Sóng truyền thông tin như thế nào?

20

Sóng truyền thông tin như thế nào?

Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học
L. G. ASLAMAZOV

Chúng ta đã quá quen với việc xem các sự kiện xảy ra ở bên kia thế giới trên màn hình TV đến nỗi chúng ta thậm chí không ngạc nhiên về điều này. Trong thế giới hiện đại, đài phát thanh, truyền hình và điện thoại khiến việc nhận và truyền tải những thông tin cần thiết trở nên khá dễ dàng. Nhưng cho đến gần đây, mọi thứ đã hoàn toàn khác…

Để truyền đạt đến St. Petersburg những gì đã biết về lễ đăng quang của Đế chế Elizabeth diễn ra ở Moscow, cả một nhóm binh lính cầm cờ đã được triển khai dọc theo toàn bộ tuyến đường giữa các thành phố này. Vào thời điểm đăng quang, người lính đầu tiên vẫy cờ, sau đó là người tiếp theo, v.v. Như vậy, kiến ​​thức về lễ đăng quang đã đến được St. Petersburg, nơi những khẩu đại bác bắn ra. Đây là mức độ phức tạp của một phương pháp được sử dụng để truyền tải thông tin nhanh chóng theo cách nhạy cảm với thời gian*).

*) Sử dụng ví dụ này trong bài viết của L. G. Aslamazov và I. K. Kikon “Sóng là gì?” (Kvant, 1982, số 6) khái niệm sóng đã được thảo luận. Ở đây chúng ta sẽ tiếp tục cuộc trò chuyện mà chúng ta đã bắt đầu và thảo luận về vấn đề truyền thông tin.

21

Điều gì đã lan truyền dọc theo chuỗi binh lính? Mỗi người lính vẫn đứng tại chỗ, nhưng đến một lúc nào đó anh ta thay đổi trạng thái (giương cờ). Sự thay đổi trạng thái này được lan truyền dọc theo chuỗi. Trong những trường hợp như vậy, một sóng được cho là lan truyền.

Sóng thì khác. Trong sóng tác động (âm thanh), mật độ của vật chất thay đổi, trong điện từ (ánh sáng, sóng vô tuyến, v.v.) - theo hướng của điện trường và từ trường. Có sóng terper, sóng tập trung trong phản ứng hóa học, sóng dịch bệnh, v.v. Nói một cách hình tượng, sóng bao trùm toàn bộ các hiện tượng trong tự nhiên.

Loại sóng đơn giản nhất là sóng đơn sắc, khi ở mỗi nơi xảy ra sự thay đổi trạng thái theo thời gian theo một định luật điều hòa với một tần số nhất định (theo định luật sin hoặc cos). Nhiều sóng tìm thấy trong tự nhiên có thể được coi là sóng đơn sắc. Những loại sóng âm thanh này được gọi là âm nhạc. Ví dụ, chúng phát sinh với sự trợ giúp của các buồng. Sóng ánh sáng đơn sắc được tạo ra bằng cách sử dụng tia laser. Các sóng gần như đơn sắc có thể bị kích thích trên mặt nước bằng cách nhúng một vật vào đó theo chu kỳ. Trong chuỗi binh lính của chúng tôi, bạn cũng có thể nhận được những đợt sóng tương tự.

Hãy tưởng tượng rằng mỗi người lính không chỉ vẫy một lá cờ mà còn lắc nó, nâng và hạ cờ theo định kỳ. Mỗi người lính tiếp theo lặp lại các dao động này, nhưng có độ trễ nhất định (chuyển pha). Một làn sóng sẽ chạy dọc theo chuỗi quân lính. Điều gì đó tương tự có thể được nhìn thấy trong các lễ hội thể thao, khi các chuỗi người thực hiện các chuyển động định kỳ với sự thay đổi pha.

Quá trình chín đẹp mắt này rất đẹp mắt, nhưng liệu sóng có thể truyền tải thông tin không? Rõ ràng là không. Những biến động định kỳ lặp đi lặp lại theo thời gian không mang lại cho chúng ta điều gì mới mẻ, chúng không truyền tải thông tin. MỘT

Bạn có thể làm cho không phải một mà là hai, ba hoặc thậm chí một vài người lính đứng cạnh nhau sẽ thực hiện xích đu cùng một lúc. Khi đó điện trở tín hiệu sẽ tăng lên. Bằng cách sử dụng các tín hiệu có độ dài khác nhau, có thể truyền tải không chỉ thông tin về thời điểm bắt đầu lễ đăng quang mà còn cả thông tin nói chung. Bản chất của tín hiệu có thể khác nhau - có tín hiệu âm thanh, tín hiệu ánh sáng, v.v.

