Радио-передача: что и как

Радио простыми словами: что такое волна и частота, чем отличаются диапазоны, что мешает сигналу и почему высота важнее мощности.

Радио — это способ передать информацию дрожью электромагнитного поля. Устройство «толкает» поле антенной, поле уходит в пространство и в чужой антенне рождает слабый ток. Ни провода, ни интернета для этого не нужно. Но физику обмануть нельзя: сигнал упирается в металл, горы и кривизну Земли.

Что такое радиоволна

Вокруг любого провода, по которому бежит ток, есть электрическое и магнитное поле. Если ток в проводе всё время менять, поле вокруг тоже начнёт меняться. А переменное поле имеет удивительное свойство: оно отрывается от провода и улетает в пространство. То, что улетело, и есть радиоволна.

Дальше волна живёт своей жизнью, и провод ей больше не нужен. Она не похожа ни на звук, ни на свет: воздух для неё не обязателен, в вакууме она летит даже чуть быстрее, чем в атмосфере. Скорость — почти 300 000 километров в секунду. До Луны волна доходит за 1,3 секунды, до Марса — за минуты. Звук для сравнения — это дрожь воздуха, 340 метров в секунду: радио быстрее примерно в 900 000 раз.

Самое удобное в волне — то, что её можно менять, и эти изменения несут информацию. Включили-выключили, сдвинули чуть-чуть частоту, поменяли фазу — приёмник это заметит и превратит обратно в текст, координаты или голос. Поля мы не видим, поэтому проще всего представить волну по аналогии с водой.

Камень бросили один раз — а круги расходятся всё дальше. Сама вода при этом никуда не течёт, колеблется только её уровень. У радиоволны вместо воды колеблется поле.

Как рождается волна

В передатчике электроны гоняют по антенне туда-сюда — на 868 МГц это 868 миллионов раз в секунду. Антенна становится источником переменного поля, поле отрывается и уходит. В приёмной антенне происходит обратное превращение: волна снова гонит электроны, возникает очень слабый ток, и его остаётся только усилить.

Вся цепочка: передатчик → антенна → волна → антенна → приёмник. Антенна здесь не украшение, а рабочий орган: именно она превращает ток в волну и обратно.

Частота и длина волны

Частота — это сколько колебаний волна делает за секунду. Одно колебание в секунду — это 1 герц (Гц). У 868 МГц — 868 миллионов колебаний в секунду, а одно колебание занимает около 1,15 наносекунды.

Из частоты прямо следует длина волны — расстояние между двумя соседними горбами. Формула простая: скорость света, делённая на частоту.

• λ = c / f — скорость света, делённая на частоту;
• 35 см — длина волны на 868 МГц;
• ≈ 8 см — четверть волны, рабочая длина антенны.

Чем выше частота, тем короче волна и тем меньше нужна антенна. Именно поэтому 868 МГц удобен для карманных устройств: антенна получается с палец, а не с мачту.

Одно и то же время — разное число колебаний. У низкой частоты волна длинная, у высокой — короткая.

Длина волны в масштабе. 35 сантиметров на 868 МГц — это примерно предплечье, а 12,5 сантиметра на 2,4 ГГц — ладонь.

Почему частоты становятся выше

Исторически эфир осваивали снизу вверх, и на это есть четыре причины.

• Скорость передачи. Чем выше частота, тем шире полосу можно занять, а шире полоса — больше данных в секунду. Поэтому Wi-Fi и мобильная связь живут на гигагерцах, а не на килогерцах.
• Размер антенны. Антенна должна быть соразмерна волне. 27 МГц — это мачта в несколько метров, 868 МГц — прутик 8 см, 2,4 ГГц — антенна внутри чипа. Именно поэтому телефон помещается в карман.
• Место в эфире. Низкие частоты давно заняты: вещание, авиация, военные. Гражданским устройствам отдают верхние диапазоны — там свободнее.
• Обратная сторона. Высокая частота хуже огибает препятствия и быстрее затухает. Дальнобойность и компактность тянут в разные стороны — отсюда и компромисс.

Чем высокая частота отличается от низкой

Правило. Нужна дальность и пробивание стен — идите ниже. Нужна скорость и компактность — выше.

Как идёт волна

В свободном поле волна летит по прямой и расширяется конусом. Но на пути ей встречаются предметы, и ведёт она себя почти как свет.

