Посмотрите на свой смартфон: его яркий экран показывает 3, 4 или даже 5 дел уровня сигнала. Вы успокаиваетесь, понимая, что сигнал стабилен и мощен. Но на самом деле в этот момент ваш мобильный телефон может «слышать» почти ничего.
Очень вероятно, что количество энергии, которая наконец достигает смартфона, значительно недооценивается. Однако этого крошечного количества достаточно, чтобы современные приемники восстанавливали голос, сообщения, фотографии, карты, видео высокой четкости и даже обеспечивали работу и игры в реальном времени. Понимание того, как становится возможным такой, казалось бы невозможный результат, начинается с понимания одной величины: мощности .
Когда мобильный телефон передает или принимает данные, он взаимодействует с базовой станцией мобильной сети только с помощью электромагнитных волн. Эти волны распространяются в пространстве со скоростью света, перенося энергию. Каждую секунду телефон либо излучает определенное количество энергии через свою антенну, либо пытается собрать невероятно малое количество энергии, поступающей от удаленной базовой станции мобильной сети.
Каждый радиосигнал имеет измеряемую мощность, являющуюся скоростью, с которой передается энергия. Мощность измеряется в ваттах (W). Один ватт означает, что ежесекундно передается один джоуль энергии (джоуль является универсальной базовой единицей для всего, что связано с энергией).
1 Вт=1 Дж/с
Единица мощности показывает, насколько быстро передается энергия. Вот практическое соотношение:
- 1 ватт означает, что ежесекундно передается 1 джоуль энергии.
- 0,1 ватт передает 0,1 джоуля ежесекундно.
Зная вышеизложенное, определение энергии можно сформулировать следующим образом: Энергия — это мощность, накопленная в течение времени:
Энергия = Мощность × Время
Понимание определения мощности и энергии имеет решающее значение для понимания процессов в реальном мире. К примеру, светодиодный индикатор блока питания вашего ноутбука потребляет очень малую мощность, но все равно может потратить заметное количество энергии, если будет работать достаточно долго. В то же время мощная вспышка фотокамеры DSLR действует только мгновение и передает небольшое общее количество энергии, что позволяет питать его от небольших батарей.
Радиоволны – это энергия, распределенная в пространстве
В отличие от электричества внутри проволоки, радиоэнергия не остается ограниченной определенным проводником и распространяется одновременно по многим направлениям. В зависимости от излучающей антенны энергия, излучаемая в одних направлениях, может быть меньше, чем в других, такие антенны называются направленными. Простая стержнеобразная антенна (посмотрите на антенну своего Wi-Fi-роутера) часто описывается как всенаправленная, поскольку она излучает энергию широко вокруг антенны, а не концентрирует ее в узком луче.
Когда радиоволна распространяется в пространстве, ее мощность на единицу площади очень быстро уменьшается с увеличением расстояния. Представьте, что вы надуваете воздушный шарик. Количество резины не увеличивается, но ее поверхность становится все больше. С каждым сантиметром увеличение диаметра шарика каждый квадратный сантиметр его поверхности получает меньше резины, чем раньше.
По мере расширения волны абсолютно та же передаваемая мощность распределяется по растущей сферической поверхности. Если расстояние удваивается, площадь поверхности увеличивается четыре раза, поэтому каждый квадратный метр получает только четверть начальной мощности.
Если расстояние увеличивается в десять раз, то самая передаваемая энергия распределяется по площади, которая в сто раз больше. Это геометрическое рассеяние является одной из основных причин, почему принимаемые сигналы становятся очень слабыми.
Прием радиосигнала — это сбор энергии радиоволны
Базовая станция мобильной сети может передавать несколько сот ватт. Но ваш телефон получает только очень малую часть этой энергии. Это происходит потому, что энергия обычно проходит значительное расстояние, а антенна телефона занимает лишь несколько квадратных сантиметров. Такая крошечная антенна физически способна перехватить только крошечное количество электромагнитной энергии. Большая антенна захватывала бы больше энергии и обеспечивала бы более надежный сигнал при одинаковых условиях.
Представьте, что на определенную площадь падает сильный дождь. Если поставить стакан в любом месте, он соберет лишь скудную часть осадков, поскольку стакан занимает такую малую площадь. Если поставить большую емкость, вы соберете гораздо больше воды.
Сколько энергии действительно получает мобильный телефон?
Каждый мобильный телефон периодически обменивается радиоволнами с базовой станцией мобильной сети, даже если он просто лежит в вашем кармане. И сколько же радиоэнергии действительно получает ваш телефон от базовой станции?
Краткий ответ: его количество настолько мало, что вам понадобится много нулей.
Для типичной частоты мобильной связи около 2 ГГц длина волны составляет примерно 0,15 м. Если сигнал −80 dBm непрерывно поступал в течение одной секунды, антенна телефона получила бы лишь около 0,00000000001 джоуля радиочастотной энергии. Это означает, что радиочастотная энергия, поступающая в приемник, составляет всего около 10 пиковат. Во время работы смартфон может потреблять сотни милливатт и более, поэтому его общее электрическое энергопотребление может быть в десятки миллиардов раз больше радиосигнала мощностью 10 пиковат на уровне −80 dBm, который поступает к его приемнику.
Сигнал −80 dBm уже слаб, но на практике смартфонам приходится работать с еще более низкими значениями из-за множества факторов, влияющих на уровень сигнала: частоту, эффективность антенны, ориентацию антенны, коэффициент усиления антенны телефона, несогласованность поляризации, потери в кабеле и потери из-за несогласованности кабеля.
Почему используется dBm вместо ваттов
Все это время мы обсуждали радиоволну из-за значения ее энергии, и вдруг появилась единица измерения dBm. Почему dBm используется везде, когда речь идет о сигналах, а не ваты или джоуле?
В основном потому, что люди не любят писать много нулей. Поэтому логарифмическая единица dBm стала эталоном.
