Виды модуляции при дальней связи на УКВ
Дальняя радиосвязь на УКВ перестает быть редкостью. Сейчас уже достаточно большое число радиолюбителей регулярно проводит связи, используя "аврору", отражение от следов метеоров, различного рода ретрансляторы и т. п. Поэтому постановка вопроса о выборе наиболее эффективного вида модуляции при дальней связи на УКВ представляется вполне современной.
Основным фактором, определяющим возможность установления связи, является отношение сигнал/шум на выходе приемника. Связь возможна лишь в том случае, если это отношение достаточно для разборчивого приема сигналов. Наиболее выгоден с этой точки зрения слуховой прием телеграфных сигналов, возможный уже при отношениях 0,5-1 (от — 6 до 0 дБ). К тому же он допускает сужение полосы приемника до 0,5-1 кГц, несколько улучшающее разборчивость. Дальнейшее сужение нецелесообразно в силу свойств человеческого слуха: на фоне узкополосного шума труднее разбирать сигнал. Например, при полосе 100 Гц требуемое отношение сигнал/шум уже повышается до 2-3 (6-10дБ).
Для удовлетворительного приема речи отношение сигнал/шум должно быть выше, чем при приеме телеграфных сигналов. На рис. 1 приведен график зависимости разборчивости R речевого сигнала (в процентах и условных баллах шкалы RS) от отношения сигнал/шум на выходе приемника. Из графика видно, что для разборчивости 50% сигналов (удовлетворительный прием) требуемое отношение равно трем (10 дБ). По этому, если сравнить телеграф и получившую широкое распространение однополосную модуляцию, то окажется, что при равной мощности передатчиков дальность связи телеграфом будет выше. И наоборот, при одинаковой дальности связи требуемая мощность SSB передатчика окажется в 10-40 раз (на 10-16 дБ) выше. Однако SSB можно приблизить по эффективности к телеграфу, если применить сжатие динамического диапазона речевых сигналов, дающее выигрыш до 10 раз по мощности.
Телеграфные и SSB приемники (со смесительными детекторами) отличает от приемников, рассчитанных на другие виды модуляции, характерная особенность — в их трактах ПЧ и на выходах совпадают отношения сигнал/шум, так как здесь фактически происходит не детектирование, а линейная операция преобразования частоты. При всех остальных видах модуляции имеется пороговое отношение сигнал/шум, при работе ниже которого в детекторе приемника сигнал подавляется шумом. Это видно из графиков рис. 2, на которых показаны зависимости, связывающие отношения сигнал/шум на входе и выходе детектора для разных видов модуляции. По горизонтальной оси отложено отношение пиковой мощности сигнала к мощности шума о полосе 3 кГц на входе.
Предполагается, что для AM и узкополосной ЧМ с индексом m=1 (девиация ±3 кГц) полоса ПЧ тракта приемника равна 6 кГц, а для широкополосной ЧМ с m=5 (девиация ±15 кГц) — 30 кГц. Порог (перегиб на графике) для AM и узкополосной ЧМ наблюдается при отношении сигнал/шум на входе детектора 5-7 дБ, для широкополосной ЧМ — значительно раньше. Поэтому, если сравнить AM, узкополосную и широкополосную ЧМ, можно заключить, что узкополосная ЧМ обеспечивает существенно лучшее отношение сигнал/шум на выходе приемника, а следовательно, и большую дальность связи. При работе с такой ЧМ выше порога достигается даже несколько лучшее отношение по сравнению с телеграфом и SSB.
Поскольку этот вид модуляции пока относительно мало распространен среди радиолюбителей, на нем стоит остановиться подробнее. ЧМ передатчик конструктивно проще SSB передатчика, не требует для модуляции (как при AM) больших мощностей речевого сигнала. Его выходная мощность постоянна и равна пиковой, поэтому сконструировать и наладить такой передатчик (особенно транзисторный) значительно проще. Перекрестные и импульсные помехи сказываются здесь значительно меньше. чем при AM, поскольку детектор не реагирует на изменения амплитуды сигнала. ЧМ передатчики создают меньше помех, в частности, помех телевидению.
Если в модуляторе ЧМ передатчика обеспечить равномерный подъем высоких частот (примерно 6 дБ на октаву), а в усилителе НЧ приемника наоборот, ослабить высокие частоты, выигрыш от коррекции (при работе выше порога) может достигать 10 дБ. Сжатие динамического диапазона так же эффективно, как и при других видах модуляции — оно увеличивает среднюю девиацию частоты и предотвращает перемодуляцию.
Следует отметить, однако, что все перечисленные достоинства проявляются только при использовании специального частотного детектора (дискриминатора с ограничителем или детектора отношении) в приемнике. Если же детектор реагирует на амплитудную модуляцию, то узкополосная ЧМ примерно эквивалентна AM.
Как передать любительский радиосигнал на большое расстояние?
На какое самое большое расстояние можно передать любительский радиосигнал?
Какие радиоволны использовать и какое оборудование?
Существуют ли ретрансляторы для дальней передачи радиосигнала, которыми может воспользоваться любой желающий радиолюбитель?
Ходят слухи, что азбукой Морзе можно передать сигнал дальше, чем голосовой, это верно?
