§ 24. Развитие средств связи

Определения и обозначения

Электромагнитная волна — передача энергии и сигнала посредством распространяющихся переменных электрического и магнитного полей. Её характеризуют частота ν, длина волны λ и скорость v, связанные формулой v = λν. Эти величины позволяют находить параметры сигнала, например длину радиоволны по частоте.

Радиосвязь — передача информации электромагнитными волнами радиодиапазона. Передатчик формирует электрический сигнал, антенна превращает его в излучение, а приёмник улавливает волну и восстанавливает сообщение. Такая схема позволяет обмениваться информацией без соединительного провода.

Модуляция — изменение параметров высокочастотного несущего колебания в соответствии с передаваемым сообщением. Несущая частота сама по себе не содержит полезного текста или звука, но переносит его на удобный для излучения диапазон. В приёмнике выполняют демодуляцию — выделяют исходный сигнал из модулированной волны.

Волоконно-оптическая связь — передача информации световыми импульсами по оптическому волокну. Свет удерживается внутри тонкого сердцевинного слоя благодаря полному внутреннему отражению. Такой канал нужен для быстрой передачи больших объёмов данных на значительные расстояния.

Как это устроено

Развитие связи связано с открытием электромагнитных волн, потому что они могут переносить энергию и изменения поля от источника к удалённому приёмнику. Для этого не требуется непрерывно соединять устройства проводом. Значит, сообщение можно передавать через пространство, если создать излучение с управляемыми параметрами и научиться его принимать.

Сначала сообщение преобразуют в электрический сигнал: микрофон превращает звук в изменяющееся напряжение, а камера или компьютер формируют последовательность электрических импульсов. Передатчик обрабатывает этот сигнал и направляет его в канал связи. Приёмник выполняет обратные преобразования, чтобы громкоговоритель, экран или компьютер получили исходную информацию.

Несущая частота нужна для того, чтобы эффективно излучать сигнал антенной и разделять передачи разных станций. Низкочастотная речь напрямую излучалась бы плохо, а несколько источников смешивались бы в одном диапазоне. При модуляции параметр несущего колебания изменяется по закону сообщения, после чего демодулятор в приёмнике выделяет полезный сигнал.

Средства связи сменяли друг друга по мере роста требований к скорости и дальности. Телеграф передавал условные импульсы, телефон — речь, радио позволило отказаться от проводов, а телевидение добавило изображение. Затем появились спутниковые и сотовые сети, а компьютерная связь объединила передачу текста, звука, видео и файлов в цифровой форме.

Оптические и цифровые системы передают больше информации, потому что используют высокие частоты и кодирование данных в виде дискретных сигналов. Свет в волокне почти не реагирует на внешние электромагнитные помехи, а цифровые данные можно восстанавливать и проверять. Поэтому повышаются пропускная способность, дальность и надёжность обмена информацией.

Средства связи и особенности передачи информации

Таблица показывает не только название средства связи, но и физическую природу сигнала и путь его распространения. При сравнении сначала смотрят на носитель и канал, а затем оценивают скорость, дальность, помехоустойчивость и ограничения. Одно и то же сообщение может проходить последовательно через несколько разных систем.

Разбор задач

1. Длина радиоволны

Передатчик работает на частоте 100 МГц, скорость радиоволн равна 3·10⁸ м/с. Требуется определить длину волны. Используем связь λ = c/ν, предварительно выразив частоту в герцах.

1. Переведём частоту: ν = 100 МГц = 100·10⁶ Гц = 10⁸ Гц.
2. Подставим значения: λ = 3·10⁸ м/с ÷ 10⁸ 1/с.
3. Сократим степени десяти и получим λ = 3 м.

Ответ: длина радиоволны равна 3 м. При увеличении частоты длина волны при той же скорости уменьшается.

2. Время прохождения сигнала по волокну

Сигнал проходит оптическое волокно длиной 20 км со скоростью 2·10⁸ м/с. Нужно найти время движения и сравнить его со временем в вакууме. Сначала приведём длину к метрам, а затем применим t = s/v.

1. Длина волокна: s = 20 км = 20 000 м.
2. Время в волокне: t₁ = 20 000 ÷ (2·10⁸) = 1·10⁻⁴ с = 100 мкс.
3. В вакууме: t₂ = 20 000 ÷ (3·10⁸) ≈ 6,7·10⁻⁵ с = 66,7 мкс.

Ответ: по волокну сигнал идёт 100 мкс, а в вакууме — около 66,7 мкс. В волокне прохождение медленнее примерно на 33,3 мкс, потому что скорость света в среде меньше c.

3. Время передачи цифрового файла

Объём файла равен 6 Мбайт, скорость канала — 12 Мбит/с. Служебные данные и задержки не учитываются, поэтому достаточно разделить объём информации на скорость. Перед вычислением необходимо перевести байты в биты.

1. Переведём объём: 6 Мбайт = 6·8 Мбит = 48 Мбит.
2. Используем формулу t = I/R: t = 48 Мбит ÷ 12 Мбит/с.
3. Получаем t = 4 с.

Ответ: минимальное время передачи файла — 4 с. В реальной сети оно может быть больше из-за служебных данных, задержек и колебаний скорости.

Типичные ошибки

Частоту и длину волны иногда считают независимыми величинами. Ошибка появляется, если забыть формулу λ = c/ν и не заметить обратную зависимость: при постоянной скорости рост частоты уменьшает длину волны. Проверка проста: произведение λν должно давать скорость распространения.

Некоторые считают, что радиосвязь передаёт звук непосредственно радиоволной. На самом деле звук сначала превращается в электрический сигнал, затем модулирует несущую, а в приёмнике выполняется демодуляция. Проверьте рассуждение вопросом: где в схеме находятся микрофон и устройство, восстанавливающее звук?

Скорость электромагнитной волны в вакууме нельзя автоматически приравнивать к скорости сигнала в проводе или волокне. В веществе скорость обычно меньше c и зависит от свойств среды. Перед расчётом нужно взять скорость именно из условия и проверить единицы расстояния и времени.

Байты и биты смешивают при вычислении времени передачи. Скорость канала обычно указывают в битах в секунду, а размер файла — в байтах, поэтому объём надо умножить на 8. Самопроверка: после деления должны сократиться единицы «бит» и остаться секунды.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны знания об электромагнитных волнах, частоте, длине волны и скорости распространения. Также пригодятся представления об электрическом токе и напряжении, потому что сообщение сначала становится электрическим сигналом. Формула v = λν связывает волновые свойства с расчётами в задачах.

Тема продолжает изучение физики в радиотехнике, цифровой обработке сигналов, мобильной связи и спутниковой навигации. В компьютерных сетях те же идеи проявляются через кодирование, маршрутизацию и передачу пакетов. Свойства канала определяют, насколько быстро и надёжно работает система.

Связь с информатикой особенно заметна при работе с битами, байтами и пропускной способностью. Физический канал переносит последовательность сигналов, а кодирование превращает её в данные, понятные устройствам. Поэтому скорость передачи информации измеряют количеством битов за единицу времени.

Что запомнить

• Связь передаёт информацию от источника к получателю по определённому каналу.
• Электромагнитные волны могут переносить информацию на большие расстояния.
• Радиопередача обычно использует модуляцию несущего высокочастотного колебания.
• Волоконно-оптическая связь передаёт информацию световыми импульсами.
• Цифровой сигнал представляет информацию последовательностью дискретных значений.
• Развитие средств связи повышает дальность, скорость, объём и надёжность передачи.
• Скорость передачи информации определяется пропускной способностью канала.