От чего зависит направление распространения электромагнитной волны компьютерные сети

Обновлено: 15.01.2025

Электромагнитные волны: свойства, характеристики, параметры

Волновые процессы чрезвычайно широко распространены в природе. Существует два вида волн: механические и электромагнитные.

Механические волны распространяются в веществе: газе, жидкости или твердом теле. Электромагнитные волны не нуждаются в каком-либо веществе для своего распространения. Они могут существовать в вакууме, т.е. в пространстве, не содержащем атомов. Несмотря на существенное отличие электромагнитных волн от механических, электромагнитные волны при своем распространении ведут себя подобно механическим. Таким образом, все виды волн описываются количественно одинаковыми или почти одинаковыми законами.

Электромагнитная волна — процесс распространения электромагнитного поля в пространстве. Она представляет собой процесс последовательного, взаимосвязанного изменения векторов напряженности электрического и магнитного полей, направленных перпендикулярно лучу распространения волны, при котором изменение электрического поля вызывает изменения магнитного поля, которые, в свою очередь, вызывают изменения электрического поля. Теория электромагнитного поля была впервые предложена Максвеллом.

Среди бесчисленных, очень интересных и важных следствий, вытекающих из максвелловских законов электромагнитного поля, одно заслуживает особого внимания. Это вывод о том, что электромагнитное взаимодействие распространяется с конечной скоростью.

Согласно теории близкодействия перемещение заряда меняет электрическое поле вблизи него. Это переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле в соседних областях пространства. Переменное же магнитное поле, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле и т.д.

Перемещение заряда вызывает, таким образом, «всплеск» электромагнитного поля, который, распространяясь, охватывает все большие области окружающего пространства.

Максвелл математически доказал, что скорость распространения этого процесса равна скорости света в вакууме.

В каждой точке пространства электрические и магнитные поля меняются во времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее достигнут ее колебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от заряда колебания происходят с различными фазами.

Направления колеблющихся векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля перпендикулярны к направлению распространения волны. Электромагнитная волна является поперечной (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Направление векторов напряженности и магнитной индукции

Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. При этом существенно, что скорость движения таких зарядов меняется со временем, т.е. что они движутся с ускорением. Наличие ускорения — главное условие излучения электромагнитных волн. Электромагнитное поле излучается заметным образом не только при колебаниях заряда, но и при любом быстром изменении его скорости. Интенсивность излученной волны тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.

Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн. Но он не дожил до их экспериментального обнаружения. Лишь через 10 лет после его смерти электромагнитные волны были экспериментально получены Герцем.

Электромагнитная волна образуется благодаря взаимной связи переменных электрических и магнитных полей. Изменение одного поля приводит к появлению другого. Как известно, чем быстрее меняется со временем магнитная индукция, тем больше напряженность возникающего электрического поля; в свою очередь, чем быстрее меняется напряженность электрического поля, тем больше магнитная индукция.

Для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты.

Колебания высокой частоты можно получить с помощью колебательного контура. Частота колебаний равна l/VZc , где L и С — индуктивность и емкость контура. Отсюда видно, что она будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура.

Для получения электромагнитных волн Г. Герц использовал простое устройство, называемое сейчас вибратором Герца.

Это устройство представляет собой открытый колебательный контур.

К открытому контуру можно перейти от закрытого, если постепенно раздвигать пластины конденсатора, уменьшая их площадь и одновременно уменьшая число витков в катушке. В конце концов получится просто прямой провод. Это и есть открытый колебательный контур. Емкость и индуктивность вибратора Герца малы. Поэтому частота колебаний весьма велика.

В открытом контуре заряды не сосредоточены на концах, а распределены по всему проводнику. Ток в данный момент времени во всех сечениях проводника направлен в одну и ту же сторону, но сила тока неодинакова в различных сечениях проводника. На концах она равна нулю, а посредине достигает максимума (в обычных же цепях переменного тока сила тока во всех сечениях в данный момент времени одинакова). Электромагнитное поле также охватывает все пространство возле контура.