В настоящее время очень модно во всем мире радиолюбителями применять очень маленькую мощность: т.н. QRP. Одни любители строят для этого разные маломощные маяки, которые работают в автономном режиме и непрерывно вещают в эфир. Другие радиолюбители эксплуатируют приемники и программы для приема этих сигналов от таких маломощных маяков. Из принятых текстов программы вычленяют позывные и размещают на карте ресурсов в интернете точку приема и точку передачи принятого сигнала. Самым популярным ресурсом мониторинга радиолюбительской связи по расстоянию является ресурс pskreporter.info
Походите по этому сайту и сможете сами представить: на каких диапазонах, какими модами(видами) и на какие расстояния могут работать радиолюбители!
Дальний прием на УКВ
Дальний прием — это прием за пределами прямой видимости. Отдельные случаи, когда радиосвязь на УКВ осуществлялась на расстояниях, значительно превышающих расстояние прямой видимости, были известны еще в начале 30-годов. Благодаря последующему развитию радиотехники (появлению мощных передатчиков и высокочувствительных приемников), такие факты стали более часты
В результате многочисленных исследований во многих странах было установлено, что условия дальнего приема УКВ неодинаковы и обусловлены различными механизмами распространения. В области «полутени», т е. на расстояниях примерно 20 .30 км за границей прямой видимости, прием сигналов происходит за счет дифракции радиоволн вокруг Земли. При дальнем распространении сигналов на расстояниях примерно 150 — 1000 км, основную роль играет тропосфера. Сверхдальнее распространение, на расстояниях свыше 1000 км, вызвано переизлучением радиоволн более высокими ионизированными слоями атмосферы.
Характерный признак дальних сигналов — это наличие медленных и быстрых замираний. Уже на границе прямой видимости можно заметить, что напряжение сигнала плавно изменяется от часа к часу, ото дня ко дню, в зависимости от метеорологических условий — это медленные замирания. К медленным замираниям относят и сезонные колебания сигнала.
Под быстрыми замираниями обычно понимают колебания уровня сигнала, период которых меньше часа По мере удаления точки приема из зоны прямой видимости в зону тени, глубина медленных замираний возрастает и остается примерно постоянной (±20 дБ) Это приводит к тому, что прием за горизонтом становится неуверенным или, иначе, нерегулярным.
В зоне полутени с соответствующей приемной техникой иногда еще удается принимать сигнал с пониженным качеством. Что касается больших расстояний, то прием здесь бывает только случайным (в короткие периоды). Прохождение сигналов наступает вследствие случайного возникновения в атмосфере особо благоприятных условий. Когда они исчезают, напряжение сигнала падает в тысячи и более раз. Восстановить прежний уровень сигнала какими-либо техническими усовершенствованиями практически невозможно. Применение эффективных высокоподнятых антенн и высокочувствительного приемного устройства позволяет несколько продлить время приема, но не дает гарантии получить нормальный регулярный прием.
Прием вблизи границы прямой видимости
Характер зависимости напряженности поля от расстояния при переходе через границу прямой видимости заметно меняется. Как при гладкой, так и негладкой земной поверхности при переходе через границу зависимость напряженности поля от частоты меняет свой знак. До границы большая напряженность поля будет на более короткой волне, за границей — на более длинной волне. На расстоянии всего нескольких километров от границы напряженность поля резко уменьшается. В тени гладкой земной поверхности убывание напряженности поля происходит резче, чем за каким-либо отдельным холмом, ограничивающим прямую видимость.
Поляризация радиоволн также оказывает влияние на уровень сигнала, Если распространение происходит над ровной земной поверхностью или над морем, вертикальная поляризация обусловливает большую напряженность поля по сравнению с горизонтальной поляризацией. При распространении радиоволн над местностью, покрытой хвойными лесами, картина может быть обратной, поскольку деревья имеют способность сильнее рассеивать вертикально поляризованные волны.
Изменение уровня сигнала во времени (замирания) объясняется изменением рефракции радиоволн. При повышенной рефракции антенна может оказаться в пределах прямой видимости и напряженность поля возрастет. При отрицательной рефракции наблюдается обратная картина — точка приема фактически удаляется от границы прямой видимости и напряженность поля уменьшается. Возрастание напряженности поля сигнала наблюдается, как правило, при антициклоне, т. е. при высоком атмосферном давлении. Как зимой, так и летом антициклонам часто сопутствует ясная безоблачная погода без осадков и ветра. В районе антициклона происходит оседание (сжатие) воздушных масс, что приводит к их нагреванию и образованию температурной инверсии, когда температура с высотой не уменьшается, как обычно, а возрастает. При этом наибольшие уровни сигналов наблюдаются в течение всего периода хорошей погоды, но они часто неустойчивы. С наступлением пасмурных, особенно дождливых дней, напряженность поля сигнала уменьшается в несколько раз, но становится стабильной.
Высота подъема антенны играет большую роль при приеме в зоне полутени. Увеличение высоты подвеса антенны — сравнительно простой способ обеспечить прием. Можно считать, что напряженность поля возрастает во столько раз, во сколько раз увеличивается высота подвеса антенны. При очень большой высоте, при которой антенна находится в области прямой видимости, эта закономерность нарушается. Над гладкой земной поверхностью антенна может попасть в интерференционный минимум или максимум.
Маловероятно, что подъем антенны даст желаемый результат, если при высоте антенны 10 м сигнал полностью отсутствует. Антенну имеет смысл поднимать только тогда, когда уровень сигнала недостаточен.
Для установки антенн наиболее благоприятны возвышенные точки местности с открытым передним планом.
