Как информация передается по воздуху
Как работает Wi-Fi и как тяжело жить цифровым устройствам в аналоговом мире
Игорь Гладкобородов
Передача данных между компьютерами при помощи Wi-Fi работает примерно так же, как разговор людей, только речь передается по воздуху благодаря звуковым волнам, а компьютеры для этого используют радиоволны.
Выключатель света живет в цифровом мире, у него только два состояния: включен и выключен, нельзя наполовину включить свет. А кран в умывальнике аналоговый, воду можно открыть наполовину.
Компьютеры работают с цифровыми данными: с набором ноликов и единичек. Но мы живем в аналоговом мире. Отличие аналога от цифры, если сильно упростить, в том, что аналоговые значения могут меняться плавно, а цифровые — только скачками.
Радиоволны тоже имеют аналоговую природу, и для того, чтобы передавать с их помощью данные между компьютерами, надо научиться запаковывать в них данные в цифровом формате.
Для этого используют цифровую модуляцию: это когда на передатчике в равные промежутки времени меняют какую-то характеристику волны в зависимости от того, передаем мы 0 или 1. На приемнике мы сравниваем эталонную волну с тем, что пришло, и по этим данным восстанавливаем исходное сообщение.
Такими характеристиками могут быть:
Тот же принцип работает и с интернетом по телефонной линии, только волны передаются не по радио, а по проводам. Кто-то, может, застал компьютер ZX Spectrum, который читал программы с аудиокассет, данные запаковывались при помощи модуляции в аудиоволну. Этот звук забыть нельзя.
В разных стандартах беспроводной передачи данных, Wi-Fi, Bluetooth, Wi-Max, GSM, используются разные комбинации этих характеристик. Для увеличения скорости передачи используются сложные алгоритмы модуляции, которые упаковывают в волну как можно больше данных.
При помощи радиоволн можно одновременно передавать несколько независимых потоков данных. Волны накладываются друг на друга, но мы можем фильтровать радиоэфир и доставать из него волны нужной нам частоты. Для каждого канала будет своя частота, и они не будут мешать друг другу.
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.
Передача информации закрученными фотонами работает и в реальной атмосфере
Рис. 1. Общая схема экспериментов, описанных в статье. Информация, закодированная в лазерном свете с помощью различных фазовых пластинок (примеры показаны слева), передавалась по открытой атмосфере над вечерней Веной. Приемник регистрировал на экране некий узор (справа), который автоматически анализировался самообучающейся нейронной сетью, и по нему восстанавливалась информация (в данном случае — цвет очередного пикселя в передаваемом графическом изображении). Изображение из обсуждаемой статьи
Для передачи квантовой информации с помощью фотонов обычно используется поляризация света. Однако очень заманчивые перспективы откроются, если для той же цели приручить другую характеристику фотонов — их «закрученность». До сих пор считалось, что передача фотонов на километровые расстояния через реальную турбулентную атмосферу сильно исказит сигнал и приведет к потере информации о закрученности. Новые и довольно простые эксперименты австрийской группы физиков под руководством Антона Цайлингера доказывают, что это не так.
Фотоны как носители информации
Информационные технологии будущего могут базироваться не только на привычной для нас электронике, но и на манипуляции с отдельными фотонами. Это направление кажется очень многообещающим не только из-за высокой скорости работы и низкого энергопотребления фотонных устройств, но и благодаря тому, что на отдельных фотонах можно реализовать квантовую линию связи. Обычная классическая цифровая информация кодируется отдельными битами — ячейками памяти, которые могут находиться только в двух состояниях, «0» или «1». Квантовая информация записывается в кубитах, которые могут быть не только в двух базисных состояниях, но и в их произвольной квантовой суперпозиции. Таким образом, кубиту доступны не два, а бесконечно много состояний, заполняющих двумерное пространство. В дополнение к этому, используя специфическое для квантовой механики явление квантовой запутанности нескольких частиц, можно обеспечить сверхзащищенный протокол передачи конфиденциальной информации.
Фотоны — совершенно естественные кандидаты для физической реализации кубитов. Два базисных состояния — это две взаимно ортогональные поляризации фотона, а манипуляция этой информацией осуществляется с помощью стандартных оптических элементов. Передача квантовой информации, закодированной в поляризации света, уже давно реализована как по оптоволокну, так и по открытому воздуху на расстояние свыше 100 км. Более того, недавно была продемонстрирована квантовая линия связи между наземной базой и воздушным судном, так что спутниковый квантовый канал связи глобального масштаба, по-видимому, уже не за горами.
У этой схемы есть, впрочем, и свои трудности. Двумерное пространство, доступное для одного кубита, это конечно хорошо, но устройства должны еще уметь различать близкие, но отличающиеся состояния, а это накладывает серьезные требования на допустимый уровень шумов и на сами устройства. Было бы гораздо удобнее, если бы само пространство состояний в отдельном фотоне было не двумерное, а многомерное. Но поляризация фотонов, увы, такой возможности не предоставляет.