Герц получал электромагнитные волны, возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения серию импульсов быстропеременного тока. Колебания электрических зарядов в вибраторе создают электромагнитную волну. Только колебания в вибраторе совершает не одна заряженная частица, а огромное число электронов, движущихся согласованно. В электромагнитной волне векторы электрического Е и магнитного В полей перпендикулярны друг другу. Вектор Е лежит в плоскости, проходящей через вибратор, а вектор В перпендикулярен этой плоскости. Излучение волн происходит с максимальной интенсивностью в направлении, перпендикулярном оси вибратора. Вдоль оси излучения не происходит.

Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приемного вибратора (резонатора), представляющего собой такое же устройство, как и излучающий вибратор. Под действием переменного электрического поля электромагнитной волны в приемном вибраторе возбуждаются колебания тока. Если собственная частота приемного вибратора совпадает с частотой электромагнитной волны, наблюдается резонанс. Колебания в резонаторе происходят с большой амплитудой при расположении его параллельно излучающему вибратору. Герц обнаруживал эти колебания, наблюдая искорки в очень маленьком промежутке между проводниками приемного вибратора. Герц не только получил электромагнитные волны, но и обнаружил, что они ведут себя подобно другим видам волн.

Вычислив собственную частоту электромагнитных колебаний вибратора, Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле с = Xv, где X — длина волны; v — частота. Она оказалась приближенно равной скорости света: с = 300 000 км/с. Опыты Герца блестяще подтвердили предсказания Максвелла.

Теперь перейдем к рассмотрению свойств и характеристик электромагнитных волн. Одной из характеристик электромагнитных волн является плотность электромагнитного излучения.

Плотностью потока электромагнитного излучения / называют отношение электромагнитной энергии W, проходящей за время t через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади S на время t.

Плотность потока излучения выражают в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2 ). Иногда эту величину называют интенсивностью волны.

После проведения ряда преобразований мы получаем, что 1= Wc, т.е. плотность потока излучения равна произведению плотности электромагнитной энергии на скорость ее распространения.

Рассмотрим зависимость плотности потока излучения от расстояния до источника.

Энергия, которую несут с собой электромагнитные волны, с течением времени распределяется по все большей и большей поверхности. Поэтому энергия, переносимая через единичную площадку за единицу времени, т.е. плотность потока излучения, уменьшается по мере удаления от источника. Выяснить зависимость плотности потока излучения от расстояния до источника можно, поместив точечный источник в центр сферы.

Плотность потока излучения от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника.

Теперь рассмотрим зависимость плотности потока излучения от частоты. Как известно, излучение электромагнитных волн происходит при ускоренном движении заряженных частиц. Напряженность электрического поля и магнитная индукция электромагнитной волны пропорциональны ускорению излучающих частиц. Ускорение при гармонических колебаниях пропорционально квадрату частоты. Поэтому напряженность электрического поля и магнитная индукция пропорциональны квадрату частоты.

Плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряженности поля. Энергия магнитного поля пропорциональна квадрату магнитной индукции. Полная плотность энергии электромагнитного поля равна сумме плотностей энергий электрического и магнитного полей. Отсюда получаем, что плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты.

Опыты Герца заинтересовали физиков всего мира. Ученые стали искать пути усовершенствования излучателя и приемника электромагнитных волн. В России одним из первых занялся изучением электромагнитных волн преподаватель офицерских курсов в Кронштадте Александр Степанович Попов.

В качестве детали, непосредственно «чувствующей» электромагнитные волны, А.С. Попов применил когерер. Этот прибор представляет собой стеклянную трубку с двумя электродами. В трубке помещены мелкие металлические опилки. Действие прибора основано на влиянии электрических разрядов на металлические порошки. В обычных условиях когерер обладает большим сопротивлением, так как опилки имеют плохой контакт друг с другом. Пришедшая электромагнитная волна создает в когерере переменный ток высокой частоты. Между опилками проскакивают мельчайшие искорки, которые спекают опилки. В результате сопротивление когерера резко падает (в опытах А.С. Попова со 100 000 до 1000—500 Ом, т.е. в 100—200 раз). Снова вернуть прибору большое сопротивление можно, если встряхнуть его. Чтобы обеспечить автоматичность приема, необходимую для осуществления беспроволочной связи, А.С. Попов использовал звонковое устройство для встряхивания когерера после приема сигнала. Цепь электрического звонка замыкалась с помощью чувствительного реле в момент прихода электромагнитной волны. С окончанием приема волны работа звонка сразу прекращалась, так как молоточек звонка ударял не только по звонковой чашечке, но и по когереру. С последним встряхиванием когерера аппарат был готов к приему новой волны.

