 10 9

3 . 10 9 — 3 . 10 10

3 . 10 10 — 3 . 10 11

Проникают сквозь ионосферу

Принцип радиотелефонной связи

Структурная схема радиопередатчика и радиоприемника.

1. Задающий генератор (генератор высокой частоты) выра­батывает гармонические колебания высокой частоты ВЧ (несу­щая частота более 100 тыс. Гц).
2. Микрофон преобразует механические звуковые колебания в электрические той же частоты.
3. Модулятор изменяет (модулирует) по частоте или ампли­туде высокочастотные колебания с помощью электрических ко­лебаний низкой частоты НЧ.
4. Усилители высокой и низкой частоты УВЧ и УНЧ усилива­ют по мощности высокочастотные и звуковые (низкочастотные) электрические колебания.

1. Передающая антенна излучает модулированные электро­магнитные волны.
2. Приемная антенна принимает электромагнитные волны. Электромагнитная волна, достигшая приемной антенны, индуци­рует в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.
3. УВЧ.
4. Детектор выделяет из модулированных высокочастотных колебаний низкочастотные колебания.
5. УНЧ.
6. Динамик преобразует электромагнитные колебания в ме­ханические звуковые колебания.

Амплитудная модуляция

Изменение амплитуды колебаний высокой (несущей) частоты колебаниями низкой (звуковой) частоты называется амплитуд­ной модуляцией. Для получения амплитудно-модулированных электромагнит­ных колебаний в цепь транзисторного генератора последователь­но с колебательным контуром включают катушку трансформато­ра.

На первичную обмотку трансформатора подается напряжение звуковой частоты. На вторич­ной обмотке трансформатора ин­дуцируется ЭДС той же частоты и складывается с постоянным на­пряжением источника тока. Из­менение напряжения между эмиттером и коллектором транзи­стора приводит к изменению звуковой частотой, амплитуды ко­лебаний тока высокой частоты в колебательном контуре генера­тора. В результате амплитуда колебаний в контуре генератора будет изменяться в такт с изме­нением напряжения низкочастот­ного сигнала на транзисторе. При изменении амплитуды сигна­ла НЧ меняется глубина моду­ляций. Основной недостаток амплитудной модуляции в том, что амплитуда на разных участках волны разная, следовательно, разная энергия. Значит и качество воспроизведения в приемнике будет не очень высоким. Существуют другие виды модуляции (частотная, фазовая), в которой эти недостатки меньше. Частотная модуляция применяется на УКВ (FM).

Детектирование (демодуляция)

Детектирование осуществляется устройст­вом, содержащим элемент с односторонней проводимостью: вакуумный или полупроводни­ковый диод — детектор.

Вольтамперная характери­стика диода показывает, что ток в цепи течет преимущест­венно в одном направлении, являясь пульсирующим током. Этот ток сглаживается с по­мощью фильтра. Когда диод пропускает ток, то часть его проходит через на­грузку, а другая часть ответв­ляется на конденсатор. Если диод заперт, то кон­денсатор частично разряжает­ся через нагрузку. Уменьшает­ся пульсация тока. Через нагрузку течет ток звуковой частоты, форма коле­баний воспроизводит форму низкочастотного сигнала.

Радиоприемник

Детекторный радиоприемник состоит из колебательного кон­тура, антенны, детектора (диода), конденсатора постоянной ем­кости, телефона. В контуре принятая радиоволна возбуждает модулирован­ные колебания. Конденсатор переменной емкости настраивает контур в резонанс с принятой радиоволной. Модулированные колебания ВЧ поступают на детекторный каскад. После про­хождения детектора составляющая тока ВЧ идет через конден­сатор постоянной емкости, а составляющая тока НЧ идет на об­мотки катушек телефона. Так как ,то для тока высокой частоты , а для тока низкой частоты . Таким образом, по катушкам телефона идет ток низкой час­тоты, вызывающий колебания мембраны с той же звуковой ча­стотой.

5. Первичное закрепление.

Индивидуальная работа (карточка с разноуровневыми заданиями).

1. Чем радиосвязь отличается от электромагнитной волны?

2. В каком случае предпочтительней беспроводная связь?

3. Главный недостаток проводной связи.

4. Главный недостаток беспроводной связи.

5. Какую информацию несёт радиоволна, а какую радиосигнал?

6. Зачем нужен радиопередатчик? Зачем нужен радиоприёмник?

7. Зачем нужны ретрансляторы?

8. На какие основные виды радиосвязи можно разделить радиосигналы?

9. Где при радиолокации располагаются радиопередатчик и радиоприёмник?

10. Где располагается самолёт от локатора, если сигнал пришёл через 0.03 с?

1. Главный недостаток проводной связи.

2. Главный недостаток беспроводной связи.

3. Какую информацию несёт радиоволна, а какую радиосигнал?

4. Зачем нужен радиопередатчик? Зачем нужен радиоприёмник?

5. Зачем нужны ретрансляторы?

6. В виде чего кодируется информация в радиосигнале каждого вида?

7. Сможете ли вы по виду радиосигнала, определить к какому виду радиосвязи он принадлежит?

8. Где при радиолокации располагаются радиопередатчик и радиоприёмник?

9. Где располагается самолёт от локатора, если сигнал пришёл через 0.03 с?

10. Через какой промежуток времени вернётся сигнал, выпущенный локатором к цели, удалённой на 300км?

«3» — от 4-6 ответов

«4» — от 6-8 ответов

«5» — от 8-10 ответов

6. Информация о домашнем задании, инструктаж по его выполнению.

§ 52, 53 для тех, кто выполнил менее 4 заданий вопросы после параграфа письменно.

7. Рефлексия (подведение итогов занятия).

Оцените по шкале «хорошо-посредственно-плохо» результаты своей самостоятельной работы и освоения темы урока в целом.

Распространение радиоволн в среде и передача данных

Радиоволна – это взаимосвязанные колебания электрического и магнитного полей, которые способны распространяться в пространстве со скоростью света. Они обладают такими свойствами как отражение, затухание, преломление. Радиодиапазон составляют волны с длинами от 0,1 мм до 100 км. Волны короче 0,1 мм относят к оптическим, длиннее 100 км используют исключительно в научных целях.

Радиоволна и ее особенности

Радиоволна создается при изменении электрического либо магнитного поля. Для ее создания используются специальные электромагнитные генераторы. Каждая волна изначально обладает запасом энергии, которую переносит через пространство. Она может терять энергию – такой процесс называется затуханием.

Электромагнитные волны характеризуются следующими параметрами:

• длиной;
• мощностью;
• частотой.

В зависимости от скорости изменения направления электрического (либо магнитного) поля можно определить частоту волны, которая измеряется в Герцах (Гц). Чтобы определить длину волны, необходимо знать расстояние между точками, где поле находится в одной фазе. Частота и длина волны – взаимно обратные величины. Знание длины волны очень важно для правильного выбора размера передающей антенны.

Важным свойством электромагнитных волн является то, что они не встречая сопротивления проходят через воздух и могут свободно распространяться в пространстве. Однако, если волна встречает на пути металлические объекты, а также любой другой проводящий электричество материал, то она теряет часть своей энергии, ее мощность падает, а в проводнике генерирует переменный ток. Также часть энергии волны отражается от проводника – данный принцип лег в основу радиолокации.

Дальность связи зависит от мощности передатчика генерирующего электромагнитную волну. Именно это устройство передает волне запас энергии, которую та будет расходовать при распространении. Запас будет уменьшаться при контакте с поверхностью планеты, а также при взаимодействии с различными объектами. Однако, дальность распространения будет зависеть не только от запаса энергии, но и от других свойств – в первую очередь, от длины волны.

Распространение радиоволн, расстояние и длина волны

Радиоволны распространяются в пространстве различным образом. Способ их движения в первую очередь зависит от их длины. Так, например, волны от 10 км и выше (сверхдлинные – СДВ) без труда огибают наземные препятствия как искусственного, так и естественного происхождения. Они теряют мало энергии в процессе своего распространения и затухают гораздо медленнее, чем волны других длин. По этой причине они могут перемещаться в пространстве на тысячи километров. Также они обладают высокой степенью проникновения в среду, поэтому их широко используют для исследований земной коры для нужд археологии, геологии, инженерного дела. Их применяют для исследования атмосферы планеты. Также с их помощью осуществляют связь с подводными объектами.

Километровые волны также называют «длинные» (ДВ), они составляют 1-10 км и тратят больше энергии при распространении, способны покрывать расстояния до 2000 км. Близкий к ним тип – средние (СВ) от 100 м до 1 км. Они сильнее поглощаются земной поверхностью, поэтому имеют еще меньший диапазон распространения – порядка 1000 км.

Короткие волны (КВ – 10-100 м) распространяются не далее чем на 250 км, однако обладают интересным свойством. Часть их, уходящая под большим углом к горизонту, соприкасаясь с верхними слоями атмосферы (ионосферой) отражается и направляется обратно к поверхности. Затем они снова отражаются, теперь уже от земли и снова направляются вверх. Распространяясь таким образом короткие волны могут несколько раз обойти вокруг планеты. Ионосфера теряет свою отражательную способность в ночное время, поэтому связь на коротких волнах в это время суток будет хуже.

Длина ультракоротких волн (УКВ) составляет от 1 см до 10 м, к ним относятся метровые (МВ), дециметровые (ДМВ), сантиметровые (СМВ). Они успешно преодолевают ионосферу не отражаясь от нее. Они уходят выше и применяются для исследования свойств облаков, наблюдения за птицами, определения координат самолетов. Но так как отсутствует эффект отражения, они не могут огибать планету и радиосвязь с их помощью ограничена расстоянием в 200-300 км. С помощью специальных антенн УКВ собирают в «пучок», усиливают и отправляют в указанном направлении, что широко используется при обеспечении спутниковой связи, а также в радиолокации.