«m» означает, что каждое значение привязано к 1 милливатту. Точно 0 dBm=1 мВт=0,001 Вт.
dBm = 10×log 10 (Мощность / 1 мВт)
Использование dBm делает очень малые уровни мощности удобными для работы. Вместо того чтобы записывать числа, содержащие двенадцать или пятнадцать нулей, инженеры просто отнимают 10 dB каждый раз, когда мощность становится в десять раз меньше.
| дБм |
Мощность |
Отношение к 1 мВт |
| 0 дБм |
1 мВт |
1× |
| -10 дБм |
0,1 мВт |
в 10× меньше |
| -20 дБм |
0,01 мВт |
у 100× меньше |
| -30 дБм |
1 мВт |
у 1 000× меньше |
| -40 дБм |
100 нВт |
у 10 000× меньше |
| -50 дБм |
10 нВт |
у 100 000× меньше |
| -60 дБм |
1 нВт |
у 1 000 000× меньше |
| -70 дБм |
100 пВт |
у 10 000 000× меньше |
| -80 дБм |
10 пВт |
у 100 000 000× меньше |
| -90 дБм |
1 пВт |
у 1 000 000 000× меньше |
| -100 дБм |
100 фВт |
у 10 000 000 000× меньше |
| -110 дБм |
10 фВ |
у 100 000 000 000× меньше |
| -120 дБм |
1 фВ |
у 1 000 000 000 000× меньше |
Логарифмическая шкала скрывает, насколько поразительны эти отличия. Каждый шаг в 10 dB устраняет еще 90% оставшейся мощности. Когда сигнал достигает -120 dBm, принятая мощность становится в один триллион раз меньше , чем крошечный эталон в один милливатт. На этом этапе можно ожидать надписи «нет сигнала».
Запомните это: сигнал -120 dBm не просто в 120 раз слабее сигнала 0 dBm. Он в 1 000 000 000 000 (один триллион) раз слабее .
Как увидеть фактический уровень сигнала на Android-смартфоне
Теперь, когда мы познакомились с dBm, больше нет нужды слепо доверять делению сигнала на телефоне. Вы можете просто посмотреть фактическое значение уровня сигнала, сообщаемого телефоном.
Один из удобных способов сделать это на Android — MobiloSignal , бесплатное приложение с открытым исходным кодом в GitHub https://eb43.github.io/articles/phone-signal-strength-viewer.html . Он показывает уровень сотового сигнала телефона в dBm и оставляет текущее значение видимым в строке состояния и в уведомлении, поэтому измеренное значение остается доступным при использовании других приложений.
Установите приложение, предоставьте запрошенные разрешения, и оно превратит числа из этой статьи в то, что вы сможете непосредственно наблюдать. Станьте у окна, и вы можете увидеть гораздо более сильное значение, затем перейдите во внутреннюю комнату, подвал, лифт или другое место, где сотовый сигнал перекрыт, и наблюдайте, как число становится более отрицательным. Изменение с −70 dBm на −90 dBm может выглядеть только как разница в 20 единиц на экране, но вы уже знаете, что dBm является логарифмической величиной, и фактическая принятая мощность сигнала уменьшается в 100 раз.
Такое же измерение может быть полезным и для сравнения разных мест. Вместо того чтобы говорить, что в одном углу здания лучше прием, чем в другом, вы можете непосредственно измерить разницу. Например, переход от -105 dBm к -85 dBm означает увеличение на 20 dB, что соответствует в 100 раз большей принимаемой мощности при одинаковых условиях измерения.
dBm в строке состояния дает вам числовой способ наблюдать за величиной, которую деления сигнала намеренно скрывают. Вместо того чтобы видеть четыре или пять делений и не иметь представления, соответствует ли фактический сигнал −65 dBm или −95 dBm, вы можете увидеть фактическое уведомленное значение и непосредственно соотнести его со шкалой мощности.
Уровни мощности, которые человек действительно может ощутить
Прежде чем погружаться в очень слабые сигналы, с которыми работают смартфоны, полезно закрепить интуитивное понимание с помощью уровней мощности, которые все еще могут создавать видимые или измеряемые эффекты в повседневной жизни.
| Мощность |
Ваты |
Типичный непрерывный эффект |
| +40 дБм |
10 Вт |
Яркая светодиодная лампа, медленное зарядное устройство для телефонов. |
| +30 дБм |
1 Вт |
Мощный светодиод фонарика. |
| +20 дБм |
100 мВт |
Яркий светодиодный индикатор. |
| +10 дБм |
10 мВт |
Эффективная лазерная указка. |
| 0 дБм |
1 мВт |
Необычайно тусклый светодиод, видимый только в темноте. |
Обратите внимание, что уровень 1 мВт является лишь последним уровнем мощности, который человек все еще может непосредственно почувствовать, в то же время он в 100 000 раз мощнее самого высокого уровня сигнала, на который смартфон может реально рассчитывать (−50 dBm).
Почему −50 dBm можно считать высоким уровнем сигнала, которого смартфон может реально ожидать
−50 dBm не самый сильный сигнал, который смартфон физически способен принять. Телефон вполне может принимать более сильные сигналы, в некоторых ситуациях даже близкие к 0 dBm.
Однако −50 dBm можно считать ориентиром для принятого сильного сигнала сотовой сети в обычных реальных условиях. Более сильные уровни сигнала, например −10 dBm, обычно не ожидаются. −10 dBm соответствует 0,1 мВт. Это огромное количество радиочастотной мощности, которое должно поступать к антенне смартфона.
Рассмотрим упрощенный сотовый канал от базовой станции к смартфону. Предположим, что базовая станция передает около 46 dBm (40 Вт) радиочастотной мощности. Даже до учета таких факторов потерь как здания, отражения, диаграммы направленности антенн, потери в кабелях и другие факторы, именно распространение сигнала на расстояние создает значительные потери.
На частоте 1 ГГц потери в свободном пространстве на расстоянии 1 км составляют примерно:
L FS = 32,44 + 20 log 10 (1000) + 20 log 10 (1)
L FS ≈ 92,4 дБ
Итак, очень примерно:
46 − 92,4 = −46,4 дБм
Это уже дает уровень сигнала около –46 dBm на расстоянии 1 км по идеализированному расчету распространения в свободном пространстве с идеальными антеннами. Реальные сотовые системы имеют усиление и потери антенн, а реальная среда создает дополнительные потери.
Это демонстрирует, почему значение около -50 dBm можно считать наилучшим уровнем сотового приема, на который можно рассчитывать.
Чтобы смартфон получил сигнал −10 dBm от того же передатчика мощностью +46 dBm, он должен находиться примерно в 15 метрах от него.
Чтобы на приемнике получить уровень сигнала -10 dBm, потери при распространении сигнала на частоте 1 ГГц от передатчика мощностью +46 dBm должны составлять 46 — (-10) = 56 dB. Мы можем превратить эти потери в приблизительное расстояние посредством уравнения потерь в свободном пространстве (FSPL):
FSPL = 20 log 10 (г) + 20 log 10 (ж) + 32,44
где d – расстояние в километрах, а f = 1 ГГц = 1000 МГц – частота в МГц.