Тропосферное распространение сигналов
Основная причина дальнего распространения УКВ на расстояния 150…1000 км — переизлучение радиоволн на неоднородностях тропосферы. Идеализируя в действительности гораздо более сложную структуру, можно представить неоднородности тропосферы как «изолированные» объемы воздуха. В неоднородностях содержится более теплый или более влажный воздух, поэтому по диэлектрической проницаемости они отличаются от окружающего воздуха. Неоднородности образуются как следствие неравномерного нагревания земной поверхности. Восходящие и нисходящие потоки воздуха под действием ветра разбиваются на вихри (объемы) самых различных размеров. Средний размер неоднородностей составляет 30….50 м.
Под действием сил тяжести неоднородности часто принимают вид слоя. Так, инверсия температуры на некоторой высоте представляет собой слоистую неоднородность. Температурная инверсия образуется обычно после захода Солнца, когда земная поверхность и прилегающий к ней воздух охлаждается. Температура же лежащих выше слоев может оказаться на несколько градусов больше. Толщина слоистых неоднородностей достигает нескольких сот метров, а протяженность по горизонтали — нескольких километров. Яркий пример видимых неоднородностей — обычные облака. Но и невидимые неоднородности иногда можно увидеть, если они находятся на небольшой высоте и стоит безветренная погода. Например, вертикальный столб дыма от заводских труб, наталкиваясь на слоистую неоднородность, растекается под ней горизонтально.
Под действием излучения, создаваемого передающей антенной, каждая неоднородность превращается во вторичный излучатель, вызывая рассеяние или отражение радиоволн. В переизлучении участвуют только те неоднородности, которые попадают в объем, образуемый пересечением диаграмм направленности передающей и приемной антенн. Рассеяние радиоволн создают в основном мелкомасштабные неоднородности, зеркальное отражение — слоистые неоднородности. Часто оба эти механизма действуют одновременно. Независимо от того, какой из них продолжительней, в область тени переизлучается очень маленькая доля излученной энергии. Значительная доля энергии проходит через толщу атмосферы, теряясь в космическом пространстве.
Дальнее распространение УКВ над морем возникает иногда вследствие сверхрефракции. В некоторых случаях перепад диэлектрической проницаемости воздуха оказывается больше, чем при обычном состоянии. Волны при таком сильном перепаде преломляются к поверхности Земли, отражаются от нее, снова преломляются и т. д. Это называется сверхрефракцией или распространением в условиях образования «атмосферного волновода». Верхняя граница волновода расположена на высоте точек поворота волн, а нижней границей является морская поверхность. Волновод может быть и приподнятым. В этом случае волна распространяется как бы в «трубе». Волноводные условия распространения возникают главным образом над теплыми морями. Возможности появления волноводного распространения над сушей гораздо меньше, так как при этом сильно оказывается влияние рельефа местности, нарушающего однородность строения тропосферы, в горизонтальном направлении. Возникновение волноводного распространения, как и слоев, связано с хорошей, ясной и устойчивой погодой. При холодной, ветреной, дождливой и облачной погоде нижние слои воздуха хорошо перемешаны и условия распространения обычно являются нормальными. Волноводное распространение чаще всего наблюдается в диапазоне дециметровых волн. Это явление в технике практически не используется из-за малой вероятности его появления.
Замирания сигнала — основной признак дальнего тропосферного распространения. В точке приема всегда, с той или иной длительностью, наблюдаются замирания сигнала. Быстрые замирания сигнала (в пределах часа) обусловлены интерференционным взаимодействием волн, создаваемых отдельными неоднородностями, совершающими движение и изменяющимися по своим размерам. Медленные, в течение нескольких часов и суток,— связаны с образованием и разрушением слоев, с изменением условий рефракции. В ночные и вечерние часы уровень сигнала и длительность замираний больше, чем в дневные часы. В ночные и вечерние часы уровень сигнала возрастает из-за отражения от слоистых неоднородностей и повышения рефракции. Днем Солнце нагревает земную поверхность, и восходящие потоки воздуха разрушают слоистые образования. В пасмурные дни суточные колебания уровня сигнала стираются; абсолютное значение уровня сигнала падает, но стабильно держится на низком уровне. Уровень принимаемого сигнала при тропосферном распространении изменяется не только в течение суток, но и в течение года. Наибольшие сигналы зарегистрированы в летние месяцы. Летом средняя напряженность поля выше в 2—3 раза, чем зимой.
Условия для приема при дальнем тропосферном распространении возникают только в некоторые периоды, продолжительность которых меняется в широких пределах — от нескольких минут до нескольких дней. Такие периоды связаны с аномальным (необычным) распространением сигнала. В обычных условиях происходит рассеяние радиоволн на неоднородностях воздуха и поэтому наблюдаются слабые сигналы. Аномальное распространение возникает при отражении волн от слоев с резким перепадом коэффициента преломления и при атмосферных волноводах. При отражении радиоволн от слоя атмосферы дальность распространения зависит от его высоты. Чем выше находится слой, тем на большее расстояние отражаются от него радиоволны. Например, от слоя, расположенного на высоте 1 км, волны отражаются в точку, удаленную от места передачи на 300 км. Мощные слои в тропосфере редко появляются на высотах выше 3…4 км, поэтому распространение сигналов практически не наблюдается на расстояниях свыше 400…600 км.
Влияние высоты передающей антенны на уровень сигнала на больших расстояниях невелико. То же самое можно сказать о приемной антенне при приеме над сушей. При приеме сигнала, распространяемого над морем, напряженность поля сильно зависит от высоты приемной антенны. Для дальнего тропосферного приема важно наличие открытого переднего плана перед антенной. Больший сигнал получается на возвышенности, с которой далеко виден горизонт.
