Любопытно, что одним из изобретателей этой технологии стала австрийская и американская киноактриса Хеди Ламарр (Hedy Lamarr), снискавшая славу ролями в европейских фильмах в 1930-х годах под своим настоящим именем Хедвиг (Хеди) Кислер (Hedwig (Hedy) Kiesler). Ее первый супруг — богатый владелец оружейной фабрики — однажды рассказал ей, насколько легко блокировать радиосигналы управления торпедами. Обнаружив, что он продает вооружение Гитлеру, Хеди пришла в ужас. Переодевшись горничной, она сбежала в Голливуд, где продолжила карьеру актрисы. А в перерыве между съемками Хеди создала технологию перестройки рабочей частоты, чтобы помочь антигитлеровской коалиции.
В ее схеме использовалось 88 частот — по числу клавиш (и частот) фортепиано. Хеди Ламарр и ее друг, композитор Джордж Антейл (George Antheil), запатентовали изобретение (патент U.S. 2292387). Впрочем, им не удалось убедить ВМС США в практической ценности этой технологии, так что никаких выплат они так никогда и не получили. Лишь спустя многие годы после того, как патент утратил силу, эта методика была вновь открыта. Теперь она используется в мобильных электронных устройствах (вместо того, чтобы блокировать сигналы для торпед).
2.2.3. Метод прямой последовательности для расширения спектра
При расширении спектра методом прямой последовательности (direct sequence spread spectrum) информационный сигнал распределяется по более широкому диапазону частот с помощью кодовой последовательности. Данный метод обеспечивает эффективное совместное использование одной полосы частот несколькими сигналами, а потому широко применяется в промышленности. Сигналам присваиваются разные коды методом множественного доступа с кодовым разделением каналов (code division multiple access, CDMA); его мы обсудим позже. На илл. 2.9 приводится сравнение двух методов расширения спектра сигнала (прямой последовательности и псевдослучайной перестройки рабочей частоты). На методе прямой последовательности основываются мобильные телефонные сети 3G. Кроме того, он применяется в GPS. Даже без различных кодов метод прямой последовательности не боится помех и замирания, поскольку теряется лишь небольшая доля полезного сигнала. В таком виде он применяется в старых версиях протокола беспроводных LAN 802.11b. Захватывающая история связи на основе расширения спектра подробно описана в работе Уолтерса (Walters, 2013).
Илл. 2.9. Расширение спектра и сверхширокополосная связь (UWB)
2.2.4. Сверхширокополосная связь
При использовании сверхширокополосной связи (ultra-wideband, UWB) происходит отправка ряда быстрых сигналов низкой мощности, а передача данных происходит за счет варьирования несущих частот. В результате быстрых переходов сигнал распределяется по очень широкой частотной полосе. К UWB относятся сигналы с полосой частот не менее 500 МГц либо занимающие как минимум 20 % от средней частоты их частотного диапазона. UWB-связь также показана на илл. 2.9. При такой ширине полосы частот скорость UWB-связи потенциально может достигать нескольких сотен мегабит в секунду. А поскольку сигнал распределен по широкому диапазону, ему не страшны довольно сильные помехи со стороны других сигналов с узкой полосой частот. Важный нюанс: поскольку при передаче данных на короткие расстояния мощность UWB-сигналов очень невелика, они не генерируют помех для вышеупомянутых узкополосных сигналов. В отличие от передачи данных при расширенном спектре, UWB-сигналы не мешают несущим сигналам в той же полосе частот. Их можно также использовать для просвечивания твердых объектов (земли, стен и тел) или в качестве составной части систем точного позиционирования. Эта технология нередко применяется для связи на коротких расстояниях в помещениях, а также для получения точных координат и отслеживания местоположения.
2.3. Применение спектра электромагнитных волн для передачи данных
В этом разделе мы поговорим об использовании различных частей спектра электромагнитных волн, представленных на илл. 2.8, и начнем с радиоволн. Будем считать, что все передаваемые сигналы — узкополосные (если не указано иное).
2.3.1. Радиосвязь
Радиоволны легко генерировать, они способны преодолевать большие расстояния и с легкостью проходить сквозь стены. Поэтому их повсеместно используют для связи как в помещениях, так и на открытом пространстве. Радиоволны являются всенаправленными, то есть расходятся во все стороны от источника, а значит, нет необходимости тщательно нацеливать передатчик на приемник.
Иногда всенаправленность радиоволн полезна, но порой она может сыграть злую шутку. В 1970-х компания General Motors решила оборудовать все свои новые кадиллаки электронной антиблокировочной системой. При нажатии на педаль тормоза устройство подавало сигналы включения/выключения тормозов вместо их блокировки. Однажды дорожный патрульный штата Огайо попытался связаться с управлением по своей новенькой рации, и внезапно проезжающий мимо кадиллак стал вести себя как необъезженный жеребец. Когда офицер наконец остановил эту машину, водитель заявил, что ничего не делал и что автомобиль вдруг будто взбесился.
В конце концов начала прослеживаться закономерность: иногда кадиллаки «бунтовали», но только на крупных шоссе Огайо и только когда за ними наблюдал дорожный патруль. Долгое время в General Motors не могли понять, почему эта проблема не возникает во всех остальных штатах, а также на небольших дорогах Огайо. Только после тщательных исследований они обнаружили, что электропроводка кадиллака служит прекрасной антенной для частот, используемых новой радиосистемой дорожного патруля штата Огайо.
Свойства радиоволн зависят от частоты. Низкочастотные радиоволны легко проходят сквозь препятствия, но их мощность резко падает с удалением от источника — со скоростью минимум 1/r2 в воздухе, — поскольку энергия сигнала распределяется более тонким слоем по большей поверхности. Подобное затухание называется потерями в тракте передачи (path loss). Высокочастотные радиоволны движутся по прямой и отражаются от препятствий. Эти отражения сильно влияют на мощность сигнала помимо уже упомянутых потерь в тракте передачи. Высокочастотные радиоволны сильнее поглощаются дождем и остальными препятствиями, чем низкочастотные. При этом радиоволны любой частоты подвержены помехам от моторов и прочего электрического оборудования.
Интересно сравнить затухание радиоволн и сигналов в направляющих средах передачи. В оптоволокне, коаксиальном кабеле и витой паре мощность сигнала падает на одинаковую долю за единицу расстояния, например, на 20 дБ за 100 м для витой пары. В случае радиоволн мощность сигнала падает на одинаковую долю при удвоении расстояния, например, в вакууме эта доля равна 6 дБ. Это означает, что радиоволны могут проходить большие расстояния, при этом основной проблемой являются взаимные помехи между пользователями. Поэтому правительства всех стран жестко регулируют использование радиопередатчиков (за несколькими исключениями, которые мы обсудим далее).
В диапазонах ОНЧ, НЧ и СЧ радиоволны следуют вдоль земной поверхности, как показано на илл. 2.10 (а). Прием этих волн возможен на расстоянии до 1000 км для низких частот и на меньшем — для чуть более высоких. Для AM-радиовещания используется диапазон СЧ, именно поэтому поверхностный сигнал бостонских AM-радиостанций не так-то просто услышать в Нью-Йорке. Радиоволны в этих диапазонах легко проникают сквозь здания, поэтому радио прекрасно работает в помещении. Основная проблема с использованием этих диапазонов частот для передачи данных — низкая полоса пропускания.
