Фізика. 9 клас. Сиротюк

§ 22. Фізичні основи сучасних бездротових засобів зв’язку та комунікацій

Життя сучасної людини сьогодні здається неможливим без існування мобільних телефонів, стаціонарних радіотелефонів, Інтернету тощо. Усе це - бездротові засоби персонального зв’язку.

Мобільні телефони стільникового зв’язку фактично є складною мініатюрною приймально-передавальною радіостанцією, яка випромінює електромагнітні хвилі. Максимальна потужність випромінюється стільниковим телефоном під час установлення зв’язку.

Мобільний стільниковий телефон має велику, а іноді й необмежену дальність дії, яку забезпечує стільникова структура зон зв’язку. Крім того, ця станція підключена до звичайної дротової телефонної мережі і оснащена апаратурою перетворення високочастотного сигналу стільникового телефону в низькочастотний сигнал провідного телефону і навпаки, що забезпечується сполученням обох систем. Періодично (з інтервалом 30-60 хв) базова станція випромінює службовий сигнал. Прийнявши його, мобільний телефон автоматично додає та передає отриману кодову комбінацію на базову станцію. У результаті цього здійснюється ідентифікація конкретного стільникового телефону, номера рахунку його власника і прив’язка апарата до певної зони, у якій він перебуває. Коли користувач телефонує, базова станція виділяє йому одну з вільних частот тієї зони, у якій він перебуває, вносить відповідні зміни на його рахунок і передає його виклик за призначенням. Якщо мобільний користувач під час розмови переміщується з однієї зони зв’язку в іншу, базова станція покинутої зони автоматично переводить сигнал на вільну частоту нової зони.

Стаціонарний бездротовий радіотелефон об’єднує в собі звичайний провідний телефон - апарат, підключений до телефонної мережі, і приймально-передавальний радіопристрій у вигляді телефонної трубки, що забезпечує двосторонній обмін сигналами з базовим апаратом. Залежно від типу радіотелефону, дальність зв’язку між трубкою і апаратом, з урахуванням наявності перешкод, складає в середньому до 50 м.

Супутниковий зв’язок і радари. Системи супутникового зв’язку складаються з приймально-передавальної станції на Землі і супутника, що перебуває на орбіті (мал. 238).

Радіолокаційні станції (мал. 239) оснащені, як правило, антенами дзеркального типу і мають вузькоспрямовану діаграму випромінювання у вигляді променя, напрямленого вздовж оптичної осі.

Мал. 238

Мал. 239

Радіолокаційні системи працюють на частотах від 500 МГц до 15 ГГц, однак окремі системи можуть працювати на частотах до 100 ГГц.

Зростання потужності радіолокаторів різного призначення і використання вузькоспрямованих антен кругового огляду приводить до значного збільшення інтенсивності електромагнітних хвиль надзвичайно високочастотного діапазону і дає змогу отримувати на місцевості величезні «зони покриття» з високою густиною потоку енергії.

Починаючи із середини 90-х років XX ст. поширилася технологія мобільних комп’ютерних мереж. З 1997 р. з’явилася можливість створювати мобільні мережі Інтернет, що забезпечують взаємодію користувачів незалежно від того, у якій країні вони перебувають.

Розвиток технології мобільних телефонних мереж привів до того, що ці мережі стали широко використовуватися для доступу в Інтернет. Третє покоління мобільних телефонних мереж, відоме як мережі 3G, забезпечує передачу даних зі швидкістю 1,5-2 Мбіт/с. Нині йде активне впровадження мобільних мереж четвертого (4G, наприклад, LTE - Long Term Evolution - «довготерміновий розвиток») і п’ятого (5G) поколінь. Вони обіцяють пропускну здатність у десятки разів більшу, ніж у мережах. Для високошвидкісної передачі даних пропонується використовувати міліметровий діапазон радіохвиль із частотою від 30 до 300 ГГц. Теоретично мобільні мережі п’ятого покоління (5G) дадуть змогу передавати інформацію зі швидкістю до 10 Гбіт/с та часом відповіді менше ніж 1 мілісекунда.

Бездротові мережі часто пов’язують з радіосигналами, проте це не завжди правильно. У бездротового зв’язку використовується набагато ширший діапазон електромагнітного спектра, від радіохвиль низької частоти в кілька кілогерц до видимого світла, частота якого становить приблизно 8 · 10¹⁴ Гц.

