В ИТ многое завязано на радиоволны и связь по воздуху: Wi-Fi, Bluetooth и сети 4G — всё это работает на радиоволнах. Но Wi-Fi раздаёт интернет на 10–20 метров, а вышка 4G — на несколько километров. Посмотрим, как это работает и от чего зависит дальность и качество связи.
Эта статья для тех, кому интересно, как физически устроена беспроводная передача данных. Здесь ничего нет про код и алгоритмы, поэтому, если нужно что-то по программированию, — почитайте наши проекты про вычисление логарифма или про слайдер с jQuery на странице.
Электромагнитное поле
Основа любой связи — радиоволны. Радиоволну можно представить как обычную волну на поверхности пруда, когда кидаешь в него камень. Разница в том, что волна распространяется не в воде, а в невидимом глазу электромагнитном поле.
Электромагнитное поле можно представить как океан, в который погружена Вселенная. Оно повсюду, мы его не замечаем, но как только мы начинаем трясти электронами, двигать магниты, светить лазерами и совершать любые другие манипуляции с энергией, эти манипуляции возбуждают электромагнитное поле. По нему начинают расходиться эти самые волны.
Особенности распространения радиоволн [ РадиолюбительTV 16]
Всё движение в электромагнитном поле происходит с фиксированной скоростью — почти 300 тысяч километров в секунду. Мы называем ее «скоростью света», но на самом деле это скорость передачи любых взаимодействий в полях, и свет ей тоже подчиняется.
Любая волна — следствие того, что полю сообщили энергию. Условно говоря, если мы бросаем в озеро камень, мы «сообщаем» озеру кинетическую энергию этого камня. Эта энергия начинает распределяться во все стороны, толкая ближайшие молекулы воды. Эти молекулы толкают соседей, те — соседей. Так получается волна.
Похожим образом учёные представляют электромагнитное поле. Сообщил ему дополнительную энергию, и она пошла возмущать поле во всех направлениях, передавая себя со скоростью света. По дороге наша энергия встречается с другими энергиями — например, энергией стен, антенн, решёток, гор и т. д. По мере столкновения с такими препятствиями энергия угасает.
Длина и частота волны
У каждой волны есть три важные характеристики: длина волны, частота и амплитуда. От них зависит качество связи и дальность приёма сигнала:
Сейчас нас больше всего интересует длина волны — это расстояние между двумя соседними гребнями. От длины волны зависит то, на какое расстояние она может передать сигнал и как волна реагирует на препятствия — огибает их, отражается или поглощается и дальше не идёт.
Например, если волна очень длинная, она может проникать через большие земляные и водяные массы, огибать горы и в целом плевать на любые препятствия. Но зато у неё будет низкая частота, то есть данных можно передать мало. А если волна сверхкороткая, то её может задержать любое, даже незначительное препятствие. Зато короткими волнами можно передавать очень много данных очень быстро.
SDR приемник который ловит все 24-1700MHz RTL2832U + R820T2
В зависимости от длины волны делятся на разные категории. Вот картинка, чтобы было проще понять, о чём мы будем говорить.
Сверхдлинные волны — дальняя и подводная связь
Длина одной сверхдлинной волны от 10 до 100 километров. Такая большая длина получается из-за очень низкой частоты: от 3 до 40 килогерц. Благодаря своей длине эти волны могут отражаться от ионосферы — это верхний слой атмосферы, который облучается космическими лучами. Так эти волны распространяются по всей Земле
А ещё они хорошо проникают в воду, поэтому связь с подлодками обычно происходит именно на этих частотах.
Длинные волны — телевидение и навигация
Длинные волны живут на частоте 150—500 килогерц. Их длина — от 600 метров до 2 километров. Эти волны могут огибать простые препятствия (например, горы), но проникающая способность у них небольшая, поэтому в помещении поймать ничего не получится — нужна улица и длинная антенна.
Длинные волны используют для телевещания, связи с объектами на большой площади и радионавигации. Кстати, старые большие телевизионные антенны на крышах ловили как раз длинные волны.
