Борис Крук - ...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь

Последний диапазон радиоволн — ультракоротковолновый. В нем размещаются волны длиной от 10 м до 0,3 мм. Это очень широкий диапазон. Поэтому ультракороткие волны подразделяют на метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые. Первые из них занимают частоты 30-300 МГц, а последние — 30 000-1 000 000 МГц. Для таких сверхвысоких частот (принято сокращение СВЧ) введены специальные обозначения: гигагерцем (ГГц) называют каждую тысячу мегагерц, а терагерцем (ТГц) — каждую тысячу гигагерц. Таким образом, миллиметровым волнам соответствуют частоты 30 ГГц-1 ТГц.

Ультракороткие волны не отражаются от ионосферы и почти не поглощаются ею. Они ведут себя подобно лучам света: пронизывают ионосферу и уходят в космос. В атмосфере Земли существует всего два "окна". Одно из них — в области видимого света. Им человечество пользуется уже тысячи лет, изучая звезды в телескоп. Второе — "радиоокно" в области УКВ. Оно обнаружено только в XX в. благодаря развитию техники радиосвязи. Именно с помощью этого "окна" осуществляется связь с космическими кораблями.

Из-за "прямолинейного" характера распространения ультракоротких волн связь на них возможна только до тех пор, пока антенна приемника "видит" антенну передатчика. Если на пути волны встречается препятствие (высокий дом, гора, лес), связь становится невозможной. "Зачем же тогда наносить на шкалы современных радиоприемников волны этого диапазона, — спросит наблюдательный читатель, — если их невозможно принимать так же, как длинные, средние и короткие? Дело в том, что "необъятный" частотный диапазон ультракоротких волн очень привлекателен для радио- и телевизионного вещания. Во-первых, в нем могут работать с большим разносом частот, не мешая друг другу, сотни радиостанций. При этом чем большая полоса частот отводится радиостанции, тем легче сохранить все самые тончайшие оттенки транслируемых звуков. В настоящее время на ультракоротких волнах ведется высококачественное стереофоническое вещание на обычные радиоприемники. Во-вторых, только в таком широком диапазоне и можно организовать телевизионное вещание. Что же касается выполнения условия "прямой видимости", то не остается ничего иного, как поднять антенну как можно выше. Например, Останкинская телевизионная башня "вытянулась" вверх на 525 м.

Системы радио- и телевизионного вещания служат для доставки информации от одного ее источника сразу к большому числу потребителей. В системах же связи информацию нужно доставлять от каждого конкретного источника к каждому конкретному потребителю. Подходят ли для этого радиоволны? Ведь их можно принять в любой точке земного шара.

Вывод один: энергия радиоволн не должна рассеиваться в пространстве, ее нужно сконцентрировать в очень узкий луч. Однако хорошо концентрируют энергию только антенны достаточно больших по сравнению с длиной волны размеров. Это напоминает оптику, где размеры зеркал и линз во много раз превышают длину световой волны.

Вот еще одно неоспоримое преимущество ультракоротких волн: для них легко сделать не очень большие и исключительно направленные антенны, которые, условно говоря, фокусируют, "собирают" волну.

О, эти удивительные ультракороткие волны! В конце XIX в. английский физик Д.У. Релей (1842–1919) математически доказал, что их можно передать… по полым металлическим трубам. В 1936 г. американскому ученому Саутсворту удалось передать волны длиной 9 см по трубе на расстояние 260 м. Не правда ли, такая линия передачи больше похожа на… водопровод, чем на электрическую линию?

Сейчас эти трубы — их называют волноводами — можно встретить повсюду, где нужно подвести к антенне ультракороткие волны или передать их от одного узла радиоаппаратуры к другому. Чем меньше длина волны, тем меньше и диаметр трубы. Часто эти грубы делают не круглого, а прямоугольного сечения. Внутренние стенки волноводов полируют до зеркального блеска, иначе часть энергии волны будет поглощаться в них. Если сделать в стенке такой трубы щель и припаять к ней в этом месте другую трубу, то часть волны побежит по второй трубе. Чтобы вывести волну из трубы, ее конец делают расширяющимся, в виде рупора.

Вы обращали внимание. как концентрируется луч света в электрическом фонарике?

Лампочка помещается в фокусе зеркального отражателя. Подобно этому рупор, излучающий электромагнитную волну, помещают в фокусе параболической антенны. Она, как рефлектор, собирает электромагнитные волны в узкий параллельный пучок лучей и направляет его на приемную антенну. Принимаемые волны, в свою очередь, "стягиваются" металлическим зеркалом приемной антенны на рупор и далее через рупор и волновод направляются к приемнику.

Итак, уже не трудно представить себе основные контуры радиолинии, работающей на УКВ. Передатчик — в основе его лежит специальный квантовый генератор, использующий внутреннюю энергию атомов или молекул, — вырабатывает СВЧ-колебания, которые по волноводу передаются в антенну. Посылаемый в эфир радиолуч достигает приемной антенны и по волноводному тракту добирается до приемника.

А не мало ли это — всего один луч между двумя пунктами? Ведь тот же коаксиальный кабель содержит несколько коаксиальных пар, и по каждой из них можно передавать цифровые потоки с огромными скоростями — сотни мегабит в секунду. Следует заметить, что "пропускная способность" у УКВ-луча во много раз больше, чем у коаксиальной пары. Скорость цифрового потока, как вы помните, зависит от частотного диапазона, в котором "работает" линия связи. А у радиолинии на УКВ он значительно шире, в результате эти волны могут перенести, как мощные "тяжеловозы", большее количество бит в одну секунду — свыше тысячи мегабит.

Что же касается увеличения числа лучей, то делают так: несколько передатчиков, генерирующих волны различных длин, заставляют работать на общую антенну. Антенна, таким образом, излучает одновременно несколько лучей с различными длинами волн. В приемной антенне каждая волна отфильтровывается и, не путаясь, точно в соответствии со своей длиной поступает в свой приемник. Говорят, что каждый такой луч образует ствол радиолинии. Обычно число стволов не превышает 4–5.

До сих пор речь шла о волнах, изменяющихся по синусоидальному закону. Такие волны, как и синусоидальный ток, не несут в себе никакой информации. О какой новой информации можно говорить, если она каждый период повторяется?

Электромагнитная волна — это лишь новый вид транспорта. Только более "скоростной", чем электрический ток, так же как самолет или ракета по сравнению с поездом. Как же пересадить биты на этот транспорт?