Podstawy łączności radiowej

Radio- środek masowego przekazu, rozpowszechnia audycje adresowane do różnorodnego i nieograniczonego kręgu radiosłuchaczy, odbierane przez odbiorniki radiowe. Pierwsza publiczna audycja radiowa została nadana VII 1914 w Belgii. W czasie I wojny światowej korzystano z radia w celach wojskowych. Od 1919 nadawano program radiowy z Hagi, od 1920 nadawano regularne programy informacyjne w USA i Kanadzie.

Dzięki radiu możemy słyszeć kogoś, kto mówi do mikrofonu oddalony o setki, a nawet tysiące kilometrów. Sam dźwięk nie może rozchodzić się tak daleko. Nie mniej to właśnie dźwięki modelują fale radiowe rozchodzące się z nadajnika. Oprócz audycji dźwiękowych, fale radiowe są również wykorzystywane do wielu innych rodzajów komunikowania się. Policja, straż pożarna, taksówki, karetki pogotowia używają radiostacji do porozumiewania się między sobą. Telefony komórkowe łączą się przez radio z główna siecią radiową. Statki i samoloty korzystając niego w celach łączności i nawigacji.

Słońce i inne gwiazdy wysyłają w przestrzeń kosmiczną fale radiowe. Mogą je odbierać ogromne anteny zwane radioteleskopami. Astronomowie wykorzystują radioteleskopy w badaniach odległych galaktyk.

Co to są fale radiowe? Fale radiowe, a właściwie fale elektromagnetyczne, są wspólnym rozchodzeniem się od źródła oscylujących pól elektrycznego i magnetycznego. Wspólnym, ponieważ oscylacje obu pól są ze sobą ściśle związane; maksimum pola elektrycznego odpowiada minimum pola magnetycznego i vice Persa. Fale elektromagnetyczne są nośnikiem energii elektrycznej.

Rozchodzenie się fal radiowych.

Wspólną cechą wszystkich systemów telekomunikacyjnych jest przekazywanie informacji przez ośrodek propagacji fal radiowych: atmosferę, wodę, wnętrze Ziemi, czy, uczciwszy uszy, drut. Przetwarzanie informacji na sygnały, transmisja sygnałów, a także ich odbiór i odtwarzanie zależą od układu i konstrukcji urządzeń przeznaczonych do tych celów; natomiast warunki propagacji fal radiowych są zależne od wielu czynników nie dających się regulować. Zakres częstotliwości wykorzystywany w systemach radiokomunikacyjnych jest bardzo szeroki i rozciąga się od częstotliwości rzędu kilku kiloherców aż do zakresu światła widzialnego. Zgodnie z Regulaminem Radiokomunikacyjnym ITU stosuje się obecnie dekadowy podział widma fal radiowych na zakresy.

Konsekwencją bardzo dużego zakresu użytecznych częstotliwości radiowych jest znaczne zróżnicowanie ich właściwości. Dekadowy podział częstotliwości jest dogodny, lecz zupełnie formalny, ponieważ nie wynika z naturalnych właściwości fal różnych zakresów. Do rozpatrywania właściwości propagacyjnych fal radiowych bardziej przydatny jest podział tradycyjny.

Zasadniczo fale radiowe odbijają się od jonosfery. Wiry i wiatry jonosferyczne, związane z oddziaływaniem mas Słońca i Księżyca, powodują dodatkowo rozproszenie fal. Do tego częstym zjawiskiem są odbicia fal od zjonizowanych śladów przejścia meteorów (czasem sięgających w dół do stratosfery).

Przejście fal elektromagnetycznych przez jonosferę jest uzależnione od długości fal i kątach padania na powierzchnię jonosfery. Pasma, w których jest możliwa łączność z obiektami w przestrzeni kosmicznej nazywa się oknami radiowymi.

Rozchodzenie się fal długich i bardzo długich.