22

Điều thú vị nhất là bất kỳ tín hiệu nào cũng có thể được biểu diễn dưới dạng tổng của các sóng đơn sắc có tần số khác nhau (bao gồm các sóng như vậy). Cơ hội này được mang đến cho chúng ta nhờ nguyên lý giao thoa: khi sóng truyền đi, các dao động ở mỗi nơi trong không gian sẽ cộng lại. Hãy nói thêm rằng, tùy thuộc vào sự dịch pha, các dao động có cùng tần số có thể tăng cường lẫn nhau (với độ lệch pha bằng 0, kết quả là các dao động có tổng biên độ - hình 1, hoặc chúng có thể yếu đi (hình 1, b). Hóa ra là biên độ và tần số của các sóng đơn sắc được thêm vào có thể được chọn theo cách sao cho các sóng triệt tiêu lẫn nhau trong gần như toàn bộ không gian, ngoại trừ các sóng đối kháng tại chỗ và di chuyển với tốc độ của sóng, nói cách khác, tín hiệu lan truyền. Nếu tốc độ c của sóng đơn sắc ở mọi tần số là như nhau (chẳng hạn như khi sóng điện từ lan truyền trong chân không), thì cực đại sẽ chuyển động với tốc độ c. Chiều rộng của nó bằng $\Delta L = 2\pi c / \Delta \omega$. Vì vậy thời lượng tín hiệu $\Delta t = 2\pi / \Lambda \omega$.

Điều này dẫn đến một mối quan hệ cơ bản đơn giản đến kinh ngạc:
$$\Delta \omega \cdot \Delta t = 2\pi.$$

Thời lượng của tín hiệu và dải tần số của các sóng tạo nên tín hiệu có mối quan hệ nghịch đảo. Sự tương ứng về chất lượng rất rõ ràng: tín hiệu

một khu vực hạn chế, ngược lại, chúng được tăng cường.

hình 2 cho thấy kết quả của việc cộng một số lượng lớn $N$ các sóng có cùng biên độ $A_0$ với tần số nằm trong một khoảng nhỏ từ $\omega_0 - \Delta \omega$ đến $\omega_0 + \Delta \omega$. Đây giống như một bức ảnh nhiều mạch của sóng, hiển thị giá trị của đại lượng dao động $A$ tại các điểm khác nhau trong không gian tại một thời điểm cố định. Có một cực đại trung tâm với biên độ $NA_0$ và nhiều cực đại thứ cấp có biên độ giảm nhanh. Vì vậy, trên thực tế, các sóng về cơ bản triệt tiêu lẫn nhau và sự khuếch đại của chúng xảy ra ở vùng cực đại trung tâm.

Điều quan trọng cần lưu ý là vùng có thời lượng ngắn ($\Delta t$ lớn) được hình thành từ các sóng đơn sắc có tần số tương tự ($\Delta \omega$ nhỏ). Và để tạo ra tín hiệu ngắn, bạn cần thêm nhiều sóng có tần số khác nhau. Mọi người có lẽ đều cho rằng sét gây nhiễu sóng cho máy thu sóng vô tuyến ở mọi dải tần.

Vì vậy, mỗi tín hiệu có thể bao gồm các sóng đơn sắc hay nói cách khác là bị phân hủy thành sóng. Sự phụ thuộc biên độ của sóng đơn sắc tạo thành tín hiệu vào tần số của chúng được gọi là phổ của tín hiệu. Trong trường hợp chúng ta đang xem xét, quang phổ là một hình chữ nhật có chiều cao $A_0$ và chiều rộng $2\Delta \omega$, được hiển thị bên dưới hình 3. Điều này,

23

tất nhiên là phổ đơn giản nhất. Phổ tín hiệu, giống như tín hiệu, có thể có nhiều hình dạng khác nhau.

Ví dụ, khi chúng ta phát âm các âm thanh, chúng ta sẽ khiến chuyên gia dao động bằng hành động và những dao động này lan truyền dưới dạng tín hiệu âm thanh có dạng xác định. Quang phổ của các tín hiệu này khác nhau đáng kể tùy thuộc vào việc chúng ta phát âm nguyên âm hay phụ âm. Tín hiệu tương ứng với một nguyên âm có phổ có cực đại hai ký tự ở các tần số nhất định (chúng được gọi là formantime). Phổ theo “trải rộng” hơn trên toàn bộ dải tần (ở hình 4, phổ theo “C” được hiển thị).

Có một phương pháp đặc biệt - phân tích sóng hài - cho phép bạn tìm phổ tín hiệu và tái tạo lại tín hiệu từ phổ đã biết.