Средние и короткие волны — международная и местная связь
У средних и коротких волн с длиной волны от 500 до 10 метров похожая физика распространения — они хорошо отражаются от ионосферы, огибают Землю и не требуют для этого передатчиков большой мощности. Этим пользуются радиолюбители, чтобы пообщаться друг с другом с разных концов света без интернета. Частота таких волн — от 500 килогерц до 30 мегагерц.
А ещё коротковолновую связь можно иногда увидеть на машинах: если стоит длинная трёхметровая антенна, то это значит, что внутри будет коротковолновая рация для связи на частоте 27 мегагерц. Это разрешённая для использования частота, доступная без лицензии.
Метровые волны — местная связь, радио и телевидение
Сюда относятся волны с частотой от 30 до 300 мегагерц и с длиной волны от 1 до 10 метров. На этих волнах работают радиостанции (FM-диапазон тоже сюда входит), принимаются телесигналы и можно установить связь на расстояние до 2000 километров. Огибать большие препятствия эти волны не могут (но могут отражаться), а всё, что меньше 10 метров в ширину или длину, они пройдут без проблем.
Сейчас на «двухметровом» диапазоне работает связь у городских служб — МЧС, скорая и других служб быстрого реагирования. А всё потому, что на этих частотах можно установить надёжную голосовую связь даже в условиях плотной застройки.
Дециметровые волны — вайфай, блютус и мобильная связь
Самый популярный диапазон в IT — от 300 мегагерц до 3 гигагерц. Сюда попадает вайфай, блютус, протоколы умного дома, охранные брелки и прочие подобные вещи, включая микроволновки. Все современные стандарты мобильной связи тоже попадают в этот диапазон, поэтому иногда связь пропадает, на первый взгляд, просто так, а на самом деле ей может мешать работающая рядом микроволновка.
Чем выше частота, тем большую плотность передачи сигнала можно в ней закодировать, поэтому операторы сотовой связи взяли себе самые высокие из доступных частот. По этой же причине вайфай использует эти же частоты — чтобы передавать данные по воздуху как можно быстрее. О том, как устроено кодирование сигнала в зависимости от частоты, мы расскажем в следующей статье.
Сантиметровые волны — 5G и связь со спутниками
Если поднять частоту ещё выше, от 3 до 50 гигагерц, то получим уже сантиметровые волны. Они легко проникают через ионосферу, поэтому на этих частотах работает спутниковая связь и управление в космосе. При этом из-за размера они слабо проникают сквозь препятствия, но могут отражаться от них, чтобы достичь нужной точки.
А ещё на этих частотах планируется развернуть скоростную часть связи 5G, чтобы получить скорость интернета 10 гигабит в секунду и скачать любой фильм за пару секунд.
Важно: все компьютерные беспроводные дела — это одно и то же радио
Блютус, вайфай, все сотовые стандарты, NFC и другие беспроводные протоколы — это всё радио. Это всё возмущения в одном и том же электромагнитном поле — только с разной частотой, скоростью и способами кодирования. Прямо сейчас, когда вы это читаете, вы сидите в центре огромного электромагнитного шторма от всех электромагнитных излучателей вокруг вас.
Если вы сейчас достанете антенну и послушаете это излучение, вы услышите всё, что происходит в «эфире» электромагнитного поля. Другое дело, что вы не сможете это дешифровать, но это детали. Представьте, что мы все сидим в одном озере и пускаем волны по его поверхности. Вот в этом хаосе волн и приходится работать всем нашим роутерам и мобильникам.
И ещё пикантная деталь: все наши радиоволны, которые прошли сквозь ионосферу и улетели в космос, продолжают бесконечный полёт по электромагнитному полю со скоростью 300 тысяч км/с, лишь изредка сталкиваясь с пылью и шальными звёздами. Если где-то на другом конце галактики инопланетяне тоже изобретут радио, с большой вероятностью они поймают наши сигналы (когда эти сигналы долетят).