56 = 20 log 10 (д) + 20 log 10 (1000) + 32,44
56 = 20 log 10 (д) + 60 + 32,44
20 log 10 (г) = −36,44
д = 10 −36,44/20 ≈ 0,0151 км = 15,1 метра
Интуитивная иллюстрация уровней мощности, с которыми работает радиосвязь
Здесь мы упрощаем ситуацию и представляем, что находимся в реальности без каких-либо факторов потерь.
−10 dBm (0,1 мВт): мир, который можно понять через аналогию с механической работой
Нагрев капли воды (0,05 мл) мощностью −10 dBm (0,1 мВт): 43,6 часа до кипения и 14,9 дня до полного испарения.
Теперь приемник получает только одну десятую энергию от эталонного уровня мощности 1 мВт. Гравитация все еще является отличным ориентиром, поскольку подъем предметов напрямую зависит от энергии.
Установим несколько числовых значений:
Мощность –10 dBm = 0,1 мВт = 0,0001 Вт
Выработанная энергия
| Время |
Энергия |
| 1 секунда |
0,0001 Дж |
| 1 минута |
0,006 Дж |
| 1 год |
0,36 Дж |
| 24 года |
8,64 Дж |
Механическая работа сейчас является лучшим способом визуализировать такие уровни энергии.
Потенциальная энергия: E = mgh, где h – высота массы m над базовым уровнем. Альтернативно, h = E/(mg)
Следовательно, при заданном количестве энергии одну единицу массы можно поднять на h = 0,36/(1×9,81) ≈ 0,0367 м
Другими словами, количество энергии, которая настолько велика, что смартфон не может реально на нее рассчитывать, в механическом мире отвечает настолько малому уровню, что за один час эта энергия могла бы поднять однолитровую бутылку воды всего на 3,7 сантиметра.
−20 dBm (10 мкВт): вам понадобится более 175 лет, чтобы зарядить телефон
Нагрев капли воды (0,05 мл) мощностью −20 dBm (10 мкВт): 18,2 дня до кипения и 149 дней до полного испарения.
При -20 dBm схема обработки радиосигнала смартфона находится в ситуации, будто кто-то стоит рядом с вами и кричит прямо вам в ухо через мегафон. Это кажется очень громким и мощным. Но если бы вы захотели использовать подобный -20 dBm уровень мощности для других практических применений, вам лучше запастись большим терпением.
Скажем, вы хотите зарядить телефон. Энергию радиоволн легко превратить в электричество, это делает приемная антенна. Но количество полученной электроэнергии было бы настолько мало, что вам понадобилось бы почти два столетия, чтобы зарядить телефон.
Почему так долго? Представьте 15-литровую емкость, представляющую запас энергии аккумулятора смартфона. Теперь же представьте, что вы добавляете энергию, полученную антенной в течение одного часа при −20 dBm. Эквивалентное увеличение составляло бы около 0,0098 миллилитра, если бы вся энергия аккумулятора была представлена 15 литрами. Это примерно две десятые капли воды в час.
Установим несколько числовых значений:
Мощность –20 dBm = 0,01 мВт = 0,00001 Вт = 10 мкВт
Выработанная энергия:
| Время |
Энергия |
| 1 секунда |
0,00001 Дж |
| 1 минута |
0,0006 Дж |
| 1 год |
0,036 Дж |
| 24 года |
0,864 Дж |
Предположим, что аккумулятор вашего телефона имеет номинальную емкость примерно 4 000 мАч и напряжение 3,85 В. Он сохраняет примерно: 4 Ач × 3,85 В = 15,4 Втч энергии. Поскольку один ватт-час равен 3 600 джоулам, емкость аккумулятора в джоулях составляла бы 15,4 Вт·ч × 3600 Дж ≈ 55 440 Дж энергии.
Энергия, полученная антенной телефона за один час при −20 dBm, составляет лишь 0,036 Дж. По отношению к этому условному аккумулятору емкостью 55 440 Дж: 0,036 / 55 440 ≈ 6,5 × 10 -7 .
Другими словами, даже если бы телефон мог захватить каждый джоуль входящего радиосигнала и сохранить его со 100% эффективностью, один час приема сигнала -20 dBm добавил бы лишь около 0,000065% его общей номинальной емкости.
Если предположить, что все 10 мкВт, полученные антенной, каким-то образом можно превратить в энергию аккумулятора со 100% эффективностью, зарядка условного аккумулятора емкостью 55440 Дж продолжалась бы: 55440 Дж / 0,00001 Вт = 0 5. Это примерно 175,7 года, чтобы зарядить аккумулятор емкостью 4 000 мАч от полностью разряженного до полностью заряженного состояния, превращая непрерывный радиосигнал −20 dBm в электроэнергию со 100% эффективностью.
−30 dBm (1 мкВт): достаточно энергии для крошечной вспышки после 17 минут ожидания
Нагрев капли воды (0,05 мл) мощностью −30 dBm (1 мкВт): 182 дня до кипения и 4,07 года до полного испарения.
При –30 dBm принятая мощность уменьшилась еще в десять раз. Сравнение с зарядкой аккумулятора теперь оставляем в стороне, поскольку оно становится слишком медленным даже для того, чтобы говорить о нем. Тем не менее, мы все еще можем накопить некоторое количество энергии в течение определенного времени для создания наблюдаемого эффекта. Например, заставить светодиод мигать в течение времени, что вдвое меньше продолжительности моргания глазами.
Установим несколько числовых значений:
Мощность: −30 dBm = 0,001 мВт = 0,000001 Вт = 1 мкВт
Выработанная энергия:
| Время |
Энергия |
| 1 секунда |
0,000001 Дж |
| 1 минута |
0,00006 Дж |
| 1 год |
0,0036 Дж |
| 24 года |
0,0864 Дж |
Рассмотрим гипотетический небольшой светодиод, потребляющий 10 мВт и создающий короткую световую вспышку продолжительностью 0,1 секунды. Для сравнения, продолжительность цикла моргания человеческого глаза составляет 0,1–0,4 с, а типичное время моргания человека составляет 0,2 секунды.
Электрическая энергия, необходимая для такой вспышки, составляла бы: E = P×t=0,01 Вт×0,1 с=0,001 Дж.
Светодиоды превращают лишь часть поступающей на них электрической энергии в оптический свет. Возьмем очень хорошую эффективность превращения электрической энергии в оптическую, около 50%, для эффективного белого светодиода. При такой эффективности 1 мДж электрической энергии даст примерно 0,5 мДж оптической энергии, а остальные превратятся в тепло и другие потери.
Радиосигнал −30 dBm поставляет всего 0,000001 Дж ежесекундно. Чтобы накопить 0,001 Дж, нужно t=E/P=0,001/0,000001=1000 секунд. Это примерно 16,7 минут.
