Важность радиосвязи и как она работает
Когда мы думаем о электричестве, мы, естественно, думаем о проводах. От высоковольтных линий передачи до крошечных дорожек на печатной плате провода по-прежнему являются основным средством передачи электрической энергии от одного места в другое.
Но история последовательно демонстрирует, что люди редко, если вообще когда-либо, удовлетворены фундаментальным способом делать что-либо, и поэтому мы не должны удивляться, узнав, что за распространением электричества последовало широко распространенное стремление освободить электрическую функциональность от ограничений физической взаимосвязи.
Существуют различные способы включения «беспроводной» функциональности в электрическую систему. Одним из них является использование электромагнитного излучения, которое является основой для радиосвязи. Однако важно признать, что электромагнитное излучение не уникально по своей способности давать электрическим схемам беспроводные возможности. Все, что может проходить через непроводящие материально-механические среды (звуковые волны, тепло) может быть использовано как средство преобразования электрической энергии в информацию, которая не полагается на проводящие взаимосвязи. Имея это в виду, мы можем задать себе более актуальные вопросы: почему электромагнитное излучение является предпочтительным? Почему другие типы беспроводной связи имеют такое второстепенное значение? Прежде чем ответить на эти вопросы, давайте выясним, что такое электромагнитное излучение.
Поля и радиоволны
Как следует из названия, электромагнитное излучение включает как электрические поля, так и магнитные поля. Если у вас есть напряжение, такое как напряжение на импедансе антенны, у вас есть электрическое поле (с математической точки зрения электрическое поле пропорционально пространственной скорости изменения напряжения). Если у вас есть электрический ток, такой как ток, проходящий через импеданс антенны, у вас есть магнитное поле (сила поля пропорциональна величине тока). Электрическое и магнитное поля присутствуют, даже если величина напряжения или тока постоянна. Однако эти поля не будут распространяться. Если мы хотим, чтобы волна распространилась, нам нужны изменения напряжения и тока.
Ключом к этому явлению распространения является самоподдерживающаяся связь между электрической и магнитной составляющими электромагнитного излучения. Меняющееся электрическое поле создает магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле генерирует электрическое поле. Эта взаимная регенерация проявляется как отдельная сущность, а именно электромагнитная волна. Сгенерировав эту волну, эта волна выйдет из своего источника и со скоростью света будет распространяться в сторону глубин неизвестного.
Создание ЭМИ и управление ЭМИ
Проектировать всю систему радиосвязи нелегко. Тем не менее, очень легко создавать электромагнитное излучение (ЭМИ), и на самом деле вы генерируете его, даже когда вы этого не хотите. Любой изменяющийся во времени сигнал в любой цепи генерирует ЭМИ, и это включает в себя цифровые сигналы. В большинстве случаев эта ЭМИ представляет собой просто шум. Если это не вызывает никаких проблем, вы можете игнорировать его. В некоторых случаях он может фактически мешать другим схемам, и в этом случае он становится электромагнитными помехами.
Таким образом, можно понять, что радиочастотные конструкции не просто генерируют ЭМИ. Скорее, это искусство и наука о генерации и манипулировании и интерпретации ЭМИ таким образом, чтобы вы могли надежно передавать значимую информацию между двумя цепями, которые не имеют прямого электрического соединения.
Преимущества радиосвязи
Теперь давайте вернемся к вопросу о том, почему системы на основе ЭМИ настолько распространены по сравнению с другими формами беспроводной связи. Другими словами, почему «беспроводная» связь почти всегда относится к радиочастотам, когда различные другие явления могут передавать информацию без помощи проводов? Есть несколько причин.
Во-первых, это гибкость и точность. ЭМИ является естественным продолжением электрических сигналов, используемых в проводных схемах. Временные переменные напряжения и тока генерируют ЭМИ, хотите ли вы их или нет, и, кроме того, ЭМИ является точным представлением элементов переменного тока исходного сигнала. Рассмотрим экстремальный (и совершенно непрактичный) контрпример: систему беспроводной связи на основе тепла. Представьте, что комната содержит два отдельных устройства. Передающее устройство нагревает помещение до определенной температуры на основе сообщения, которое оно хочет отправить, а устройство-приемник измеряет и интерпретирует температуру окружающей среды. Это вялая, неудобная система, потому что температура в помещении не может точно соответствовать вариациям сложного электрического сигнала. ЭМИ, с другой стороны, очень отзывчиво. Передаваемые радиосигналы могут точно воспроизводить даже сложные высокочастотные сигналы, используемые в современных беспроводных системах.
Во-вторых, это скорость. Скорость передачи данных зависит от того, насколько быстро сигнал может испытывать изменения. Другими словами, сигнал должен что-то делать, например, увеличивать и уменьшать амплитуду, чтобы передавать информацию. Оказывается, что ЭМИ является практическим средством связи даже на очень высоких частотах, что означает, что радиочастотные системы могут достичь чрезвычайно высоких скоростей передачи данных.
В-третьих, это дальность. Стремление к развитию беспроводной связи тесно связано с развитием междугородной связи. Если передатчик и приемник находятся в непосредственной близости, часто проще и экономичнее использовать провода. Хотя сила радиочастотного сигнала уменьшается в соответствии с законом обратного квадрата, ЭМИ в сочетании с методами модуляции и сложной схемой приемник все еще обладает замечательной способностью передавать используемые сигналы на большие расстояния.
В-четвертых, не требуется прямая линия видимости. Единственный беспроводной коммуникационный носитель, который может конкурировать с ЭМИ, является свет. Это, возможно, не слишком удивительно, так как свет – это очень высокочастотное ЭМИ. Но природа оптической передачи подчеркивает, что, возможно, является окончательным преимуществом, которое предлагает радиосвязь: прямая линия видимости не требуется. Наш мир наполнен твердыми предметами, которые блокируют свет, даже очень мощный свет. Напротив, низкочастотное ЭМИ, используемое в радиочастотных системах, проходит через стены, пластиковые оболочки, облака и, хотя может показаться немного странной – каждую клетку в человеческом теле. Эти радиочастотные сигналы не полностью подвержены воздействию этих материалов, и в некоторых случаях может произойти значительное затухание. Но по сравнению со светом ЭМИ проходит практически где угодно.
© digitrode.ru