Fale długie obejmują zakres częstotliwości od 15 do 100 kHz (20 000...3000 m). Falami bardzo długimi przyjęto nazywać fale dłuższe od 20 km.
Fale długie, wskutek bardzo małego tłumienia w gruncie, który dla tego zakresu zachowuje się praktycznie jak przewodnik, oraz dużej dyfrakcji, rozchodzą się w postaci fali powierzchniowej na dość duże odległości. Jednakże już w odległości 1000 - 2000 km od nadajnika natężenie pola fali jonosferycznej przewyższa natężenie pola fali powierzchniowej. Dlatego też w dalekosiężnej komunikacji na falach długich wykorzystuje się falę jonosferyczną.

Rozchodzenie się fal średnich.

Fale średnie obejmują zakres częstotliwości od 100 kHz do 1,5 MHz, ze względu na szerokie zastosowanie w radiofonii nazywany dawniej pasmem radiofonicznym. O zasięgu na falach średnich w dzień decyduje fala powierzchniowa. Dzieje się tak, ponieważ warstwa D jonosfery nie odbija fal średnich, lecz je tłumi. Fale przedostają się do jonosfery i są odbijane przez warstwę E, ale tłumienie, a właściwie absorpcja, ich w warstwie D jest tak duża, że falę jonosferyczną można pominąć. Zjawisko to dotyczy szczególnie fali o długości 200 m. Z zapadnięciem zmroku warstwa D zanika, wskutek czego w ciągu nocy o zasięgu fal średnich decyduje fala jonosferyczna. Wtedy silne radiostacje średniofalowe są słyszalne na odległość powyżej 3000 km. Ale żeby ludziom nie było za dobrze, z powodu pewnej zmienności warunków propagacji fal jonosferycznych i ich interferencji z falą przyziemną, przed świtem występuje efekt nocny, objawiający się błędami radionamierzania mogącymi dochodzić do 90 stopni.

W nocy na falach średnich zdarza się czasem tzw. "efekt luksemburski", nazwany tak od miejsca, gdzie został zaobserwowany po raz pierwszy. Na skutek tak zwanych zjawisk nieliniowych w jonosferze jedna fala przejmuje modulację innej, w rezultacie, czego jej modulacja staje się mieszanką obu, niekiedy z przewagą tej przechwyconej.

Rozchodzenie się fal pośrednich.

Falami pośrednimi nazywamy podzakres fal hektometrowych obejmujący częstotliwości od 1,5 do 3 MHz. Właściwości propagacyjne fal pośrednich mają charakter przejściowy pomiędzy typowymi właściwościami fal średnich a właściwościami fal krótkich. O przewadze jednych lub drugich właściwości decyduje częstotliwość, aktualny stan jonosfery i rodzaj terenu. Ze względu na silne tłumienie fali powierzchniowej na terenach lądowych, fale pośrednie są używane raczej do radiokomunikacji i radionawigacji morskiej. W lotnictwie fale pośrednie wykorzystuje się w hiperbolicznych systemach radionawigacyjnych dalekiego zasięgu, używanych głównie na trasach transoceanicznych (Loran).

Rozchodzenie się fal krótkich.

Fale krótkie obejmują zakres częstotliwości od 3 do 30 MHz. Ze względu na krzywiznę Ziemi i tłumienie tego zakresu fal przez powierzchnię terenu zasięg fali powierzchniowej w zakresie fal krótkich jest niewielki: od kilkudziesięciu kilometrów od nadajnika (fale rzędu 100 m) do kilku kilometrów (fale rzędu 10 m). Jednakże fale krótkie mogą się odbić (raz lub wielokrotnie) od jonosfery i od Ziemi, umożliwiając na fali jonosferycznej łączność o zasięgu ogólnoświatowym. Tę uprzejmość fale krótkie nadrabiają iście bizantyjskim skomplikowaniem praw rządzących ich propagacją Zjawisko echa występuje najczęściej, gdy nadajnik i odbiornik znajdują się w strefie zmiany pory doby (w strefie półmroku). Droga obu sygnałów przebiega wtedy wzdłuż strefy półmroku. Dla radiokomunikacji fonicznej zjawisko echa jest dość szkodliwe, ponieważ wielokrotne echa mogą znacznie obniżyć jakość sygnału. Prawdziwy kłopot jest z transmisją danych cyfrowych.

Rozchodzenie się fal ultrakrótkich i mikrofal.