Вспышка света с оптической энергией 0,5 мДж и продолжительностью 0,1 с находится в пределах человеческого зрительного восприятия. Очень вероятно, что его можно будет заметить, но нет безусловной гарантии, основанной только на общей оптической энергии. Конечно, в реальности всегда есть детали: в зависимости от длины волны, расхождения луча, освещенности сетчатки, уровня адаптации, расстояния до наблюдателя.
−40 dBm (100 нВт): даже не проливайте каплю воды, она будет высыхать 38 лет
Нагрев капли воды (0,05 мл) мощностью −40 dBm (100 нВт): 1817 дней до кипения и 40,7 года до полного испарения.
Представьте, что маленькая капля воды остается открытой для воздуха. В нормальных комнатных условиях она высыхает в считанные минуты, поскольку воздух поставляет огромное количество энергии для испарения.
Но что если капля получала только энергию от источника радиоволн с уровнем мощности −40 dBm? При −40 dBm принятая мощность уменьшилась до ста нановант. Сколько времени потребовалось бы для испарения этой капли?
Установим несколько числовых значений:
Мощность −40 dBm = 0,0001 мВт = 0,0000001 Вт = 100 нВт
Выработанная энергия:
| Время |
Энергия |
| 1 секунда |
0,0000001 Дж |
| 1 минута |
0,000006 Дж |
| 1 год |
0,00036 Дж |
| 24 года |
0,00864 Дж |
Для испарения воды при комнатной температуре требуется примерно 2,4 миллиона джоулов на килограмм, при этом точное значение зависит от температуры.
Если бы вся энергия, полученная в течение одного часа при −40 dBm, передавалась на испарение воды, соответствующая масса воды составляла бы: m = E/L, где E – доступная энергия, а L – удельная теплота парообразования.
Итак: m = 0,00036/2 400 000 ≈ 1,5 × 10 -10 кг. В граммах это: 1,5×10 -10 кг = 0,00000015 г или 0,15 микрограмма.
Таким образом, все количество радиоэнергии, полученное в течение одного часа при -40 dBm, эквивалентно, с точки зрения энергии, теплоте, необходимой для испарения лишь примерно 0,15 микрограмма воды. Это такое количество, которое человек не мог бы увидеть, почувствовать или измерить обычными бытовыми весами.
Сколько времени потребовалась бы эта энергия, чтобы выпарить заметное количество воды? Произведем обратный расчет и возьмем количество воды, которое соответствует примерно 0,05 мл или 0,05 г = 0,00005 кг воды, то есть примерно одной пролитой капле.
Энергия, необходимая для испарения этого количества, если пренебрегать всеми другими тепловыми потерями, составляет: E = mL = 0,00005 × 2 400 000 = 120 Дж. При мощности 100 нВт время, необходимое для передачи 120 Дж энергии, составляло бы: t = 0 = 0 1 200 000 000 секунд. Переводим в годы: 1 200 000 000 / 31 536 000 ≈ 38 лет. Следовательно, вы бы точно не захотели пролить даже каплю воды в месте, где она испаряется только за счет радиомощности на уровне −40 dBm.
Чашка воды, пролитая при таких условиях, заставляет калькулятор сойти с ума. Чашка, содержащая примерно 250 мл или 0,25 кг воды, потребовала бы 6 000 000 000 000 секунд для испарения. Это 190 тысяч лет.
−50 dBm (10 нВт): полная Луна должна превратиться в крошечную точку, чтобы давать столь слабый свет
Нагрев капли воды (0,05 мл) мощностью −50 dBm (10 нВт): 18168 дней до кипения и 407 лет до полного испарения.
Представьте, что вы вышли далеко за пределы любого города безоблачной летней ночью, когда на небе полная Луна. Все вокруг освещено лунным светом, который является отраженным солнечным светом, ведь Луна сама не генерирует свет. NASA описывает Луну как тело, отражающее лишь небольшую часть падающего на него солнечного света. Приблизительно 0,0018 Вт/м² отраженного солнечного излучения от полной Луны достигает Земли.
Это означает, что при идеальных ясных условиях каждый квадратный метр поверхности, направленной к полной Луне, получает примерно 0,0018 Вт = 1,8 мВт отраженного лунного оптического излучения.
При −50 dBm принятая мощность составляет всего 10 занов. Насколько маленькой должна казаться Луна на небе, чтобы ее свет создавал такую же плотность мощности?
Сначала установим числовые значения:
Мощность: −50 dBm = 0,00001 мВт = 0,00000001 Вт = 10 нВт
Выработанная энергия:
| Время |
Энергия |
| 1 секунда |
0,00000001 Дж |
| 1 минута |
0,0000006 Дж |
| 1 год |
0,000036 Дж |
| 24 года |
0,000864 Дж |
Чтобы сравнение было хотя бы в какой-то степени физически обоснованным, нам нужно предположить эффективную площадь антенны смартфона. Для обычного базисного расчета допустим эффективную апертуру приблизительно 5 см² = 0,0005 м². Это электромагнитная эффективная площадь, которая используется для расчета принимаемой антенной мощности, а не физический размер самой антенны.
При таком предположении сигнал −50 dBm отвечает такой плотности мощности радиоволны у смартфона: 0,00000001 Вт/0,0005 м² = 0,00002 Вт/м² = 20 мкВт/м²
Теперь сравним освещенность от полной Луны с плотностью радиомощности, соответствующей сигналу −50 dBm, принятому нашей упрощенной антенной смартфона:
- Полная Луна: 0,0018 Вт/м² = 1800 мкВт/м²
- −50 dBm с эффективной апертурой 5 см²: 0,00002 Вт/м² = 20 мкВт/м²
Итак, соотношение составляет: 0,0018/0,00002 = 90. Таким образом, полная Луна передает примерно в 90 раз больше оптической мощности на каждый квадратный метр поверхности, направленной к нему, чем плотность мощности радиоволны, соответствующая сигналу −50 dBm, принятому нашей упрощенной антенной смартфона.
Насколько меньше должна быть Луна, чтобы создавать эквивалентное количество мощности на квадратный метр? Если предположить одинаковую отражательную способность поверхности и другие одинаковые факторы, полученный свет был бы пропорционален его видимой площади. Следовательно, чтобы уменьшить полученный свет в 90 раз, его видимый диаметр должен уменьшиться в √90 ≈ 9,49 раза.
Настоящая Луна имеет диаметр примерно 3475 км. Следовательно, эквивалентная миниатюрная Луна имела бы диаметр 3475/9,49 ≈ 366 км.
