Sunday, January 3, 2016

Elektronika dla informatyka

Co daje wiedza nt. elektroniki dla informatyka, ale i nie tylko? Dla mnie to nic innego jak odpowiedź na pytanie "ale jak?". Mam tu na myśli zrozumienie jak coś działa w prawdziwym tego słowa znaczeniu, a że czego się informatyk nie dotknie to działa to na prąd, więc jest o czym mówić. Jeżeli jeszcze nie doceniłeś tego powiązania to polecam przeczytać mój wcześniejszy wpis Historia komputerów jakiej nie znałeś.
Teraz opowiem o jednym z przykładów, gdzie zastanawiałem się nad tym jak oni to robią, a odpowiedź znalazłem ucząc się elektroniki. Nie jest to taka prosta rzecz, więc muszę trochę wprowadzić w temat. Otóż, gdy studiowałem nowy standard 802.11ac i sieci WiFi miałem już odpowiedź niemal na każde pytanie. Mogłem obliczyć każdą przepustowość co do bita. Wiedziałem niemal wszystko o WiFi ale na poziomie wiedzy informatycznej, a że WiFi to nic innego jak radio i fala elektromagnetyczna, to tu zaczyna się nauka fizyki i elektroniki. Inaczej mówiąc, WiFi to nic innego jak np. logika 802.11n położona na fale elektromagnetyczną i z tą falą jest dużo problemów, dużo pytań. Mnie osobiście bardzo interesowało jak to działa, ale tak dokładnie, krok po kroku i tu nadziałem się na pytanie jak mój odbiornik radiowy (karta WiFi) oddziela od całego szumu elektromagnetycznego tylko ten sygnał, który go interesuje. Pewnie ktoś pomyśli, a dlaczego to takie istotne? Hy, to pytanie będzie dla Ciebie bardziej ciekawe gdy dowiesz się czym jest superpozycja. Jeżeli nie interesowałeś się wcześniej spektrum elektromagnetycznym to polecam obejrzeć co najmniej poniższy klik wideo.


Otóż fala elektromagnetyczna składa się z dwóch składowych, pola magnetycznego i energii elektrycznej. Nas będzie interesowała teraz tylko ta druga, która tak samo jak pierwsza ma postać sinusoidy. Z powyższego klipu dowiedziałeś się, że wszystkie emitowane fale wokół nas mieszają się ze sobą. Dla przykładu, gdy włączysz radio to zaczyna ono grać, czyli odbiera falę o danej częstotliwości. Wniosek z tego taki, iż ta fala otacza Ciebie cały czas. Gdy ktoś do ciebie napisze SMS-a to też Twój telefon komórkowy go odbierze, więc fale GSM również Cię otaczają. Hy, w końcu gdy czytasz ten tekst prawdopodobnie łącząc się przez domowy router z WiFi również odbierasz jego fale. I teraz sobie wyobraź, że wszystkie te fale emitowane jednocześnie mieszają się ze sobą - i to jest właśnie superpozycja.




Spójrzmy na to w matematyczny sposób - jako wykres.


Mamy tutaj dwie fale (zielona i niebieska) o różnych częstotliwościach i amplitudach. Natomiast ich sumą jest fala czerwona. Tak to wygląda z matematycznej perspektywy, a teraz dodajmy do tego trzeci wymiar i spójrzmy na to w bardziej praktyczny sposób.


W powyższym przykładzie te same fale rozchodzą się z dwóch przeciwległych narożników przedstawianej przestrzeni 3D. Więc fale te tworzą zupełnie inną superpozycję niż na wcześniejszym wykresie 2D. przyglądając się sumie tych fal w 3D możemy zrozumieć co "widzi" odbiornik WiFi.

Więc nasz laptop, a konkretnie jego karta WiFi widzi tylko sumę wszystkich emitowanych fal w jego zasięgu i potrafi wyłuszczyć z niej ten sygnał, który go interesuje. Jak on to robi? Wydawać by się mogło, iż to będzie bardzo skomplikowana matematyka w algorytmie karty sieciowej, ale nic bardziej mylnego. Tego typu problem mogą rozwiązać tylko dwa precyzyjnie dobrane elementy elektroniczne. Oczywiście w karcie WiFi jest to bardziej skomplikowane, ale zasada jest podobna. Znalazłem bardzo prosty przykład, jak to działa - stary filtr DSL.

Otóż zapewne wiesz, iż dostawca telekomunikacji potrafi przez jeden kabel dostarczyć dwie różne usługi, połączenie telefoniczne i internetowe. Tu w odróżnieniu medium jest kabel, a nie przestrzeń, ale na naszym poziomie rozważań to nie ma większego znaczenia. Więc po tym samym kablu płyną dwa sygnały o różnych częstotliwościach, gdyż głos ludzki to również określona częstotliwość. Sygnał DSL jest przeznaczony do modemu, ale przed telefonem należy go odfiltrować za pomocą wspomnianego filtra DSL[1]. Dokładny opis podziału częstotliwości linii DSL znajdziecie tu.





Jak widać filtr DSL składa się z trzech komponentów elektronicznych, ale tak naprawdę działają tylko dwa, cewka i kondensator, a dwie cewki są po to aby działał niezależnie od tego jak się go podłączy (tak przypuszczam).  Taki układ nazywa się low-pass filter lub po polsku filtr dolnoprzepustowy. Oto jego schemat.


Wystarczy dobrać odpowiednie wartości tych dwóch elementów, aby otrzymać prosty low-pass filter na określone częstotliwości. W internecie znajdziecie mnóstwo kalkulatorów takich filtrów. Oczywiście w przypadku WiFi od którego zacząłem potrzebny jest filtr częstotliwości Band-Pass filter, coś takiego jak opisano tu.

Skoro już poruszyłem temat superpozycji i elektroniki to nie mogę oprzeć się aby pokazać przykład superpozycji, która ma miejsce w drucie. Ciekawym przykładem jest obwód z dwoma źródłami napięcia, podobnie jak wcześniej z dwiema falami, tylko tu napięcie będzie stałe, więc na wykresie to będzie linia prosta. Ale zasada działania pozostaje ta sama.


Na czerwono zaznaczyłem kierunki przepływu prądu, jak widać przez środkowe połączenie pobiegnie suma dwóch prądów, tego z prawego i lewego obwodu i to właściwie jest prawo Kirchhoffa.

[1] http://brooketel.ca/internet/high-speed-dsl-frequently-asked-questions/

No comments:

Post a Comment