Как хвилі передають інформацію

Как хвилі передають информацию

Доктор фізико-математичних наук Л. Г. Асламазов Мы настільки звикли бачити на екрані телевізорі події, що відбуваються іншою кінець світу, що й не дивуємося цьому. У світі радіо, телебачення, телефон дозволяють досить просто отримувати передавати необхідну інформацію. Але ще порівняно нещодавно всі було зовсім иначе…

Для здобуття права передати до Петербурга звістку про коронації імператриці Єлизавети, яка походила у Москві, по всьому шляху між тими містами було побудовано ланцюжок вояк із прапорцями. У час коронації перший солдатів змахнув прапорцем, потім наступний тощо. Так звістку про коронації сягнуло Петербурга, де вистрілила гармата. Отаким складним способом користувалися для швидкої передачі інформацією недалекі времена.

Что ж поширювалося ланцюжком солдатів? Кожен солдатів залишався стояти дома, але у певний час він зраджував свій стан (піднімав прапорець). Це зміна гніву й поширювалося ланцюжком. У разі кажуть, що поширюється волна.

Волны є різні. У акустичних (звукових) хвилях змінюється щільність речовини, в електромагнітних (світло, радіохвилі тощо.) — напруженості електричного і магнітного полів. Бувають температурні хвилі, хвилі концентрації при хімічних реакціях, хвилі епідемій тощо. п. Кажучи образно, хвилі охоплюють все розмаїття явищ в природе.

Простейший тип хвилі — монохроматична хвиля, як у кожному місці зміна стану відбувається з часом по гармонійного закону з певною частотою (але закону синуса чи косинуса). Чимало з подібних можна зустріти у природі хвиль можна вважати монохроматическими. Звукові хвилі подібного типу називають музичними тонами. Їх збуджують, наприклад, з допомогою камертонів. Монохроматические світлові хвилі одержують з допомогою лазерів. Хвилі, близькі до монохроматическим, можна порушити лежить на поверхні води, періодично занурюючи у неї якийсь предмет. У нашій ланцюжку солдатів теж можна отримати схожі волны.

Представьте собі, кожен солдатів непросто змахнув прапорцем, а робить їм коливання, періодично піднімаючи і опускаючи прапорець. Кожен такий солдатів повторює ці коливання, але з певним запізненням (зрушенням за фазою). По ланцюжку солдатів побіжить хвиля. Щось схоже побачити під час спортивних свят, коли ланцюжка людей роблять періодичні руху з зрушенням по фазе.

Это гарне видовище тішить око, але чи можуть передавати інформацію такі хвилі? Вочевидь, що немає. Періодично повторювані у часі коливання не несуть нам жодних знахідок, залишають поза передачею інформації. І це з допомогою одиничного помаху, коли зміна стану щоразу відбувався за обмеженою області простору, можна було передати інформацію початок коронації. Такі обмежені в просторі хвилі називають сигналами.

Можно зробити, що здійснювати помахи в ланцюжку будуть одночасно чимало, а через два, три і навіть кілька що стоять поруч солдатів. Тоді протяжність сигналу збільшиться. Користуючись сигналами різною довжини, можна передати як інформацію початок коронації, а й будь-яку інформацію. Природа сигналу може бути різною — бувають сигнали звукові, світлові тощо. п.

Самое цікаве, що кожен сигнал можна подати як суму монохроматичних хвиль з різними частотами (скласти з цих хвиль). Такої нагоди дає принцип інтерференції: для розповсюдження хвиль коливання у кожному місці простору складаються. Скажімо, залежно від зсуву фаз коливання однакових частот можуть посилити одне одного (за нульової різниці фаз виходять коливання з сумарною амплітудою), a можуть бути послабити (при протилежної фазі коливань). Виявляється, що амплітуди і частоти складываемых монохроматичних хвиль можна підібрати в такий спосіб, що хвилі гасять одне одного майже в усьому просторі, крім певній галузі, гДе, навпаки, відбувається їх усиление.

Важно відзначити, що ця галузь не на місці, а рухається зі швидкістю хвилі, інакше кажучи — поширюється сигнал. Якщо швидкість з монохроматичних хвиль всіх частот однакова (як, наприклад, для розповсюдження електромагнітних хвиль, а вакуумі), те й максимум рухається зі швидкістю з. Його ширина постійна і дорівнює dL = 2*pi*c/w. Отож тривалість сигналу dT = 2*pi/w. Виходить дивовижно просте фундаментальне співвідношення: w * dT = 2 * pi. Тривалість сигналу і ширина діапазону частот хвиль, у тому числі сигнал полягає, пов’язані назад пропорційної залежністю. Якісно це співвідношення зрозуміло: сигнал великий тривалості (dT велике) формується з монохроматичних хвиль близьких частот (w мало). Аби скласти короткий сигнал, потрібно скласти багато хвиль з різними частотами. Усі, напевно, помічали, що блискавка викликає перешкоди в радіоприймачі переважають у всіх діапазонах частот.