Чтобы повысить чувствительность аппарата, А.С. Попов один из выводов когерера заземлил, а другой присоединил к высоко поднятому куску проволоки, создав первую приемную антенну для беспроволочной связи. Заземление превращает проводящую поверхность земли в часть открытого колебательного контура, что увеличивает дальность приема.

Хотя современные радиоприемники очень мало напоминают приемник А.С. Попова, основные принципы их действия те же, что и в его приборе. Современный приемник также имеет антенну, в которой приходящая волна вызывает очень слабые электромагнитные колебания. Как и в приемнике А.С. Попова, энергия этих колебаний не используется непосредственно для приема. Слабые сигналы лишь управляют источниками энергии, питающими последующие цепи. Сейчас такое управление осуществляется с помощью полупроводниковых приборов.

7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге А.С. Попов продемонстрировал действие своего прибора, явившегося, по сути дела, первым в мире радиоприемником. День 7 мая стал днем рождения радио.

Познакомимся с видами радиоволн и их распространением.

Форма и физические свойства земной поверхности, а также состояние атмосферы сильно влияют на распространение радиоволн.

Особенно существенное влияние на распространение радиоволн оказывают слои ионизированного газа в верхних частях атмосферы на высоте 100—300 км над поверхностью Земли. Эти слои называют ионосферой. Ионизация воздуха верхних слоев атмосферы вызывается электромагнитным излучением Солнца и потоком заряженных частиц, излучаемых им.

Проводящая электрический ток ионосфера отражает радиоволны с длиной волны > 10 м, как обычная металлическая пластина. Но способность ионосферы отражать и поглощать радиоволны существенно меняется в зависимости от времени суток и времени года.

Устойчивая радиосвязь между удаленными пунктами на земной поверхности вне прямой видимости оказывается возможной благодаря отражению волн от ионосферы и способности радиоволн огибать выпуклую земную поверхность. Это огибание выражено тем сильнее, чем больше длина волны. Поэтому радиосвязь на больших расстояниях за счет огибания волнами Земли оказывается возможна лишь при длине волн, значительно превышающей 100 м (средние и длинные волны).

Короткие волны (диапазон длин волн от 10 до 100 м) распространяются на большие расстояния только за счет многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли. Именно с помощью коротких волн можно осуществить радиосвязь на любых расстояниях между радиостанциями на Земле.

Основная часть энергии электромагнитной волны сосредоточена в эллипсоиде вращения, осью которого является прямая, соединяющая приёмную и передающую антенны. Данная область называется первой зоной Френеля и представлена на рисунке 1. Выделяют несколько зон Френеля, образующих в разрезе концентрические окружности разного диаметра. Далее, по умолчанию, будет рассматриваться только первая зона Френеля, поскольку в ней сосредоточена большая часть энергии сигнала. Как правило, перекрытие зоны Френеля сторонними объектами на 20-40% не является существенной преградой для распространение волны, однако необходимо стремиться к минимизации её перекрытия .

Рисунок 1 - Зона Френеля

При расчёте первой зоны Френеля руководствуются понятием её радиуса , зная который, можно определить наличие в зоне Френеля препятствий:

Величина радиуса зоны Френеля в произвольной точке рассчитывается по формуле:

D1 − расстояние от передатчика до точки измерения,
D2 − расстояние от приёмника до точки измерения,
R − радиус зоны Френеля,
λ − длина волны.

В соответствии с перекрытием зоны Френеля, выделяют три случая:

прямая видимость (LOS) - ситуация, когда перекрытие зоны Френеля не превышает 40%, представлена на рисунке 1;
ограниченная видимость (nLOS) - ситуация, когда сторонние объекты перекрывают зону Френеля на 40-60%, представлена на рисунке 2;
отсутствие прямой видимости (NLOS) - ситуация, когда сторонние объекты перекрывают зону Френеля более, чем на 60%, представлена на рисунке 3.