Ионосферное распространение сигналов
Ионосфера — это часть атмосферы, состоящая из нескольких слоев ионизированного разряженного воздуха, расположенных на высоте от 60 км и выше над поверхностью Земли. Слои по мере их возвышения над Землей обозначаются буквами D, Е, F1, F2. Ионизация, т. е. расщепление молекул газов на положительные ионы и свободные электроны, возникает главным образом под действием ультрафиолетового излучения Солнца. Степень ионизации определяется числом свободных электронов в 1 см 3 . Ионизация возрастает с высотой и зависит от времени суток. Днем степень ионизации выше, ночью слабее. Ионизация всех слоев в атмосфере увеличивается в периоды повышенной солнечной активности. В наибольшей мере это проявляется на внешнем наиболее ионизированном слое F2. Кроме изменения степени ионизации меняются и высоты слоев в разное время суток и года.
Отражение радиоволн от ионосферы. Атмосфера при наличии в ней свободных электронов приобретает свойства полупроводника, от которого могут отражаться радиоволны длиннее 10 м. Для волн короче 10 м.ионосфера значительную часть времени прозрачна. Такие волны проходят через нее, теряясь в глубинах межпланетного пространства. Вместе с тем еще во второй половине 30-х годов были зарегистрированы случаи отражения от ионосферы волны длиной около 6 м. Как оказалось, отражение было вызвано двумя причинами: при появлении спорадического (т. е. возникающего время от времени) слоя Es и при повышении электронной концентрации слоя F2 в годы максимума солнечной активности.
Слой Es представляет собой электронное облако, которое образуется на высоте слоя Е (100…120 км). Вследствие значительной ионизации от него порой отражаются сигналы на частотах 50…80 МГц. Граница зоны приема волн, переизлученных слоем Es, начинается на расстоянии примерно 1000 км от передатчика и оканчивается на 2500 км. Чаще всего прием наблюдается днем в летние месяцы. В вечерние часы он бывает реже и менее регулярно. Прием от слоя Es вследствие отражения происходит преимущественно с южных направлений, где он более продолжительный. В летние месяцы электронная плотность слоя Es может быть настолько высокой, что сигналы дальних станций могут полностью вытеснить сигналы местных. Продолжительность наблюдения благодаря отражению от слоя Es бывает различной, от нескольких минут до нескольких часов.
Слой F2 расположен на высоте свыше 200 км над поверхностью Земли, т. е. выше, чем слой Es. По этой причине прием отраженных от него волн отмечается на более длинных расстояниях: 2000…4000 км. Прохождение волн, обусловленное слоем F2, обычно отмечается днем в зимние месяцы, в годы максимума солнечной активности. Максимумы солнечной активности отмечаются приблизительно через 11 лет и совпадают о появлением большего числа пятен на Солнце.
Отражение от области полярных сияний. Оно наблюдается в диапазоне метровых радиоволн. Распространение радиоволн, отраженных от области полярных сияний, называют авроральным. Полагают, что отражение (рассеяние) происходит на неоднородностях электронной плотности полярного сияния. Электронная плотность в этих неоднородностях хотя и незначительно, но отличается от электронной плотности окружающей среды. По форме неоднородности представляют собой цилиндры, вытянутые в направлении магнитного поля Земли. Отражение происходит как бы от решетки, состоящей из полос ионизированного газа.
Полярные сияния чаще происходят в высоких широтах. Установлено, что зона максимума сияний находится на широте, удаленной на 23° от магнитного полюса. Вспышки на Солнце и другие проявления солнечной активности образуют корпускулярные потоки (солнечный ветер). Эти потоки, приближаясь к Земле, могут проникнуть в верхние слои атмосферы только через полярные области. Силовые линии магнитного поля Земли являются своего рода экраном для корпускулярных потоков, но у полюсов линии сходятся, что позволяет потокам пройти к Земле.
Полярные сияния возникают, когда солнечные протоны и электроны сталкиваются с атомами и молекулами верхних слоев земной атмосферы. Если в северном полушарии в районе, где наблюдаются полярные сияния, передающую и приемную антенны направлять на север, то при появлении полярных сияний возможна радиосвязь. Полярное сияние позволяет радиолюбителям-ультракоротковолновикам проводить сеансы связи на значительные расстояния. Для приема сигналов между передающей станцией и полярным сиянием и от полярного сияния до пункта приема должна быть прямая видимость.
Отражение радиоволн от метеорных следов. Помимо отражения от ионизированных слоев волны короче 10 м иногда отражаются от метеорных следов. В атмосферу Земли влетает огромное количество космической пыли-метеоров, которые при сгорании в атмосфере оставляют за собой след из ионизированных частиц. Если ионизация такого следа достаточна для отражения и он ориентирован в пространстве так, что волны попадают в место приема, то наблюдается вспышка сигнала продолжительностью в несколько секунд. Наиболее часто это явление бывает летом, когда Земля проходит через область интенсивных метеорных потокрв. Вероятно, потоки метеорных следов могут явиться причиной появления мешающих сигналов на частотах 30 …80 МГц.
Сверхдальние связи на УКВ: там, за горизонтом.
Портативные радиостанции двухметрового диапазона завоевывают сердца российских радиолюбителей. Цены на ”Айкомы” и ”Алинки” стремительно падают, те, для кого они пока все же дороги, перестраивают увесистые ”Транспорты” и ”Маяки”, мастерят что-то сами. Для одних это — возможность пообщаться с коллегами по хобби, для других — средство доступа к пакетным BBS и DX кластерам. Есть, к сожалению, и те, кто считает любительскую станцию бесплатным мобильным телефоном.