Миллиметровые волны (ММВ) во многом схожи с УКВ, однако для них серьезной помехой служат атмосферные явления, такие как дождь, снег, туман, облака. За счет ММВ обеспечивается работа высокоскоростной радиорелейной связи. Они нашли свое применение в быту, их используют в медицине, они пригодились в радиоастрономии.

Оборудование применяемое для передачи радиоволн, способы увеличения дальности

Радиосвязь – быстрый и относительно надежный способ передачи данных на большие расстояния. При этом нет необходимости в использовании физического носителя, например проводов.

Свойства волн разной длины напрямую влияют на их применение для обеспечения радиосвязи. Кроме того, на качество передачи информации с их помощью влияют следующие факторы:

• Высота приемной и передающей антенн;
• Рельеф поверхности;
• Солнечная активность, метеоусловия, время суток.

Процесс приема-передачи информации с помощью радиоволн состоит из следующих основных этапов:

• формирование сигнала;
• выделение несущей частоты;
• связывание передаваемой информации с несущей частотой (модуляция);
• трансформация сигнала в дискретный вид, его кодирование (для цифровых систем);
• передача в радиоэфир с помощью антенны;
• прием сигнала;
• декодировка и демодуляция;
• преобразование сигнала в форму понятную абоненту.

Чтобы реализовать обмен информации необходимо чтобы у принимающей и передающей стороны в наличии было следующее оборудование:

• Передатчик;
• Антенна;
• Ретрансляционное устройство – позволяет увеличить дальность передачи сигнала;
• Принимающее устройство;
• Оборудование модуляции-демодуляции, сжатия, оцифровки и кодирования;
• Фильтры помех, усилители.

Две простейшие радиостанции, как правило, могут обмениваться информацией на очень небольших расстояниях. Чтобы значительно увеличить зону покрытия, необходимо использовать один из следующих методов:

• сеть ретрансляторов, установленных на поверхности планеты;
• орбитальные спутники;
• системы передвижной радиосвязи.

Применяется несколько способов радиосвязи, для каждого из которых используется специфическое оборудование. Три наиболее распространенных вида:

• Сотовая связь;
• Радиорелейная связь;
• Спутниковая связь.

Сотовая связь

При ее использовании сигнал идет от передатчика к приемникам, расположенным на одинаковом расстоянии друг от друга. Они образуют гексагональную фигуру, которую называют «сота». Такое построение сети позволяет обеспечить в области покрытия высокое качество сигнала, которое будет определяться количеством приемников расположенных рядом с местом приема или передачи. В настоящее время этот вид связи является наиболее популярным и чаще всего используемым. Роль приемника и передатчика здесь играет персональный телефонный аппарат. Основное преимущество сотовой связи – обеспечение высокой мобильности абонента.

Радиорелейная связь

Вид радиосвязи, осуществляемой с помощью цепочки передающих станций, находящихся в прямой видимости их антенн. Работают в дециметровом и сантиметровом диапазонах. Возможна одновременное функционирование большого количества передатчиков. Уровень индустриальных и атмосферных помех радиоприему в ДМ и СМ диапазонах низкий. Главный недостаток – ограниченное расстояние передачи и высокая степень зависимости от коммуникационной инфраструктуры – сети ретрансляторов.

Как правило на передающих станциях размещается большой комплекс передающих устройств, находящихся в едином техническом здании. Они применяют общие источники электроэнергии, антенны и их опоры. На каждом объекте создается несколько стволов связи, что позволяет значительно повысить пропускную способность станции, что позволяет реализовать многоканальную связь.

Спутниковая связь

Данный вид – это следующий этап развития радиорелейной связи. Вместо наземной коммуникационной сети используются спутники, расположенные на околоземных орбитах. Радиосигнал сигнал передается со специализированной станции, находящейся на поверхности планеты на космический аппарат. Здесь он обрабатывается, усиливается и отправляется либо на принимающую наземную станцию, либо на другой спутник, находящийся в радиусе действия. Главным достоинством данного вида связи является возможность передавать информацию в любую точку планеты – независимо от ее местоположения: на суше, в полярных льдах, посреди океана.

Сферы применения

Возможность практически мгновенной передачи информации на любые расстояния создает широкие возможности использования во всех сферах деятельности человека. Радиосвязь успешно применяется в следующих отраслях:

• Телевизионное и радиовещание;
• Качественная связь по безопасным линиям востребована в военной отрасли. Позволяет осуществлять управление и координацию боевых подразделений;
• В области транспорта – обеспечивается постоянная связь с поездами, морскими и речными судами, самолетами, грузовыми и легковыми автомобилям (полиция, скорая помощь, такси, курьерские службы);
• Организация диспетчерских служб;
• Обеспечение различных видов коммуникации: спутниковая, мобильная связь;
• Беспроводное подключение к сети Интернет.

Также широкие возможности коммуникации являются неотъемлемым инструментом практически любого современного бизнеса. При помощи беспроводной связи можно успешно решать вопросы управления удаленными объектами.

Алгоритмы кодирования и декодирования, методики защиты информации

При передаче сообщений посредством радиоволн, необходимо преобразование обычной звуковой информации. Изначальный сигнал подвергается нескольким последовательным трансформациям, в том числе кодируется. Затем передается. А на принимающем устройстве осуществляется его декодирование и преобразование в аналоговую форму.

Кодирование сигнала при радиопередаче используется для нескольких целей. Одна из них – повышение помехоустойчивости. Это необходимо, так как на радиосигнал во время его перемещения воздействуют различные физические явления. Они могут изменять данные, вносить в них ошибки. Поэтому к каждому сообщению добавляют определенное количество битов, между значениями которых имеется заданная алгебраическая взаимосвязь. Анализ этих данных с помощью встроенного декодера дает возможность системе обнаружить и исправить ошибки, возникшие при передаче радиосигнала.

У силовых ведомств, частных служб охраны и безопасности, а также других организаций возникает необходимость защитить данные от несанкционированного доступа. Применяется два основных метода: дискретизация с шифрованием, а также аналоговое скремблирование.

Дискретизация с шифрованием объединяет наиболее прогрессивные методы закрытия речи связанные с переводом сигнала в цифровой вид. Используются различные криптографические алгоритмы. Чаще всего применяются вокодеры с линейным предсказанием речи (ЛПР). Кусочно линейная аппроксимация процесса является основой используемого алгоритма. Каждый кодируемый фрагмент представляет собой линейную функцию от фрагментов предыдущих. Речевая информация задается тремя параметрами: периодом основного тона, амплитудой, решением «тон/шум».

В целом же существует два основных подхода к шифрованию речи, передаваемой в цифровом виде:

• с использованием специального шифратора и дешифратора на передающем и принимающем устройстве, либо за счет программно-аппаратного комплекса;
• функции шифрования реализуются с помощью устройства модуляции-демодуляции – модема.

В средствах аналогово связи защита данных достигается за счет использования аналоговых скремблеров. Они трансформируют первоначальный звуковой сигнал в неразборчивую смесь звуков, что не позволяет злоумышленникам понять смысл передаваемых данных. Применяются следующие виды преобразования:

• Частотная инверсия;
• Разбиение полосы частот на поддиапазоны и их перестановка по частоте или инверсия;
• Разбиение речи на сегменты и их перестановка по времени.

Одним из критериев оценки эффективности работы скремблера является остаточная разборчивость – это параметр характеризует возможность дешифрации данных техническими средствами и оценивается в процентах восстановленной информации. При простых и недорогих методах защиты может составлять от 10 до 50%. Другой критерий – качество сигнала восстановленного в принимающем устройстве. Достаточным качеством является сигнал, который позволяет без труда выделить голос и понять смысл сообщения.

Частоты и каналы

Классификация радиоволн подразумевает разделение на 8 типов по длине и частоте:

• ОНЧ (они же СДВ) – 3-30 кГц (100-10 км);
• НЧ (они же ДВ) – 30-300 кГц (10-1 км);
• СЧ (они же СЧ) – 300-3 МГц (1 км-100 м);
• ВЧ (КВ) – 3-30 МГц (10-100 м);
• ОВЧ (МВ) – 30-300 МГц;
• УВЧ (ДМВ) – 300 МГц-3 ГГц;
• СВЧ (СМВ) – 3-30 ГГц;
• КВЧ (ММВ) – 30-300 ГГц.

Для переговоров в РФ разрешены следующие диапазоны частот:

• CB, 26-27 МГц;
• LPD, 433-434 МГц;
• PMR, 446 МГц;
• И 144-146 МГц – для лицензированных радиооператоров.

Остальные диапазоны законодательно запрещены к использованию. Они выделяются для служебных нужд различных ведомств и их использование может повлечь за собой административное или уголовное наказание – в зависимости от тяжести последствий несанкционированного вмешательства.

Для удобства общения, чтобы максимально упростить использование радиосвязи, были выделены определенные частоты. Они были пронумерованы так, что их стало не сложно запомнить и настроить. Эти номера и называют – каналы радиосвязи. Во многих простейших моделях раций нет ни клавиатуры, ни ручек настройки для установки произвольной частоты – только кнопки позволяющие переключать каналы. Таким образом рацией может пользоваться любой человек и ему не нужно знать что такое частоты, LPD или PMR, достаточно перещелкнуть рацию на заданный канал и успешно ею пользоваться.

Следует помнить, что рации предназначенные для различных диапазонов частот не могут связаться друг с другом. Аппарат предназначенный для других частот просто не будет работать с сигналом лежащим вне его рабочего диапазона. Узнать какие именно параметры поддерживает устройство можно, если заглянуть в его паспорт. Обычно LPD рация предлагает 69 каналов, а PMR – 8. Также существуют аппараты, которые поддерживают сразу несколько диапазонов.