Навігаційну систему GPS (точніше - NAVSTAR GPS, мал. 240) розробили і вивели на орбіту американські вчені в середині 1990-х років.

Мал. 240

Вона складається з 24 космічних супутників, які рухаються визначеними орбітами навколо Землі. Супутники з висоти 20 тис. км охоплюють кожну точку нашої планети, посилаючи на Землю визначені радіосигнали.

Ці сигнали й уловлюють наземні GPS-навігатори. Навігатор, наприклад, в автомобілі ідентифікує його місцезнаходження та напрямок руху.

Навігатор в авто приймає сигнал від трьох різних супутників, координати яких дізнається, і визначає свої точні координати на координатній сітці, якою умовно розділено всю планету. Часто він використовує також сигнал четвертого супутника для остаточного корегування місцезнаходження.

Інтернет. На сьогодні у світі існує понад 130 мільйонів комп’ютерів і більше 80 % з них об’єднано в різноманітні інформаційно-обчислювальні мережі від малих локальних мереж в офісах до глобальних мереж типу Інтернет. Всесвітня тенденція до об’єднання комп’ютерів у мережі зумовлена важливими причинами, такими як прискорення передачі інформаційних повідомлень, можливість швидкого обміну інформацією між користувачами, одержання і передача повідомлень (e-mail листів тощо), не відходячи від робочого місця, можливість миттєвого одержання інформації з будь-якої точки земної кулі, обміну інформацією між комп’ютерами різних виробників, які працюють з різним програмним забезпеченням.

Інтернет - глобальна комп’ютерна мережа, що охоплює весь світ (мал. 241, а). На сьогодні Всесвітнє павутиння має близько 3 мільярдів абонентів у більш ніж 150 країнах світу. Щомісяця розмір мережі збільшується на 7-10 %. Інтернет утворює ніби ядро, яке забезпечує зв’язок різних інформаційних мереж, що належать різним установам в усьому світі.

Мал. 241

Електронна пошта. Електронна пошта (electronic mail) — найпоширеніша служба Інтернету, призначена для пересилання комп’ютерними мережами повідомлень (електронних листів, мал. 241, б) за кілька секунд. Сьогодні у світі понад 50 мільйонів осіб користуються електронною поштою.

За її допомогою ви можете посилати повідомлення, одержувати їх у свою електронну поштову скриньку, відповідати на листи автоматично, розсилати копії вашого листа відразу на кілька адрес, переправляти отриманий лист за іншою адресою, використовувати замість адрес (числових або доменних імен) логічні імена, створювати кілька підрозділів поштової скриньки для різного роду кореспонденції, включати в листи текстові файли, програми, зображення тощо.

Дошки оголошень. Електронні дошки є цифровим аналогом звичайних дощок оголошень, які розміщуються в загальнодоступних, публічних місцях. Це так звані мережеві новини або дискусійні клуби. Дошки оголошень використовуються для організації ділової діяльності та надання різноманітних послуг користувачам мережі: резервування місць у готелях, на літаках і в потягах, реклами і продажу товарів, пропозиції робочих місць, здійснення електронних платежів. Вони слугують для організації довідкових служб, повідомлення ділових, біржових і політичних новин, новин спорту, огляду кіно- і відеофільмів, передачі прогнозів погоди, участі в колективних або одиночних відеоіграх і т. д. У світі існує величезна кількість комерційних, а також неприбуткових BBS (Bulletin Board System - «система дощок оголошень»). Багато з електронних дощок пов’язані між собою. Найбільшою, глобальною мережею електронних дощок оголошень є всесвітня мережа Usenet, доступ до якої є й з Інтернету (мал. 242).

Інтернет-телефонія. ІР-телефонія - це технологія, що дає змогу використовувати будь-яку IP-мережу як засіб організації та ведення телефонних розмов, передачі відеозображень та факсів у режимі реального часу. Створення «пакетів» - перетворення аналогових (зокрема, звукових) сигналів у цифрові, їх стискання, передача мережею Інтернет і зворотне перетворення (декодування) в аналогові відбувається завдяки існуванню протоколу передачі даних через Інтернет (IP - Internet Protocol), звідси і назва «ІР-телефонія».