Но есть и еще одна категория ультракоротковолновиков — те, кто увлекается дальними связями. УКВ DX-инг — трудное занятие, требующее большого терпения и постоянного совершенствования техники, но дающее взамен неповторимые ощущения радости от каждой новой связи, прикосновения к удивительным явлениям природы. Можно утверждать, что УКВ DX-исты — это элита радиоспорта. В этой статье мы коротко расскажем об особенностях таких связей, о необходимой технике и о том, как стать УКВ DX-оператором.
Основные понятия и немного теории.
Ультракороткие волны распространяются в пределах прямой видимости — фраза из школьного учебника. На самом деле чаще всего в атмосфере существует небольшая нормальная рефракция — волна в приземном слое слегка ”загибается”, в результате чего дальность связи при небольших мощностях и отсутствии препятствий составляет 30-100 км. Будем условно называть дальними связи на расстояния, превышающие эту величину. Есть несколько физических механизмов, делающих возможными такие радиосвязи. В этой статье мы перечислим их и коротко расскажем об их особенностях.
На западе энтузиастов УКВ DX связи, работающих на любительских диапазонах 144 MHz (VHF) и 432 и выше (UHF) часто называют weak signal operator — ”оператор, работающий со слабыми сигналами”. Действительно, очень часто приходится иметь дело со значительным затуханием сигналов на трассе. Мощность, излучаемая в направлении корреспондента (называемая на жаргоне ”энергетикой”), качество приемника, потери в кабеле, уровень шумов в месте расположения станции — все имеет при этом большое значение.
В этом разделе мы покажем, как, используя очень простые вычисления, можно оценить параметры своей станции и возможность установления связи в тех или иных условиях. Те, кому они покажутся сложными (или скучными) могут сразу перейти к следующему разделу, вернувшись к расчетам, если появится необходимость.
Каждую станцию можно характеризовать набором параметров, и требования к этим параметрам различны для разных видов связи. Мы будем использовать термин эффективно излучаемая мощность (ERP — от английских слов Effective Radiated Power) который характеризует передающий тракт. ERP измеряется в децибелах и может быть вычеслена по формуле
Здесь Pout — выходная мощность передатчика в ваттах, Kant и Kfider — соответственно, коэффициент усиления антенны по отношению к изотропному излучателю и суммарные потери в кабеле, выраженные в децибелах. Например, станция мощностью 1 Вт напрямую подключенная к дипольной антенне имеет ERP примерно 2 dB (Kant=2.15 dB, Kfider=0 dB).
В отличие от КВ радиосвязей, существенное значение имеет поляризация излучаемой волны. Плоскостью поляризации называется ориентация в пространстве вектора электрической компоненты поля. Для простой вибраторной антенны эта плоскость совпадает с плоскостью, в которой расположены элементы. Коэффициент ослабления в случае, когда поляризация принимаемой волны и приемной антенны не совпадают, зависит от угла между ними: Kpolar=-20 Log (sin a). Теоретически при a=90 o затухание стремится к бесконечности, на практике оно достигает 20 dB. В городских условиях может эта величина обычно составляет 5..15 dB за счет приема отраженных от окружающих предметов волн. Кроме вертикальной и горизонтальной в любительской радиосвязи используется круговая поляризация. У волны с круговой поляризацией вектор электрического поля вращается, совершая полный оборот за каждый период колебания. Преимуществом круговой поляризации является то, что изменение взаимной ориентации приемной и передающей антенны, так же, как и поворот плоскости поляризации волны в процессе распространения не вносит дополнительного затухания. Недостатком является необходимость использования более сложных и громоздких антенн. Надо так же отметить, что возможны два противоположных направления вращения плоскости поляризации, соответственно если они окажутся различными для принимаемой волны и приемной антенны, то дополнительное затухание теоретически стремится к бесконечности. Поэтому такие антенны иногда оборудуют переключателем, позволяющим менять направление вращения плоскости поляризации. При приеме волны с круговой поляризацией, на антенну с линейной поляризацией (и наоборот) затухание составляет 3 dB.
Минимальный уровень принимаемого сигнала зависит от усиления приемной антенны, потерь в фидере, собственных шумов приемника и полосы принимаемых частот. Чувствительность приемного тракта, выраженная в децибелах по отношению к мощности в 1 Вт, может быть вычислена по формуле
Где k — постоянная Больцмана, T — температура окружающей среды, DF — полоса приемника, Knoise— шум-фактор приемника в dB. При T=300 K и DF=100 Hz получаем:
Шум-фактор приемника определяется качеством входного каскада и для современных транзисторов может достигать 0.3-1 dB в диапазоне 144-146 MHz. Соотношение сигнал/шум на выходе приемника в отсутствие дополнительных внешних шумов и помех:
Здесь Kloss — затухание сигнала.
(Здесь принимается, что Kfider, Kloss, Kpolar, Knoise и Kant — положительные величины).
Теоретически прием сигнала возможен, если S/N больше 0 dB. На практике, опытные радисты способны разбирать телеграфный сигнал (CW) даже тогда, когда он на 10..13 dB ниже уровня шумов. На самом деле в этом случае эффективная полоса приема определяется не приемником, а адаптивным фильтром, роль которого играет мозг радиста (при скорости передачи 40 знаков в минуту информационная полоса сигнала составляет примерно 5 Hz). Уверенный прием телефонного сигнала возможен, если он превышает шум примерно на 6..10 dB для однополосной модуляции (SSB) и на 10..15 dB для частотной (FM).