Fale ultrakrótkie i mikrofale obejmują częstotliwości powyżej 30 MHz. Wyróżnia się cztery podzakresy:
- fale metrowe 30 - 300 MHz (10m - 1 m),
- fale decymetrowe 300 - 3000 MHz (1 m - 10 cm),
- fale centymetrowe 3 - 30 GHz (10 cm - 1 cm),
- fale milimetrowe 30 - 300 GHz (10 mm - 1 mm).

W części pasma mikrofalowego od 1 do 40 GHz funkcjonuje jeszcze podział na tak zwane pasma radarowe.
Fale ultrakrótkie rozchodzą się w zasadzie prostoliniowo, podobnie jak światło widzialne. Podlegają one odbiciu od obiektów o dużej gęstości, oraz rozpraszaniu i tłumieniu w atmosferze i innych ośrodkach.

Nadajniki radiowe.Zadaniem nadajnika jest emisja informacji w postaci fal elektromagnetycznych wysokiej częstotliwości. Informację zwykle podaje się nadajnikowi po uprzedniej zamianie z postaci oryginalnej na sygnały elektryczne. Sama informacja boże być bardzo różnorodna: począwszy od dźwięków (głos, muzyka, telegrafowanie "Morsem") i obrazów (telewizja, telefaks), do sygnałów radionawigacyjnych i zdalnego sterowania pracą urządzeń.

Ściślej rzecz ujmując, na zadanie nadajnika składa się wytworzenie radiowej fali nośnej, zakodowanie w niej informacji użytecznej oraz wzmocnienie do poziomu mocy, zapewniającego wymagany zasięg. Do wyjścia nadajnika podłączona jest antena nadawcza

Fala nośna jest wytwarzana w generatorze wielkiej częstotliwości. Jest to częstotliwość, którą emituje nadajnik, zatem jakość generatora wielkiej częstotliwości (pospolicie zwanego generatorem w.cz.) jest dość istotna dla parametrów całego łącza radiowego. Częstotliwość generatora powinna być możliwie niezmienna w czasie.

Przy niewielkich wymaganiach jakościowych i częstotliwości do kilkuset kiloherców stosuje się generatory z obwodem LC - równolegle połączonymi cewką i kondensatorem. Pojemność kondensatora i indukcyjność cewki decydują o częstotliwości. Generatory LC występują także w radiolokacji, gdzie operuje się częstotliwościami rzędu gigaherców, ale przy tych wartościach i impulsowej technice pracy nadajniki radarów mają bardzo specyficzną konstrukcję.

Generatory w.cz. o przyzwoitszych parametrach są zwykle stabilizowane rezonatorem kwarcowym. Pojedynczy rezonator może stabilizować tylko jedną częstotliwość, dla której został wykonany.
W nadajnikach przestrajanych stosuje się dwa rozwiązania. Jedno, prostsze, polega na zastoswaniu przełączanych rezonatorów - jeden rezonator na jeden kanał łączności. Taka konstrukcja jest prosta i tania, ale opłacalna tylko dla niewielkiej liczby kanałów - z reguły do dwunastu.

Kiedy potrzeba nadajnika przestrajalnego w całym paśmie, obejmującym wiele kanałów radiowych, stosuje się syntezę częstotliwości. Polega ona na otrzymywaniu potrzebnej częstotliwości metodą mieszania ("zdudniania") przebiegów wytwarzanych przez dwa lub więcej generatory kwarcowe. Generator w.cz. z syntezą składa się z kilkunastu "minigeneratorów" kwarcowych i elektronicznego bloku sterowania (obecnie prawie zawsze cyfrowego). Kiedy przestrajamy taki nadajnik (pokrętłem lub klawiaturą numeryczną) układ sterowania włącza odpowiednie generatory i filtry, produkujące razem żądaną częstotliwość.

Oczywiście synteza nie działa płynnie - stopniowanie częstotliwości dobiera się zależnie od przyjętego odstępu międzykanałowego. Dla lotniczej łączności radiowej w paśmie 118 - 136.975 MHz odstęp między sąsiednimi kanałami wynosi 25 albo 8.33 kHz.

