1.2. Передача сигналов на расстояние. Особенности распространения радиоволн и используемые в радиотехнике частоты

Итак, задачей радиотехники является передача сообщения о каком-либо событии на расстояние. Расстояние разделяет отправителя и адресата, датчик команд и исполнительное устройство, исследуемый процесс и измерительный механизм, источник космического радиоизлучения и регистрирующий прибор радиотелескопа, различные блоки ЭВМ - словом, источник и потребитель информации.

Расстояние, на которое передается сигнал, может быть очень незначительным (передача команд в счетной машине от одного блока к другому) или огромным (межконтинентальная или космическая связь). Передача сообщений осуществляется с помощью проводных, кабельных, волноводных линий или в свободном пространстве. Естественно, что для передачи сигналов целесообразно использовать те физические процессы, которые имеют свойство перемещаться в пространстве. К числу таких процессов относятся применяемые в радиотехнике электромагнитные колебания - радиоволны. Любой физический процесс, используемый в качестве агента (посредника, переносчика) для передачи информации, должен обладать свойством принимать всю совокупность состояний, по которым можно было бы однозначно установить соответствующее состояние объекта или процесса, являющегося источником информации.

Для этого радиоволны подвергают модуляции. Процесс модуляции заключается в том, что высокочастотное колебание, способное распространяться на большие расстояния, наделяется признаками, характеризующими полезное сообщение. Таким образом, это колебание используется как переносчик сообщения, подлежащего передаче. Для этого один или несколько параметров высокочастотного колебания изменяют по закону, совпадающему с законом изменения передаваемого сообщения. В зависимости от изменяемого параметра (амплитуды, частоты или фазы колебания) различают три основных вида модуляции - амплитудную, частотную и фазовую^*. Обратное преобразование электромагнитных колебаний в исходный сигнал, осуществляемое на приемной стороне, называется демодуляцией или детектированием (соответственно амплитудным, частотным и фазовым).

^* (Существуют также разнообразные методы импульсной модуляции, основанные на изменении параметров импульсной последовательности.)

Модуляция, как правило, не оказывает влияния на способность высокочастотных колебаний распространяться в пространстве. Однако выбор длины волны (или, как говорят, несущей частоты или рабочего диапазона) высокочастотного колебания является весьма существенным для обеспечения устойчивой и надежной связи. На выбор того или иного диапазона волн для каждой конкретной системы связи оказывают влияние следующие факторы.

1. Особенности распространения электромагнитных волн данного диапазона и влияние времени года, суток, состояния атмосферы, солнечной радиации и ряда других причин.

2. Технические возможности: направленное излучение, применение антенной системы соответствующих размеров, генерирование мощных колебаний и управление ими (модуляция), построение схемы приемного устройства и т. д.

3. Характер шумов и помех в данном диапазоне.

4. Характер сообщения, или, как говорят, "ширина спектра" модулирующих частот и желательный способ модуляции (амплитуды, частоты и т. д.).

Практически для использования оказываются пригодными те участки диапазона, в которых обеспечиваются благоприятные условия распространения радиоволн и в приемлемой степени удовлетворяются остальные перечисленные условия.

Для современной радиотехники характерно интенсивное изучение малоисследованных диапазонов волн и стремление к расширению диапазона используемых частот в сторону освоения как весьма низких, так и сверхвысоких частот, вплоть до световых волн. Последнее не должно казаться странным, так как радиоволны и световые волны имеют одинаковую природу (электромагнитные волны).

Подразделение радиоволн на диапазоны, вошедшее в практику, дано в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Примечание. Длина волны λ связана с периодом колебания Т или с частотой f = 1/T соотношением λ = сТ = c/f, где с = 3⋅10⁸ м/с - скорость распространения электромагнитных волн в вакууме.

Связь на мириаметровых и километровых волнах, применявшаяся на первом этапе развития радиотелеграфии, имеет два больших недостатка:

- необходимость большой мощности передатчика ввиду сильного поглощения поверхностной волны при ее распространении над земной поверхностью;

- невозможность передачи сложных сигналов из-за слишком большого отношения ширины спектра сигнала к несущей частоте.