Під інтернет-телефонією розуміють, у першу чергу, таку технологію, у якій голосовий трафік частково передається через телефонну мережу загального користування, а частково - через Інтернет (мал. 243). Саме так здійснюються дзвінки з телефона на телефон, з комп’ютера на телефон, з телефона на комп’ютер (тут замість номера телефону використовується IP-адреса), а також набув популярності Surf’n’Call - дзвінок з веб-браузера на телефон (переглядаючи який-небудь корпоративний веб-сайт, користувач натискає мишкою на кнопку Call і отримує телефонне з’єднання з офісом цієї компанії).

Мал. 242

Мал. 243

IP-телефон (окремий апарат або програма на комп’ютері) перетворює ваш голос у потік звукових файлів, які передаються через Інтернет. Якщо ви «дзвоните» на комп’ютер або апаратний IP-телефон, цей потік перетворюється на ваш голос безпосередньо у викликаному вами комп’ютері або апаратному IP-телефоні. Якщо ви «дзвоните» на звичайний дротовий або стільниковий телефон, то тоді на спеціальному вузлі зв’язку потік файлів з Інтернету перетворюється в електричний сигнал, який передається по дротах або через стільникову мережу до викликаного вами абонента, і в його телефоні цей сигнал перетворюється на ваш голос.

Створено мобільний додаток до смартфонів під назвою Viber (Вайбер). Завдяки цьому додатку можна «дзвонити», писати, обмінюватися картинками, фотографіями з телефону, планшета або комп’ютера зі співрозмовником з будь-якої точки світу. Передача голосового трафіку відбувається за допомогою GPRS-інтернету на телефоні.

Wi-Fi (англ. Wireless Fidelity - «безпроводова точність»). Ядром бездротової мережі Wi-Fi є так звана точка доступу (Access Point), яка підключається до наземної мережевої інфраструктури (каналів Інтернет-провайдера) та забезпечує передачу радіосигналу. Зазвичай точка доступу складається із приймача, передавача, інтерфейсу для підключення до дротової мережі та програмного забезпечення для налаштування. Навколо точки доступу формується просторова область радіусом 50-100 м (її називають хот-спотом, або зоною Wi-Fi), у межах якої можна користуватися бездротовою мережею.

Дальність передавання інформації залежить від потужності передавача, наявності та характеристики перешкод, типу антени. Це бездротовий стандарт, який використовує частоту 5 ГГц.

Для того щоб під’єднатися до точки доступу, потрібно, щоб ноутбук або мобільний пристрій з адаптером Wi-Fi просто потрапив у радіус її дії. Усі дії з визначення пристрою та налаштування мережі більшість операційних систем комп’ютерів і мобільних пристроїв виконують автоматично. Якщо пристрій одночасно потрапляє в зону дії кількох мереж Wi-Fi, то підключення відбудеться до точки доступу, що забезпечує найпотужніший сигнал.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Які засоби зв’язку ви знаєте?
• 2. Який засіб зв’язку, на вашу думку, є найбільш зручним?
• 3. Яка роль навігатора?
• 4. Що таке Інтернет?
• 5. Що ви знаєте про електронну пошту?
• 6. Що таке дошки оголошень?
• 7. Що таке ІР-телефонія?

ЦЕ ЦІКАВО ЗНАТИ

Хвиля - це одне із цікавих понять у фізиці, яке трапляється в найрізноманітніших проявах практично в усіх її галузях. Хвилі поширюються по поверхні океанів і в їх товщі, у міжзоряній порожнечі і у кристалічних ґратках, «біжать» по проводах ліній електропередач, доносять до нас різноманіття кольорів і велику кількість звуків. Існують хвилі піщані і хвилі на снігу. Землетруси й океанські цунамі - також хвильові рухи, тільки гігантських масштабів. Є хвилі, які ще не стали звичними і для самих фізиків, наприклад, хвилі у транспортних потоках, у хімічних реакціях, у серці та нервовій системі, у співтовариствах біологічних організмів, у зоряних системах - галактиках. За образним висловом учених, хвилі «розбіглися» з фізики і охопили майже всю безліч процесів у живій і неживій природі. І найцікавіше - усі ці хвилі математично подібні, тобто можуть бути описані одними й тими самими рівняннями. Ось чому так важливо «подружитися» із цим поняттям, адже і вам, мабуть, доведеться не раз зіткнутися з ним найнесподіванішим чином.