Несмотря на то, что Луна кажется нашим глазам значительно большим, и мы подпадаем под известное психологическое явление, известное как «иллюзия Луны», настоящая полная Луна имеет видимый диаметр, эквивалентный диску примерно 5,5 мм, если держать его на расстоянии вытянутой руки. Обычный карандаш, который держат на расстоянии вытянутой руки, может закрыть полную Луну от взгляда.
Наш мини-Луна диаметром 366 км на том же расстоянии от Земли казался бы в 9,49 раза меньше, что соответствовало бы примерно 0,58 миллиметра на расстоянии вытянутой руки. Это меньше одного миллиметра в диаметре, достаточно мало, чтобы выглядеть как крошечная точка, а не как что-то напоминающее Луну.
−60 dBm (1 нВт): пять месяцев, чтобы накопить энергию одного статического разряда от свитера
Нагрев капли воды (0,05 мл) мощностью −60 dBm (1 нВт): 181684 дня до кипения и 4073 года до полного испарения.
Помните, как аккуратно зимой нужно снимать свитер, чтобы он не ударил вас электрическим разрядом? Снятие свитера может оставить ваше тело сильно электрически заряженным, в результате чего через секунду возникает яркая вспышка электрической искры и чувствуется удар электрического тока в теле.
Одного трения свитера о тело в течение секунды достаточно, чтобы создать значительный электрический заряд. Но если вы хотите получить идентичный разряд от источника –60 dBm, вам придется накапливать подобное количество энергии почти пять месяцев.
Теперь установим несколько числовых значений:
Мощность −60 dBm = 1 нВт = 0,000000001 Вт.
Энергия:
| Время |
Энергия |
| 1 секунда |
0,000000001 Дж |
| 1 минута |
0,00000006 Дж |
| 1 год |
0,0000036 Дж |
| 24 года |
0,0000864 Дж |
Сколько энергии скапливается до того момента, когда свитер может ударить вас электрической искрой? К счастью, Talebzadeh, Moradian, Han и Swenson провели экспериментальное исследование Effect of Human Activities and Environmental Conditions on Electrostatic Charging и измерили электростатический заряд во время одевания и раздевания. При экстремально сухих условиях, при температуре 22 °C и относительной влажности 5%, напряжение, созданное при снятии одежды, могло превышать 20 000 В. Исследователи также использовали емкость между человеком и землей примерно 60 пФ для своей конфигурации в жилом доме.
Мы можем использовать эти экспериментально полученные значения, чтобы рассчитать электрическую энергию, накопленную заряженным человеком с помощью уравнения энергии конденсатора: E = ½CV 2 . Используя указанную емкость 60 пФ и уровень напряжения 20 000 В, разряд давал бы E = ½×60×10 −12 Ф × (20 000 В) 2 = 0,012 Дж энергии. Это 12 миллиджоулов.
Чтобы накопить 12 мДж энергии от источника –60 dBm, t = E/P = 0,012 Дж/0,000000001 Вт = 12 000 000 секунд ≈ 138,9 дня. Следовательно, непрерывному радиосигналу −60 dBm потребовалось бы около пяти месяцев, чтобы передать такое же количество энергии, как 12 мДж одного разряда от вашего свитера.
−70 dBm (100 пВт): 42 минуты, чтобы накопить энергию света для фотографии
Нагрев капли воды (0,05 мл) мощностью −70 dBm (100 пВт): 1,82 миллиона дней до кипения и 40 734 года до полного испарения.
Вообразите обычный ясный летний день с ярким солнечным светом. Вы получаете iPhone 17 Pro Max, чтобы сделать фотографию. Его основная камера имеет сенсор на 48 мегапикселей, отдельные пиксели которого имеют размер примерно 1,22 мкм. При открытой диафрагме f/1,78 яркую сцену под открытым небом можно сфотографировать с выдержкой примерно 1/4000 секунды. В течение этой крохотной части секунды каждый пиксель сенсора накапливает небольшое количество световой энергии, достаточное для создания фотографии.
А теперь представьте, что мы заменяем солнечный свет чрезвычайно слабым фонариком, который выдает только −70 dBm мощности, и используем его узкий луч для освещения пикселей. Сколько времени понадобилось бы, чтобы накопить такое же количество световой энергии?
Установим несколько числовых значений:
Мощность: −70 dBm = 100 пВт = 0,0000000001 Вт
Выработанная энергия:
| Время |
Энергия |
| 1 секунда |
0,0000000001 Дж |
| 1 минута |
0,000000006 Дж |
| 1 год |
0,00000036 Дж |
| 24 года |
0,00000864 Дж |
Чрезмерно упрощенные предположения: день с освещенностью 100 000 люкс, средняя отражательная способность 18%, световая эффективность 100 лм/Вт для освещения, подобного солнечному.
Следовательно, 100 000 люкс примерно соответствуют 100 000/100 = 1 000 Вт/м² падающей оптической мощности. При средней отражательной способности 18% сцена отражает примерно 180 Вт/м². Если предположить, что сцена ведет себя как диффузный ламбертовский отражатель, ее яркость составляет примерно 180 / π ≈ 57 Вт/(м²·ср).
Освещенность на сенсоре изображения примерно равна πL/(4N²), где L — яркость сцены, а N — диафрагменное число. По L ≈ 57 Вт/(м²·ср) и N = 1,78 это дает примерно 14,2 Вт/м² на сенсоре (мы предполагаем отсутствие оптических потерь).
Сенсор на 48 миллионов пикселей с отдельными пикселями размером 1,22 мкм имеет активную площадь примерно 48 000 000 × (1,22 × 10). −6 )² ≈ 0,0000714 м².
Во время экспозиции 1/4000 секунды примерно 14,2×0,0000714×0,00025 ≈ 0,000000254 Дж, или около 0,254 мкДж оптической энергии, достигает сенсора. Отдельный пиксель получает 0,254 мкДж/48 000 000 ≈ 5,3 × 10 −15 Дж в течение экспозиции.
Теперь заменим солнечный свет узким лучом –70 dBm, направленным непосредственно на один пиксель. Чтобы передать одному пикселю 5,3 фемтоджоуля: t=E/P=5,3×10 −15 Дж / 10 −10 Вт ≈ 5,3 × 10 −5 секунд. Чтобы передать такое же количество энергии всем 48 миллионам пикселей от источника −70 dBm, эквивалентное общее время составляло бы: 48 000 000 × 5,3 × 10 −5 с ≈ 2 544 секунди = 42 хвилини.