Kolejny blok funkcjonalny nadajnika, modulator, służy do nałożenia na falę nośną sygnału użytecznego. Cały proces nazywa się - za prawidłowe odpowiedzi nie będzie nagród - modulacją. Konstrukcje modulatorów zależą od typu modulacji, zastosowanego w łączności. Istnieją trzy podstawowe rodzaje modulacji: amplitudowa, kątowa i impulsowa. Wewnątrz każdej z nich wyróżnia się całe mrowie rozmaitych emisji.

Na rysunku blokowym nadajnika narysowałem amplitudową modulację fali nośnej, powszechnie znaną jako AM (Amplitude Modulation). Sygnał modulujący jest zakodowany jako obrys (fachowo: obwiednia) fali nośnej na wyjściu. Modulacja amplitudowa jest podatna na zniekształcenia i nie nadaje się do przesyłania sygnałów o dużej dynamice (na przykład muzyki). Przyczyną jest niewielka różnica między najwyższą a najniższą amplitudą zmodulowanej fali (czyli głębokość modulacji), którą można utrzymać bez obcinania "czubków" fali. Za to modulacja ta jest niezrównana jeśli chodzi zasięg, prostotę i niezawodność. Największy zasięg uzyskuje się przy telegrafii, gdzie występują tylko dwa poziomy amplitudy: wysoki (element znaku, czyli kropka lub kreska) i niski, czyli przerwa.
Najbardziej znaną emisją kątową jest modulacja częstotliwości (FM - Frequency Modulation). Przy FM obwiednia fali nośnej jest równa, a informacja jest zakodowana w postaci zmian częstotliwości sygnału wyjściowego. Zmienia się ona o wartość częstotliwości sygnału modulującego. Zakres tych zmian nazywa się dewiacją częstotliwości.

FM dobrze nadaje się do połączeń o wysokiej jakości na krótkich dystansach. Dobra jest też do łączności przewodowej (modemy i faksy). Za to odstępy między kanałami muszą być większe niż przy modulacji amplitudowej. Modulacja częstotliwości szwankuje także przy łączności lotniczej - w wielu sytuacjach efekt Dopplera dodaje swoje trzy grosze do dewiacji, a wtedy zniekształcenia uniemożliwiają odbiór.

Dynamicznie rozwijająca się modulacja impulsowa polega na kodowaniu informacji w postaci odległości (czyli czasu) między kolejnymi impulsami. Na przykład dla radaru informacją użyteczną jest istnienie i odległość przeszkody na drodze fal radiowych, która wpływa na czas powrotu impulsu do anteny.

Modulacja impulsowa wymaga skomplikowanego sprzętu, ale za to jest dobra do wszystkiego. Dźwięk i inne sygnały analogowe przesyła się w postaci próbek, pobranych dostatecznie gęsto aby odzwierciedlały przebieg pierwotny z potrzebną dokładnością. Dla muzyki wystarcza 60000 próbek na sekundę. Wartości próbek, czyli chwilowe napięcie sygnału modulującego, są wysyłane jako liczba dwójkowa, wyrażona właśnie miejscem impulsów w szeregu. Taką konkretną odmianę modulacji impulsowej nazywa się modulacją impulsowo - kodową (PCM - Pulse Code Modulation).
Najciekawszą jej cechą jest możliwość wysyłania wielu sygnałów jednocześnie przez jedno łącze - kanał radiowy lub przewód. Robi się to przeplatając według określonego wzorca próbki należące do wielu sygnałów modulujących. Po stronie odbiorczej wystarczy je rozplątać według tego samego porządku: pierwsze - synalek ciągnie coś z internetu, drugie - teściowa mówi cioci że jestem alkoholik, trzecie - żona gada z przyjaciółką, znowu synalek z internetem, teściowa, i tak ad mortem defecatum... Szczęście, że robi to maszyna.