Однако тут на помощь приходит совсем другая характеристика, которой тоже могут обладать фотоны — орбитальный угловой момент фотонов, или, условно говоря, их «закрученность» относительно направления распространения. Закрученный свет, в общем-то, известен давно, и в последние годы он уже неоднократно применялся для кодирования информации. Закрученность фотонов, по сравнению с их поляризацией, обладает еще большей — и намного большей! — информационной емкостью. Пространство доступных состояний тут не двумерное, а, формально говоря, бесконечномерное, и это позволяет добиться дополнительного мультиплексирования (см.: Orbital angular momentum multiplexing) в оптической линии связи. Последний рекорд здесь — это 100-терабитный канал, реализованный на одном 100-гигабитном носителе, который использует 12-мерное пространство закрученных состояний. Существуют даже предложения использовать мультиплексирование по закрученности для связи с межпланетными космическими аппаратами, где емкость каналов всегда была большой проблемой.
Это всё замечательно, но возникает вопрос: на какие расстояния по открытому воздуху можно передавать информацию, закодированную в виде закрученности фотонов? Даже если иметь в виду космическую связь, все равно первоначально сигнал должен пройти несколько километров сквозь атмосферу. Тут проблема в том, что закрученность света с физической точки зрения реализуется в виде необычного пространственного распределения световой волны. Но если такой свет летит сквозь обычную турбулентную атмосферу, его пространственное распределение может сильно исказиться. И действительно, лабораторные исследования показывают, что если на масштабе отдельной лаборатории передача закрученности по воздуху еще работает, то на километровых расстояниях состояния с разной закрученностью начинают перемешиваться друг с другом. Это всё ставит под сомнение практическую пригодность закрученности фотонов для дальней передачи информации.
На днях в архиве е-принтов появилась статья исследовательской группы из австрийского Института квантовой оптики и квантовой информации под руководством Антона Цайлингера (Anton Zeilinger), которая рассеивает такие пессимистичные прогнозы. Они продемонстрировали довольно простую и на удивление надежную схему передачи информации, закодированной в виде закрученности, на расстояние 3 километра прямо над центром Вены (рис. 1). Черно-белые изображения кодировались в виде последовательности световых импульсов с разной закрученностью и попиксельно пересылались принимающей стороне. Несмотря на турбулентность атмосферы и вызванного им блуждание лазерного пятна на экране приемника, изображение восстанавливалось с высокой точностью; вероятность сбоя пикселя составляла около процента. Скорость передачи была, конечно, смехотворна — 4 пикселя в секунду, — но исследователи пока и не пытались ее оптимизировать. Они лишь доказали, что на таких расстояниях турбулентность — не помеха, и что для работы устройства не требуется никакой адаптивной оптики или иных высокотехнологических инструментальных наворотов.
Подробности работы
Общая схема эксперимента показана на рис. 1. Сигнал передавался с башни Центрального института метеорологии и геодинамики, а регистрировался на крыше Института квантовой оптики и квантовой информации. Связь осуществлялась с помощью зеленого лазера мощностью 20 мВт по очень простой методике. Лазерный луч модулировался с помощью разнообразных фазовых решеток, которые превращали обычный луч в луч с разной закрученностью. Телескопическая система расширяла луч до 6 сантиметров в диаметре, и в таком виде он шел через атмосферу и попадал на экран принимающей стороны. Этот узор освещенности снимался на видеокамеру, изображение поступало в компьютер, и искусственная нейронная сеть расшифровывала изображение, превращая его в цветовой код очередного пикселя.
Рис. 2. Яркость изображения на экране от закрученных состояний разного типа. Если состояние имеет строго определенную закрученность с некоторым L (верхний ряд), то освещенность имеет вид кольца. Если же состояние находится в суперпозиции с закрученностью L и −L, то на экране появляется «многолистник» с 2L лепестками. Коллаж на основе рисунка из статьи V. D’Ambrosio et al. 2013. Photonic polarization gears for ultra-sensitive angular measurements
Всё это кажется довольно банальным. Чтобы развеять такое впечатление, стоит пояснить несколько технических, но важных моментов этой работы.
Вместо этого, в статье используется суперпозиция закрученных состояний со значениями L и −L. Такой световой луч дает на экране уже не просто ровное кольцо, а «многолистник», в котором ровно 2L лепестков (рис. 2, нижний ряд). Вот эти изображения уже заметно различаются для разных L. В статье использовались такие состояния с L от 0 до 15 для кодировки 16 градаций серого; незакрученное состояние с L=0 отвечало черному цвету, а суперпозиция с L=15 и −15 — белому. Атмосферная турбулентность несколько искажала форму лепестков (см. рис. 1), но их количество в подавляющем большинстве случаев оставалось неизменным. Именно это не давало потерять информацию за счет турбулентности.