Итак, кожен сигнал можна скласти з монохроматичних хвиль або ж, кажучи інакше, розкласти таких хвилі. Залежність амплітуди монохроматичних хвиль, їхнім виокремленням сигнал, від своїх частоти називається спектром сигналу. Спектри сигналів, як і і сигнали може мати найрізноманітніші формы.

Когда ми, наприклад, вимовляємо звуки, то змушуємо спеціальним чином коливатися повітря, й інші коливання поширюються як звукових сигналів певної форми. Спектри цих сигналів істотно різняться залежно від цього, вимовляємо ми гласну чи згідну. Сигнал, відповідний гласною, має спектр з цими двома характерними максимумами за певних частотах (їх називають формантами). Спектр згодної більш «розмазаний «у всій області частот.

Существует спеціальний метод — гармонійний аналіз, — дозволяє знаходити спектри сигналів і відновлювати сигнали по відомим спектрам.

Интересно, що «кричати «вже вміють і тверді тіла. Теплове рух спричиняє коливання атоми в кристалічній решітці, і ті коливання передаються тілом як пружних хвиль. Це теж звукові хвилі. Проте їх спектр має максимум за дуже високих частотах, а області чутних частот амплітуда звуку пренебрежимо мала (наприклад, навіть за дуже низької температурі порядку 5 До максимум відповідає частоті 1012−1013Гц). Отож почути, про що свідчать тверді тіла, лише з допомогою спеціальних приладів. «Підслухавши «ці розмови (вивчивши їх спектри), вчені дізналися багато важливих «секретів «твердих тел.

Какими ж сигналами зазвичай користуються передачі інформації? Для зв’язку на коротких відстанях годяться звукові сигнали — люди користуються ними споконвіку. Проте звукові хвилі швидко затухают.

В час передачі інформації зазвичай користуються електромагнітними хвилями, здатними поширюватися великі відстані. У тому числі формують ті чи інші сигнали. Можна, наприклад, «змусити «електромагнітну хвилю переносити звукові сигнали. І тому частоту хвилі фіксують (її ще називають несучою частотою), тоді як амплітуду змінюють в такт зі звуковими коливаннями. Отже формують послідовність сигналів, передавальних потрібну інформацію. У приймальному пункті сигнали розшифровують (детектируют) — виділяють огибающую, відповідну звуковим коливань. Цей метод називають амплітудної модуляцією. Він широко застосовується під час передачі радіоі телепрограмм.

Возникает питання: бо як багато інформації за одиницю часу можна передавати з допомогою хвиль? Аби розібратись у цьому, розглянемо наступний спосіб передачі. Відомо, що будь-який число можна записати в двоичной системі як послідовності нулів і одиниць. Так само та засуджуючи будь-яку інформацію можна закодувати — записати як послідовності сигналів та його перепусток певної тривалості. Сигнали можна передавати, використовуючи амплитудную модуляцію. Чим ви з більшої швидкістю хочемо передавати інформацію, тим коротше мали бути оті сигнали. Але у надійної передачі інформації тривалість сигналу повинна бути менше періоду несучою синусоїди. Це дає обмеження на швидкість передачі. Хочете її збільшити — збільшуйте несе частоту. Фактично тут «працює «вже обсуждавшееся співвідношення для тривалості сигналу: dT ~ 2 * pi / w, де w стає порядку w (0).

Например, передачі музичних програм досить користуватися електромагнітними хвилями із частотою порядку сотень кілогерц: людське вухо сприймає сигнали із частотою до 20 кГц, й у разі інтервал частот, складових сигнал, буде по крайнього заходу менше несучою частоти. Проте задля передачі телевізійних програм такі частоти не годяться. Зображення на екрані відтворюється 25 разів у секунду й у своє чергу складається з десятків тисяч окремих точок. Тож потрібно частота модуляції порядку 107Гц і відповідно несуча частота має лежати у сфері десятков—сотен мегагерц. Ось у телебаченні довелося користуватися високочастотними, а, отже, і ультракороткими хвилями із довжиною хвилі порядку метри, хоча поширюються тільки не більше прямий видимости.

Если для передачі скористатися світлом, яка має частота коливань 1015Гц, можна підвищити швидкість передачі набагато порядків. І хоча як така ідея ця стара (вперше передачу звуку з допомогою світлових сигналів здійснив винахідник телефону Р. Белл ще 1880 року), вона почала технічної реальністю лише у час. І тому мали з’явитися джерела монохроматического світла — лзеры, спеціальні световоды з оптичних волокон, передають світ із дуже малими втратами, електронне обладнання ефективної кодування і раскодировки сигналов.

Сейчас з визначеністю сказати, що прекрасна епоха мідних дротів відійшла до минулого і розвиток надшвидкісних і надмасштабних мереж передачі пов’язані з волоконної оптикой.

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із сайту internet.