Как устроена радиосвязь

Wi-Fi, 4G, 5G и другие приключения электромагнитного поля

В ИТ многое завязано на радиоволны и связь по воздуху: Wi-Fi, Bluetooth и сети 4G — всё это работает на радиоволнах. Но Wi-Fi раздаёт интернет на 10–20 метров, а вышка 4G — на несколько километров. Посмотрим, как это работает и от чего зависит дальность и качество связи.

Электромагнитное поле

Основа любой связи — радиоволны. Радиоволну можно представить как обычную волну на поверхности пруда, когда кидаешь в него камень. Разница в том, что волна распространяется не в воде, а в невидимом глазу электромагнитном поле.

Электромагнитное поле можно представить как океан, в который погружена Вселенная. Оно повсюду, мы его не замечаем, но как только мы начинаем трясти электронами, двигать магниты, светить лазерами и совершать любые другие манипуляции с энергией, эти манипуляции возбуждают электромагнитное поле. По нему начинают расходиться эти самые волны.

Всё движение в электромагнитном поле происходит с фиксированной скоростью — почти 300 тысяч километров в секунду. Мы называем ее «скоростью света», но на самом деле это скорость передачи любых взаимодействий в полях, и свет ей тоже подчиняется.

Любая волна — следствие того, что полю сообщили энергию. Условно говоря, если мы бросаем в озеро камень, мы «сообщаем» озеру кинетическую энергию этого камня. Эта энергия начинает распределяться во все стороны, толкая ближайшие молекулы воды. Эти молекулы толкают соседей, те — соседей. Так получается волна.

Похожим образом учёные представляют электромагнитное поле. Сообщил ему дополнительную энергию, и она пошла возмущать поле во всех направлениях, передавая себя со скоростью света. По дороге наша энергия встречается с другими энергиями — например, энергией стен, антенн, решёток, гор и т. д. По мере столкновения с такими препятствиями энергия угасает.

Длина и частота волны

У каждой волны есть три важные характеристики: длина волны, частота и амплитуда. От них зависит качество связи и дальность приёма сигнала:

Сейчас нас больше всего интересует длина волны — это расстояние между двумя соседними гребнями. От длины волны зависит то, на какое расстояние она может передать сигнал и как волна реагирует на препятствия — огибает их, отражается или поглощается и дальше не идёт.

Например, если волна очень длинная, она может проникать через большие земляные и водяные массы, огибать горы и в целом плевать на любые препятствия. Но зато у неё будет низкая частота, то есть данных можно передать мало. А если волна сверхкороткая, то её может задержать любое, даже незначительное препятствие. Зато короткими волнами можно передавать очень много данных очень быстро.

В зависимости от длины волны делятся на разные категории. Вот картинка, чтобы было проще понять, о чём мы будем говорить.

Радиоволны и связь: разнообразие диапазонов

В предыдущей части статьи мы рассмотрели различные диапазоны радиоволн и их применение. Теперь давайте более подробно рассмотрим некоторые из них и их использование в радиосвязи.

Сверхдлинные волны — дальняя и подводная связь

Сверхдлинные волны имеют длину от 10 до 100 километров и очень низкую частоту от 3 до 40 килогерц. Благодаря своей большой длине, они способны отражаться от ионосферы — верхнего слоя атмосферы, облучаемого космическими лучами. Таким образом, эти волны могут распространяться по всей поверхности Земли.

Кроме того, сверхдлинные волны хорошо проникают в воду, что делает их идеальным выбором для связи с подлодками.

Длинные волны — телевидение и навигация

Длинные волны имеют длину от 600 метров до 2 километров и работают на частоте 150—500 килогерц. Они могут огибать простые препятствия, но их проникающая способность ограничена, поэтому для их приема требуется открытое пространство и длинная антенна.

Длинные волны используются для телевещания, связи с объектами на большой площади и радионавигации. В прошлом большие телевизионные антенны на крышах домов использовались для приема именно длинных волн.