Что дальше
Теперь у нас достаточно знаний, чтобы разобраться в двух вещах — как всё-таки кодируются данные, которые передаются по радиосвязи, и почему связь 5G даст такой огромный прирост скорости и возможностей.
Источник: thecode.media
Формула дальности приема цифрового ТВ
Существует ли формула для определения дальности приема сигналов цифрового Телевидения? Существует! И сейчас Наш эксперт Станислав Боуш расскажет об этом:
Сигналы цифрового ТВ — это радиоволны диапазона УКВ, а конкретно 470-850 МГц (это не тот УКВ диапазон, где передаются радиопередачи старого советского УКВ вещания 66-74 МГц, хотя названия и одинаковы, так уж выбрали термины).
Из Википедии следует, что ультракороткие волны УКВ могут иметь длину от 10 м до 0,1 мм — это соответствует частотам от 30 МГц до 3000 ГГц. То есть волны и УКВ вещания 66-74 МГц, и цифрового ТВ 470-850 МГц входят в этот диапазон. Ну а путаница в терминах в физике на каждом шагу.
Есть ряд простых и понятных каждому законов, от которых зависит дальность приема электромагнитных волн. Но есть и не вполне очевидные.
1. Чем дальше Ваш телевизор от ТВ передатчика или ретранслятора, тем меньше сигнала доходит до приемной антенны.
2. Чем выше установлен радиопередатчик, тем больше зона охвата вокруг ретранслятора.
3. Чем выше установлена приемная антенна, тем лучше прием. То же самое что в п.2, но наоборот — тем в больший радиус приема могут попасть передающие станции.
В связи с тем, что поверхность Земли шарообразна (радиус 6370 км), а электромагнитные волны распространяются по прямой, на практике используется удобная приблизительная формула для определения максимальной дальности, соответствующей прямой видимости, вот такая:
Здесь D — максимальная дальность прямой видимости
H1 и H2 высоты, на которых расположены антенны
Это, так сказать, формула в идеальных условиях. Зона уверенного приема определяется именно расстоянием прямой видимости от передающей антенны до приемной. Рисунок ниже иллюстрирует суть формулы:
Для сигналов цифрового ТВ 470-850 МГц обычно считают, что сигналы распространяются по прямой, а эффекты дифракционного огибания препятствий малозаметны. Также незначительны и редки (хотя и встречаются) эффекты отражений от ионосферы (сверхдальнее прохождение сигналов).
Существуют и ограничения, которые формулами не описываются
1. Рельеф местности уменьшает радиус приема, появляются мертвые зоны «в тени» гор и холмов.
2. Сигнал по пути от антенны к телевизору сильно затухает в кабеле.
3. Да в общем все подряд на практике уменьшает радиус приема. Дождь, снег, активное солнце — все в минус.
Вот, собственно и все! С вами был канал antenna.ru и я, эксперт Станислав Боуш!
Подписывайтесь, лайкайте, мы работаем для Вас! Купить правильные ТВ цифровые антенны можно ЗДЕСЬ, на сайте antenna.ru
Источник: dzen.ru
Особенности распространения радиоволн, используемых для наземного телевизионного вешания
В настоящее время для телевизионного вещания используются метровый и дециметровый диапазоны волн электромагнитных колебаний, которые иногда с целью удобства обозначения называются ультракороткими волнами или УКВ. По частоте данные диапазоны электромагнитных колебаний классифицируются как очень высокие (ОВЧ) и ультравысокис частоты (УВЧ).
По особенностям распространения ультракоротких радиоволн различаются четыре основные зоны электромагнитного поля, находящиеся на различных расстояниях от передающей антенны: ближняя, дифракционного, тропосферного и ионосферного полей. Величина и характер изменения напряженности поля этих зон различны, так как обусловлены различными физическими процессами.
