Zaloguj się
Wszystkie
2 września 2026
26
Świat opiera się na transmisji danych
Transmisja danych polega na przesyłaniu informacji z jednego miejsca do drugiego. Można to robić na przykład za pomocą sygnałów dymnych, semaforowych wież Chappe’a, sygnałów świetlnych, przewodów elektrycznych lub kurierów. Odkąd nauka dowiodła istnienia fal elektromagnetycznych i nauczyliśmy się wykorzystywać je do własnych celów, często stosujemy je do bezprzewodowej transmisji danych. Można je bowiem nadawać i odbierać za pomocą stosunkowo prostych urządzeń elektronicznych, a ponadto rozchodzą się niezwykle szybko na bardzo duże odległości. Nie wymagają również kosztownego medium transmisyjnego, takiego jak przewody miedziane czy światłowody. Rozchodzą się samodzielnie w przestrzeni.
Fale elektromagnetyczne
Już w XVIII wieku zauważono, że przyłożenie przemiennego napięcia elektrycznego do dwóch przewodników zawieszonych swobodnie w przestrzeni powoduje powstanie wokół nich „czegoś”. To „coś” można było odebrać w innym miejscu, umieszczając tam również dwa swobodne przewodniki. Między tymi przewodnikami mierzono bardzo małe napięcie przemienne o tej samej częstotliwości co sygnał, który wywołał owo „coś”.
Heinrich Rudolf Hertz w 1886 roku rozpoczął naukowe badania tego zjawiska i wykazał doświadczalnie istnienie fal elektromagnetycznych. Zgodnie z teorią elektromagnetyzmu napięcie przemienne przyłożone między dwoma swobodnymi przewodnikami wytwarza w przestrzeni dwa wzajemnie prostopadłe pola: pole elektryczne E i pole magnetyczne B, które wzajemnie się podtrzymują i rozchodzą w przestrzeni z prędkością światła (około 300 000 km/s). Te dwie składowe falowe można przedstawić w sposób pokazany na poniższym rysunku.
Falę elektromagnetyczną charakteryzuje długość fali λ (lambda). Między częstotliwością a długością fali zachodzi następująca zależność:
λ = c/f
gdzie:
- c: prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej, czyli prędkość światła.
- f: częstotliwość fali elektromagnetycznej.
Z tego wzoru można obliczyć, że fala elektromagnetyczna o częstotliwości 20 kHz ma długość aż 15 000 m (15 km)!
Anteny
Układy służące do nadawania i odbierania promieniowania elektromagnetycznego nazywa się „antenami”. Między długością fali emitowanego promieniowania a wymiarami anteny musi istnieć określona zależność, co pokazano na poniższym rysunku. Standardowo długość anteny wynosi połowę długości fali w przypadku anteny dipolowej lub jedną czwartą długości fali w przypadku anteny prętowej. Jest to główny powód, dla którego nie można bezpośrednio nadawać i odbierać dźwięku (o paśmie od 20 Hz do 20 kHz) w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Ze względu na bardzo dużą długość fali wymiary anten byłyby zupełnie niepraktyczne!
Modulacja analogowa jest możliwa również w przypadku transmisji przewodowej
Zmodulowane sygnały elektryczne, które służą do wytwarzania fal elektromagnetycznych, mogą być również przesyłane bezpośrednio przewodami. Dotyczy to zarówno przewodów miedzianych, jak i światłowodów. W tym drugim przypadku konieczny jest oczywiście dodatkowy etap, polegający na przekształceniu sygnałów elektrycznych w sygnały świetlne (nadajnik), a następnie sygnałów świetlnych z powrotem w napięcia elektryczne (odbiornik). Nie zmienia to jednak zasady modulacji analogowej stosowanej w transmisji przewodowej.
Dlaczego modulacja jest konieczna?
Modulacja jest konieczna, aby informacje o niskiej częstotliwości, takie jak mowa, dźwięk, obraz i dane, można było skutecznie przesyłać za pomocą medium wykorzystującego znacznie wyższe częstotliwości. Bez modulacji telekomunikacja bezprzewodowa byłaby w praktyce niewykonalna. Jeden z powodów został już opisany: bez zastosowania fali nośnej o wysokiej częstotliwości wymagane długości anten byłyby niepraktycznie duże. Jeśli jednak sygnałem mowy zmoduluje się falę nośną o częstotliwości 100 MHz, anteny muszą mieć długość zaledwie 75 cm.
Efektywne przekazywanie energii
Promieniowanie elektromagnetyczne jest emitowane znacznie efektywniej przy wysokich częstotliwościach.
Jednoczesne przesyłanie wielu sygnałów
Dzięki zastosowaniu modulacji można jednocześnie przesyłać wiele różnych sygnałów. Wystarczy zmodulować każdy sygnał na osobnej fali nośnej o określonej częstotliwości. Zasada ta od dawna jest stosowana w celu jak najefektywniejszego wykorzystania miedzianych kabli telefonicznych ułożonych na dnie oceanów. Tym samym kablem można przesyłać wiele sygnałów mowy, wykorzystując fale nośne o różnych częstotliwościach.
Tę samą zasadę stosuje się w sieciach miedzianych lub koncentrycznych, którymi do domu dostarczane są Internet, radio, telewizja i telefonia. Wszystkie te sygnały są modulowane na falach nośnych o różnych częstotliwościach.
Selektywność, wzmacnianie i filtracja
Sygnały wysokiej częstotliwości można bardzo precyzyjnie wydzielić z mieszaniny różnych sygnałów elektrycznych za pomocą obwodów LC i filtrów kwarcowych. Częstotliwości poszczególnych fal nośnych mogą więc leżeć bardzo blisko siebie. W przypadku sygnałów małej częstotliwości byłoby to znacznie trudniejsze. Sygnały wysokiej częstotliwości można ponadto wzmacniać z bardzo dużym wzmocnieniem za pomocą stosunkowo prostych układów z filtrami strojonymi. To właśnie dzięki tym zasadom setki stacji radiowych i telewizyjnych mogą jednocześnie nadawać swoje sygnały, a odbiorca może odbierać wybraną stację bez zakłóceń.
Modulacja analogowa i modulacja cyfrowa
W tym artykule skupiono się przede wszystkim na technikach modulacji analogowej. Ich cechą charakterystyczną jest sinusoidalny przebieg fali nośnej o wysokiej częstotliwości. Oprócz modulacji analogowej istnieją również techniki modulacji cyfrowej.
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