Тут есть важная тонкость. Из-за турбулентности атмосферы картинка на экране не только слегка искажалась, но и дергалась из стороны в сторону. Для нейронной сети это не стало проблемой; ее никто не заставлял распознавать четко центрированные картинки, она сама адаптировалась к ситуации. Это означает, что такое устройство сможет справиться с расшифровкой сигнала, даже когда он сильно искажается каким-то определенным образом. С этой сетью не надо «нянчиться», она ко многому адаптируется сама.
Он плох тем, что такие изображения быстро расплываются при отходе от фокуса (не говоря уж о технической сложности таких картинок). То, что выглядит на экране как четкая цифра «1» превратится в широкое пятно непонятной формы на существенно большем или меньшем расстоянии (те, кто настраивал проектор для презентаций, прекрасно это знают). Преимущество закрученных состояний — в исключительной устойчивости их формы. Вы можете поставить экран в 10 раз ближе или дальше, и от этого изменится только размер, но не форма изображения.
Примеры изображений, отсылаемых и получаемых таким способом, показаны на рис. 3; всего было передано примерно 450 различных изображений такого типа. Там же показана матрица перемешивания между состояниями с разной закрученностью. Она показывает, что пиксель, закодированный закрученностью с каким-то значением L, в подавляющем большинстве случаев абсолютно правильно расшифровывался нейронной сетью. Изредка, примерно в 1% случаев, сеть ошибалась на 1 единицу, и тогда восстановленный цвет пикселя был чуть темнее или чуть светлее исходного, но в целом изображение восстанавливалось качественно.
Рис. 3. Слева: матрица перемешивания между 16 состояниями света с разной закрученностью при прохождении через 3 км турбулентной атмосферы; по вертикали показаны запущенные закрученные состояния, по горизонтали — распознанные. Белый цвет по диагонали показывает, что каждое запущенное состояние почти наверняка правильно восстанавливается, и лишь изредка происходит сбой. Справа: Два примера отправленных и полученных изображений, переданных в эксперименте. Изображение из обсуждаемой статьи
И последний момент, который полезно подчеркнуть. По правде говоря, продемонстрированный здесь метод использовал передачу не квантовой, а классической информации. Информация кодировалась всего лишь в пространственном распределении интенсивности света на экране, но не в фазе. Однако авторы работы провели также первые эксперименты, которые доказывают применимость этой методики и для передачи квантовой информации. Конкретно, они убедились, что информация, запасенная в виде разности фаз между закрученными состояниями L и −L, не теряется и практически не портится при прохождении через турбулентную атмосферу. Говоря простыми словами — картинка хоть искажается и дрожит, но не поворачивается. Правда, для настоящего эксперимента с передачей квантовой информации им придется использовать иную систему детектирования, которая чувствует корреляции светового поля по всему экрану на уровне отдельных фотонов. Но подходящие детекторы в этой группе уже существуют, так что, видимо, новые эксперименты ожидаются в ближайшем будущем.
Чем развлечься в самоизоляции, или передаем данные с помощью звуковой карты
После недавней публикации про передачу OFDM, стало интересно проверить, каким способом эффективнее всего передавать данные по воздуху. Мы попробуем разные виды модуляции, и посмотрим какие из них лучше подойдут для передачи данных из одного конца квартиры или офиса в другой. Для тестов будет достаточно ноутбука, смартфона и программы MultiPSK.
Для тех кому интересно как это работает, продолжение под катом.
Для тестов мы воспользуемся программой MultiPSK, которая удобна тем, что поддерживает огромное количество разных стандартов связи, как любительских (они доступны как на прием, так и на передачу), так и профессиональных (доступен только прием). Разумеется, чтобы не делать статью гигантской, я выберу лишь наиболее популярные виды модуляции, и мы посмотрим что из этого получится. Изначально MultiPSK предназначена для радиосвязи, для чего звуковая карта должна подключаться к приемнику или передатчику, но ничего не запрещает воспроизводить сигнал прямо из колонок. Тест будет будет довольно простым — простой текст «1234567890» кодируется разными способами, сигнал проигрывается на ПК, и записывается смартфоном в другом конце квартиры. Разумеется, повторить нижеописанные опыты может любой желающий, никакого специального оборудования для этого не требуется.