Субтоны являются дополнительным средством, позволяющим разделить разговоры различных абонентов в рамках одного канала. Настройка данного параметра позволит аппарату отфильтровывать сообщения и выдавать в эфир только те, которые совпадают с заданным субтоном. Существует два вида таких сигналов: QT/DQT и CTCSS.

Связь с помощью радиоволн – один из основных способов обмена информацией в современном мире. Существует большое разнообразие различных методов их применения. Они широко используются для радио и телевещания, для исследования, обеспечения дальней связи, повседневной коммуникации, а также для организации деятельности различных специальных служб: охранных подразделений, полиции, пожарных, медицинской службы. Все типы радиоволн находят себе применение в деятельности человека.

Какое излучение используют для передачи информации

Электромагнитный спектр — это совокупность всех диапазонов частот электромагнитного излучения.

Движение электронов порождает электромагнитные волны, которые могут распространяться в пространстве (даже в вакууме). Число электромагнитных колебаний в секунду называется частотой ( [math]f[/math] ) и измеряется в герцах (Гц). Расстояние между двумя последовательными максимумами (или минимумами) называется длиной волны ( [math]\lambda[/math] ). В вакууме все электромагнитные волны распространяются с одной и той же скоростью, независимо от их частоты. Эта скорость называется скоростью света ( [math]c[/math] ).

Величины [math]f, \lambda[/math] и [math]c[/math] (в вакууме) связаны фундаментальным соотношением: [math]\lambda f = c[/math] .

Принцип работы антенны

Антенна — устройство, предназначенное для излучения или приёма радиоволн.

Антенны в зависимости от назначения подразделяются на приёмные, передающие или приёмопередающие. Антенна в режиме передачи преобразует энергию поступающего от радиопередатчика электромагнитного колебания в распространяющуюся в пространстве электромагнитную волну. Антенна в режиме приёма преобразует энергию падающей на антенну электромагнитной волны в электромагнитное колебание, поступающее в радиоприёмник. Таким образом, антенна является преобразователем подводимого к ней по фидеру электромагнитного колебания (переменного электрического тока, канализированной в волноводе электромагнитной волны) в электромагнитное излучение и наоборот.

Если в электрическую цепь включить антенну подходящего размера, то электромагнитные волны можно с успехом принимать приёмником на некотором расстоянии. На этом принципе основаны все беспроводные системы связи. Ошибочно полагать, что передающая антенна может усиливать сигнал. Обычная пассивная антенна при передаче сигнала лишь направляет спектр в определённом направлении и за счёт своей площади обеспечивает более уверенный приём. Антенна работает подобно световому отражателю в фонарях. Она направляет спектр в заданном направлении. Например, вам надо охватить уверенным сигналом большое помещение. Простым решением будет разместить точку доступа в центре помещения, но, к сожалению, это может быть связано с техническими трудностями. Намного проще установить точку доступа в одном из углов комнаты и направить сигнал в противоположный угол. Для этого вам потребуется направленная антенна, которая не будет посылать сигнал в стенку за собой, где он никому не потребуется, зато распределит спектр по площади с большей эффективностью.

Одна из основных характеристик антенны — её коэффициент усиления (КУ), выраженный в децибелах (дБ). КУ такой антенны — это отношение мощности сигнала, излучённого в определённом направлении к мощности сигнала, излучаемого идеальной ненаправленной антенной. КУ характеризует направленность сигнала, а не увеличение выходной мощности по отношению к входной, поэтому данный параметр часто ещё называют коэффициентом направленного действия.

Применение электромагнитного спектра в связи

Ниже, на рисунке, изображён электромагнитный спектр и его применение в связи. Радио, микроволновый, инфракрасные диапазоны, а также видимый свет могут быть использованы для передачи информации с помощью амплитудной, частотной или фазовой модуляции волн. Ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения сложно генерировать и модулировать, они плохо проходят сквозь здания и, кроме того, опасны для всего живого, поэтому их практически не используют в радиосвязи, несмотря на их высокие частоты.

• Низкая (LF, Low Frequency) — длины волн от 1 км до 10 км;
• Средняя (MF, Medium Frequency) — длины волн от 100 м до 1 км;
• Высокая (HF, High Frequency) — длины волн от 10 м до 100 м;
• Очень высокая (VHF, Very High Frequency) — длины волн от 1 м до 10 м;
• Ультравысокая (UHF, Ultrahigh Frequency) — длины волн от 100 мм до 1000 мм;
• Сверхвысокая (SHF, Superhigh Frequency) — длины волн от 10 мм до 100 мм;
• Чрезвычайно высокая (EHF, Extremely High Frequency) — длины волн от 1 мм до 10 мм;
• Ужасно высокая (THF, Tremendously High Frequency) — длины волн от 0.1 мм до 1 мм.

Свойства радиоволн

Свойства радиоволн зависят от частоты. При работе на низких частотах радиоволны хорошо проходят сквозь препятствия, но мощность сигнала в воздухе резко падает по мере удаления от передатчика. Соотношение мощности и удалённости от источника выражается примерно так: [math]1 / r^2[/math] . На высоких частотах радиоволны распространяются исключительно по прямой линии и отражаются от препятствий. Кроме того, они поглощаются, например, дождём.

Так как радиоволны могут распространяться на большие расстояния, то существует и большая проблема взаимных влияний или помех. Основными причинами взаимных помех являются одновременные подключения к базовой станции, и если они используют общую полосу частот, то проблема усугубляется. Это создаёт наиболее сильный источник взаимных помех в радиосистемах многостанционного доступа. Минимизация нежелательных воздействий замираний и взаимных помех, а также оптимизация использования дефицитных радиоресурсов в значительной степени зависят от существующего планирования сети, применяющихся методов радиодоступа и алгоритмов, используемых для управления радиоресурсами, принципами сотовой связи, методами модуляции, современными антеннами и т.д.

Радиоволны низкой и средней частоты распространяются вдоль поверхности земли (на рисунке слева). На низких частотах эти волны можно поймать на расстоянии около 1000 км, и на несколько меньших расстояниях, если использовать волны средней частоты. Радиоволны же высокой частоты поглощаются землёй, но те, которые дошли до ионосферы (слой заряженных частиц на высоте от 100 до 500 км), отражаются от неё и посылаются обратно к поверхности земли (на рисунке справа).

Связь в микроволновом диапазоне

В современной высокотехнологичной жизни сверхвысокочастотные волны используются весьма активно. Например, сотовый телефон — он работает в диапазоне сверхвысокочастотного излучения. Все технологии, такие как Wi-Fi, беспроводной Wi-Max, LTE, радиоинтерфейс малого радиуса действия Bluetooth, системы радиолокации и радионавигации используют сверхвысокочастотные (СВЧ) волны.

СВЧ излучение можно концентрировать в узконаправленный луч. Это свойство СВЧ напрямую сказывается на конструкции приёмных и передающих антенн, работающих в этом диапазоне. Никого не удивит вогнутая параболическая антенна спутникового телевидения, принимающая высокочастотный луч, словно вогнутое зеркало, собирающее световые лучи.

Микроволны распространяются строго по прямой и плохо проходят сквозь твёрдые объекты. Например, если в квартире развернуть локальную Wi-Fi сеть, то в направлении, где радиоволна встретит на своём пути препятствия, вроде перегородок, перекрытий, панелей сигнал сети будет меньше, чем в направлении более свободном от преград.

Распространение микроволн в свободном пространстве, например, вдоль поверхности земли, ограничено горизонтом, в противоположность длинным волнам, которые могут огибать земной шар за счёт отражения в слоях ионосферы.

Данное свойство СВЧ излучения используется в сотовой связи. Область обнаружения делится на соты, в которых действует базовая станция, работающая на своей частоте. Соседняя базовая станция работает уже на другой частоте, чтобы соседние станции не создавали помех друг другу. Далее происходит так называемое повторное использование радиочастот. Поскольку излучение станции перекрывается горизонтом, то на некотором удалении можно установить станцию, работающую на той же частоте. В результате мешать такие станции друг другу не будут. Получается, что экономится полоса радиочастот, используемая сетью.

Кроме того, микроволновая связь является относительно недорогой. Установка двух примитивных вышек с антеннами на каждой из них обойдётся дешевле, чем прокладка 100 км кабеля в перенаселённой городской или труднодоступной местностях.

Принцип работы сотовой связи

Вкратце, принцип работы пакетной сети можно описать так:

1. Выделение ресурсов для пакетной передачи на стороне контроллера базовых станций (при этом учитывается приоритет голосовых сервисов);
2. Проведение процедуры аутентификации абонента, включая идентификацию терминала абонента;
3. Обновление информации о местоположении абонента;
4. Согласование ключей шифрования потока;
5. Установление коммуникации между конечным устройством абонента и пакетной сетью оператора;
6. После окончания использования услуг пакетной передачи производится отключение абонента (освобождение канала).

Один из вариантов передачи данных через сотовую связь — протокол GPRS. GPRS по принципу работы аналогична Интернету: данные разбиваются на пакеты и отправляются получателю (не обязательно одним и тем же маршрутом), где происходит их сборка. При установлении сессии каждому устройству присваивается уникальный адрес, что по сути превращает его в сервер. Протокол GPRS прозрачен для TCP/IP, поэтому интеграция GPRS с Интернетом не заметна конечному пользователю. Пакеты могут иметь формат IP или X.25, при этом не имеет значения, какие протоколы используются поверх IP, поэтому есть возможность использования любых стандартных протоколов транспортного и прикладного уровней, применяемых в Интернете (TCP, UDP, HTTP, HTTPS, SSL, POP3, XMPP и др.). Так же при использовании GPRS мобильный телефон выступает как клиент внешней сети, и ему присваивается IP-адрес (постоянный или динамический). Соответственно, как и в обычной L3-сети, происходит обмен пакетами, где каждый пакет имеет строгую структуру — заголовки, в том числе ip.src и ip.dstn. Следовательно, пакеты, предназначенные мне, не могут попасть другим (только если их перехватят).