Ближняя зона непосредственно прилегает к УКВ радиопередатчику и простирается в пределах нескольких км от него. В ближней зоне происходит интерференция прямого и отраженного от Земли лучей. Характерной особенностью структуры ее электромагнитного поля является большая неравномерность напряженности поля в виде периодически чередующихся максимумов и минимумов, убывающих по амплитуде с ростом расстояния от радиопередатчика (рис. 6.2). В точках, где разность фаз радиоволн, распространяющихся по различным направлениям (лучам) кратна четному числу л, напряженность поля будет максимальной, а в точках, где разность фаз кратна нечетному числу л — минимальной. Местонахождение максимумов и минимумов напряженности поля (гтах,Гт1П) можно определить по следующим формулам [58]:
где ))1, /12 — высота соответственно передающей и приемной антенн; Шн = 1, 2, 3, . — ряд целых чисел; А — длина волны электромагнитного излучения. На расстояниях Г >4/11/12/А. фазовые сдвиги прямых и отраженных волн становятся много меньше 2л. В этом случае изменение разности хода лучей настолько мало, что колебания напряженности поля за счет интерференционных явлений практически нс наблюдаются. Напряженность поля начинает равномерно убывать, что характеризует уже зону дифракционного поля.
Рис. 6.2. График изменения напряженности элекгромагнитного поля в ближней зоне
Рис. 6.3. Изменение напряженности электромагнитного поля в дифракционной зоне:
1 — внутри города; 2 — за городом
Неравномерность ноля в ближней зоне может быть уменьшена применением специальных схем питания и фазирования излучающих диполей передающей антенны. При этом несколько снизится коэффициент усиления передающей антенны. Причем полностью ликвидировать неравномерность напряженности поля, особенно в непосредственной близости от передающей антенны, нс удается.
Поэтому в городах телевизионные радиопередатчики целесообразно размещать на окраинах или за чертой города, чтобы ближняя зона с неравномерным распределением напряженности поля приходилась на малонаселенные районы. В больших городах создается дополнительная неоднородность напряженности электромагнитного поля за счет поглощения энергии поля различными препятствиями, например, зданиями. Причем поглощение энергии, а следовательно, и неоднородность напряженности поля увеличиваются с повышением частоты излучаемых электромагнитных колебаний. Для примера следует указать, что при одинаковом расстоянии от телевизионного радиопередатчика среднее значение напряженности электромагнитного поля в городе ниже среднего значения напряженности за городом примерно в два раза (рис. 6.3).
Внутри больших зданий напряженность электромагнитного поля резко изменяется в зависимости от номера этажа. Например, на самых верхних этажах зданий вносится дополнительное ослабление напряженности поля примерно на 3 дБ по сравнению е нижними этажами за счет экранирующего действия крыши. Поэтому в больших городах для обеспечения высококачественного приема телевизионных передач следует использовать наружные приемные антенны достаточно большой высоты.
Зона дифракционного поля начинается непосредственно за ближней зоной и простирается до радиогоризонта, то сеть находится в пределах прямой видимости между приемной и передающей антеннами. Радиус действия телевизионного радиопередатчика Го е учетом влияния атмосферной рефракции может быть определен из следующего выражения:
Величина напряженности электромагнитного поля Е в зоне дифракционного поля оценивается известной интерференционной формулой Б.А. Введенского
где Р — излучаемая мощность на выходе радиопередатчика, кВт; D — коэффициент усиления передающей антенны (для турникетной антенны D примерно равен числу ее этажей).
Из интерференционной формулы следует, что напряженность поля убывает пропорционально квадрату расстояния от радиопередатчика (ем. рис. 6.3). Также достаточно быстрое падение напряженности поля объясняется тем, что в точку приема отраженный от Земли луч приходит в противофазе е прямым лучом, так как при отражении фаза волны меняется на 180°, и ослабляет поле.
При этом с ростом расстояния разность хода лучей уменьшается и соответственно затухание поля вдоль земной поверхности увеличивается. За радиогоризонтом, в зоне глубокой тени, напряженность электромагнитного поля от телевизионного радиопередатчика резко снижается.
Это обусловлено тем, что радиоволны метрового и дециметрового диапазонов распространяются прямолинейно и не обладают свойством огибания земной поверхности. Такое же резкое снижение напряженности поля наблюдается и в зонах теней за естественными возвышенностями или искусственными препятствиями.
