Структура радиоканала передачи данных.

Физические основы радиосвязи.

Электромагнитные волны – переменное электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью. Источником электромагнитных волн в действительности может быть любой электрический колебательный контур или проводник, по которому течет переменный электрический ток, та как для возбуждения электромагнитных волн необходимо создать в пространстве переменное электрическое поле или соответственно переменное магнитное поле. Однако излучающая способность источника определяется его формой, размерами и частотой колебаний. Чтобы излучение играло заметную роль, необходимо увеличить объем пространства, в котором переменное электромагнитное поле создается.

Как показано на рис., информация передается в виде электромагнитных сиг­налов. Электромагнитный сигнал изменяется во времени, но этот сигнал можно представить в виде функции от частоты, иными словами: электромагнитный сиг­нал состоит из компонентов с различными частотами.

Рис. 1. Передача информации.

Если электромагнитные сигналы рассматривать как функцию времени, то их можно разделить на аналоговые и цифровые.

Величина аналогового сигнала плавно меняется со временем. Например, непрерывно меняющаяся электромагнитная волна. Может распространяться в различных средах.

Уровень цифрового, или дискретного, сигнала поддерживается постоянным в течение определенного времени, затем цифровой сигнал скачком меняется на постоянную величину. Дискретный сигнал, например последовательность импульсов напряжения.

Аналоговый сигнал может применяться для представления речи, а цифровой – для представления двоичных нулей и единиц.

Все разнообразие используемых в технике и бы­ту систем связи, в основном радиосвязи, можно све­сти к трем видам, отличающимся способами переда­чи сигнала от передатчика к приемнику. На рис. в упрощенной форме представлены эти системы свя­зи.

В первом случае используется ненаправленная радиосвязь от передатчика к приемнику, типичная для широкого вещания радио и телевидения. Такой способ радиосвязи имеет то преимущество, что поз­воляет охватить практически неограниченное чис­ло абонентов — потребителей информации. Недо­статками такого способа являются неэкономное использование мощности передатчикам мешающее влияние на другие аналогичные радиосистемы. В тех случаях, когда число абонентов ограничено и нет необходимости в широковещании, использует­ся передача сигнала с помощью направленно излу­чающих антенн, а также при помощи специальных устройств, называемых линиями передачи сигнала (ЛПС) или, короче, линиями передачи (рис. 1).

В широковещательной связи обычно использу­ется однонаправленная передача сигнала от радио­станции к потребителю, при направленной же свя­зи, как правило, применяется двусторонняя связь, то есть на каждом конце системы связи имеются и передатчик и приемник (приемопередатчик— ПП). При направленной связи не нужны передатчики большой мощности, и их можно установить на обоих концах системы. При направленной магистральной связи на дальние расстояния через пространство и в линиях передачи используются так называемые ретрансляторы (Р), которые ставятся вдоль трассы (рис. 1). Они усиливают сигнал, очищают его от по­мех и передают (ретранслируют) дальше.

Линии передачи применяются как в виде магис­тральных линий, так и в качестве локальных (мест­ных) линий, например для связи передатчика или приемниках с антенной, а также в местных распределительных сетях.

Прежде чем рассматривать различные линии передачи, необходимо пояснить термин " сигнал". Под сигналом понимается физический процесс, не­сущий информацию (сообщение). Носителем сиг­нала в радиотехнических цепях является электриче­ский ток, а в пространстве и линиях передачи — электромагнитная волна. Напряженность электри­ческого поля в волне можно записать в виде:

E=Acos(k(z-vt)

где А — амплитуда волны, k — 2п/К — волновое чис­ло, А. — длина волны, z — координата, вдоль которой распространяется волна, например вдоль линии пе­редачи, t — время, v.— скорость распространения волны).

Для электромагнитной волны в свободном пространстве v = с, где с 300000 км/с — скорость света. В линии передачи скоростью может отличаться от с. Частота волнового колебания f, измеряемая в герцах (1 Гц равен одному колебанию в секунду), связана с длиной волны соотношением /=c/λ или /= с/λ при v = с.

Принцип радиосвязи заключается в следующем. Переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне вызывает в окружающем пространстве электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны. Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на котором работает передатчик.

Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Кстати свет также относится к электромагнитным волнам, что и определяет их весьма схожие свойства (отражение, преломление, затухание и т.п.).

Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.

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.

Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах (Гц) – единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц – это одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) – миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны. Длина волны (в метрах) рассчитывается по формуле:

	или примерно
где f – частота электромагнитного излучения в МГц.

Из формулы видно, что, например, частоте 1 МГц соответствует длина волны ок. 300 м. С увеличением частоты длина волны уменьшается, с уменьшением – догадайтесь сами.

В дальнейшем мы убедимся, что знание длины волны очень важно при выборе антенны для радиосистемы, так как от нее напрямую зависит длина антенны.

Электромагнитные волны свободно проходят через воздух или космическое пространство (вакуум). Но если на пути волны встречается металлический провод, антенна или любое другое проводящее тело, то они отдают ему свою энергию, вызывая тем самым в этом проводнике переменный электрический ток. Но не вся энергия волны поглощается проводником, часть ее отражается от поверхности. Кстати, на этом основано применение электромагнитных волн в радиолокации.

Еще одним полезным свойством электромагнитных волн (впрочем, как и всяких других волн) является их способность огибать тела на своем пути. Но это возможно лишь в том случае, когда размеры тела меньше, чем длина волны, или сравнимы с ней. Например, чтобы обнаружить самолет, длина радиоволны локатора должна быть меньше его геометрических размеров (менее 10 м). Если же тело больше, чем длина волны, оно может отразить ее. Но может и не отразить – вспомните американский самолет-невидимку «Stealth».

Энергия, которую несут электромагнитные волны, зависит от мощности генератора (излучателя) и расстояния до него. По научному это звучит так: поток энергии, приходящийся на единицу площади, прямо пропорционален мощности излучения и обратно пропорционален квадрату расстояния до излучателя. Это значит, что дальность связи зависит от мощности передатчика, но в гораздо большей степени от расстояния до него.

Например, поток энергии электромагнитного излучения Солнца на поверхность Земли достигает 1 киловатта на квадратный метр, а поток энергии средневолновой вещательной радиостанции – всего тысячные и даже миллионные доли ватта на квадратный метр.