Итак, мгновенный снимок, который вы получаете при ярком летнем освещении, потребовал бы 42 минуты, будь Солнце чрезвычайно слабым источником −70 dBm.
−80 dBm (10 пВт): 2,6 минуты, чтобы передать энергию, соответствующую фотографии, сохраненной в NAND
Нагрев капли (0,05 мл) воды мощностью −80 dBm (10 пВт): 18,2 миллиона дней до кипения и 407 342 года до полного испарения.
Когда вы сохраняете фотографию в галерее смартфона, физически это не просто файл. Это даже не нули и единицы. Изображение представляет собой набор электронов, захваченных внутри флэш-памяти телефона. Запись данных во флэш-память требует значительного количества энергии, причем значительная часть этой энергии рассеивается в виде тепла во время перемещения электронов внутри ячеек памяти.
В статье Conceptual Design of Nano-Networking Device Себастиан Канова-Карраско, Антонио-Хавьер Гарсия-Санчес, Фелипе Гарсия-Санчес и Жоан Гарсия-Харо сообщают, что оцененная энергия на один бит во время операции записи для NAND-памяти типа SLC составляет 1200 пДж.
Средняя фотография сегодня занимает несколько мегабайт пространства, допустим, 4 МБ (32 миллиона битов). Для этого понадобилось бы 32 000 000×1200×10 −12 = 0,0384 Дж = 38,4 мДж. Расчет для SLC не производится, поскольку, несмотря на то, что этот тип памяти является лучшим по скорости и надежности, он уже давно постепенно выводится из использования. MLC тоже постепенно выводится из использования, но некоторые продукты на его основе все еще доступны на рынке. Поэтому в какой-то степени MLC все еще можно назвать коммерчески доступным типом памяти сегодня.
Если батарея вашего телефона с номинальной емкостью 4000 мА·ч и номинальным напряжением 3,85 В каким-то образом поставляла энергию исключительно для записи в NAND-флэш, общая запасенная энергия E = 4 А·ч × 3,85 В = 15,4 Вт·3·0 = 55 440 Дж, а количество полных фотографий по 4 МБ, которые теоретически можно было бы записать, используя весь заряд батареи, составляло бы 55 440 Дж / 0,0384 Дж ≈ 1 443 750 файлов. Подходящий объем данных составлял бы 1 443 750 × 4 МБ = 5 775 000 МБ ≈ 5,78 ТБ.
Здесь мы специально исключаем все дополнительные факторы потерь энергии, такие как процессор, контроллер памяти, стабилизаторы напряжения, схема зарядного насоса NAND, коррекция ошибок и другие компоненты. Сама NAND-память также имеет дополнительные потери энергии.
Теперь сколько энергии связано с зарядом, накопленным в NAND, который рассматривает процессор телефона как фотографию размером 4 МБ? Поскольку в NAND данные представлены количеством заряда, накопленного в ячейках памяти, который изменяет их пороговое напряжение и распознается программным обеспечением как разные состояния.
Теперь представим, что заменяем батарею чрезвычайно слабым источником энергии. Сколько времени потребовалось бы источнику −80 dBm, чтобы обеспечить энергию, связанную с хранением всей фотографии?
Установим несколько числовых значений:
Мощность: −80 dBm = 10 пВт = 0,00000000001 Вт
Выработанная энергия:
| Время |
Энергия |
| 1 секунда |
0,00000000001 Дж |
| 1 минута |
0,0000000006 Дж |
| 1 год |
0,000000036 Дж |
| 24 года |
0,000000864 Дж |
Файл размером 4 МБ содержит около 32 миллионов битов, если использовать 1 байт = 8 битов, 4 МБ = 4 000 000 байтов × 8 = 32 000 000 битов.
Для записи файла размером 4 МБ в MLC NAND требуется примерно 38,4 мДж энергии. При −80 dBm идеальному источнику без потерь понадобилось бы около 122 лет, чтобы обеспечить такое же количество энергии.
Сколько энергии эквивалентно заряду, связанному с одним файлом, сохраненным в NAND? Чтобы ответить на этот вопрос, требуется числовое значение количества электронов, связанных с одной ячейкой памяти. Установить базовое значение было чрезвычайно сложно, но, к счастью, была найдена книга «NAND Flash Memory Technologies: Fundamentals to 3D Scaling», опубликованная IEEE Press. На странице 175 она дает нам базовое значение: ячейка NAND-памяти 1X-нм может содержать около 100 накопленных электронов для смещения порогового напряжения.
Заряд одного электрона составляет примерно 1,602176634×10 −19 Кл. Следовательно, 100 электронов несут заряд Q = 100×1,602176634×10 −19 Кл ≈ 1,602 × 10 −17 Кл.
При нашем идеализированном предположении электрическая работа, связанная с перемещением этого заряда через разность потенциалов 3 В, составляет E = QV = 1,602×10 −17 Кл × 3 В ≈ 4,81 × 10 −17 Дж. Это энергетический масштаб, связанный с накопленным зарядом, а не фактическая энергия, потребленная во время операции программирования NAND.
Если использовать этот энергетический масштаб для одного бита к файлу размером 4 МБ, E = 32 000 000 × 4,81 × 10 −17 Дж ≈ 1,54 × 10 −9 Дж. Это примерно 1,54 нДж, или 0,00000000154 джоуля, для всей фотографии размером 4 МБ.
Источник −80 dBm, при идеальном преобразовании и абсолютном отсутствии потерь, передал бы эту энергию по t = E / P = 1,54 × 10 −9 Дж / 10 −11 Вт ≈ 154 секунды. Это примерно 2,6 минуты, в течение которых непрерывный радиосигнал -80 dBm обеспечивал бы такое же количество энергии, которое хранится в ячейках NAND для представления нашей JPEG-фотографии размером 4 МБ.
−90 dBm (1 пВт): 8,5 дня, чтобы переместить секундную стрелку часов на одну секунду
Нагрев капли (0,05 мл) воды мощностью −90 dBm (1 пВт): 181,7 миллионов дней до кипения и 4,07 миллионов лет до полного испарения.
Секундная стрелка механических часов не привлекает особого внимания, двигаясь с каждым щелчком секунды. Батарея является достаточно большим источником энергии, чтобы надежно обеспечивать количество электроэнергии, необходимое для точного отсчета времени. Когда запасенная в батарее энергия иссякает, мы просто заменяем ее. Но что если бы мы питали аналоговые часы от радиоволн? Продолжал ли он показывать правильное время?
Обычная аналоговая секундная стрелка совершает один полный оборот за 60 секунд, перемещаясь на 360°/60=6° в секунду. В радианах это примерно 0,1047 советов.