Средние и короткие волны — международная и местная связь

Средние и короткие волны имеют длину волны от 500 до 10 метров и широко применяются в радиосвязи. Они хорошо отражаются от ионосферы, могут огибать поверхность Земли и не требуют передатчиков большой мощности.

Радиолюбители активно используют частоты средних и коротких волн для общения друг с другом на большие расстояния без использования интернета. Диапазон частот таких волн варьируется от 500 килогерц до 30 мегагерц.

Коротковолновая связь также может быть замечена на автомобилях, если на них установлена длинная трехметровая антенна, которая используется для связи на частоте 27 мегагерц. Это разрешенная для использования частота, доступная без лицензии.

Метровые волны — местная связь, радио и телевидение

Метровые волны имеют частоту от 30 до 300 мегагерц и длину волны от 1 до 10 метров. На этих волнах работают радиостанции, вещаются телесигналы, и их использование позволяет установить связь на расстояние до 2000 километров.

Огибать большие препятствия метровым волнам сложно, но они способны отражаться от них. При этом они легко проникают через препятствия, размеры которых меньше 10 метров.

Сегодня метровые волны используются для городских служб, таких как МЧС и скорая помощь, так как они обеспечивают надежную голосовую связь даже в условиях плотной застройки.

Дециметровые волны — Wi-Fi, Bluetooth и мобильная связь

Дециметровые волны входят в диапазон от 300 мегагерц до 3 гигагерц и являются самым популярным диапазоном в сфере информационных технологий. В этот диапазон входят Wi-Fi, Bluetooth, протоколы умного дома, охранные брелки и другие подобные устройства, включая микроволновые печи. Все современные стандарты мобильной связи также используют дециметровые волны.

Чем выше частота, тем большую плотность передачи сигнала можно закодировать, поэтому операторы сотовой связи используют самые высокие доступные частоты. Wi-Fi также использует эти частоты для передачи данных по воздуху с максимальной скоростью.

На дециметровых волнах также планируется развернуть скоростную часть связи 5G, которая обеспечит скорость интернета до 10 гигабит в секунду и позволит скачивать фильмы всего за несколько секунд.

Сантиметровые волны — 5G и связь со спутниками

Сантиметровые волны имеют частоту от 3 до 50 гигагерц. Они способны легко проникать через ионосферу, поэтому используются для спутниковой связи и управления в космическом пространстве. Однако из-за своего размера они слабо проникают сквозь препятствия, но могут отражаться от них, чтобы достичь необходимой точки.

Также на сантиметровых волнах планируется развернуть высокоскоростную часть связи 5G, которая обеспечит скорость интернета до 10 гигабит в секунду и позволит скачивать фильмы всего за несколько секунд.

Важное примечание: все беспроводные технологии - это радио

Bluetooth, Wi-Fi, все стандарты сотовой связи, NFC и другие беспроводные протоколы - все они основаны на радиоволновых технологиях. Они представляют собой различные способы генерации, модуляции и декодирования сигналов в рамках одного электромагнитного поля. В настоящий момент, когда вы читаете эту статью, вы находитесь в центре огромного электромагнитного поля, создаваемого всеми электромагнитными излучателями вокруг вас. Если бы вы достали антенну и прослушали это поле, вы бы услышали все сигналы, которые передаются по воздуху. Однако вы не смогли бы их декодировать, так как это требует соответствующего оборудования и протоколов. Можно представить себе, что мы все находимся в одном озере и создаем волны на его поверхности. В этом хаосе различные устройства пытаются создавать свои собственные волны, а другие пытаются их перехватить и преобразовать в информацию.

Надеюсь, что эта статья была полезной и помогла вам лучше понять разнообразие диапазонов радиоволн и их применение в современной связи. Если у вас возникнут дополнительные вопросы, не стесняйтесь задавать их.