Вводная лекция
Что вы уже знаете про беспроводную связь? Чем беспроводная связь отличается от проводной?
Вы можете заметить отличие беспроводной и проводной связи, например, когда общаетесь по интернету проводному и беспроводному — используя вай-фай. Проводной интернет стабильно работает независимо от того, где вы находитесь, а связь по вай-фаю может неожиданно ухудшиться или даже прерваться, если отойти далеко от источника. При этом у беспроводной связи есть плюс — её удобно использовать, когда у вас несколько устройств. Наверняка вы можете привести примеры того, как беспроводная связь используется в нашей повседневной жизни.
Подумайте, какими устройствами с беспроводной связью вы пользуетесь? (пример: беспроводные наушники, вай-фай)
Беспроводные наушники и компьютерные мышки, умные колонки и пылесосы, привычные уже всем телефоны с мобильной связью, но также спутниковая связь и ставшая очень востребованной тема беспилотных летательных средств — всё это беспроводная связь. Давайте рассмотрим подробнее, из чего состоит беспроводная связь и как она развивалась.
Как по проводной, так и по беспроводной связи, мы передаём сигналы. Рассмотрим примеры сигналов — кнопка предупреждения, например, о пожаре, вой волка, общение между людьми (обмен сигналами). Сигнал может быть не обязательно «информативным», как слова — любое колыхание среды может быть сигналом, как если мы помашем рукой кому-то, так и «громкое молчание», когда ученик очень не хочет отвечать учителю, и учитель видит, как тот напряжён.
Подумайте, какие есть сигналы в природе — например, пение птицы (аудио-сигнал), или раскраска змеи (визуальный сигнал).
Человек перенял передачу сигналов из природы, и даже в древности люди общались беспроводными сигналами — информацию нёс дым от костра, звук барабанов или сигнального рога.
Цивилизация развивалась, вместе с ней менялась и передача сигналов — общение на больших расстояниях становилось всё более важной задачей. Появились новые способы передачи сигналов — гелиограф, устройство, передающее вспышки света, «рассказал» о поражении Наполеона в битве при Ватерлоо. На кораблях использовали флаги, означающие, например, разные буквы — и при сочетании нескольких флагов получалось слово. Маяки могли указывать направление, так и предупреждать о мелководье.
Современная эпоха передачи сигналов начинается с изобретением телеграфа. В телеграфе сигнал передавался уровнем напряжения. Если напряжение подаётся нажатием на ручку — это наличие сигнала. Посылка сигнала в виде кода Морзе: длинная — тире, короткая — точка. С помощью телеграфа можно перейти от понятия сигнала к понятию электрического сигнала. После телеграфа также изобрели телефон и радио.
Как вы думаете, в чём весомое отличие между телеграфом и телефоном, почему этот шаг - изобретение телефона - был так важен?
Телеграф передавал только электрические сигналы в виде напряжения, тогда как мы, люди, чаще всего общаемся между собой голосом. В этом и отличие — телефон мог передать такой сложный сигнал, как наша речь. Она сложнее тире и точек тем, что является аналоговым сигналом — у неё бесконечное множество значений.
Устройства, как телефон, не могут записать в себя чистый голос — в нём так много значений, что память не сможет все их сохранить. Чтобы передавать речь или другие аналоговые сигналы, такие как свет, устройство принимает раз в определённый промежуток времени (например, раз в секунду) значение аналогового сигнала и задаёт ему некоторый уровень. На слайде видно отличие аналогового сигнала, жёлтой линии, от цифрового сигнала, голубой линии.
На этой тренировке мы будем работать с дисками, которые просвечивают с помощью оптопары и получается световой аналоговый сигнал. Свет — это электромагнитная волна. На слайде показано, какие ещё устройства передают электромагнитные волны беспроводной связью.
В любом канале связи между передатчиком и приёмником существует среда, по которой передаётся сигнал. Это объясняет, почему толстые стены могут помешать интернету, передающемуся по вай-фаю. Ещё более простой пример — если два человека далеко отойдут друг от друга и попытаются поговорить, им придётся кричать, и воздух, шумы окружающей среды, исказят слова.
Рассмотрите на слайде элементы используемой для получения сигнала оптопары, как свет переходит от излучателя (светодиод), проходит через диск и попадает в приёмник (фотодиод).
Диск вращается, рисунок на диске попадает в канал связи и искажает получаемый приёмником свет. На слайде показан график, полученный после прокручивания диска справа (белые области на диске на самом деле прозрачные). Как видно, в прозрачных областях линия на графике находится высоко — у приёмника не было препятствий и он получил весь свет, мы обозначим это как 1. Чёрные области на диске препятствовали получению света, поэтому линия на графике, уровень сигнала, расположена низко, обозначим это как 0. В итоге получаем сообщение. Заметьте, что сообщение начинается с нарисованной на диске точки.
Есть множество способов кодировать информацию на дисках. Разные рисунки на дисках меняют некоторые характеристики сигнала.
Рассмотрим характеристики сигнала.
Период сигнала — наименьший временной интервал, через который сигнал повторяет свои значения. Это видно на рисунке — когда период заканчивается, он начинается вновь.
Амплитуда — максимальное отклонение от среднего либо нулевого значение. Например, чем громче поёт птица — тем большую амплитуду мы видим на графике сигнала.
Пример разной амплитуды: чёрный — амплитуда меньше, красный — больше.
Частота сигнала — количество колебаний или периодов сигнала за определённое время. Например, за одну секунду птица может как один раз вскликнуть, так и прерывисто несколько раз пощебетать — таким образом, у щебетания частота выше.
Пример разной частоты: чёрный — частота меньше, красный — больше.
Характеристики сигнала меняются в процессе модуляции. Рассмотрите по слайду, как модулирующий аналоговый сигнал меняет несущий сигнал и превращает в модулированный. Пример несущего сигнала, или несущей частоты — характерный для радио звук «шшш», когда не ловит радиостанция.
Рассмотрите разные модуляции - что в них отличается?
