Как распространяются радиоволны

Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны.

Земля для радиоволн представляет проводник электричества (хотя и не очень хороший). Проходя над поверхностью земли, радиоволны постепенно ослабевают. Это связано с тем, что электромагнитные волны возбуждают в поверхности земли электротоки, на что и тратится часть энергии. Т.е. энергия поглощается землей, причем тем больше, чем короче длина волна (выше частота).

Кроме того, энергия волны ослабевает еще и потому, что излучение распространяется во все стороны пространства и, следовательно, чем дальше от передатчика находится приемник, тем меньшее количество энергии приходится на единицу площади и тем меньше ее попадает в антенну.

Передачи длинноволновых вещательных станций можно принимать на расстоянии до нескольких тысяч километров, причем уровень сигнала уменьшается плавно, без скачков. Средневолновые станции слышны в пределах тысячи километров. Что же касается коротких волн, то их энергия резко убывает по мере удаления от передатчика. Этим объясняется тот факт, что на заре развития радио для связи в основном применялись волны от 1 до 30 км. Волны короче 100 метров вообще считались непригодными для дальней связи.

Однако дальнейшие исследования коротких и ультракоротких волн показали, что они быстро затухают, когда идут у поверхности Земли. При направлении излучения вверх, короткие волны возвращаются обратно.

Еще в 1902 английский математик Оливер Хевисайд (Oliver Heaviside) и американский инженер-электрик Артур Эдвин Кеннелли (Arthur Edwin Kennelly) практически одновременно предсказали, что над Землей существует ионизированный слой воздуха – естественное зеркало, отражающее электромагнитные волны. Этот слой был назван ионосферой.

Ионосфера Земли должна была позволить увеличить дальность распространения радиоволн на расстояния, превышающие прямую видимость. Экспериментально это предположение было доказано в 1923. Радиочастотные импульсы передавались вертикально вверх и принимались вернувшиеся сигналы. Измерения времени между посылкой и приемом импульсов позволили определить высоту и количество слоев отражения.

Распространение длинных и коротких волн [2].

Отразившись от ионосферы, короткие волны возвращаются к Земле, оставив под собой сотни километров «мертвой зоны». Пропутешествовав к ионосфере и обратно, волна не «успокаивается», а отражается от поверхности Земли и вновь устремляется к ионосфере, где опять отражается и т. д. Так, многократно отражаясь, радиоволна может несколько раз обогнуть земной шар.

Установлено, что высота отражения зависит в первую очередь от длины волны. Чем короче волна, тем на большей высоте происходит ее отражение и, следовательно, больше «мертвая зона». Эта зависимость верна лишь для коротковолновой части спектра (примерно до 25–30 МГц). Для более коротких волн ионосфера прозрачна. Волны пронизывают ее насквозь и уходят в космическое пространство.

Из рисунка видно, что отражение зависит не только от частоты, но и от времени суток. Это связано с тем, что ионосфера ионизируется солнечным излучением и с наступлением темноты постепенно теряет свою отражательную способность. Степень ионизации также зависит от солнечной активности, которая меняется в течение года и из года в год по семилетнему циклу.

Отражательные слои ионосферы и распространение коротких волн
в зависимости от частоты и времени суток [1].

Распространение коротких и ультракоротких волн [2].

Радиоволны УКВ диапазона по свойствам в большей степени напоминают световые лучи. Они практически не отражаются от ионосферы, очень незначительно огибают земную поверхность и распространяются в пределах прямой видимости. Поэтому дальность действия ультракоротких волн невелика. Но в этом есть определенное преимущество для радиосвязи. Поскольку в диапазоне УКВ волны распространяются в пределах прямой видимости, то можно располагать радиостанции на расстоянии 150–200 км друг от друга без взаимного влияния. А это позволяет многократно использовать одну и ту же частоту соседним станциям.

Свойства радиоволн диапазонов ДЦВ и 800 МГц еще более близки к световым лучам и потому обладают еще одним интересным и важным свойством. Вспомним, как устроен фонарик. Свет от лампочки, расположенной в фокусе рефлектора, собирается в узкий пучок лучей, который можно послать в любом направлении. Примерно то же самое можно проделать и с высокочастотными радиоволнами. Можно их собирать зеркалами-антеннами и посылать узкими пучками. Для низкочастотных волн такую антенну построить невозможно, так как слишком велики были бы ее размеры (диаметр зеркала должен быть намного больше, чем длина волны).

Возможность направленного излучения волн позволяет повысить эффективность системы связи. Связано это с тем, что узкий луч обеспечивает меньшее рассеивание энергии в побочных направлениях, что позволяет применять менее мощные передатчики для достижения заданной дальности связи. Направленное излучение создает меньше помех другим системам связи, находящихся не в створе луча.

При приеме радиоволн также могут использоваться достоинства направленного излучения. Например, многие знакомы с параболическими спутниковыми антеннами, фокусирующими излучение спутникового передатчика в точку, где установлен приемный датчик. Применение направленных приемных антенн в радиоастрономии позволило сделать множество фундаментальных научных открытий. Возможность фокусирования высокочастотных радиоволн обеспечила их широкое применение в радиолокации, радиорелейной связи, спутниковом вещании, беспроводной передаче данных и т.п.

Параболические направленные антенны [1].