Использование современных транзисторов позволяет без особого труда получать шум-фактор приемника менее 2..3 dB в диапазоне 144-146 MHz, так что различие станций по этому параметру невелико. Для дальнейшего упрощения можно ввести понятие ”сренднестатистического” корреспондента. Для DX связей в диапазоне 144-146 MHz это станция с передатчиком 50-100 Вт и усилением антенны 10-13 dB (если только речь не идет о EME связях — см. ниже). Тогда возможность установления связи зависит только от затухания сигнала в процессе распространения и собственного ERP.
Подчеркнем, что приведенные здесь вычисления не являются строгими и пригодны лишь для приближенных оценок. Тем, кто желает более глубоко разобраться в методах анализа каналов связи и оптимального приема, можно рекомендовать книгу [1].
Механизмы дальнего распространения УКВ.
Рассмотрим теперь вкратце основные виды дальнего прохождения УКВ.
1. Рассеяние радиоволн на неоднородностях тропосферы.
Наблюдается практически всегда, но для практического использования необходима достаточно хорошая энергетика. Коммерческие тропосферные каналы с ERP=60 dB и более обеспечивают стабильную связь на расстояниях порядка 300 км. При типичных для любительской УКВ DX станции ERP порядка 30 dB за счет рассеяния достаточно часто удается проводить CW связи на расстояние до 400 км. Так, по опыту участия автора в соревнованиях по радиосвязи на УКВ в течение многих лет, связи на трассах Москва-Воронеж, Москва-Нижний Новгород имели место в 80% соревнований. Затухание на трассе существенно зависит от погодных условий и уменьшается в ночное время. Вращение плоскости поляризации незначительно. Телеграфные сигналы дальних станций часто имеют характерный дрожащий тон.
2. Тропосферное прохождение (”Тропо”).
Коэффициент рефракции в тропосфере зависит от того, как меняется с высотой температура, давление и влажность воздуха. Увеличению его способствует повышенное давление (антициклон), а также температурная инверсия — ситуация, когда температура воздуха с высотой не понижается, а повышается. Наблюдается чаще в ночное время и утренние часы. Повышенная рефракция дает возможность проводить связи на расстояния 100…400 км станциям с ERP порядка 10. Иногда коэффициент рефракции достигает такой величины, что волна, ”загибаясь” в тропосфере, падает на поверхность земли, отражается от нее, и повторяет такие скачки многократно (сверхрефракция). Говорят, что в тропосфере образуется волноводный канал. При этом дальность связи может достигать нескольких тысяч километров. Необходимая энергетика обычно выше, чем в случае простой рефракции, но может быть весьма различной в каждом конкретном случае. Вращение плоскости поляризации также незначительно. Известно, что созданию таких условий способствует перемещение атмосферных фронтов. Надо отметить, что явление это достаточно редкое и изучено оно далеко не полностью.
3. ”Аврора” — отражение радиоволн от приполярных областей ионосферы во время магнитных бурь.
Поскольку спектр сигнала существенно меняется, телеграф является существенно более предпочтительным. Сигнал принимается в виде характерного ”шипения”. От силы возмущения зависит, насколько далеко на юг распространится область, в которой наблюдается прохождение. Если для северных областей это достаточно частое явление, то границ Украины ”аврора” достигает 1-2 раза в год. Наиболее вероятное время суток — 14-17 и 21-24 UT. Для центральной России обычными являются корреспонденты из Скандинавских стран, более редкими (и желанными) -Дании, Германии, Польши. Иногда признаком ”Авроры” является появление на КВ диапазонах северных станций с искаженным, ”шипящим” тоном (на фоне общего ухудшения прохождения). Необходимым ERP можно считать уровень 25-30 dB. Антенну, как правило, следует направлять на север, с отклонениями до 30 0 . В отличие от предыдущих случаев, поляризация может существенно меняться, хотя существует мнение, что использование одинаковой поляризации обоими корреспондентами предпочтительно.
4. Спорадическое (Es) прохождение возникает при образовании в ионосфере (слой E) под влиянием интенсивной солнечной радиации ”облаков” с МПЧ, превышающей 144 MHz.
Наиболее вероятное время года — с мая по август, время суток — со второй половины светового дня до полуночи. Более вероятно в южных районах, где чаще всего и происходит формирование ”облаков”, которые затем могут перемещаться на север. Отличается чрезвычайно малым затуханием при расстояниях между корреспондентами 1-2 тысячи километров. Шансы на проведение дальних связей имеют даже те станции, ERP которых меньше 10 dB. Известны случаи установления сверхдальних связей при помощи портативных радиостанций. Обнаружить приближение ”спорадика” можно по появлению дальних радиостанций в УКВ вещательных диапазонах или сигналов дальних телецентров на 2-12 каналах (автор был свидетелем того, как, по мере перемещения ”облака”, телепередачи одной страны сменялись программами другой). Поляризация не сохраняется. С целью экономии времени лучше использовать SSB или FM.
5. Связь с отражением от метеорных следов (Ms)
является весьма специфической ввиду того, что области ионизации, появляющиеся в результате сгорания в атмосфере метеоритов, существуют весьма короткое время (от долей секунды до нескольких секунд, очень редко — десятки секунд). Количество метеоров резко возрастает во время прохождения Землей метеорных потоков, наиболее мощный из которых — августовские Персеиды. Связи проводятся либо SSB, либо с использованием высокоскоростной телеграфии (HSCW). Применение компьютеров для передачи и приема HSCW существенно облегчает работу. Расчет оптимального времени и направления так же удобно выполнять с помощью компьютерных программ. Минимальным ERP для успешной работы можно считать уровень в 30 dB (средняя MS станция обычно имеет мощность порядка 300 Вт и 1-2 этажа антенн длинной 4-8 м.). Следует использовать антенны с горизонтальной поляризацией.
