Номер 4, страница 128 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 36. Радиотелефонная связь, радиовещание. Глава 4. Излучение и приём электромагнитных волн радио и СВЧ - диапазона - номер 4, страница 128.

4. Почему переход к вещанию на более высоких частотах позволяет увеличить число каналов передачи информации?

Переход к вещанию на более высоких частотах позволяет увеличить число каналов передачи информации по нескольким взаимосвязанным причинам, главной из которых является расширение доступного частотного спектра.

1. Расширение частотного диапазона. Каждый канал передачи информации (например, радиостанция, телевизионный канал или канал мобильной связи) занимает определенную полосу частот, которая называется шириной канала ($ \Delta f $). Общее количество каналов, которое можно разместить, напрямую зависит от общей ширины доступного частотного диапазона ($ \Delta F_{общ} $). Число каналов ($ N $) можно оценить по формуле:

$ N = \frac{\Delta F_{общ}}{\Delta f} $

Электромагнитный спектр огромен, но его низкочастотные участки (длинные, средние, короткие и ультракороткие волны) исторически освоены, плотно заняты и имеют ограниченную общую ширину. Переход к более высоким частотам, таким как гигагерцовые диапазоны (микроволны, миллиметровые волны), открывает доступ к гораздо более широким, ранее не использовавшимся участкам спектра. Например, весь диапазон FM-радио (87.5–108 МГц) имеет ширину всего 20.5 МГц. В то же время один из диапазонов для сетей 5G может иметь ширину 400 МГц или даже несколько гигагерц. В таком широком диапазоне можно разместить на порядки больше каналов.

2. Увеличение пропускной способности. С увеличением несущей частоты ($ f_c $) становится возможным передавать больше информации в единицу времени. Согласно теоретическим основам теории информации (в частности, теореме Шеннона-Хартли), пропускная способность канала прямо пропорциональна его ширине. На более высоких частотах технически проще и эффективнее создавать каналы с очень большой шириной полосы пропускания.

Например:

• Типичная ширина канала для FM-радио (несущая частота ~100 МГц) составляет около 200 кГц (0.2 МГц).
• Типичная ширина канала для Wi-Fi в диапазоне 5 ГГц составляет 20, 40 или 80 МГц.
• Ширина канала для мобильной связи 5G в миллиметровом диапазоне (выше 24 ГГц) может достигать 400 МГц и более.

Таким образом, один современный канал 5G по своей ширине эквивалентен тысячам FM-радиоканалов. Эта большая ширина позволяет передавать огромные объемы данных, например, видео сверхвысокой четкости в реальном времени.

3. Уменьшение размеров антенн. Длина волны ($ \lambda $) обратно пропорциональна частоте ($ f $): $ \lambda = c/f $, где $ c $ — скорость света. На более высоких частотах длина волны становится меньше, что позволяет использовать более компактные и эффективные антенны. Это упрощает создание сложных антенных систем (например, MIMO — Multiple Input Multiple Output), которые также способствуют увеличению числа каналов и общей пропускной способности системы связи.

Ответ: Переход к вещанию на более высоких частотах позволяет увеличить число каналов передачи информации, потому что он открывает доступ к гораздо более широким участкам электромагнитного спектра. Этот широкий спектр можно разделить на большее количество каналов стандартной ширины или использовать для создания каналов с очень большой пропускной способностью, что эквивалентно возможности передавать данные по множеству "виртуальных" каналов одновременно.