Поскольку в условиях nLOS часть сигнала из-за физических преград не будет достигать приёмной стороны, то уровень принимаемого сигнала будет ниже, чем при LOS. Таким образом, nLOS накладывает ограничения на максимальную дистанцию беспроводного канала связи в сравнении с распространением сигнала в условиях прямой видимости. Кроме того, как будет показано в следующих уроках (см. урок "Аналоговые и цифровые сигналы. Модуляция"), уровень сигнала косвенно влияет на используемую схему манипуляции и скорость передачи данных. Построение канала связи в условиях NLOS возможно с использованием таких эффектов распространения волн, как отражение, рассеяние и дифракция, которые сильно снижают уровень энергии сигнала на приёмной стороне. Отсюда следует, что при проектировании и дальнейшей реализации проектов с использованием беспроводных каналов связи необходимо стремиться к условиям прямой видимости LOS.

Эффекты при распространении электромагнитных волн

При построении беспроводных каналов связи необходимо учитывать ряд эффектов, которые будут проявляться в зависимости от ряда факторов. Например, используемая локация: распространение радиосигнала в условиях плотной городской застройки и лесного массива будет различаться. Распространение сигнала также зависит от погодных условий .

Затухание в свободном пространстве

В процессе распространения электромагнитной волны в свободном пространстве неизбежен эффект снижения энергии за счёт уменьшения амплитуды распространяемого радиосигнала. При точных расчётах моделей затухания сигнала учитывается множество параметров, например, коэффициент затухания, зависящий от среды распространения и погодных условий, однако для поверхностной оценки можно воспользоваться следующим выражением:

D − расстояние между передатчиком и приёмником в км,
F − частота в ГГц,
LFS − величина затуханий в дБ.

Ключевым выводом из данной формулы является прямая зависимость между величиной затухания и частотой сигнала, т.е. чем выше частота электромагнитной волны, тем она быстрее затухает при распространении в свободном пространстве. Таким образом, при прочих равных, эксплуатация системы связи на низких частотах позволит достигнуть большей дальности, чем на высоких частотах, либо лучших энергетических показателей, при одинаковых дистанциях. Однако, как будет показано в уроке "Антенны", использование низких частот потребует применения антенн больших габаритов.

Экспериментальный результаты свидетельствуют о том, что частота и величина потерь в свободном пространстве имеют логарифмическую зависимость с отклонениями для некоторых частотных диапазонов. Так, например, радиосигнал с частотой 60 ГГц затухает сильнее, чем сигналы смежных частот.

В одном из следующих уроков будет рассмотрен пример расчёта энергетики беспроводного канала связи (см. урок "Бюджет канала связи").

Дифракция

При распространении сигнала в условиях отсутствия прямой видимости, связь может быть достигнута за счёт явления дифракции, т.е. огибание сигналом препятствия. Для пояснения явления обра тимся к рисунку 4:

Рисунок 4 - Эффект дифракции при распространении радиоволны

Зону Френеля между приёмником и передатчиком преграждает строение, однако радиосигнал от передатчика огибает угол здания и достигает приёмника. Следует иметь в виду, что часть энергии сигнала при дифракции будет рассеиваться в окружающую среду, что снижает дальность распространения сигнала относительно LOS.

Поглощение

В случае, если сигнал при встрече с препятствием не отражается, не обходит вокруг и сквозь него, то такой сигнал считается поглощённым. Различные материалы по-разному поглощают радиосигнал: кирпичные и бетонные стены достаточно хорошо поглощают сигнал, тогда как гипсокартон в меньшей степени. Поглощение является следствием существенного ослабления сигнала. Так, амплитуда тока на антенне приёмника зависит от того, какая часть передаваемой мощности была поглощена.

Отражение

При наличии на пути распространения радиосигнала преграды, которая по размерам превышает длину волны, наблюдается эффект отражения волны. Данный эффект может быть использован при организации связи в условиях отсутствия прямой видимости.

Рассеяние

Частным случаем отражения является рассеяние, которое по своей физической сути обратно поглощению: в случае, если преграда на пути распространения радиосигнала меньше длины волны, то электромагнитная волна отражается от этого объекта во все стороны. Примером подобного явления является распространение сигнала в дождливую погоду или сквозь хвойный лес.

Рисунок 6 - Эффект рассеяния при распространении радиоволны

Многолучёвость

В условиях плотной городской застройки эффект отражения при распространении радиосигнала проявляется неоднократно, что приводит к тому, что на приёмной стороне наблюдается несколько копий сиг нала, пришедших по различным путям, как на рисунке 7. Данный эффект получил название многолучёвости.

