Как передать информацию без проводов?
Продолжаю изучать курс “беспроводная связь для всех” (Wireless Communications for Everybody), переводить его и рассказывать содержимое для широкого круга читателей. Вслед за первым глобальным вопросом о принципах оцифровки информации, настала очередь второго: как же данные могут быть переданы без проводов.
Все мы пользуемся сотовыми телефонами и смартфонами. Мы разговариваем и посылаем СМСки, скачиваем контент из Сети и загружаем туда свой. Во всех этих случаях используется именно беспроводная передача информации.
Наш гаджет соединяется с базовой станций или с точкой доступа (вай-фай роутер и т.п.) и происходит такой обмен данными. Как это возможно, что для этого требуется и какой объём информации можно передать?
Сегодня в лекции будет рассмотрен ряд ключевых терминов:
Прежде всего, для коммуникации без проводов нужно электрическое устройство, называемое антенной. Мы привыкли в быту, при повседневном использовании радиоприёмников и телевизоров, что антенна - это принимающее сигнал устройство. На самом же деле антенна может как принимать, так и передавать. И именно в связке приёмная/передающая антенна работаю при обмене данными без проводов.
При передаче антенна преобразует поступающую от передатчика энергию в электромагнитную волну, распространяющуюся в пространстве (со скоростью света). В случае приёма, наоборот электромагнитная волна преобразуется в электромагнитные импульсы внутри приёмника за счёт колебаний в антенне.
Таким образом, электрические сигналы передатчика может получить приемник со скоростью света, а информацию, представленную в цифровом виде можно передавать с помощью антенн.
Но мы не можем просто так взять и начать отправлять данные, радиочастоты строго контролируются практически в каждой стране, и операторы связи получают лицензию на работу в той или иной полосе частот. Поэтому перед отправкой сигнала нужно его преобразовать именно в ту частоту, на которой это делать можно.
После усиления сигнал можно передавать через антенну, но предварительно нужно понять, как цифровую информацию можно преобразовать в в электромагнитную волну?
Количество переданных данных связано с тем, с какой скоростью мы можем изменить сигнал. Тут мы опять приходим к понятию частоты - количество колебаний в секунду.
Если шаблон сигнала повторяется, то мы мы можем связать его с частотой.
Отличная вещь, которую придумали математики - это то, что мы можем разложить сигнал по его частотным составляющим. Примерно вот так:
А если посмотреть распределение энергии в зависимости от частоты, получим энергетический спектр сигнала. Полоса частот, при которых энергия сигнала больше нуля, называется полосой пропускания сигнала (signal bandwidth)
Полоса пропускания определяет скорость изменения сигнала: чем чаще сигнал меняется, тем больше полоса пропускания, и тем выше скорость передачи информации.
Таким образом полоса пропускания - это характеристика, с помощью которой мы можем влиять на скорость передачи данных.
Сигнал может быть дискретизирован (сэмплитрован, разбит на сэмплы) с частотой Найквиста. И как выяснили математики, если сигнал имеет наивысшую частоту колебаний W, то это означает, что его полоса пропускания тоже W, а частота Найквиста - это удвоенная W.
Помимо полосы пропускания есть второй ресурс, определяющий скорость передачи информации. Как говорилось ранее, частоту нужно сдвинуть на ту, по которой разрешён обмен данными.
Но кроме сдвига частоты, идёт усиление амплитуды каждой составляющей сигнала, таким образом передаваемый сигнал становится мощнее. С одной стороны, это означает необходимость использования оборудования потребляющего больше энергии, с другой стороны дальность передачи и помехозащищённость увеличиваются.
Теперь представим, что сигнал с полосой пропускания W и с мощностью P доставлен к приёмнику. К сожалению. радиоволны затухают при распространении в пространстве, и поэтому принятый сигнал будет ослаблен, кроме того будут наложены неизбежные помехи.
Спектр сигнала помех почти плоский и исходный сигнал будет примерно равномерно искажён. Каждый сэмпл на приёмной стороне будет отличаться от передаваемого, и степень отличия будет зависеть от отношения мощностей, исходной и конечной. И если сигнал в N раз мощнее сигнала, то пропускная способность такого канала передачи данных составит C=Wlog2(1+P/NW), бит в секунду. Эту формулу пропускной способности в английских источниках называют Shannon Capacity.
Как видно из формулы, чем больше полоса пропускания W и мощность сигнала P, тем больше скорость передачи данных.
Есть ещё одна характеристика канала передачи данных - спектральная эффективность. Это отношение пропускной способности к ширине полосы пропускания, то есть бит в секунду на единицу на один Герц частот.
И существует такая зависимость спектральной эффективности от соотношения мощности сигнала и шума:
Из этого графика видно, что чем больше мощность сигнала, тем более эффективно можно передавать информацию, но этот рост заметно замедляется с увеличением уровня передаваемого.
Поэтому для дальнейшего увеличения эффективности передачи надо увеличивать полосу пропускания.
Сегодняшняя лекция далась тяжеловато, много специфических терминов, и не имея опыта изучения именно беспроводной передачи данных, переводить и объяснять читателем то, что даётся лектором очень кратко и без пояснений, было сложно. В любом случае, это полезный опыт, из вышеизложенного материала стали ясны теоретически возможные пути увеличения скорости передачи данных в сотовых сетях - увеличение мощности сигнала (на которое пойти нельзя и из-за экологических норм) и увеличение полосы пропускания сигнала.
Конспект подготовлен для Академии Голоса @academy
График разложения сигнала с сайта http://www.cap-design.ru/
Фотографии бесплатны с pixabay.com