Điều thú vị là vật thể rắn cũng có thể “la hét”. Chuyển động nhiệt làm rung chuyển các nguyên tử trong mạng tinh thể và các rung động này cũng được truyền khắp cơ thể dưới dạng sóng đàn hồi. Đây cũng là sóng âm thanh. Tuy nhiên, phổ của chúng đạt cực đại ở tần số rất cao và trong vùng tần số nghe được, biên độ âm thanh nhỏ không đáng kể (ví dụ: ngay cả ở nhiệt độ rất thấp cỡ 5 K, mức cực đại tương ứng với tần số $10^{12}-10^{13}$ Hz). Vì vậy, hãy nghe những gì họ đang nói về việc đeo tiếng bíp. Để làm điều này, tần số của sóng được cố định (được gọi là tần số sóng mang), nhưng biên độ được thay đổi theo thời gian với các dao động âm thanh (hình 5). Do đó, nó tạo thành một chuỗi các tín hiệu truyền thông tin cần thiết. Tại điểm nhận, các tín hiệu được giải mã (được phát hiện)—tín hiệu tương ứng với các rung động âm thanh được cách ly. Phương pháp này được gọi là điều chế biên độ. Nó được sử dụng rộng rãi trong việc truyền tải các khung radio và điện thoại.

Câu hỏi đặt ra: bao nhiêu thông tin có thể được truyền đi bằng sóng trong một đơn vị thời gian? Để hiểu điều này, hãy xem xét các thông tin sau

24

tsini. Người ta biết rằng bất kỳ số nào cũng có thể được viết trong hệ nhị phân dưới dạng một chuỗi các số 0 và số 1. Theo cách tương tự, bất kỳ thông tin nào cũng có thể được mã hóa - ghi lại dưới dạng một chuỗi tín hiệu và sự thiếu sót của chúng trong một khoảng thời gian nhất định. Tín hiệu có thể được truyền bằng cách sử dụng điều chế biên độ (hình 6). Chúng ta muốn truyền thông tin càng nhanh thì những tín hiệu này càng ngắn. Nhưng để truyền thông tin đáng tin cậy, thời lượng tín hiệu không được nhỏ hơn chu kỳ sóng mang hình sin. Điều này hạn chế tốc độ truyền thông tin. Muốn báo cho cô thì báo cho bộ phận chịu lực.

Trên thực tế, có một phần điều chế theo thứ tự $10^7$ Hz và theo đó, phần sóng mang phải nằm trong vùng từ hàng chục đến hàng trăm metahertz. Đó là lý do tại sao trong dòng điện cần phải sử dụng sóng tần số cao và do đó cực ngắn có bước sóng cỡ một mét, mặc dù chúng chỉ lan truyền trong giới hạn tầm nhìn.

Tuy nhiên, nếu để truyền thông tin, chúng ta sử dụng ánh sáng có một phần dao động $10^{15}$ Hz, thì chúng ta có thể tăng tốc độ truyền thông tin lên nhiều bậc độ lớn. Và mặc dù bản thân ý tưởng này đã cũ (việc truyền âm thanh đầu tiên sử dụng tín hiệu ánh sáng được thực hiện bởi người phát minh ra điện thoại, G. Bell, vào năm 1880),

Sự tương ứng đã được thảo luận về thời lượng tín hiệu “hoạt động”: $\Delta t \sim 2\pi/\Delta\omega$, trong đó $\Delta\omega$ trở thành thứ tự $\omega_0$.

Ví dụ, để truyền các chương trình âm nhạc, chỉ cần sử dụng sóng điện từ có tần số hàng trăm kilohertz là đủ: toàn bộ tai nhận được tín hiệu có tần số lên đến 20 kHz và trong trường hợp này, khoảng tần số tạo nên tín hiệu sẽ nhỏ hơn ít nhất một bậc cường độ so với tần số sóng mang. Tuy nhiên, những tần số như vậy không phù hợp để truyền tải các chương trình truyền hình. Hình ảnh trên màn hình được tái tạo 25 lần mỗi giây và lần lượt bao gồm hàng chục nghìn điểm riêng lẻ. Do đó, cần có tần số điều chế ở mức $10^7$ Hz và theo đó, phần sóng mang phải nằm trong vùng từ hàng chục đến hàng trăm metahertz. Đó là lý do tại sao trong dòng điện cần phải sử dụng sóng tần số cao và do đó cực ngắn có bước sóng cỡ một mét, mặc dù chúng chỉ lan truyền trong giới hạn tầm nhìn.

Giờ đây, chúng ta có thể nói chắc chắn rằng thời đại của dây đồng đã trở thành quá khứ và sự phát triển của mạng truyền tải thông tin tốc độ cực cao và quy mô cực lớn cũng như thông tin liên lạc bằng cáp quang đã trở thành quá khứ.