Рисунок 8 - Пример осциллограмм результирующего сигнала при многолучевом распространении: а - сдвиг фаз 0-120 градусов, б - сдвиг фаз 121-179 градусов, в - сдвиг фаз 180 градусов

На рисунке 8 представлен результирующий сигнал при многолучевом распространении, когда на приёмной стороне присутствуют две копии сигнала. В условиях плотной застройки, чаще на приёмной стороне присутствует большее число копий сигнала, что приводит к искажениям результирующего сигнала, как показано на рисунке 9:

Рисунок 9 - Пример осциллограмм результирующего сигнала при многолучевом распространении: а - сигналы на выходе приёмника, б - результирующий сигнал

Рефракция

При построении беспроводных каналов связи на дальние расстояния следует иметь в виду кривизну поверхности Земли, которой можно пренебречь на малых дистанциях. Логичным решением данной проблемы является увеличение высоты подвеса антенн, как показано на рисунке 10:

Рисунок 10 - Отсутствие прямой видимости из-за кривизны поверхности Земли

Однако, подобные задачи могут быть решены с использованием явления рефракции, при котором волна отражается от плотных слоёв атмосферы, что позволяет ус танавливать беспроводную связь на большие расстояния в отсутствие прямой видимости. Недостатком рефракции является её ограниченное применение - явление наблюдается только в системах, использующих коротковолновую часть спектра - от 25 до 30 МГц.

Явление рефракции заключается в изменении направления распространения волны на границе двух сред, либо в одной неоднородной среде, в которой скорость распространения волны неодинакова. Тропосфера представляет из себя слоистую структуру, каждый слой которой имеет свой показатель диэлектрической проницаемости ε, влияющий на скорость распространения радиосигнала, поэтому тропосфера служит средой, в которой проявляется рефракция. Следует отметить, что характер явления рефракции зависит от времени суток, времени года и погодных явлений.

Рисунок 11 - Явление рефракции при распространении радиоволны

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:

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

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.

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.

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.

Вы здесь: Главная Познавательное Физика Как распространяются электромагнитные волны?

Как распространяются электромагнитные волны?

Каждый раз, когда электрический ток изменяет свою частоту или направление, он генерирует электромагнитные волны — колебания электрического и магнитного силовых полей в пространстве. Один из примеров — изменяющийся ток в антенне радиопередатчика, который создает кольца распространяющихся в пространстве радиоволн.

Энергия электромагнитной волны зависит от ее длины — расстояния между двумя соседними «пиками». Чем меньше длина волны, тем выше ее энергия. В порядке убывания своей длины электромагнитные волны подразделяются на радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Длина волны гамма-излучения не достигает и одной стомиллиардной метра, в то время как радиоволны могут иметь длину, исчисляющуюся в километрах.

Электромагнитные волны распространяются в пространстве со скоростью света, а силовые линии их электрического и магнитного полей располагаются под прямым углом друг к другу и к направлению движения волны.

Электромагнитные волны расходятся постепенно расширяющимися кругами от передающей антенны двусторонней радиостанции аналогично тому, как это делают волны, вызванные падением камешка в пруд. Переменный электрический ток в антенне создает волны, состоящие из электрического и магнитного полей.

Схема электромагнитной волны

Электромагнитная волна распространяется прямолинейно, а ее электрическое и магнитное поле перпендикулярны потоку энергии.

Преломление электромагнитных волн

Так же как и свет, все электромагнитные волны преломляются, когда входят в вещество под любым углом, кроме прямого.

Отражение электромагнитных волн

Если электромагнитные волны падают на металлическую параболическую поверхность, они фокусируются в точке.

Рост электромагнитных волн

ложный узор электромагнитных волн, исходящих из передающей антенны, возникает из одиночного колебания электрического тока. Когда ток течет вверх по антенне, электрическое поле (красные линии) направлено сверху вниз, а магнитное поле (зеленые линии) — против часовой стрелки. Если ток изменяет свое направление, то же самое происходит с электрическим и магнитным полями.

Вы здесь: Главная Познавательное Физика Как распространяются электромагнитные волны?

Читайте также: