Если к электрической цепи подключить антенну нужного размера, можно с успехом передавать электромагнитные волны на приемник, расположенный на некотором расстоянии. На этом принципе основана вся беспроводная связь.
В вакууме все электромагнитные волны перемещаются с одной скоростью, вне зависимости от их частоты. Эту скорость называют скоростью света, c. Она равна приблизительно 3×108 м/с, то есть около 1 фута (30 см) в наносекунду. (Можно было бы пересмотреть традицию и определить фут как расстояние, проходимое светом в вакууме за наносекунду, вместо того чтобы опираться на размер обуви давно умершего короля.) В медном проводе или оптоволокне скорость волн снижается до 2/3 этого значения и начинает в некоторой степени зависеть от частоты. Скорость света — абсолютный предел скорости во Вселенной. Никакой объект или сигнал не может перемещаться быстрее.
f, λ и c (в вакууме) связаны фундаментальным соотношением:
λ f = c. (2.1)
Поскольку c — постоянная, то, зная f, можно найти λ, и наоборот. Эмпирическое правило: если λ измеряется в метрах, а f — в мегагерцах, то λf ≈ 300. Например, длина волн частотой 100 МГц составляет около 3 м, 1000 МГц — 0,3 м, а 3000 МГц — 0,1 м.
На илл. 2.8 приведен спектр электромагнитных волн. Для передачи данных путем модуляции амплитуды, частоты или фазы волн можно использовать радиоволны, микроволновое и инфракрасное излучение, а также видимый свет. Еще лучше для этой цели подошло бы ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение благодаря более высокой частоте, но генерировать и модулировать их сложнее: они плохо проходят сквозь здания и, кроме того, опасны для всего живого.
Названия частотных диапазонов, представленные в нижней части илл. 2.8, являются официальными наименованиями Международного союза электросвязи (ITU). Они соответствуют длине волны: к примеру, низкочастотный диапазон охватывает длины волн от 1 до 10 км (примерно от 30 до 300 КГц). Сокращения НЧ (LF), СЧ (MF) и ВЧ (HF) означают низкие (low), средние (medium) и высокие частоты (high frequency) соответственно. Разумеется, при выборе названий никто не ожидал, что будут использоваться частоты выше 10 МГц. Поэтому последующие диапазоны получили названия ОВЧ, очень высокие частоты (VHF, very high frequency); УВЧ, ультравысокие частоты (UHF, ultra high frequency); СВЧ, сверхвысокие частоты (SHF, super high frequency); КВЧ, крайне высокие частоты (EHF, extremely high frequency), и ГВЧ, гипервысокие частоты (THF, tremendously high frequency). Наименования следующих диапазонов пока не придуманы, но как нам кажется, отлично подойдут «невероятно высокие», «поразительно высокие» и «чудовищно высокие» частоты (НВЧ, ПВЧ и ЧВЧ). Выше 1012 Гц начинается инфракрасное излучение, которое имеет смысл сравнивать с видимым светом, а не с радиоволнами.
Илл. 2.8. Спектр электромагнитных волн и их применение для электросвязи
Из теоретических основ электросвязи (изложенных далее в этой главе) известно, что количество информации, переносимой сигналом (например, электромагнитной волной), зависит от принимаемой мощности и пропорционально ширине полосы пропускания. Из илл. 2.8 становится ясно, почему разработчики сетей так любят оптоволокно. В микроволновом диапазоне для передачи данных доступна полоса пропускания на много гигагерц, но оптоволокно находится правее на логарифмической шкале, поэтому его показатели еще лучше. В качестве примера рассмотрим 1,30-микрометровый диапазон на илл. 2.5; ширина диапазона составляет 0,17 мкм. Воспользуемся уравнением (2.1) и вычислим начальную и конечную частоты на основе соответствующих длин волн. Диапазон составляет около 30 000 ГГц. При допустимом соотношении «сигнал/шум» в 10 дБ скорость будет равна 300 Тбит/с.
Большая часть данных передается в относительно узком диапазоне частот, другими словами, ∆ f / f << 1. Сигналы сосредоточиваются в узком диапазоне для более эффективного использования спектра и достижения хороших скоростей передачи за счет достаточной мощности. Далее мы опишем три типа передачи, при которых используются более широкие диапазоны частот.
2.2.2. Псевдослучайная перестройка рабочей частоты
При расширении спектра сигнала с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (frequency hopping spread spectrum) передатчик меняет частоту сотни раз в секунду. Этот метод широко используется в военной связи: такую передачу труднее засечь и практически невозможно заглушить. Помимо этого он снижает замирание сигналов, поскольку они движутся от источника к приемнику различными путями. Также он устойчив к узкополосным помехам, поскольку приемник не задерживается долго на проблемной частоте и связь не разрывается. Благодаря такой ошибкоустойчивости данный метод хорошо подходит для перегруженных частей спектра, таких как диапазоны ISM (мы расскажем о них чуть позднее). Псевдослучайная перестройка рабочей частоты также применяется в коммерческих системах, например в Bluetooth и в старых версиях стандарта 802.11.