Częstotliwość fali nośnej miesza się (interferuje) z częstotliwością sygnału modulującego, tworząc dwie wstęgi boczne: dolna przez odejmowanie, górna przez dodawanie częstotliwości. Szerokość tych wstęg zależy od zmian częstotliwości modulującej - fala nośna jest przecież stała. In węższe pasmo sygnału modulującego, tym węższe wstęgi boczne. Maksymalna i minimalna wartość częstotliwości wstęg bocznych wyznaczają potrzebną szerokość kanału radiowego

Najczęściej wysyła się "w eter" falę nośną w towarzystwie obu wstęg bocznych. Emisję dwuwstęgową stosuje radiofonia i telewizja publiczna, a także łączność lotnicza i morska. Do fali nośnej z obydwoma wstęgami łatwiej się dostroić: w miarę posuwania się po skali odbiornika poziom odbioru rośnie w miarę zbliżania się do częstotliwości nadajnika, potem odrobinkę opada, potem znów wzrasta, aby ostatecznie "odjechać w siną dal". Właśnie w tym dołku między maksymami odbiór jest najlepszy - środek pasma przenoszenia odbiornika pokrywa się dokładnie z częstotliwością fali nośnej.

Niektóre rodzaje emisji wykorzystują tylko jedną wstęgę boczną - drugą się wycina zaraz za modulatorem. Pozwala to zmieścić więcej kanałów radiowych w przydzielonym zakresie, dlatego z emisji jednowstęgowych (SSB - Single Side Band) korzystają rozmaite sieci łączności i radioamatorzy. Odmianą tej techniki jest emisja dwuwstęgowa z niezależnymi wstęgami bocznymi - każda niesie inną informację.

Z wyjścia modulatora sygnał wielkiej częstotliwości trafia do wzmacniacza mocy. Jego zadaniem jest wzmocnienie fali nośnej na tyle, żeby uzyskać potrzebny zasięg łączności.
Większości wzmacniaczy mocy wielkiej częstotliwości modulacja i rodzaj emitowanego sygnału są całkowicie obojętne. Konstrukcja i technologia wzmacniaczy zależy od zakresu częstotliwości pracy i mocy którą mają osiągać. Moc wyjściowa nadajników z kolei zależy od ich zastosowania: od paru dziesięciu miliwatów w przypadku taniego radiotelefonu, poprzez kilka kilowatów dla stacji radiofonicznej, po moce rzędu megawatów dla stacji radiolokacyjnych.

Moc wyjściowa nadajników radiostacji lotniczych waha się od 5 do 250 watów.

Energia wielkiej częstotliwości jest wypromieniowywana przez antenę nadawczą. Z punktu widzenia fizyki antena jest po prostu odcinkiem przewodu o wymiarach porównywalnych z długością fali nośnej. Nie wdając się w dokładniejsze rozważania, można poprzestać na stwierdzeniu że antena jest najlepiej dopasowana do częstotliwości pracy gdy jej długość równa się długości fali. Ponieważ jednak warunek ten jest trudny do spełnienia (dla fal długich długość fali mierzy się w kilometrach), w praktyce stosuje się anteny półfalowe i ćwierćfalowe. Anteny dla radiostacji przestrajalnych konstruuje się dla środkowych częstotliwości ich zakresu pracy.

Bardzo ważną własnością naten jest ich charakterystyka kierunkowa, czyli relatywna moc promieniowana w określonym kierunku. Antena promieniująca jednakową moc we wszystkich kierunkach nazywa się izotropową. Jej przstrzenna charakterystyka promieniowania jest kulą. Jeżeli w sposób zamierzony antena promieniuje więcej energii w pewnych kierunkach mamy do czynienia z anteną kierunkową.

Dla lotniczej łączności radiowej bardzo pożądana jest charakterystyka dookolna, zatem anteny dla radiostacji korespondencyjnych konstruuje się tak, aby były zbliżone do izotropowych. Niestety idealna antena izotropowa istnieje tylko w teorii.

Anteny nadawcze i odbiorcze podlegają tym samym regułom fizycznym. Różnice konstrukcyjne między nimi wynikają z miejsca ich umieszczenia i zasady działania konkretnego urządzenia, posługującego się łącznością radiową. Szczególnie widoczne jest to w przypadku lotniczych systemów nawigacyjnych i łączności. W systemach opartych na radionamierzaniu mamy do czynienia ze współpracą urządzeń o charakterystyce dookolnej z urządzeniami działającymi kierunkowo. Radiolokacja wykorzystuje głównie anteny kierunkowe.