Гектометровые волны получили широкое применение в радиовещании. Основным преимуществом связи на волнах длиннее 1000 м является устойчивость приема, недостатком - трудность обеспечения большой дальности действия ввиду значительного поглощения поверхностной волны. Поэтому на этих волнах осуществляется преимущественно местное радиовещание, рассчитанное на зоны с радиусом в несколько сотен километров. Лишь небольшое число сверхмощных гектометровых радиостанций обслуживает большие районы. В СССР, имеющем огромную территорию, существуют наиболее мощные в мире радиовещательные станции этого диапазона.

Главные преимущества декаметровых волн - возможность получения большой дальности действия при относительно малой мощности передатчика и возможность осуществления направленного излучения. Основным недостатком связи на этих волнах является колебание уровня принимаемого сигнала (замирание), часто сопровождающееся сильными искажениями передачи при сложной структуре сигнала, состоящего из большого числа составляющих с различными частотами. Условия интерференции, зависящие от частоты, могут оказаться неодинаковыми для различных составляющих спектра сигнала. Это явление, называемое избирательным (или селективным) замиранием, приводит к временным выпадениям из спектра сигнала отдельных составляющих или, наоборот, к усилению амплитуд этих составляющих. Таким образом, в точке приема нарушается правильное соотношение между отдельными спектральными компонентами сигнала, в результате чего искажаются его тембр и чистота. Так как явление избирательного замирания проявляется тем сильнее, чем шире спектр сигнала, то на коротких волнах осуществлять передачу таких сложных сигналов, как, например, телевизионные, практически невозможно.

Накопление большого экспериментального материала по распространению декаметровых волн позволило установить оптимальные длины волн для различных часов суток и времени года, что открыло путь к чрезвычайно широкому развитию коротковолнового радиовещания.

В настоящее время короткие волны исключительно широко применяются также для радиотелеграфии на магистральных линиях связи, в морской и авиационной радионавигации.

В результате освоения диапазонов метровых, ультракоротких волн (УКВ) появились новые области радиовещания - в частности телевизионное вещание. В диапазоне метровых волн удачно сочетаются два фактора. Применение очень высокой частоты излучения позволяет соответственно расширить полосу частот передаваемого сообщения, так как условия передачи и усиления сигналов в радиоаппаратуре определяются в основном относительной шириной спектра сигнала. Особенности же распространения метровых волн (в пределах прямой видимости) почти полностью исключают искажения сигнала из-за интерференции волн, распространяющихся по разным путям.

То обстоятельство, что на метровых волнах регулярный прием возможен только в пределах прямой видимости, является, конечно, существенным ограничением. Для увеличения дальности связи обычно применяют высокоподнятые антенны. Последние десятилетия характеризуются развитием так называемых радиорелейных линий, представляющих собой цепочку приемопередающих радиостанций метрового диапазона расположенных вдоль линии связи через несколько десятков километров. Подобные линии позволяют осуществлять многоканальную связь, а также обмен телевизионными программами между пунктами, удаленными на весьма значительное расстояние.

Все шире применяются на практике миллиметровые и более короткие волны.

Из приведенного краткого обзора видно,что развитие радиотехники характеризуется непрерывным расширением используемых волновых диапазонов.

Из курса физики известно, что эффективное излучение электромагнитной энергии можно осуществить лишь при условии, что геометрические размеры излучающей системы соизмеримы с длиной волны. В связи с этим применение мириаметровых волн затруднено. Напротив, использование световых волн позволяет получить малогабаритные излучатели с чрезвычайно высокой направленностью и огромной концентрацией энергии в луче. Так, например, луч, посланный с Земли, образует на поверхности Луны пятно диаметром всего лишь в несколько сотен метров. Однако применение световых волн для передачи сообщений связано с трудностями модуляции, приема, с влиянием погодных условий т. д.

За последнее время намечается ряд перспективных направлений в радиосвязи, которые, по-видимому, позволят избежать недостатков, связанных с особенностями распространения волн уже освоенных диапазонов. К числу этих направлений следует отнести использование метеорных следов (отражение от участков с повышенной ионизацией, образующихся при вхождении метеоров в верхние слои атмосферы), использование поверхности Луны в качестве пассивного отражателя радиоволн, ретрансляцию сигналов с помощью искусственных спутников Земли. Последнее направление является особо важным и перспективным для связи, радио- и телевизионного вещания. Можно предполагать, что подобные методы приведут к возможности осуществления связи, сочетающей в себе преимущества, присущие различным диапазонам.