Инфракрасные и миллиметровые волны

Беспроводное инфракрасное и миллиметровое излучения применяется для связи на небольших расстояниях.

Достоинством диапазона миллиметровых волн являются малые размеры антенн (что позволяет уменьшить габаритные размеры системы в целом) и бо́льшая абсолютная полоса частот (что обеспечивает возможность совместного использования диапазона бо́льшим числом радиосистем). Однако, по сравнению с более низкочастотными диапазонами, радиоволны миллиметрового диапазона испытывают сильное затухание при распространении в земной атмосфере. Затухание вызвано резонансным поглощением энергии волн в атмосферных газах (преимущественно, в молекулах воды и кислорода), а также в атмосферных осадках (дождь, туман, снег и др.). Вследствие этого земные радиосистемы миллиметрового диапазона характеризуются малой дальностью действия и сильной зависимостью от погодных условий.

Дистанционные пульты управления телевизором, видеомагнитофоном, аудиосистемы используют инфракрасное излучение. Они дешёвые, направленные, но имеют важный недостаток: инфракрасное излучение не проходит сквозь твёрдые объекты. С другой стороны, этот факт имеет и положительную сторону: инфракрасная система в одной части здания не будет интерферировать с похожей системой в другой.

Связь в видимом диапазоне

Беспроводные оптические сигналы либо оптические системы в свободном пространстве применялись в течение нескольких веков. Примером служит использование двоичных оптических сигналов для передачи информации в пределах видимости.

Коммуникационная технология Li-Fi

Li-Fi (Light Fidelity) — новая беспроводная форма коммуникации с помощью видимого света, которая обеспечивает высокоскоростную, двустороннюю мобильную связь при помощи света из светодиодов вместо радиоволн, как это происходит в случае с Wi-Fi. Она передаёт двоичные данные в виде световых потоков и таким образом является разновидностью оптической беспроводной связи, к которой относятся все виды оптических коммуникация, где не используются оптические волокна. Также, был установлен рекорд скорости в 100 раз превышающий Wi-Fi, 224 Гбит/с.

Технология связи на основе видимого света (VLC технология) — среда для оптической беспроводной передачи данных в которой используется видимый свет в диапазоне от 400 до 800 ТГц для передачи двоичных данных в виде световых импульсов. Передача данных осуществляется с помощью светодиодов (LED), которые выступают в качестве фотодиодов. Таким образом, VLC технология может использоваться как для коммуникации, так и для освещения.

Li-Fi использует свет от светоизлучающим диодов для обеспечения сетевой, мобильной и высокоскоростной связи. Данные передаются путём модуляции интенсивности света в наносекундные интервалы, которые настолько быстрые, что не могу быть замечены человеческим глазом. Эти данные затем получает фотодетектор. После чего световой сигнал преобразуется в электронный вид.

Световые волны не могут проникать сквозь стены, поэтому радиус действия Li-Fi невелик, с другой стороны Li-Fi более защищён от взлома, чем обычный беспроводной канал связи. Также нет надобности в прямой видимости для передачи сигнала — свет, отражённый от стен, может достигать пропускной способности в 70 Мбит/сек.

Помогите срочно, пожалуйста! Какое излучение используют для передачи информации?

Оцените информационный объем моноаудиофайла длительностью звучания 1 мин, если «глубина» кодирования и частота дискретизации звукового сигнала равны соответственно:
а) 16 бит и 8 кГц;
б) 16 бит и 24 кГц.

Запишите звуковые файлы с такими параметрами и сравните полученные объемы с вычисленными

помогите решить уравнение:
sin7x-cos13x = 0
sin x — sin 3x +sin 5x=0
sin x — sin 2x +sin 3x + sin 4x=0

Какое излучение используют для передачи информации

ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА СВЯЗИ, техника передачи информации из одного места в другое в виде электрических сигналов, посылаемых по проводам, кабелю, оптоволоконным линиям или вообще без направляющих линий. Направленная передача по проводам обычно осуществляется из одной конкретной точки в другую, как, например, в телефонии или телеграфии. Ненаправленная передача, напротив, обычно используется для передачи информации из одной точки на множество других точек, рассеянных в пространстве, т.е. в широковещательных целях. Примером ненаправленной передачи может служить радиовещание.

Передачу сигналов по проводам можно рассматривать как протекание по проводу электрического тока, который прерывается или изменяется каким-либо образом, с передатчика, находящегося в одной из точек сети. Это прерывание или изменение тока, обнаруженное приемником в другой точке сети, и представляет собой сигнал, или элемент информации, посланной передатчиком.

Передача информации посредством радио- или оптических (световых) волн представляет собой электромагнитное излучение, которое может распространяться, не нуждаясь в какой-либо среде, т.е. способное распространяться и в вакууме. Такая передача осуществляется в результате колебаний электрического и магнитного полей. Волны радио и телевидения, микроволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские и гамма-лучи – все они представляют собой электромагнитное излучение. Каждый вид электромагнитного излучения характеризуется своей частотой колебаний, причем радиоволны соответствуют низкочастотному концу спектра, а гамма-лучи – высокочастотному. См. также ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.

Хотя в принципе сигналы можно передавать электромагнитным излучением любой частоты, для целей связи годятся не все участки электромагнитного спектра, поскольку атмосфера для некоторых длин волн непрозрачна. Диапазон используемых «радиочастот» лежит в пределах от примерно 1 до 30 000 МГц. В этом диапазоне АМ-радиовещание ведется на частотах от 0,5 до 1,5 МГц, а ЧМ- и телевизионное вещание – в значительно более широком диапазоне частот, середина которого приходится на частоту 100 МГц. Микроволновые сигналы, в том числе посылаемые на спутники связи и принимаемые от них, находятся в диапазоне от 4000 до 14 000 МГц и даже выше. Вообще говоря, для любого сигнала нужна определенная полоса или диапазон частот; при этом чем сложнее сигнал, тем шире необходимая полоса частот. Так, например, для телевизионного сигнала из-за его гораздо большей сложности требуется ширина полосы, примерно в 600 раз большая, чем для речевого. Весь используемый спектр радиочастот позволяет разместить в нем 10 млн. речевых или около 10 000 телевизионных каналов. Этот спектр распределяется между вещательными станциями, аварийными службами, авиацией, судами, мобильной телефонией, военными и другими пользователями.

Революция в области связи.

В последние десятилетия средства электронной связи развивались так быстро, что слова «революция в области связи» не кажутся преувеличением. Базой для многих новшеств служил быстрый прогресс электронной техники и технологии. В начале 1950-х годов был разработан прибор, названный транзистором. Этот миниатюрный электронный компонент, сделанный из полупроводниковых материалов, используется для усиления электрического тока или управления им. Так как транзисторы меньше по размерам и более долговечны, чем электронные лампы, они заменили лампы в радиоприемниках и стали основой компьютеров. См. также ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ; ТРАНЗИСТОР.

В конце 1960-х годов вместо транзисторных схем в вычислительной технике начали применять полностью собранные полупроводниковые схемы, получившие название интегральных (ИС). Впоследствии на одной пластине кремния, размер которой лишь немного превышал размеры первого транзистора, технологи научились в ходе одного процесса изготавливать сразу сотни тысяч транзисторов. Этот метод, получивший название технологии больших интегральных схем (БИС), позволяет в одном маленьком приборе разместить множество ИС. См. также ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА.

Каждый этап развития электроники сопровождался значительным повышением надежности электронных компонентов. При этом удавалось также существенно уменьшить размеры, потребляемую мощность и стоимость многих видов электронной аппаратуры.

Широкое применение такой техники, как компьютеры, лазеры, волоконно-оптические линии, спутники связи, телефоны прямого набора, видеотелефоны, транзисторные радиоприемники и кабельное телевидение, привело к полному пересмотру традиционной классификации методов связи. Сейчас уже практически не отождествляют передачу по проводам с прямой адресной связью, а беспроводную передачу – с радиовещанием. Вероятно, наиболее сильное влияние на развитие техники связи оказало значительное увеличение пропускной способности средств связи как по эфиру, так и по проводам. Эта возросшая пропускная способность используется для постоянно увеличивающегося глобального трафика телевидения, телефонии и цифровой информации.

Лазер.

Одним из факторов, сыгравших важную роль в увеличении пропускной способности систем связи, было открытие лазера в 1961. Лазер – это источник света, генерирующий узкий луч света высокой интенсивности. Такой луч можно использовать для передачи сигналов. Уникальная особенность лазера состоит в том, что он излучает свет одной частоты, т.е. дает чисто монохроматическое излучение. Таким образом, лазер может служить генератором электромагнитных волн очень высокой частоты (ОВЧ) аналогично тому, как радиопередатчик служит источником волн более низкой частоты (радиоволн). Поскольку частотный диапазон световых волн (примерно от 5ґ10 8 до 10 9 МГц) во много раз шире диапазона частот радиоволн, световой луч позволяет передавать огромные объемы информации. Эта часть электромагнитного спектра имеет ширину, достаточную для размещения 80 млн. ТВ-каналов или обеспечения 50 млрд. одновременных телефонных разговоров.

В применяемой на практике технике связи лазерные сигналы несколько меньшей частоты (инфракрасное излучение) передаются от пункта к пункту по волоконно-оптическим линиям, отличающимся малыми потерями. Оптический кабель содержит от 10 до 100 и более оптических волокон, каждое из которых может обеспечить передачу телевизионного сигнала или работу многих сотен телефонных каналов. Лазеры используются также для передачи сигналов между спутниками военного назначения. Применяемые в связи лазеры представляют собой крошечные полупроводниковые приборы, похожие на светоизлучающие диоды (СИД), которые используются в цифровых индикаторах карманных калькуляторов и наручных часов. См. также ЛАЗЕР; КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ.

Спутники связи.

Первые спутники связи, размещавшиеся на околоземных орбитах в начале 1960-х годов, несли аппаратуру пассивного типа и служили лишь ретрансляторами сигнала. См. также СПУТНИК СВЯЗИ.

Современные спутники связи обычно выводятся на геостационарную орбиту высотой 35 900 км над поверхностью Земли. На каждом спутнике имеется 10 или большее число микроволновых приемников и передатчиков. Современный спутник позволяет передавать через океаны на целые континенты несколько телевизионных программ и обеспечивать работу более десятков тысяч телефонных каналов.

Кабели.

Во время Первой мировой войны специалисты по технике связи разработали метод использования пары проводов для одновременной передачи нескольких телефонных разговоров. Этот метод, названный частотным уплотнением каналов, основан на возможности передачи по паре проводов широкого спектра звуковых частот. При этом сигналы каждого из нескольких передатчиков разносятся по частоте (с помощью модуляции) и полученный более высокочастотный объединенный сигнал передается на приемный терминал, где разделяется на составляющие сигналы посредством демодуляции. Телефонный кабель с защитной оболочкой может содержать от десятков до сотен скрученных проводных пар, каждая из которых позволяет обеспечить работу до 24 телефонных каналов.

Однако кабелям, состоящим из проводных пар, присущи определенные ограничения. С превышением некоторой частоты сигналы, передаваемые по одной паре, начинают создавать помехи сигналам соседней пары. Чтобы решить эту проблему, была разработана передающая среда нового типа – коаксиальный кабель. Такой кабель, содержащий 22 коаксиальные пары, может обеспечить одновременную работу 132 000 телефонных каналов. Каждая пара в таком кабеле представляет собой центральный провод, заключенный в трубку второго проводника. Центральный проводник и трубка электрически изолированы друг от друга.

Временнóе уплотнение речи с интерполяцией (TASI) – способ, позволяющий удвоить пропускную способность трансокеанских телефонных кабелей благодаря использованию естественных пауз в разговорах. Канал двусторонней связи примерно в течение 60% всего времени работает вхолостую при паузах в разговоре, а также в то время, когда пользователь работает на прием. Аппаратура TASI с помощью быстродействующего коммутатора предоставляет неиспользуемое время одного канала кому-либо из других пользователей. Такой коммутатор возвращает канал пользователю сразу же, как только тот начинает говорить, и разъединяет его сразу после замолкания, предоставляя канал в паузах другим абонентам.

Импульсно-кодовая модуляция.

Этот способ передачи сигналов средствами цифровой техники особенно удобен при использовании БИС и СБИС, а также волоконно-оптических линий. Такая цифровая (ИКМ) передача речи и ТВ-сигналов в конце концов заменит другие средства связи. При использовании импульсно-кодовой модуляции сигналы речи или изображения можно разделять на множество малых временн х интервалов; на каждом интервале ряд импульсов постоянной амплитуды представляет сигнал. Эти импульсы посылаются на принимающую станцию вместо оригинальных сигналов. Одно из преимуществ ИКМ связано с тем, что дискретные электронные импульсы постоянной амплитуды нетрудно отличить от случайных помех произвольной амплитуды (электростатического происхождения), которые в той или иной степени присутствуют в любой среде передачи. Такие импульсы можно передавать, по существу, без помех от стороннего шума, так как их легко отделить. ИКМ используется для самых разных сигналов. Телеграфные и факсимильные сообщения, а также другие данные, которые ранее пересылались по телефонным линиям другими методами, можно гораздо более эффективно передавать в импульсной форме. Трафик таких неречевых сигналов непрерывно возрастает; существуют также системы, позволяющие передавать смешанные сигналы речи, данных и видеоинформации.

Электронная коммутация.

Еще одно новшество, которое привело к повышению эффективности телефонной связи, – это электронная коммутация. Описанные выше современные микросхемы сделали возможным использование на АТС электронных коммутаторов вместо механических, что повысило скорость и надежность выполнения вызовов. Новые системы коммутации представляют собой цифровые системы, в которых для коммутации данных, сигналов ИКМ или видеосигналов в цифровой форме используются быстродействующие и компактные БИС. Вдобавок к тому, что электронная коммутация хорошо подходит для различных применений телефонии, она допускает реализацию ряда нововведений. К ним относятся: автоматическая передача вызова на другой номер, когда номер данного абонента занят; ускоренный набор, при котором абонент для соединения с часто вызываемыми номерами набирает только одну или две цифры; сигналы о вызове, которые извещают пользователя, что с ним пытается соединиться еще один абонент.

Телефоны-компьютеры.

Телефон будущего найдет себе применение не только для обычной связи. Телефонные аппараты с встроенными миниатюрными и недорогими логическими схемами будут способны выполнять сложные электронные функции. С помощью АТС такой телефон может стать индивидуальным компьютером. Нажимая клавиши своего телефонного аппарата, пользователь сможет вводить данные, которые он хочет сохранить, обрабатывать информацию, запрашивать данные из некоторого центрального файла или выполнять вычисления.

Видеотелефон.

Новые средства электроники позволяют дополнять изображениями передаваемую по телефону звуковую информацию. Видеопередачи между конференц-залами, находящимися в нескольких городах, используются для того, чтобы избежать необходимости переездов участников конференций. Видеопередачи начали широко применяться для обучения – лекции передаются из одной аудитории в другую (удаленную) и записываются на видеоленту для использования в тех же целях.

Системы кабельного телевидения.

Хотя лазерное излучение и миллиметровые волны могут быть использованы для вещания, ограничения, обусловленные поглощением в атмосфере, и разные помехи другого рода удается преодолеть лишь ценой больших затрат. Поэтому при поиске путей расширения вещания, позволяющих избежать ограничений, связанных с использованием электромагнитных излучений, все больше используются кабельные системы.

Для кабельного телевидения требуется прокладка кабелей от передающих до принимающих станций, расположенных, например, в домах. Радиослушатель или телезритель кабельного вещания не испытывает неудобств от замираний, двоения изображений и других помех. Кроме того, благодаря тому, что число каналов, передаваемых по кабелю, практически неограниченно (тогда как обычная станция ТВ-вещания передает в данный момент лишь одну программу), телезрителю предоставляется гораздо более широкий выбор программ. В перспективе средства массовой информации могут стать службами индивидуализированной информации, способными передавать по запросам отдельных телезрителей предварительно записанные программы.

На протяжении многих лет работают системы кабельного телевидения с коллективным приемом (CATV). Первоначально предназначавшиеся для обслуживания удаленных поселков, где устанавливаемые на крышах антенны не обеспечивали качественного приема сигналов, системы CATV также широко используются в городах, где одной из проблем являются помехи.

Компьютер как интеллектуальный помощник.

Специалисты в области вычислительной техники полагают, что в конце концов люди смогут более эффективно распространять свои идеи с помощью компьютеров, чем путем прямой беседы. Обычно цель беседы сводится к обмену, сравнению и критическому обсуждению идей, уже сформировавшихся в умах участников беседы. Идеи в основном выражают словами, однако если предмет обсуждения сложен или имеет техническую специфику, то приходится использовать графику, фотографии и расчеты. Беседа не всегда приводит к полному пониманию, поскольку излагаемые концепции бывает нелегко выразить словами; часто они содержат данные и ассоциации, связанные между собой настолько сложным образом, что даже говорящему трудно их до конца понять и выразить. Слушающий же не в состоянии исследовать образ мыслей говорящего и должен полагаться на информацию, которую тот сообщает, причем с мерой неадекватности, которую трудно оценить.

Компьютер, по утверждениям кибернетиков, предоставляет участнику беседы возможность лучше понять идеи своего собеседника. Компьютер – это машина для обработки информации, умеющая хранить данные, знающая, где их найти, способная сопоставлять их, сортировать, сжимать или реструктурировать и затем воспроизводить на экране в наиболее подходящей форме. Если в компьютер введена информация, имеющая отношение к формулированию некой идеи, но не прозвучавшая достаточно ясно при объяснении этой идеи собеседником, то на выходе компьютера можно получить общее представление об образе мышления говорящего. Таким образом, базовая информация говорящего оказывается доступной для слушателя. Кроме того, компьютер может понадобиться слушателю для сортировки данных, позволяющей выявить факты, имеющие отношение к обсуждаемой проблеме или концепции. Затем могут возникнуть обсуждения между двумя или большим числом собеседников, компьютеры которых соединены так, что информация собирается, обрабатывается и обменивается столь эффективно, что решения и творческие идеи смогут возникать в такой мере и на таком уровне, которых нельзя было бы достичь без использования компьютеров. Эксперименты, проведенные в этом направлении, дали обнадеживающие результаты. См. также ИНТЕЛЛЕКТ ИСКУССТВЕННЫЙ; ОРГТЕХНИКА И КАНЦЕЛЯРСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ; ТЕЛЕФОН; КОМПЬЮТЕР; ИНФОРМАЦИИ НАКОПЛЕНИЕ И ПОИСК; РАДИО И ТЕЛЕВИДЕНИЕ; ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА; СПУТНИК СВЯЗИ; ТЕЛЕМЕТРИЯ; ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ.

Игнатов В.А. Теория информации и передачи сигналов. М., 1979
Левин Л.С., Плоткин М.А. Цифровые системы передачи информации. М., 1982
Эндерлайн Р. Микроэлектроника для всех. М., 1989
Апокин И., Майстров Л. История вычислительной техники. М., 1990

ПОЧЕМУ МЫ МОЖЕМ ПЕРЕДАВАТЬ ИНФОРМАЦИЮ “ПО ВОЗДУХУ”?

Больше века назад была осуществлена первая радиопередача, состоящая всего из двух слов: “Генрих Герц”, а сегодня мы способны за малое время обмениваться гигабайтами информации. Кажется, что речь идёт о разных технологиях, но базовые принципы беспроводной связи с тех пор не сильно изменились.

В основе всего — электромагнитные волны. Одна из ключевых характеристик электромагнитной волны — её длина. Всевозможные длины волн вместе составляют электромагнитный спектр. Так, например, видимый нашим глазам свет является частью этого спектра, в то время как невидимые волны рентгеновского излучения используются для выявления опасных онкологий. Однако для беспроводной передачи используют волны значительно длиннее волн видимого света. Эту часть спектра называют радиодиапазоном, а волны в нём — радиоволнами. С некоторыми из них мы сталкиваемся регулярно, например, в магазинах, банкоматах, турникетах метро, когда хотим провести бесконтактную оплату.

ЗАЧЕМ УВЕЛИЧИВАТЬ ЧАСТОТУ ВОЛНЫ?

Количество колебаний в секунду или частота волны — характеристика, обратная её длине. Чем длиннее волна, тем меньше частота. Это важный параметр, позволяющий понять, какое количество информации в секунду можно передать, используя различные волны электромагнитного диапазона.

Обычные радиоприемники работают на длинных волнах и небольших частотах, поэтому принимают эфир за несколько секунд. В то же время домашний WiFi, работающий в одних из самых высоких частот радиодиапазона — микроволновом (тот же диапазон, что используется в микроволновой печи), позволяет просматривать видео без задержки. Вполне логично, что в сегодняшнем мире, постоянно гонящимся за скоростью, спросом пользуются высокочастотные диапазоны передачи. Мобильные сети четвертого поколения (4G) уже достаточно близки к диапазону WiFi, а следующее поколение сотовых сетей должно его превзойти.

КАК ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ?

Частота определяет количество передаваемой информации, но как электромагнитные волны могут её передать? Для “записи” информации используют дополнительные характеристики электромагнитной волны, например, амплитуду.

Амплитуда — высота волны относительно состояния покоя — как волна на воде относительно её ровной глади. Принимая одно значение амплитуды за, например, логический ноль, а другое — за логическую единицу, возможно передать простейший бинарный код. Такой подход называется амплитудной модуляцией (AM — amplitude modulation), где модуляция — процесс записи информации. Большое распространение получила также частотная модуляция (FM — frequency modulation), когда источник сигнала определяет логические уровни информации значением частоты. Теперь смысл слов AM/FM радио для вас не просто сочетание букв.

Звуковые волны в чём-то сильно похожи на электромагнитные. Посмотрите, как изменится вид Нью-Йорка, если связать звучание октав из рапсодии Джорджа Гершвина с различными диапазонами электромагнитных волн!
На заре эпохи телевидения его эфир передавался через радиоволны, в то время как телефонная связь была исключительно проводная. Сегодня для нас всё равно наоборот. Смотрите замечательный фильм Леонида Парфенова про изобретение “иконоскопа”!
А интерактивно изучить радиоволны в Петербурге можно в центральном музее связи имени А.С. Попова.

Радиоизлучение и микроволны

микроволны: миллиметровые (мм), сантиметровые (см), дециметровые (дм)
энергия E — до 0,001 эВ
температура Т — до 2 К
частота ν (ню) — до 200 ГГц = 2 ·10 11 Гц
длина волны λ (лямбда) — от 1 мм

ультракороткие волны (УКВ): дециметровые, метровые
E — до 4 ·10 –6 эВ
Т — до 0,01 К
ν — до 1 ГГц = 10 9 Гц
λ — от 30 см

короткие (КВ), средние (СВ), длинные (ДВ) волны
E — до 1,2 ·10 –8 эВ
Т — до 0,0003 К
ν — до 30 МГц = 3 ·10 7 Гц
λ — от 10 м

сверхдлинные волны (СДВ)
E — до 4 ·10 –10 эВ
Т — до 10 –6 К
ν — до 100 КГц
λ — от 3 км

Диапазон радиоизлучения противоположен гамма-излучению и тоже неограничен с одной стороны — со стороны длинных волн и низких частот.

Инженеры делят его на множество участков. Самые короткие радиоволны используют для беспроводной передачи данных (интернет, сотовая и спутниковая телефония); метровые, дециметровые и ультракороткие волны (УКВ) занимают местные теле- и радиостанции; короткие волны (КВ) служат для глобальной радиосвязи — они отражаются от ионосферы и могут огибать Землю; средние и длинные волны используют для регионального радиовещания. Сверхдлинные волны (СДВ) — от 1 км до тысяч километров — проникают сквозь соленую воду и применяются для связи с подводными лодками, а также для поиска полезных ископаемых.

Энергия радиоволн крайне низка, но они возбуждают слабые колебания электронов в металлической антенне. Эти колебания затем усиливаются и регистрируются.

Атмосфера пропускает радиоволны длиной от 1 мм до 30 м. Они позволяют наблюдать ядра галактик, нейтронные звезды, другие планетные системы, но самое впечатляющее достижение радиоастрономии — рекордно детальные изображения космических источников, разрешение которых превосходит десятитысячную долю угловой секунды.

Микроволны

Микроволны — это поддиапазон радиоизлучения, примыкающий к инфракрасному. Его также называют сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением, так как у него самая большая частота в радиодиапазоне.

Микроволновый диапазон интересен астрономам, поскольку в нем регистрируется оставшееся со времен Большого взрыва реликтовое излучение (другое название — микроволновый космический фон). Оно было испущено 13,7 млрд лет назад, когда горячее вещество Вселенной стало прозрачным для собственного теплового излучения. По мере расширения Вселенной реликтовое излучение остыло и сегодня его температура составляет 2,7 К.

Реликтовое излучение приходит на Землю со всех направлений. Сегодня астрофизиков интересуют неоднородности свечения неба в микроволновом диапазоне. По ним определяют, как в ранней Вселенной начинали формироваться скопления галактик, чтобы проверить правильность космологических теорий.

А на Земле микроволны используются для таких прозаических задач, как разогрев завтрака и разговоры по мобильному телефону.

Атмосфера прозрачна для микроволн. Их можно использовать для связи со спутниками. Есть также проекты передачи энергии на расстояние с помощью СВЧ-пучков.

Источники

Крабовидная туманность в радиодиапазоне

Крабовидная туманность — наиболее изученный остаток взрыва сверхновой. На данном изображении показано, как она выглядит в радиодиапазоне.

Радиоизлучение генерируется быстрыми электронами при движении в магнитном поле. Поле заставляет электроны поворачивать, то есть двигаться ускоренно, а при ускоренном движении заряды испускают электромагнитные волны. По этому изображению, которое построено по данным наблюдений американской Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO), можно судить о характере магнитных полей в Крабовидной туманности.

Компьютерная модель распределения вещества во Вселенной

Изначально распределение вещества во Вселенной было почти идеально равномерным. Но все же небольшие (возможно даже квантовые) флуктуации плотности за многие миллионы и миллиарды лет привели к тому, что вещество фрагментировалось.

На рисунке представлен результат компьютерного моделирования эволюции Вселенной. Рассчитывалось движение 10 млрд частиц под действием взаимного тяготения на протяжении 15 млрд лет. В результате сформировалась пористая структура, отдаленно напоминающая губку. Скопления-галактики концентрируются в ее узлах и ребрах, а между ними находятся обширные пустыни, где почти нет объектов, — астрономы называют их войдами (от англ. void — пустота).

Похожие результаты дают наблюдательные обзоры распределения галактик в пространстве. Для сотен тысяч галактик определяются координаты на небе и красные смещения, по которым вычисляются расстояния до галактик.

Правда, достичь хорошего согласия расчетов и наблюдений удается, только если предположить, что видимое (светящееся в электромагнитном спектре) вещество составляет всего около 5% всей массы Вселенной. Остальное приходится на так называемые темную материю и темную энергию, которые проявляют себя только своим тяготением и природа которых пока не установлена. Их изучение — одна из наиболее актуальных задач современной астрофизики.

Квазар: активное ядро галактики

Когда на сверхмассивную черную дыру в центре галактики аккрецирует слишком много вещества, выделяется огромное количество энергии.

Эта энергия разгоняет часть вещества до околосветовых скоростей и выбрасывает его релятивистскими плазменными джетами в двух противоположных направлениях перпендикулярно оси аккреционного диска. Когда эти джеты сталкиваются с межгалактической средой и тормозятся, входящие в них частицы испускают радиоволны.

На радиоизображении квазара красным цветом показаны области высокой интенсивности радиоизлучения: в центре активное ядро галактики, а по бокам от него — два джета. Сама галактика в радиодиапазоне практически не излучает.

Радиогалактика: карта изолиний радиояркости

Для изображения космических объектов в диапазонах излучения, отличных от видимого, используются различные приемы. Чаще всего это искусственные цвета и карты изолиний.

С помощью искусственных цветов можно показать, как выглядел бы объект, если бы светочувствительные рецепторы человеческого глаза были чувствительны не к определенным цветам в видимом диапазоне, а к другим частотам электромагнитного спектра.

Карты изолиний обычно используются для представления изображений, полученных на одной длине волны, что особенно характерно для радиодиапазона. По принципу построения они подобны горизонталям на топографической карте, только вместо точек с фиксированной высотой над горизонтом ими соединяют точки с одинаковой радиояркостью источника на небе.

Приемники

Микроволновый орбитальный зонд WMAP

Космический фон микроволнового излучения, называемый также реликтовым излучением, создает радиошум, который почти одинаков во всех направлениях на небе. И всё же в нем есть очень небольшие вариации интенсивности — около тысячной доли процента. Это следы неоднородностей плотности вещества в молодой Вселенной, которые послужили зародышами для будущих скоплений галактик.