6. ”Ионо” (FAI)
— связь за счет рассеяния на неоднородностях ионосферы. Позволяет устанавливать связи на значительные расстояния (1 — 2 тысячи километров). Затухание на трассе, как правило, достаточно велико, поэтому требуется хорошая энергетика, сравнимая с используемой для EME связей (см. ниже).
7. Использование отражения сигналов от Луны (EME)
позволяет устанавливать связи практически на любые расстояния. В то же время огромное затухание на трассе (252 dB для частоты 144 MHz) требует применения совершенной аппаратуры и антенн с большим усилением. Для того, что бы услышать собственное эхо (время распространения сигнала до Луны и обратно — около 3 секунд), необходимо иметь ERP порядка 50 dB (типичная радиостанция ”начинающего лунатика” имеет мощность передатчика 1 kW и стек из 4-х антенн ”волновой канал” длинной 6-8 м каждая) при условии, что шум-фактор приемника и потери в фидере не превышают 0.5 dB. При меньших величинах ERP можно установить связь, если у корреспондента имеется ”запас” по усилению антенны. Плоскость поляризации волны изменяется при прохождении ею ионосферы (эффект Фарадея), что при применении антенн с линейной поляризацией вызывает периодические ”замирания” сигнала. Тем не менее в диапазоне 144-146 MHz антенны с круговой поляризацией для EME используют крайне редко ввиду их громоздкости. Подготовка к работе через Луну требует вложения значительных сил и средств. Необходимо учитывать такие факторы, как уровень помех в месте расположения станции, необходимость построения антенной системы больших размеров, вращающейся в двух плоскостях, возможность возникновения помех от мощного передатчика приему телевидения и радио. Наградой за труды является возможность проводить связи практически со всем Миром (причем, в отличие от КВ диапазонов, сигналы станций Украины и Австралии слышны с одинаковым уровнем). Можно сказать, что EME — это своего рода Эверест для ультракоротковолновиков.
8. Отдельно следует упомянуть работу через любительские спутники-ретрансляторы.
Хотя такие связи не считаются УКВ DX — ингом, поскольку используется бортовая приемно-усилительная аппаратура спутника, чаще всего через спутники работают именно ультракоротковолновики, имеющие необходимую аппаратуру. В настоящее время на околоземной орбите находится более 2 десятков радиолюбительских спутников. Часть из них имеет на борту линейные ретрансляторы, принимающие сигналы в участке одного любительского диапазона, и передающие их на другом диапазоне. Самыми простыми для использования являются отечественные спутники серии ”Радио”, ретранслирующие сигналы из участка 145.8-146 МГц в участок 29.5-29.7 МГц. Для работы можно использовать даже ненаправленные антенны. Спутники иностранного производства обычно имеют ретрансляторы 145/435 МГц, а так же используют диапазоны 1296 и 2300 МГц. Для работы, как правило, используется CW или SSB. Кроме того, на многих спутниках имеется цифровая информационная система, похожая на наземные BBS.
С чего начать?
Что нужно, для того, что бы проводить дальние связи на УКВ? Разумеется, комплект аппаратуры. Для начала это может быть самая простая носимая или автомобильная ЧМ станция, хотя для серьезного занятия необходимо планировать приобретение или изготовление трансивера со всеми видами модуляции и плавной перестройкой частоты. Наилучшим вариантом являются аппараты типа FT736 фирмы YAESU, TS790 фирмы Kenwood, IC830 фирмы ICOM. Они имеют 2 диапазона — 144 и 432 MHz, возможность установки дополнительных модулей на 1296 и 2300 MHz, высококачественный приемный тракт. Кроме того, эти аппараты имеют специальные дуплексные режимы для работы через спутники. К сожалению, цена таких аппаратов достаточно высока. Экономичным решением может стать создание самодельного трансвертера к имеющемуся КВ трансиверу. Схемы таких трансвертеров можно найти в журналах ”Радио” прошлых лет или в издании [2].
Если у Вас нет КВ трансивера, и Вы планируете его приобрести, хорошим вариантом может стать универсальный КВ/УКВ аппарат типа FT757, IC746, FT100 или IC706. Надо только заметить, что последние две модели, являясь малогабаритными, имеют плохую избирательность, и в районах с большим уровнем помех необходимо будет использовать внешние входные фильтры.