Это крохотное движение все равно нуждается в механической работе. Спецификация часового кварцевого механизма указывает типичный полезный момент на валу секундной стрелки примерно 7 мкН·м. Используя это как наше эталонное значение мы можем рассчитать механическую энергию, необходимую для перемещения секундной стрелки на одно движение продолжительностью в одну секунду.
Установим несколько числовых значений:
Мощность: −90 dBm = 1 пВт = 0,000000000001 Вт
Выработанная энергия
| Время |
Энергия |
| 1 секунда |
0,000000000001 Дж |
| 1 минута |
0,00000000006 Дж |
| 1 год |
0,0000000036 Дж |
| 24 года |
0,0000000864 Дж |
Механическая работа для вращающегося объекта определяется как E = τθ, где τ – крутящий момент, а θ – угол перемещения в радианах. Для наших эталонных часов τ ≈ 7 × 10 −6 Нм и θ = 6° ≈ 0,10472 рад. Итак: E = 7×10 −6 × 0,10472 ≈ 7,33 × 10 −7 Дж. Таким образом, перемещение секундной стрелки на угол шесть градусов, что соответствует одной секунде, требует примерно 0,733 мкДж механической работы в наших эталонных условиях.
Непрерывный источник –90 dBm производит мощность 1 пВт. Время, необходимое для накопления такого же количества энергии: t = E/P = 7,33×10 −7 / 10 −12 ≈ 733 000 секунд. Это примерно 8,5 дня.
−100 dBm (0,1 pW): 45 600 лет, чтобы обеспечить один короткий жужжащий импульс вибрации смартфона
Нагрев капли (0,05 мл) воды мощностью −100 dBm (0,1 пВт): 1,82 миллиарда дней до кипения и 40,7 миллиона лет до полного испарения.
Вибромотор смартфона – это то, чего вы обычно не замечаете, но именно он делает взаимодействие с телефоном гораздо более интуитивным. То ли легкая вибрация, подтверждающая нажатие клавиши на виртуальной кнопке экрана, либо специальный эффект, придающий динамике игре. Вы чувствуете вибрацию смартфона как простое короткое жужжание, но внутри происходит много процессов, потребляющих энергию. Литий-ионный аккумулятор позволяет телефону вибрировать столько, сколько нужно пользователю. Но что было бы, если бы вибромотор питался только от источника мощностью −100 dBm?
Установим некоторые числа:
Мощность: −100 dBm = 0,1 пВт = 0,0000000000001 Вт
Выработанная энергия:
| Время |
Энергия |
| 1 секунда |
0,0000000000001 Дж |
| 1 минута |
0,000000000006 Дж |
| 1 год |
0,00000000036 Дж |
| 24 года |
0,00000000864 Дж |
Вибрация вашего телефона создает быстрое движение небольшой несбалансированной металлической детали. В Android эта масса обычно вращается, тогда как в iPhone она двигается линейно. Эта несбалансированная деталь двигается сотни раз в секунду, смещая весь смартфон вперед и назад на части миллиметра. Именно это вы ощущаете как вибрацию.
Типичный небольшой вибромотор таблеточного типа имеет номинальную скорость 10 000 оборотов в минуту, или 10 000/60 ≈ 166,7 оборота в секунду. При напряжении 3 В и среднем потреблении тока 48 мА он потребляет электрическую мощность = 3×0,048 = 0,144 Вт.
Если предположить, что все 0,144 Вт электрической мощности превращаются в механическую мощность без потерь, механическая энергия, соответствующая одному полному вращению, составляет E = P/f = 0,144 Вт/166,7 с −1 ≈ 0,000864 Дж. Следовательно, одному полному вращению эксцентриковой массы соответствует примерно 0,864 мДж механической энергии.
Теперь представим, что мы пытаемся получить только одно вращение от источника −100 dBm. При мощности 0,1 пВт на накопление необходимого количества энергии потребовалось бы t = E/P = 0,000864 Дж/0,0000000000001 Вт = 8640000000 секунд = 274 года.
Следовательно, чтобы создать одно жужжание продолжительностью в одну секунду, телефону нужно накопить E = 0,000864 Дж × 166,7 ≈ 0,144 Дж энергии. Для этого потребовалось бы t=0,144 Дж/0,0000000000001 Вт=1 440 000 000 000 секунд = 45 662 года.
−110 dBm (0,01 пВт): 317 000 лет, чтобы обеспечить одну секунду передачи Wi-Fi радиосигнала
Нагрев капли (0,05 мл) воды мощностью −110 dBm (0,01 пВт): 18,2 миллиарда дней до кипения и 407 миллионов лет до полного испарения.
Ваш Wi-Fi-роутер годами тихо стоит под столом или на полке, передавая фотографии, потоковое видео, загружая веб-страницы, и ничего видимого при этом не происходит, кроме мигания его светодиодов. Но на самом деле ежесекундно передается значительное количество радиочастотной энергии. Что было бы, если бы роутер использовал радиочастотную энергию для передачи радиосигнала?
Установим некоторые числа:
Мощность: −110 dBm = 0,01 пВт = 0,00000000000001 Вт
Энергия, производимая источником −110 dBm:
| Время |
Энергия |
| 1 секунда |
0,00000000000001 Дж |
| 1 минута |
0,0000000000006 Дж |
| 1 год |
0,000000000036 Дж |
| 24 года |
0,000000000864 Дж |
Бытовые Wi-Fi-передатчики ограничены законом по мощности радиочастотного сигнала, а типичной отправной точкой для точки доступа Wi-Fi является мощность передачи 100 мВт. Энергия, используемая передатчиком мощностью 100 мВт в течение одной секунды, составляет E = P × t = 0,1 Вт × 1 с = 0,1 Дж
Теперь нам нужно обеспечить энергетические потребности Wi-Fi-роутера очень слабым источником −110 dBm. Его мощность составляет всего 10 −14 Вт. Время, необходимое для накопления 0,1 Дж, составляет t=E/P=0,1 Дж/10 −14 Вт = 10 13 секунд = 317098 лет.
Другими словами, при нашем идеализированном предположении об отсутствии каких-либо потерь непрерывный радиосигнал −110 dBm потребовал бы примерно 317 000 лет, чтобы накопить такое же количество энергии, которое передатчик Wi-Fi мощностью 100 мВт отдает в свой радиосигнал всего за одну секунду.
−120 dBm (1 фВт): один триллион лет, чтобы накопить энергию, которую ваш автомобиль тратит на поездку длиной 11 км
Нагрев капли (0,05 мл) воды мощностью −120 dBm (0,001 пВт): 181,7 миллиарда дней до кипения и 4,07 миллиарда лет до полного испарения.