Четыре сценария, которые случаются с каждым сигналом: летит напрямую, отражается, огибает препятствие или в нём теряется.

Что это значит на практике:

• Отражение — палка о двух концах. От металла, воды и стен сигнал может завернуть за угол и дотянуться туда, где прямой видимости нет. Но тот же отражённый луч приходит с опозданием и складывается с основным — то усиливая его, то гася. Поэтому связь иногда «прыгает», хотя устройства стоят на месте.
• Огибание — то, что спасает длинные волны. Чем ниже частота, тем охотнее волна заворачивает за край препятствия. Именно поэтому 868 МГц проходит за бугор там, где Wi-Fi уже нет.
• Поглощение — прямое превращение сигнала в тепло. Листва, мокрое дерево, бетон и дождь работают как тормоз, причём на высоких частотах заметно сильнее.
• Прямой луч — самый выгодный случай: всё, что дошло напрямую, дошло с максимальной силой. Ради этого антенны и поднимают наверх.

Что волна обойдёт, а что нет

Прямая линия между антеннами упирается в холм. Рабочий путь — в обход, за счёт огибания и отражений.

Обойдёт или пройдёт:

• холм или дом — если волна длинная, а препятствие не слишком большое;
• угол здания — частично, за счёт огибания и отражений от соседних стен;
• лесополосу и листву — но с потерями;
• гипсокартон, дерево, стекло — почти свободно;
• дождь и туман — на 868 МГц почти не мешают, на 10 ГГц мешают сильно.

Не обойдёт:

• большую гору, скалу, сопку: нужна прямая видимость;
• кривизну Земли — это радиогоризонт;
• металл: лифт, ангар, кузов, фольга, армированный бетон — металл почти всё отражает;
• подвал и железобетонную шахту;
• воду — она поглощает радио очень эффективно.

Почему высота важнее мощности

Земля круглая, поэтому у любой пары антенн есть предел «прямой видимости» — радиогоризонт. Он считается просто: d ≈ 3,6 × √h километров, где h — высота антенны в метрах. С высоты 2 метра видно примерно 5 км, с 10 метров — 11 км, с 30 метров — 20 км, с сотни метров — 36 км, а с горы в километр — уже больше ста километров.

Одни и те же устройства: подняли антенны — луч пошёл, оставили на земле — его перекрыл бугор планеты.

Есть и второй, менее очевидный предел. Даже когда между антеннами формально чистая прямая, сигналу нужен свободный «эллипс» вокруг этой линии — зона Френеля. Дерево, крыша или провод, торчащие в этот эллипс, отбирают часть энергии. Поэтому антенну поднимают не на полметра выше забора, а по-настоящему высоко.

Что ещё влияет на связь

• Мощность передатчика. Больше мощность — громче крик. Но +6 дБ дают выигрыш по дальности всего вдвое, а на практике и меньше.
• Чувствительность приёмника. Умение услышать шёпот важнее громкости. Именно поэтому LoRa бьёт так далеко на копеечной мощности.
• Антенна и её высота. Главный рычаг: хорошая антенна на крыше даёт больше, чем десятикратный рост мощности.
• Помехи и шум. Город, электроника и соседние передатчики поднимают «шумовой пол»: слабый сигнал тонет в нём.
• Погода и листва. Мокрый лес летом съедает заметно больше, чем сухой зимой.
• Многолучевость. Сигнал приходит двумя-тремя путями и сам с собой интерферирует: то усиливается,то пропадает.

Что из этого следует для LoRa и mesh-сетей

• 868 МГц — компромисс. Антенна всего 8 см, но волна ещё неплохо огибает препятствия и проходит в здания.
• Поднимайте антенну. 25 мВт на крыше уверенно бьют дальше, чем 1 Вт в подвале. Мощность крутите потом.
• Ищите прямую видимость. Гора, дом или лесополоса посередине — и связь держится только за счёт огибания и отражений.
• Металл — враг. Не прячьте узел за парапетом, в щитке или у арматуры. Антенну — вертикально и на улицу.
• Узкая полоса = дальность. BW 62,5 кГц и большой SF дают лучшую чувствительность за счёт скорости — поэтому MeshCore перешёл на узкую полосу.

Мини-словарик

Смотри также

• Meshtastic простыми словами
• MeshCore простыми словами