Необходимо отметить, что с уменьшением длины волны возрастает их затухание и поглощение в атмосфере. В частности на распространение волн короче 1 см начинают влиять такие явления как туман, дождь, облака, которые могут стать серьезной помехой, сильно ограничивающей дальность связи.

Мы выяснили, что волны радиодиапазона обладают различными свойствами распространения, и каждый участок этого диапазона применяется там, где лучше всего могут быть использованы его преимущества.

15. Аналоговый и цифровой сигналы

Ответ:

Аналоговый сигнал характеризуется непрерывным изменением своих параметров. Голос является аналоговым сигналом, поскольку голосовые колебания могут иметь различную амплитуду в любой точке звукового диапазона. Звук также является аналоговым сигналом, поскольку может изменяться в широком диапазоне. Электронное оборудование типа передающих и принимающих устройств использует аналоговые цепи для обеспечения непрерывного изменения параметров. Аналоговое электронное оборудование было распространено до появления компьютеров.

Рассмотрим электрический свет, яркость которого регулируется с помощью реостата. Движение ручки реостата для установления необходимой яркости света является аналоговой операцией, причем яркость изменяется плавно. В системе нет каких-либо дискретных состояний, так что можно легко регулировать яркость, прибавляя или убавляя ее.

Напротив, цифровой сигнал подразумевает дискретность значений параметров системы, проявляющуюся, например, в высвечивании значений времени на электронных часах. В цифровыхсистемах вся информация существует в виде набора импульсов.

В электронных коммуникациях фундаментальной является возможность преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал и наоборот.

В основе любой цифровой системы лежит понятие бита. Бит является основной единицей цифровой информации, принимающей одно из двух значений: 1 или 0.

Существует много способов представления бита. В электронике достаточно часто необходимо описывать факт наличия или отсутствия напряжения. При цифровом представлении наличие напряжения соответствует единице, а его отсутствие - нулю. Значение одного бита 1 или 0 может представлять только два состояния системы — «включено» или «выключено». Например, состояние лампы может быть представлено 0, если она выключена, и 1 во включенном состоянии:

Выключена 0

Включена 1

Чем больше битов используется в одном блоке, тем больше его информационная емкость. В вычислительной технике обычно применяют блоки из 8 битов (либо с числами, кратными 8, такими как 16 или 32).

Восьмибитовый блок называется байтом. В одном байте можно с запасом хранить цифровую информацию обо всех буквах алфавита, числах и других символах печатной машинки или клавиатуры компьютера. Использование 8 битов допускает 256 различных вариантов перестановок из 1 и 0. Число различных перестановок в цепочке длиной в n бит равно 2ⁿ. Например, 16 бит дают 65536 комбинаций. При добавлении одного бита число возможных комбинаций удваивается.

Т

Рисунок 2.3. Последовательность импульсов различной длины.

В действительности изменение амплитуды импульса не происходит мгновенно, а как показано на рис. 2.3. Электронные системы имеют конечное время срабатывания. Требуется определенное время для того, чтобы значение напряжения или мощности сигнала перевести из состояния включено в состояние выключено, либо осуществить переключение между максимальным (высокое) и минимальным (низкое) значениями. Имеется также ограничение на длительность импульса. Даже в компьютерных системах, допускающих переключение от тысячи до миллионов импульсов в секунду, требуется одна миллионная или одна миллиардная доля секунды на процесс переключения.

При решении инженерных задач, связанных с цифровыми системами, необходимо учитывать форму импульса. Рисунок 2.4 показывает различные характеристики импульса.

Т

Рисунок 2.4. Форма импульса.

Амплитуда характеризует высоту импульса и уровень энергии в импульсе. Величина энергии может определяться напряжением в цифровых системах.

Время нарастания - время, втечение которого импульс увеличивается от 10% до 90% уровня максимальной амплитуды.

Время спада, противоположное времени нарастания, соответствует интервалу уменьшения амплитуды от 90% до 10%. Время нарастания и спада t в ряде случаев может различаться.

Ширина импульса Dt соответствует временному интервалу, в течение которого амплитуда импульса превосходит уровень в 50% от максимальной амплитуды.

Длительность бита (период) - временной интервал (Т), приходящийся на один импульс. Большинство цифровых систем используют импульсы определенной длительности или специальные тактирующие импульсы. Импульс может существовать в течение заложенной в системе длительности бита. Например, представим последовательность из пяти 0. Как узнать, что это не четыре или, скажем, шесть 0? По системным часам определяется время, в течение которого ничего не происходит, и по его длительности можно судить о прохождении именно пяти бит, а не четырех или шести.

Системные часы (таймеры) генерируют импульсы постоянной длительности (тактовые импульсы) для определения длительности информационного бита. Каждый период (длительность) бита определяется одним или несколькими длительностями тактирующих импульсов. Тактирующие импульсы напоминают колебания метронома: в обоих случаях необходимо провести определенную операцию за заданный интервал времени (извлечь из музыкального инструмента ноту или распознать электрический импульс в электронном устройстве).

Цифровой импульс имеет строго заданную форму. Приемное устройство знает, как выглядят импульсы, ему достаточно получить информацию о числе импульсов и порядкеих следования. Таким образом, приемное устройство может исправлять искажения цифрового сигнала, правильно восстанавливая его первоначальную форму.