Особое внимание следует уделить выбору антенной системы. Антенна обязательно должна быть направленной и вращающейся. Хорошим вариантом для начала можно считать антенну ”волновой канал” с длинной траверсы 4-6 м (см., например, [3]). Для самостоятельного изготовления следует выбирать проверенные конструкции, например, разработанные немецким радиолюбителем DJ9BV. Такая антенна весит всего несколько килограмм и для управления ею можно использовать простые компактные поворотные устройства. Подойдет, например, доработанный привод ПР2 (используется в вентиляционных системах). Можно изготовить привод самому, или приобрести импортный привод для вращения телевизионных антенн, например Nippon R7000. В сельской местности можно обойтись без привода, установив мачту так, что бы ее можно было вращать руками, контролируя при этом уровень сигналов. Традиционно для дальних связей используется горизонтальная поляризация, однако все зависит от того, какие виды прохождения вы собираетесь использовать и какую поляризацию используют ваши потенциальные корреспонденты. Наилучшим вариантом, конечно, будут две антенны на одной траверсе с переключателем, но возможны и компромиссы. Например, если установить ”волновой канал” с усилением 14 dB так, что бы угол между между элементами и горизонталью составлял около 25 0 , то дополнительные потери для горизонтально поляризованной волны составят всего 0.9 dB, а для вертикально поляризованной — 7 dB. Таким образом, мы получаем антенну с усилением около 13 dB для горизонтальной (основной) поляризации и 7 dB — для вертикальной (дополнительной). Большую роль играет размещение антенны. Причем собственно высота может и не играть существенной роли для многих видов дальних связей, главное, что бы важные направления не были закрыты постройками или другими близкорасположенными препятствиями (хотя волна способна огибать препятствия за счет явления дифракции дополнительное затухание при этом может оказаться слишком большим).
Желательно так же обзавестись минимальным комплектом измерительной техники. В нем обязательно должны быть измеритель КСВ/мощности для контроля и настройки антенн и передатчика и генератор шума для измерения параметров приемника.
Хотя среди части коротковолновиков бытует мнение, что телеграф — это устаревший вид связи, не зная его, нельзя считать себя серьезным УКВ DX оператором. Причем требования здесь минимальны — необходимо уверенно принимать на слух хотя бы 30-40 знаков в минуту. Примером могут служить ежегодные соревнования ”Полевой день” — 99% связей в них проводится телеграфом и многие операторы (известные своими достижениями на УКВ) работают именно с такой скоростью. Поверьте — это совсем не трудно, особенно, если у вас есть компьютер — потребуется всего 3-4 месяца регулярных (!) занятий плюс прослушивание любительского эфира и вы овладеете настоящим ”языком” радио.
Для определения местоположения станций и расчета расстояний между ними используются так называемые квадраты QTH локатора. В настоящее время используются 6-значные обозначения (например, KO85SQ) которые передаются при каждой связи. Количество ”больших” квадратов (первые 4 знака) является одним из основных критериев достижений на УКВ. Определить собственный локатор можно по формулам, зная свои географические координаты (см. [4]).
Если аппаратура и антенны уже есть, можно начинать охоту за DX.
На диапазоне 2 м частотой общего вызова для станций, работающих телеграфом, является 144,050 МНz, SSB — 144.300 MHz. К сожалению, в силу известных причин, активность на УКВ в России очень не велика. В то же время, сейчас во многих крупных городах работают репитеры. Наблюдая за частотами репитеров из соседних областей, можно обнаруживать появление дальнего прохождения.
Во многих регионах есть ”свои” частоты, на которых собираются станции, работающие FM. Например, на севере Московской области это — 145,500. Наконец, можно договариваться со станциями, находящимися на расстоянии 100-300 км о частоте и времени регулярных трафиков.
Информация.
Для обмена информацией о прохождениях существует круглый стол УКВ на диапазоне 20 м. Он проходит на частоте 14,345 MHz по воскресеньям с 11 до 14 UT. На этой же частоте обычно договариваются о проведении MS и EME связей. Еще один круглый стол работает по вечерам на частоте 3,778 MHz.
Если у Вас есть доступ в интернет, то на сайте http://fs1.ilk.de/sites/gap/soft.htm можно найти много полезных программ, а на странице http://www.qsl.net/dk5ya/dk5ya.htm — много информации, касающейся УКВ DX.
На страничке www.dxlc.com/solar можно найти прогноз геомагнитных возмущений на несколько дней вперед, а по адресу http://www.irf.se/mag/ можно узнать текущее состояние магнитосферы (если величина флуктуаций компонент магнитного поля превышает 200-400, то можно ожидать ”Аврору” в Европейской части России).
На русскоязычной страничке www.qsl.net/ra3dq есть новости УКВ DX инга в России.
Много ценной информации содержат издания [2,3], однако с момента их выхода прошло уже достаточно много времени. Статьи, посвященные особенностям и технике дальней УКВ радиосвязи встречаются в журналах ”Радио”, ”Радиолюбитель КВ и УКВ” и ”Радиоаматор”.
В данной статье не рассматривались особенности диапазонов 50 MHz (работа на нем Российским радиолюбителям пока не разрешена), а также 432 MHz и выше — диапазон 144-146 MHz был выбран как наиболее популярный. Экзотические виды связи, такие как, например, использующие отражение радиоволн от пролетающих самолетов, равно как и множество тонкостей, касающихся дальних УКВ связей так же остались вне рамок этой обзорной статьи. Дерзайте, и вы откроете для себя удивительный мир УКВ DX.
От редакции.
На страницах нашего журнала Мы планируем поместить цикл статей, посвященных различным аспектам работы на УКВ диапазонах.
Литература.
1. Радиотехнические цепи и сигналы. Гоноровский И.С. М.:1997
2. Любительская УКВ радиостанция. Жутяев С.Г. М.:1981
3. Любительские антенны коротких и ультракоротких волн. Беньковский З. Липинский Э. М.:1983
4. Новая система QTH — локатора. Бубенников С. ”Радио” 1984 №12 с.11.
5. Прогноз тропосферного прохождения. Бубенников С. ”Радио” 1980 №2 с.15-16.
6. Проведение метеорной связи. Бубенников С. Бектов В. ”Радио” 1981 №5-6 с.31-32.
У Вас недостаточно прав для добавления комментариев.
Возможно, Вам необходимо зарегистрироваться на сайте.