Литр бензина не выглядит чем-то особенно поразительным, когда просто стоит в канистре. Однако, если залить этот литр в типичный современный автомобиль, он даст автомобилю достаточно химической энергии, чтобы проехать примерно 11 километров.
Что произошло бы, если бы мы попытались накопить точно такое же количество энергии из радиосигнала −120 dBm?
Установим некоторые числа:
Мощность: −120 dBm = 1 фВт = 0,000000000000001 Вт
Выработанная энергия
| Время |
Энергия |
| 1 секунда |
0,000000000000001 Дж |
| 1 минута |
0,00000000000006 Дж |
| 1 год |
0,0000000000036 Дж |
| 24 года |
0,0000000000864 Дж |
Для бензина используем более низкую теплоту сгорания примерно 32 000 000 Дж на литр. Это химическая энергия, которая высвобождается при сгорании одного литра бензина, и только примерно 30% передается в механическое движение поршня. Добавим сюда дополнительные потери при передаче механической мощности на колеса. Но мы здесь значительно упрощаем ситуацию.
Итак, один литр бензина содержит примерно E=32 МДж=32 000 000 Дж. Современный легковой автомобиль со средней топливной экономичностью около 25,6 миль на галлон проезжает примерно 10,9 километра на одном литре бензина.
Теперь представим, что вместо того, чтобы залить один литр бензина в автомобиль, мы пытаемся накопить эти 32 миллиона джоулей от непрерывного источника –120 dBm. При нашем идеализированном предположении об идеальном захвате энергии и абсолютном отсутствии потерь необходимое время составляет t = E/P = 32 000 000 Дж / 0,000000000000001 Вт = 3,2 × 10 19 секунд ≈ 1,01 × 10 12 лет.
Это примерно 1 триллион лет, которые понадобились бы непрерывному радиосигналу -120 dBm, чтобы передать такое же количество энергии, какое типичный современный автомобиль тратит на поездку протяженностью 11 километров.
Как работали GSM-наклейки?
Вся эта статья показывала один достаточно неинтуитивный факт: сотовая связь работает с радиосигналами, которые несут очень малую мощность. Уровень мощности настолько мал, что его недостаточно для любого непосредственного видимого эффекта.
Но читатели могут помнить телефоны 2G GSM и очень популярные в свое время GSM-наклейки. Эти наклейки содержали только провод, выполняющий роль антенны, и светодиод. Никаких батареек или других источников энергии, однако во время звонка или передачи SMS они заметно мигали. Эти наклейки использовали реальную радиочастотную энергию, которую снабжал радиосигнал сотовой сети. И они могли мигать даже тогда, когда сигнал базовой станции, получавший телефон, был слаб. Итак, все ли аналогии в этой статье неправильны?
Можно быть уверенным, что вышеприведенные расчеты в dBm правильные (по крайней мере, насколько позволяет уровень знаний автора). Проблема в том, что люди обычно предполагают, что наклейки используют сигнал базовой станции. Однако сотовая связь работает в обе стороны: телефон также кричит радиочастотной энергией, пытаясь поговорить с базовой станцией. В этот момент мощность передачи может достигать 1 Вт, а поскольку наклейка приклеена максимально близко к антенне, она получает значительную часть этой мощности. Если переместить наклейку дальше антенны телефона, она начинает мигать значительно слабее, а если наклеить ее на противоположную антенну сторону телефона, она часто вообще не засвечивается.
Проще понять, почему наклейка работает, если представить, что телефон и базовая станция ведут очень короткий разговор:
- Базовая станция: «Эй, телефон, ты не спишь?»
- Телефон: Да. Слышу тебя громко и четко. ← маленькая наклейка мигает
- Базовая станция: Кто-то пытается тебе дозвониться, друг.
- Телефон: «Понял. Присылай звонок сюда.» ← маленькая наклейка мигает еще больше
- Базовая станция: [бип-бип-бип-бип-бип-бип-бип-бип-бип-бип-бип-бип-бип]
- Телефон: сигнализирует пользователю о входящем звонке
В зависимости от диапазона GSM, класса мощности телефона и состояния управления GSM-телефон мог передавать сигнал с мощностью примерно до 1–2 Вт. Для сравнения: 1 Вт = 30 dBm. Телефон может получать от базовой станции достаточно сильный сигнал –60 dBm = 1 нВт. Разница между +30 dBm и –60 dBm составляет 90 дБ. В пересчете на мощность это коэффициент 10 9 = 1 000 000 000. Сигнал, который наклейка получает от телефона, может быть в миллион раз сильнее сигнала от базовой станции.
Очевидно, что наклейка не собирает весь ватт сигнала, передаваемого GSM-телефоном. До антенны наклейки доходит только часть передаваемой телефоном радиочастотной энергии. Однако наклейка расположена чрезвычайно близко к источнику сигнала, поэтому даже эта часть может быть намного больше 1 нВт, что соответствует сигналу от удаленной сотовой базовой станции, поступающей в телефон.
Кроме того, в системе GSM телефон не передает непрерывный радиочастотный сигнал. GSM использует временные слоты, поэтому телефон передает короткие импульсы мощности. Во время этих импульсов мгновенная радиочастотная мощность может быть намного выше, чем значение, которое вы бы получили, просто вычислив среднюю мощность передачи за длительный промежуток времени. Антенна наклейки улавливает этот радиочастотный импульс, выпрямляет часть радиочастотной энергии в электрическую и использует ее для короткой вспышки своих светодиодов.
Почему существовали мерцающие наклейки только для 2G GSM, а наклейки для 3G, 4G и 5G не продаются?
Сегодня технология 2G GSM уже отключена в некоторых странах, а в других этот процесс продолжается. Из-за этого исчезли и GSM-наклейки. Но почему почти невозможно найти наклейки для 3G UMTS, 4G LTE и 5G?
GSM-наклейки существовали прежде всего из-за особенностей работы GSM-телефонов: они передавали сигнал короткими, относительно мощными импульсами, давая примитивному RF-сборщику энергии что-то очевидное для захвата.
Более современные 3G, 4G и 5G используют другие алгоритмы управления мощностью и протоколы передачи. В результате нет таких мощных, четко обособленных радиочастотных импульсов с достаточно длинными паузами, чтобы человеческий глаз мог воспринять вызванные ими вспышки светодиода. Современная наклейка, собирающая радиочастотную энергию, скорее давала бы слабое постоянное свечение. Это делает классические мерцающие наклейки без батарейки непрактичными как дешевую массовую игрушку.