Изучение микроволнового фона было начато наземными радиотелескопами, продолжено советским прибором «Реликт-1» на борту спутника «Прогноз-9» в 1983 г. и американским спутником COBE (Cosmic Background Explorer) в 1989 г., но самую подробную карту распределения микроволнового фона по небесной сфере построил в 2003 г. зонд WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).

Полученные данные накладывают существенные ограничения на модели образования галактик и эволюции Вселенной.

Система радиотелескопов ALMA (строится)

У радиотелескопа, как и у оптического, разрешение пропорционально диаметру, а чувствительность — площади антенны. Строить подвижные антенны крупнее 100 метров невозможно из-за ограничений по прочности конструкции. Но можно совместно обрабатывать излучение, собранное несколькими небольшими радиотелескопами, как бы синтезируя большое зеркало из маленьких кусочков.

Такая система называется радиоинтерферометром. Строящийся в Чили радиоинтерферометр ALMA будет состоять из 64 12-метровых антенн, размещенных на территории поперечником 15 км. Система будет работать в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Последний доступен благодаря тому, что строительство ведется на высоте более 5 тысяч метров в условиях очень сухого климата.

В радиоастрономии уже давно применяются интерферометры с антеннами, размещенными на разных континентах. В последнее время принцип интерферометра стали использовать и в оптическом диапазоне, например, в системе из четырех 8-метровых телескопов VLT Европейской Южной обсерватории.

Схема радиотелескопа

Радиотелескоп устроен отчасти подобно оптическому телескопу. Он тоже имеет параболическое зеркало, которое собирает радиоволны. Однако из-за большой длины радиоволн в фокусе нельзя получить изображение объекта, поскольку размер пиксела должен быть не меньше длины волны.

Поэтому в фокусе радиотелескопа вместо камеры (как в оптических инструментах) устанавливается единственный радиометр, измеряющий интенсивность собранного излучения. А для получения изображения радиотелескопу приходится линия за линией сканировать выбранный участок неба. Результат обычно представляют картой изолиний радиояркости, хотя может быть построено и обычное полутоновое изображение.

Обзоры неба

Небо в микроволновом диапазоне 1,9 мм (WMAP)

Космический микроволновый фон, называемый также реликтовым излучением, представляет собой остывшее свечение горячей Вселенной. Впервые оно было обнаружено А. Пензиасом и Р. Вильсоном в 1965 году (Нобелевская премия 1978 г.) Первые измерения показали, что излучение совершенно однородно по всему небу.

В 1992 году было объявлено об открытии анизотропии (неоднородности) реликтового излучения. Этот результат был получен советским спутником «Реликт-1» и подтвержден американским спутником COBE (см. Небо в инфракрасном диапазоне). COBE также определил, что спектр реликтового излучения очень близок к чернотельному. За этот результат присуждена Нобелевская премия 2006 года.

Вариации яркости реликтового излучения по небу не превышают одной сотой доли процента, но их наличие указывает на едва заметные неоднородности в распределении вещества, которые существовали на ранней стадии эволюции Вселенной и послужили зародышами галактик и их скоплений.

Однако точности данных COBE и «Реликта» было недостаточно для проверки космологических моделей, и поэтому в 2001 году был запущен новый более точный аппарат WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), который к 2003 году построил детальную карту распределения интенсивности реликтового излучения по небесной сфере. На основе этих данных сейчас ведется уточнение космологических моделей и представлений об эволюции галактик.

Спектр реликтового излучения

Реликтовое излучение возникло, когда возраст Вселенной составлял около 400 тысяч лет и она вследствие расширения и остывания стала прозрачна для собственного теплового излучения. Первоначально излучение имело планковский (чернотельный) спектр с температурой около 3000 K и приходилось на ближний инфракрасный и видимый диапазоны спектра.

По мере расширения Вселенной реликтовое излучение испытывало красное смещение, что приводило к снижению его температуры. На сегодня температура реликтового излучения составляет 2,7 К и оно приходится на микроволновый и дальний инфракрасный (субмиллиметровый) диапазоны спектра. На графике показан приближенный вид планковского спектра для этой температуры. Впервые спектр реликтового излучения был измерен спутником COBE (см. Небо в инфракрасном диапазоне), за что в 2006 году была присуждена Нобелевская премия.

Радионебо на волне 21 см, 1420 МГц (Dickey & Lockman)

Знаменитая спектральная линия с длиной волны 21,1 см — это еще один способ наблюдения нейтрального атомарного водорода в космосе. Линия возникает благодаря так называемому сверхтонкому расщеплению основного энергетического уровня атома водорода.

Энергия невозбужденного атома водорода зависит от взаимной ориентации спинов протона и электрона. Если они параллельны, энергия чуть выше. Такие атомы могут спонтанно переходить в состояние с антипараллельными спинами, испуская квант радиоизлучения, уносящий крохотный избыток энергии. С отдельным атомом такое случается в среднем раз в 11 млн лет. Но огромное распространение водорода во Вселенной делает возможным наблюдение газовых облаков на этой частоте.

Радионебо на волне 73,5 см, 408 МГц (Бонн)

Это самый длинноволновый из всех обзоров неба. Он был выполнен на волне, на которой в Галактике наблюдается значительное число источников. Кроме того, выбор длины волны определялся техническими причинами. Для построения обзора использовался один из крупнейших в мире полноповоротных радиотелескопов — 100-метровый боннский радиотелескоп.

Земное применение

Микроволновая печь

Главное преимущество микроволновой печи — прогрев со временем продуктов по всему объему, а не только с поверхности.

Микроволновое излучение, имея большую длину волны, глубже инфракрасного проникает под поверхность продуктов. Внутри продуктов электромагнитные колебания возбуждают вращательные уровни молекул воды, движение которых в основном и вызывает нагрев пищи. Таким образом происходит микроволновая (СВЧ) сушка продуктов, размораживание, приготовление и разогрев. Также переменные электрические токи возбуждают токи высокой частоты. Эти токи могут возникать в веществах, где присутствуют подвижные заряженные частицы.

А вот острые и тонкие металлические предметы в микроволновую печь помещать нельзя (это особенно касается посуды с напыленными металлическими украшениями под серебро и золото). Даже тонкое колечко позолоты по краю тарелки может вызвать мощный электрический разряд, который повредит устройство, создающее электромагнитную волну в печи (магнетрон, клистрон).

Сотовый телефон

Принцип действия сотовой телефонии основан на использовании радиоканала (в микроволновом диапазоне) для связи между абонентом и одной из базовых станций. Между базовыми станциями информация передается, как правило, по цифровым кабельным сетям.

Радиус действия базовой станции — размер соты — от нескольких десятков до нескольких тысяч метров. Он зависит от ландшафта и от мощности сигнала, которую подбирают так, чтобы в одной соте было не слишком много активных абонентов.

В стандарте GSM одна базовая станция может обеспечивать не более 8 телефонных разговоров одновременно. На массовых мероприятиях и при стихийных бедствиях количество звонящих абонентов резко увеличивается, это перегружает базовые станции и приводит к перебоям с сотовой связью. На такие случаи у сотовых операторов есть мобильные базовые станции, которые могут быть оперативно доставлены в район большого скопления народа.

Много споров вызывает вопрос о возможном вреде микроволнового излучения сотовых телефонов. Во время разговора передатчик находится в непосредственной близости от головы человека. Многократно проводившиеся исследования пока не смогли достоверно зарегистрировать негативного воздействия радиоизлучения сотовых телефонов на здоровье. Хотя полностью исключить воздействие слабого микроволнового излучения на ткани организма нельзя, оснований для серьезного беспокойства нет.

Телевизор

Передача телевизионного изображения ведется на метровых и дециметровых волнах. Каждый кадр разбивается на строки, вдоль которых определенным образом меняется яркость.

Передатчик телевизионной станции постоянно выдает в эфир радиосигнал строго фиксированной частоты, она называется несущей частотой. Под нее подстраивается приемный контур телевизора — в нем на нужной частоте возникает резонанс, позволяющий уловить слабые электромагнитные колебания. Информация об изображении передается амплитудой колебаний: большая амплитуда — высокая яркость, низкая амплитуда — темный участок изображения. Этот принцип называется амплитудной модуляцией. Аналогичным образом передается звук радиостанциями (кроме FM-станций).

С переходом к цифровому телевидению правила кодирования изображения меняются, но сам принцип несущей частоты и ее модуляции сохраняется.

Спутниковая тарелка

Параболическая антенна для приема сигнала с геостационарного спутника в микроволновом и УКВ-диапазонах. Принцип действия такой же, как у радиотелескопа, но тарелку не требуется делать подвижной. В момент монтажа ее направляют на спутник, который всегда остается на одном месте относительно земных сооружений.

Это достигается за счет вывода спутника на геостационарную орбиту высотой около 36 тыс. км над экватором Земли. Период обращения по этой орбите в точности равен периоду вращения Земли вокруг своей оси относительно звезд — 23 часа 56 минут 4 секунды. Размер тарелки зависит от мощности спутникового передатчика и его диаграммы направленности. У каждого спутника есть основной район обслуживания, где его сигналы принимаются тарелкой диаметром 50–100 см, и периферийная зона, где сигнал быстро слабеет и для его приема может потребоваться антенна до 2–3 м.

Области применения радиоволн

Радиоволны были открыты в 1886 году немецким физиком Генрихом Герцем. Он исследовал их свойства и доказал, что они являются электромагнитными волнами, существование которых было предсказано уравнениями Максвелла. Сам ученый не осознавал значения своего открытия. Когда журналист спросил его, для чего можно использовать открытые им радиоволны, он ответил категорично: “Nothing, I guess”. И все же… Сегодня мы не можем представить свою жизнь без устройств, использующих радиоволны.

