Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

2.3.1. Электромагнитный спектр

Если в электрическую цепь включить антенну подходящего размера, то электромагнитные волны можно с успехом принимать приемником на некотором расстоянии. На этом принципе основаны все беспроводные системы связи.

В вакууме все электромагнитные волны распространяются с одной и той же скоростью, независимо от их частоты. Эта скорость называется скоростью света, с. Ее величина приблизительно равна 3 х 108 м/с, или около одного фута (30 см) за наносекунду. (Можно было бы переопределить, воспользовавшись таким совпадением, фут, постановив, что он равен расстоянию, которое проходит электромагнитная волна в вакууме за 1нс. Это было бы логичнее, чем измерять длины размером сапога какого-то давно умершего короля.) В меди или стекле скорость света составляет примерно 2/3 от этой величины, кроме того, слегка зависит от частоты. Скорость света современная наука считает верхним пределом скоростей. Быстрее не может двигаться никакой объект или сигнал.

На рис. 2.8 изображен электромагнитный спектр. Радио, микроволновый, инфракрасный диапазоны, а также видимый свет могут быть использованы для передачи информации с помощью амплитудной, частотной или фазовой модуляции волн. Ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения были бы даже лучше благодаря их высоким частотам, однако их сложно генерировать и модулировать, они плохо проходят сквозь здания и, кроме того, они опасны для всего живого. Диапазоны, перечисленные в нижней части рис. 2.8, представляют собой официальные названия ITU (International Telecommunication Union, международное телекоммуникационное сообщество), основанные на длинах волн. Так, например, низкочастотный диапазон (LF, Low Frequency) охватывает длины волн от 1 до 10 км (что приблизительно соответствует диапазону частот от 30 до 300 кГц). Сокращения LF, MF и HF обозначают Low Frequency (низкая частота), Medium Frequency (средняя частота) и High Frequency (высокая частота) соответственно. Очевидно, при назначении диапазонам названий никто не предполагал, что будут использоваться частоты выше 10 МГц, поэтому более высокие диапазоны получили названия VHF (very high frequency — очень высокая частота), UHF (ultrahigh frequency — ультравысокая частота, УВЧ), SHF (superhigh frequency — сверхвысокая частота, СВЧ), EHF (Extremely High Frequency — чрезвычайно высокая частота) и THF (Tremendously High Frequency — ужасно высокая частота). Выше последнего диапазона имена пока не придуманы, но если следовать традиции, появятся диапазоны Невероятно (Incredibly), Поразительно (Astonishingly) и Чудовищно (Prodigiously) высоких частот (ITF, ATF и PTF).

Рис. 2.8.Электромагнитный спектр и его применение в связи

Из выкладок Шеннона известно, что количество информации, которое может переносить сигнал, такой как электромагнитная волна, зависит от мощности приемника и пропорционально полосе пропускания. Из рис. 2.8 должно быть понятно, почему

разработчики сетей так любят оптоволоконную связь. В высокочастотном диапазоне для передачи данных доступна широкая полоса пропускания — шириной в несколько гигагерц, — особенно если речь идет об оптоволокне, которое находится в правой части нашей логарифмической шкалы. Например, рассмотрим 1,30-мк диапазон, изображенный на рис. 2.6; его ширина 0,17 мк. С помощью выражения (2.2) можно найти начальное и конечное значения частот диапазона, зная длину волн. Таким образом, диапазон составляет примерно 30 000 ГГц. При допустимом отношении «сигнал/шум» в 10 дБ это 300 Тбит/с.

Большинство систем связи используют относительно узкие полосы частот (то есть . Сигналы концентрируются в узкой полосе для эффективного использования спектра и достижения хорошей скорости передачи данных при достаточно мощной передаче. Однако иногда используются и широкие полосы. При этом возможны три варианта. Когда применяется расширенный спектр с перестройкой частоты, то передатчик изменяет частоту работы сотни раз в секунду. Этот метод очень популярен в военных системах связи, потому что такой сигнал тяжело перехватить и почти невозможно заглушить. Он также обладает хорошей защищенностью от многолучевого затухания и сосредоточенных помех, поскольку приемник не задерживается на искаженной частоте надолго, и разговор не прерывается. Устойчивость и надежность особенно важны в наиболее заполненных частях спектра, например в полосах ISM (industrial, scientific and medical band, промышленный, научный и медицинский диапазоны), которые мы вкратце рассмотрим. В коммерческих системах данная техника также применяется, например, в Bluetooth и старых версиях 802.11.