Поэтому для увеличения радиуса действия телевизионного радиопередатчика необходимо строить высокие антенные мачты. Например, передающая антенна Телевизионного технического центра в Останкино, установленная на башне высотой 533 м (вместе с антеннами), обеспечивает уверенный прием телевизионных программ в радиусе 160. 170 км. Увеличение мощности телевизионного радиопередатчика, повышение коэффициента усиления передающей антенны и применение остронаправленных приемных антенн нс приводит к заметному увеличению дальности действия телевизионного радиопередатчика, а только повышает напряженность поля в зоне прямой видимости.
Зона тропосферного поля лежит на расстоянии примерно 150. 600 км от передающей телевизионной станции. Ее наличие обусловлено диффузным отражением радиоволн от неоднородностей нижних слоев тропосферы (на высоте 13. 15 км от поверхности Земли), в которых диэлектрическая проницаемость отличается от среднего значения диэлектрической проницаемости окружающей тропосферы.
Из-за диффузного отражения радиоволн в точку приема попадает незначительная часть излучаемой энергии, следовательно, напряженность ноля в этой зоне очень мала. Уровень напряженности поля в тропосферном поле зависит от метеорологических условий, климатических особенностей местности, а также от времени года и суток.
Из-за малой величины напряженности зона тропосферного поля нс может использоваться для приема телевизионных программ типовыми телевизорами. Однако оно достаточно для создания существенных помех приему радиосигналов другой телевизионной станции и должно учитываться при планировании передающей телевизионной сети.
Между дифракционным и тропосферным полями существует переходная зона фединга, в которой напряженности дифракционного и тропосферного полей соизмеримы. Зона фединга располагается на расстоянии 70. 100 км от телевизионного радиопередатчика. Вследствие интерференции напряженность результирующего ноля в этой зоне подвержена большим замираниям. Поэтому зона фединга практически также непригодна для устойчивого приема телевизионных радиосигналов.
Распространение ультракоротких радиоволн в зоне ионосферного поля происходит за счет рассеяния и отражения радиоволн от неоднородностей в нижней части ионосферы (на высоте 70. 90 км). Причем дальность распространения радиоволн за счет ионосферного отражения достигает 10 тыс.км.
Ионосферному распространению практически подвержены радиоволны длинноволновой части метрового диапазона, так как напряженность поля резко падает с увеличением частоты излучаемых радиоволн. Напряженность поля в ионосферной зоне очень нестабильна и в общем случае недостаточна для приема радиосигналов на типовые телевизионные антенны и телевизоры, а поэтому считается мешающей по отношению к другим телевизионным станциям. Случаи дальнего ионосферного распространения ультракоротких радиоволн крайне редки и нс учитываются при планировании телевизионной передающей сети.
При передаче радиосигнала цифрового телевидения от передатчика к приемнику в зависимости от условий местности в большинстве случаев могут образовываться три типа каналов распространения радиоволн: канал Гаусса, канал Райса и канал Релея. Гауссова модель (канал без отражений с равномерным «белым» шумом) соответствует идеальным условиям распространения радиоволн: отраженных сигналов нс существует, в радиоканале присутствует только тепловой шум.
Данный канал характерен для передачи сигнала в пределах прямой видимости при приеме на наружную антенну. Модель Райса (радиоканал с отражениями, но с преобладанием прямого сигнала). Фактически канал Райса — это канал Гаусса плюс наличие отраженных сигналов от статичных объектов (наличие гор, холмов, деревьев и различных строений), что характерно для городской застройки при приеме на наружную антенну. Модель Релея — это канал Райса плюс наличие отраженных сигналов от подвижных объектов, что характерно в общем случае для приема в городе на комнатную антенну или на антенну мобильного устройства.
Аналоговое телевидение работает хорошо только в том случае, если между передатчиком и приемником реализуется канал Гаусса, то есть, нет отраженных сигналов. Цифровые телевизионные системы будут качественно работать при любом типе радиоканала.
Источник: ozlib.com