Частотная модуляция (FSK, Frequency Shift Keying)
Как нетрудно догадаться из названия, суть модуляции заключается в изменении частоты сигнала. Простейший способ, доступный в MultiPSK, это RTTY. В данном случае мы передаем данные с помощью переключения между двумя частотами с определенной скоростью. На спектре это видно весьма наглядно. Посмотрим, что происходит с сигналом при его передаче по воздуху. Сверху исходный сигнал, снизу принятый:
Помимо очевидного затухания, есть более неочевидное изменение амплитуды — сигнал стал «рваным», на выходе получилось что-то вроде биений. Интересно то, что проявляются они в моменты смены частоты, в моменты когда частота не меняется, изменения амплитуды минимальны. С чем это связано, сказать сложно.
Кстати о спектре, он исказился, хотя в принципе, форму сигнала угадать можно:
Посмотрим, сможет ли MultiPSK декодировать записанный звук. Увы, нет, на выходе лишь «мусор». Разные попытки нормализации и фильтрации к успеху также не привели:
Следующий сигнал, который интересно попробовать — MFSK, частотная модуляция, в которой количество частот больше 2х. Картинка «до» и «после» передачи примерно похожа на предыдущий результат.
Мы также видим биения амплитуды, возникающие вероятно, в процессе переотражения звука. Но есть заметный плюс — при большем количестве частот, декодирование сигнала происходит гораздо увереннее. За исключением «мусора» в паузе между сигналами, сами данные принимаются без ошибок.
Возможно, это также связано со скоростью передачи или другим алгоритмом декодирования, но результат довольно-таки интересен.
Фазовая модуляция (PSK, Phase Shift Keying)
Следующий вид модуляции — фазовая, при которой передается синусоидальный сигнал, а информация кодируется изменением фазы.
Сигнал BPSK «до» и «после» передачи:
Результат распознавания: определилось где-то 20-40% символов, из строки 1234567890, как можно видеть, можно различить 3, 4, 7 и 9.
Спектр не показан, т.к. для фазовой модуляции BPSK он представляет собой практически прямую линию.
Общая идея, я думаю, понятна, и более сложные виды сигналов рассматривать смысла нет — понятно что устойчивого декодирования не будет. Однако, чисто для «спортивного интереса», рассмотрим аналоговый сигнал.
SSTV (Slow Scan Television)
Этот режим по своей сути напоминает факс, и изменение частоты здесь кодирует яркость или цвет картинки во времени. Интересно посмотреть, насколько исказится изображение после передачи, и останется ли оно читабельным.
Картинка с котиком, и попытка её приема:
При должной фантазии, контур котика наверное можно угадать. Хотя если передавать что-нибудь попроще, типа «черного квадрата», наверное распознать изображение будет легче. Кстати, в этом один из плюсов аналоговой передачи данных перед цифровой — там где «цифра» уже перестанет работать, в аналоге, среди шумов, человеческий глаз или ухо вполне может уловить полезный сигнал.
Дополнение: частотная и временная характеристики
Кстати об аналоговом сигнале, как подсказали в комментариях, проверить амплитудно-частотную характеристику «канала передачи» можно, если воспроизвести белый шум и изменяющийся по высоте тон. Такой сигнал несложно сгенерировать в любом аудио-редакторе. Для теста файл был проигран в одном конце квартиры, а запись сделана в другом. Результат довольно интересен, как интересно и то, что высокие частоты не слышны вообще (в моем случае граница где-то 14КГц), а передача данных на них в принципе еще возможна:
И наконец, не менее интересный результат получается, если сгенерировать короткий звуковой импульс:
При подаче импульса длиной 0.01с, «эхо» длится практически в 10 раз дольше. Разумеется, это также должно учитываться при выборе скорости передачи данных.
Заключение
Как можно видеть, передача звука по воздуху (как наверное и через воду), это не так уж просто, из-за переотражений, затуханий и прочих эффектов. Несмотря на кажущуюся «несерьезность» задачи, надежно передать данные даже на 10 метров не так-то просто из-за искажений сигнала. Метод частотной модуляции MFSK оказался самым стабильным. И похоже, аналогичные опыты проводил не только я, статья о протоколе активации Яндекс-станции говорит о том, что в ней используется такой же способ передачи данных. Ну а в целом, чем проще модуляция и меньше скорость, тем больше шансов, что данные будут приняты без ошибок.
Желающие могут дальше поэскпериментировать самостоятельно, программу MultiPSK легко найти в интернете, количество поддерживаемых ею стандартов передачи довольно велико.
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:
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:
Процесс приема-передачи информации с помощью радиоволн состоит из следующих основных этапов:
Чтобы реализовать обмен информации необходимо чтобы у принимающей и передающей стороны в наличии было следующее оборудование:
Две простейшие радиостанции, как правило, могут обмениваться информацией на очень небольших расстояниях. Чтобы значительно увеличить зону покрытия, необходимо использовать один из следующих методов:
Применяется несколько способов радиосвязи, для каждого из которых используется специфическое оборудование. Три наиболее распространенных вида:
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:
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:
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:
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:
Для переговоров в РФ разрешены следующие диапазоны частот:
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.
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.