Радиоволны – это электромагнитное излучение с самыми длинными волнами, т.е. самыми низкими частотами. Их длина измеряется в метрах и даже километрах. Радиоволны, как и другие типы электромагнитных волн, распространяются в вакууме со скоростью света c ≈ 300 000 000 м/с .

Предел диапазона радиоволн является условным. Предполагается, что это волны с длиной более 0,3 м и частотой менее 1000 МГц. Иногда к радиоволнам относят и микроволны с более высокой частотой.

Первые применения радиоволн в радио и телевидении

Самые ранние применения радиоволн очевидны – радио и телевидение.

Сегодня радиовещательные компании в Европе и большей части мира используют диапазон UKF (УКВ), передавая программы в диапазоне частот 87,5-108 МГц.

История изобретения радио довольно драматична. Первоначально заслуга в этом принадлежала Маркони, который в 1909 году получил Нобелевскую премию за создание радио. Однако Никола Тесла, инженер сербского происхождения, утверждал, что Маркони использовал в своем изобретении его предыдущие работы. Длительные судебные разбирательства привели компанию Tesla к банкротству. Только после его смерти в 1943 году Верховный суд США признал патентные права Теслы, и теперь он считается изобретателем радио.

Как работает радио?

Радиопередатчик состоит из двух основных компонентов: генератора и модулятора.

• Генератор вырабатывает несущую волну, которая представляет собой синусоидальную волну радиочастоты.
• Модулятор изменяет несущую волну в соответствии с переданным на него модулирующим сигналом, который представляет собой передаваемый звук. Модулирующий сигнал создается в микрофоне, который преобразует звуковые волны в электрический сигнал с частотой, соответствующей частоте звуковых волн.

Модулирующий сигнал может изменять несущую волну двумя способами:

1. изменяя частоту – это называется частотной модуляцией (волны, модулированные таким образом, называются FM),
2. путем введения изменений амплитуды – это называется амплитудной модуляцией (волны, модулированные таким образом, называются AM).

На основании международных соглашений в области радиовещания частотно-модулированная (FM) передача используется на ультракоротких волнах, а амплитудно-модулированная (AM) – на длинных, средних и коротких волнах.

Модулированные волны принимаются радиоприемником. В приемнике происходит обратный процесс: модуляции принятой волны преобразуются в электрический сигнал. В громкоговорителе этот сигнал заставляет вибрировать мембрану, которая, в свою очередь, заставляет вибрировать воздух и создавать акустическую волну.

Как работает телевидение?

Принцип работы телевидения более сложен. В широком смысле телевидение подразумевает цифровое кодирование изображений и звука и их передачу с помощью радиоволн в диапазоне 50 – 220 МГц.

Изобретателем телевидения, благодаря которому мы уже несколько поколений можем участвовать в событиях по всему миру, был шотландский инженер Джон Логи Бэрд. Первая телевизионная передача, из Лондона в Нью-Йорк, состоялась 27 января 1928 года. Настоящая популярность телевидения пришла после Второй мировой войны.

Использование радиоволн в спектроскопии

Радиоволны в диапазоне 60 – 900 МГц используются в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (сокращенно МР). Принцип этого метода основан на взаимодействии магнитных полей с магнитными моментами атомных ядер. Обычно это ядра водорода, т.е. протоны.

Ядра водорода поглощают энергию радиоволн определенной частоты, а затем отдают ее, излучая волны той же частоты. Эти сигналы улавливаются прибором, и можно точно определить место возникновения излучения. Регистрируемый сигнал зависит от типа молекулы и отличается для жиров, белков, воды и других богатых водородом соединений, что позволяет различать типы и плотность тканей. Таким образом можно изучать химическую структуру веществ. Для химиков магнитный резонанс является надежным методом идентификации органических соединений. В биохимии этот метод используется для определения содержания воды и сухих веществ в пищевых продуктах.

Использование радиоволн в медицине

В медицине магнитно-резонансная томография (МРТ) является одним из наиболее точных методов неинвазивного исследования внутренних органов человека (рис. 1).

Этот метод позволяет оценить анатомические структуры всего тела или отдельных органов с точностью всего до нескольких миллиметров. Органы и ткани можно детально рассмотреть в любой плоскости, даже трехмерно. МР позволяет обнаружить тревожные изменения (например, рак) и дает много информации о них. Это очень чувствительный и безопасный метод визуализации. При этом обследовании не используется вредное ионизирующее излучение (рентгеновские лучи), как при других методах визуализации.

Рис. 1. Аппарат магнитно-резонансной томографии (МРТ)

Применение радиоволн в астрономии

Обнаружение радиоволн играет важную роль в астрономических исследованиях. Это единственный диапазон электромагнитного излучения, помимо видимого света, который беспрепятственно проникает в атмосферу. Радиоволны, приходящие из космоса, несут информацию об экзотических объектах. Например, пульсары – это нейтронные звезды, которые регулярно излучают радиоимпульсы. Радиоволны не поглощаются пылью, что не позволяет наблюдать многие объекты в видимом свете.

Конструкция радиотелескопа состоит из параболической тарелки, то есть рефлектора, который фокусирует радиоволны в фокус, где размещается приемник (рис. 2).

Рис. 2. Радиотелескоп

Радиосигналы, приходящие с больших расстояний, очень слабые. Для регистрации таких сигналов требуются радиоантенны огромных размеров. Самая большая в мире радиоастрономическая антенна FAST находится в Китае. Она расположена в естественной впадине, а его чаша имеет диаметр 500 м.

Радиотелескопы часто объединяются в более крупные системы, действующие как интерферометры. Это повышает их полезную чувствительность и разрешающую способность.

Примером может служить очень большой массив радиотелескопов, расположенный в Мексике (см. подробнее в Википедии – Very Large Array ) (рис. 3). Массив радиотелескопов использует явление интерференции радиоволн для усиления сигнала, принимаемого из космоса. Расстояния между телескопами составляют порядка нескольких метров, что соответствует длине радиоволны.

Рис. 3. Very Large Array в Мексике

В регионах со слабо развитой телекоммуникационной инфраструктурой хорошо зарекомендовала себя спутниковая связь, использующая радиоволны с частотой в несколько десятков мегагерц. Связь между телефонами устанавливается через ретрансляционную станцию, называемую транспондером, размещенную на искусственном спутнике Земли. Сигналы передаются от телефона к транспондеру с помощью волны более высокой частоты и возвращаются обратно с помощью волны более низкой частоты.

ПОЧЕМУ МЫ МОЖЕМ ПЕРЕДАВАТЬ ИНФОРМАЦИЮ “ПО ВОЗДУХУ”?

Больше века назад была осуществлена первая радиопередача, состоящая всего из двух слов: “Генрих Герц”, а сегодня мы способны за малое время обмениваться гигабайтами информации. Кажется, что речь идёт о разных технологиях, но базовые принципы беспроводной связи с тех пор не сильно изменились.

В основе всего — электромагнитные волны. Одна из ключевых характеристик электромагнитной волны — её длина. Всевозможные длины волн вместе составляют электромагнитный спектр. Так, например, видимый нашим глазам свет является частью этого спектра, в то время как невидимые волны рентгеновского излучения используются для выявления опасных онкологий. Однако для беспроводной передачи используют волны значительно длиннее волн видимого света. Эту часть спектра называют радиодиапазоном, а волны в нём — радиоволнами. С некоторыми из них мы сталкиваемся регулярно, например, в магазинах, банкоматах, турникетах метро, когда хотим провести бесконтактную оплату.

ЗАЧЕМ УВЕЛИЧИВАТЬ ЧАСТОТУ ВОЛНЫ?

Количество колебаний в секунду или частота волны — характеристика, обратная её длине. Чем длиннее волна, тем меньше частота. Это важный параметр, позволяющий понять, какое количество информации в секунду можно передать, используя различные волны электромагнитного диапазона.

Обычные радиоприемники работают на длинных волнах и небольших частотах, поэтому принимают эфир за несколько секунд. В то же время домашний WiFi, работающий в одних из самых высоких частот радиодиапазона — микроволновом (тот же диапазон, что используется в микроволновой печи), позволяет просматривать видео без задержки. Вполне логично, что в сегодняшнем мире, постоянно гонящимся за скоростью, спросом пользуются высокочастотные диапазоны передачи. Мобильные сети четвертого поколения (4G) уже достаточно близки к диапазону WiFi, а следующее поколение сотовых сетей должно его превзойти.

КАК ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ?

Частота определяет количество передаваемой информации, но как электромагнитные волны могут её передать? Для “записи” информации используют дополнительные характеристики электромагнитной волны, например, амплитуду.

Амплитуда — высота волны относительно состояния покоя — как волна на воде относительно её ровной глади. Принимая одно значение амплитуды за, например, логический ноль, а другое — за логическую единицу, возможно передать простейший бинарный код. Такой подход называется амплитудной модуляцией (AM — amplitude modulation), где модуляция — процесс записи информации. Большое распространение получила также частотная модуляция (FM — frequency modulation), когда источник сигнала определяет логические уровни информации значением частоты. Теперь смысл слов AM/FM радио для вас не просто сочетание букв.

Звуковые волны в чём-то сильно похожи на электромагнитные. Посмотрите, как изменится вид Нью-Йорка, если связать звучание октав из рапсодии Джорджа Гершвина с различными диапазонами электромагнитных волн!
На заре эпохи телевидения его эфир передавался через радиоволны, в то время как телефонная связь была исключительно проводная. Сегодня для нас всё равно наоборот. Смотрите замечательный фильм Леонида Парфенова про изобретение “иконоскопа”!
А интерактивно изучить радиоволны в Петербурге можно в центральном музее связи имени А.С. Попова.

Похожие публикации:

1. Метрологическая проверка кип пожарной сигнализации что это
2. Как расчитать обмотку на трансформатор
3. Колыбельное управление вытяжки это как
4. Как снять показания счетчика на столбе

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад