Чем меньше частота тем лучше радиоволны проникают в препятствия
Распространение электромагнитных волн
Перечислим некоторые общие закономерности распространения электромагнитных волн, связанные с частотой излучения.
· Чем выше несущая частота, тем выше возможная скорость передачи информации,
· Чем выше частота, тем хуже проникает сигнал через препятствии. Низкочастотные радиоволны АМ-диапазонов Легко проникают в дома, позволяя обходиться комнатной антенной. Более высокочастотный сигнал телевидения требует, как правило, внешней антенны; И наконец инфракрасный и видимый свет не проходят через стены, ограничивая передачу прямой видимостью(LineOfSight, LOS)
· Чем выше частота, тем быстрее убывает анергия сигнала с расстояниям от источника. При распространении электромагнитных волн в свободном пространстве (без отражений) затухание мощности сигнала пропорционально произведению квадрата расстояния ‘ от источника сигнала на квадрат частоты сигнала.
· Низкие частоты (до 2 МГц) распространяются вдрпь поверхности земли. Именно поэтому сигналы АМ-радио могут передаваться на расстояния в сотни километров.
· Сигналы частот от 2 до 30 МГц отражаются ионосферой земли, поэтому они могут распространяться даже на более значительные расстояния, в несколько тысяч километров (при достаточной мощности передатчика)
· Сигналы в диапазоне выше 30 МГц распространяются только по прямой, то есть являются сигналами прямой видимости. При частоте свыше 4 ГГц их подстерегает неприятность — они начинают поглощаться водой, а это означает, что не только дождь, но и туман может стать причиной резкого ухудшения качества передачи микроволновых систем, Недаром испытания лазерных систем передачи данных часто проводят в Сиэтле, городе, который известен своими туманами.
Потребность в скоростной передаче информации является превалирующей, поэтому все современные системы беспроводной передачи информации работают в высокочастотных диапазонах, начиная с 800 МГц, несмотря на преимущества, которые сулят низкочастотные диапазоны благодаря распространению сигнала вдоль поверхности земли или отражения от ионосферы.
Для успешного использования микроволнового диапазона необходимо также учитывать дополнительные проблемы, связанные с поведением сигналов, распространяющихся в режиме прямой видимости и встречающих на своем пути препятствия.
На рис. 51 показано, что сигнал, встретившись с препятствием, может распространяться в соответствии с тремя механизмами: отражением, дифракцией и рассеиванием.
Когда сигнал встречается с препятствием, которое частично прозрачно для данной длины волны и в то же время размеры которого намного превышают длину волны, то часть энергии сигнала отражается от такого препятствия. Волны микроволнового диапазона имеют длину несколько сантиметров, поэтому они частично отражаются от стен домов при передаче сигналов в городе. Если сигнал встречает непроницаемое для него препятствие (например, металлическую пластину) также намного большего размера, чем длина волны, то происходит дифракция— сигнал как бы огибает препятствие, так что такой сигнал можно получить, даже не находясь в зоне прямой видимости. И наконец, при встречес препятствием, размеры которого соизмеримы с длиной волны, сигнал рассеивается, распространяясь под различными углами.
Рис. 51. Распространение электромагнитной волны
В результате подобных явлений, которые повсеместно встречаются при беспроводной связи в городе, приемник может получить несколько копий одного и того же сигнала. Такой эффект называется многолучевым распространением сигнала.Результат многолучевого распространения сигнала часто оказывается отрицательным, поскольку один из сигналов может прийти с обратной фазой и подавить основной сигнал.
Так как время распространения сигнала вдоль различных путей будет в общем случае различным, то может также наблюдаться и межсимвольная интерференция,ситуация, когда в результате задержки сигналы, кодирующие соседние биты данных, доходят до приемника одновременно.
Искажения из-за многолучевого распространения приводят к ослаблению сигнала, этот эффект называется многолучевым замиранием.В городах многолучевое замирание приводит к тому, что ослабление сигнала становится пропорциональным не квадрату расстояния, а его кубу или даже четвертой степени!
Все эти искажения сигнала складываются с внешними электромагнитными помехами, которых в городе довольно много. Достаточно сказать, что в диапазоне 2,4 ГГц работают микроволновые печи.
Почему волны с более высокой частотой имеют лучшее проникновение?
В свободном пространстве сигналы с более низкой частотой, по-видимому, идут дальше, потому что сигнал либо дифрагируется землей, либо отражается верхними слоями атмосферы, что делает его фактически более дальним.
В городских условиях, когда нам нужно проникать сквозь стены, происходит ли передача 2,4 ГГц дальше, чем радиостанция 433 МГц?
В электромагнитном спектре гамма-лучи и рентгеновские лучи имеют хорошее проникновение, поскольку они имеют высокую частоту?
4 ответа
Основным преимуществом более высоких частот является то, что они требуют более коротких антенн для обеспечения достойного качества приема, что важно для мобильных устройств. Они также позволяют использовать более широкую полосу для модуляции сигналов, поэтому вы можете получить более высокую частотную передачу.
Но высокие частоты более чувствительны к отражению, поэтому им будет сложнее проходить сквозь стены и препятствия в целом. В то же время они будут легче просачиваться через отверстия: эмпирическое правило состоит в том, что если у вас есть отверстие с размером волны, сигнал может протекать через него. Но в то же время вы не можете полагаться на это для хорошей передачи: поэтому я бы сказал, что предел довольно нечеткий.
Для получения дополнительной информации см. распространение прямой видимости : частота микроволн может быть преломлена меньший объект, чем более низкая радиочастота, поскольку он сильно зависит от длины волны. Сравнение возникает из-за того, что микроволны имеют спектр, который больше похож на оптические длины волн, поэтому они будут страдать от некоторых явлений, которые сохраняются для оптики.
60 ГГц), необходимых для таких применений, другие явления поглощения /отражения могут нарушать передачу: например, поглощение кислородом (в воздухе). Это сильно зависит от среды, через которую ваша волна должна пройти.
Способы взаимодействия сигналов с препятствиями сложнее, чем расчеты базовой линии: способ образования стенок или других материалов может затруднять сигналы в большей или меньшей степени в зависимости от длины волны. На более высоких частотах длины волн уменьшаются так, что они могут проходить через отверстия или структуры типа решетки, тогда как сигналы низкой частоты могут поглощаться или отражаться. С другой стороны, молекулы или составная структура материалов могут быть резонансными к конкретным частотам: например, молекулы воды резонансны в первичных узлах около 2,4 ГГц, 3,1 ГГц. Поэтому микроволновые печи обычно работают на частоте 2,4 ГГц. Это приводит к определенному диапазону помех из-за присутствия воды в листве, дождях и снегопадах и т. Д. Некоторые могут иметь опыт в этом, знают ли они это или нет: сигналы Wi-Fi могут перемещаться за пределы здания в более коротком диапазоне, когда он идет дождь, потому что сигналы поглощаются влажной листвой, стенами и воздушным пространством.
Несколько лет назад MIMO вышла из прежнего использования в оборонных и аэрокосмических радарах и коммуникациях в производство полупроводников, используемых в WiFi и мобильной связи. До этого многие топ-инженеры-разработчики скептически относились к своим преимуществам по сравнению с затратами и практичностью. Подполе беспроводной связи стало широко использоваться для беспроводной связи, коммерческих радиолокаторов и других приложений. Более высокие полосы частот оказались наиболее полезными из-за меньшего рассеяния, более прямая линия видимости обеспечивает лучшую дискриминацию /изоляцию сигнала. Это может привести к простоте и лучшему многоканальному сигналу по сравнению с более низкими полосами частот.
По разным техническим причинам сравнение более низких (средний диапазон 433 МГц) и более высокая частота 2,4 ГГц) сравнивается следующим образом: сигналы более низкой частоты движутся дальше, чем потому, что энергия выше и более концентрирована одним устойчивым образом, t легко поглощается воздухом, который состоит из большого количества влаги. Более высокая частота на частоте 2,4 ГГц способна прорезать путь через молекулярную структуру многих материалов, но это связано с тем, что влажность в свободном воздухе имеет тенденцию гасить сигнал. Высокочастотные передатчики Manu также спроектированы с частотной скачкообразной перестройкой и шифрованием. Он может найти путь через частичные препятствия более легко, чем более низкая частота, большие волны могут.
Теория радиоволн: ликбез
Думаю все крутили ручку радиоприемника, переключая между «УКВ», «ДВ», «СВ» и слышали шипение из динамиков.
Но кроме расшифровки сокращений, не все понимают, что скрывается за этими буквами.
Давайте ближе познакомимся с теорией радиоволн.
Радиоволна
Длина волны(λ) — это расстояние между соседними гребнями волны.
Амплитуда(а) — максимальное отклонения от среднего значения при колебательном движении.
Период(T) — время одного полного колебательного движения
Частота(v) — количество полных периодов в секунду
Существует формула, позволяющая определять длину волны по частоте: 
Где: длина волны(м) равна отношению скорости света(км/ч) к частоте (кГц)
«УКВ», «ДВ», «СВ»
Сверхдлинные волны — v = 3—30 кГц (λ = 10—100 км).
Имеют свойство проникать вглубь толщи воды до 20 м и в связи с этим применяются для связи с подводными лодками, причем, лодке не обязательно всплывать на эту глубину, достаточно выкинуть радио буй до этого уровня.
Эти волны могут распространяться вплоть до огибания земли, расстояние между земной поверхностью и ионосферой, представляет для них «волновод», по которому они беспрепятственно распространяются.
Длинные волны(ДВ) v = 150—450 кГц (λ = 2000—670 м). 
Этот тип радиоволны обладает свойством огибать препятствия, используется для связи на большие расстояния. Также обладает слабой проникающей способностью, так что если у вас нет выносной антенны, вам вряд ли удастся поймать какую-либо радиостанцию.
Средние волны (СВ) v = 500—1600 кГц (λ = 600—190 м). 
Эти радиоволны хорошо отражаются от ионосферы, находящейся на расстоянии 100-450 км над поверхностью земли.Особенность этих волн в том, что в дневное время они поглощаются ионосферой и эффекта отражения не происходит. Этот эффект используется практически, для связи, обычно на несколько сотен километров в ночное время.
Короткие волны (КВ) v= 3—30 МГц (λ = 100—10 м). 
Подобно средним волнам, хорошо отражаются от ионосферы, но в отличии от них, не зависимо от времени суток. Могут распространяться на большие расстояния(несколько тысяч км) за счет пере отражений от ионосферы и поверхности земли, такое распространение называют скачковым. Передатчиков большой мощности для этого не требуется.
Ультракороткие Волны(УКВ) v = 30 МГц — 300 МГц (λ = 10—1 м). 
Эти волны могут огибать препятствия размером в несколько метров, а также имеют хорошую проникающую способность. За счет таких свойств, этот диапазон широко используется для радио трансляций. Недостатком является их сравнительно быстрое затухание при встрече с препятствиями.
Существует формула, которая позволяет рассчитать дальность связи в УКВ диапазоне:
Так к примеру при радиотрансляции с останкинской телебашни высотой 500 м на приемную антенну высотой 10 м, дальность связи при условии прямой видимости составит около 100 км.
Высокие частоты (ВЧ-сантиметровый диапазон) v = 300 МГц — 3 ГГц (λ = 1—0,1 м).
Не огибают препятствия и имеют хорошую проникающую способность. Используются в сетях сотовой связи и wi-fi сетях.
Еще одной интересной особенностью волн этого диапазона, является то, что молекулы воды, способны максимально поглощать их энергию и преобразовывать ее в тепловую. Этот эффект используется в микроволновых печах.
Как видите, wi-fi оборудование и микроволновые печи работают в одном диапазоне и могут воздействовать на воду, поэтому, спать в обнимку с wi-fi роутером, длительное время не стоит.
Крайне высокие частоты (КВЧ-миллиметровый диапазон) v = 3 ГГц — 30 ГГц (λ = 0,1—0,01 м).
Отражаются практически всеми препятствиями, свободно проникают через ионосферу. За счет своих свойств используются в космической связи.
AM — FM
Зачастую, приемные устройства имеют положения переключателей am-fm, что же это такое:
AM — амплитудная модуляция
Это изменение амплитуды несущей частоты под действием кодирующего колебания, к примеру голоса из микрофона.
АМ — первый вид модуляции придуманный человеком. Из недостатков, как и любой аналоговый вид модуляции, имеет низкую помехоустойчивость.
FM — частотная модуляция 
Это изменение несущей частоты под воздействие кодирующего колебания.
Хотя, это тоже аналоговый вид модуляции, но он имеет более высокую помехоустойчивость чем АМ и поэтому широко применяется в звуковом сопровождении ТВ трансляций и УКВ вещании.
На самом деле у описанных видом модуляции есть подвиды, но их описание не входит в материал данной статьи.
Еще термины
Интерференция — в результате отражений волн от различных препятствий, волны складываются. В случае сложения в одинаковых фазах, амплитуда начальной волны может увеличиться, при сложении в противоположных фазах, амплитуда может уменьшиться вплоть до нуля.
Это явление более всего проявляется при приеме УКВ ЧМ и ТВ сигнала. 
Поэтому, к примеру внутри помещения качество приема на комнатную антенну ТВ сильно «плавает».
Дифракция — явление, возникающее при встрече радиоволны с препятствиями, в результате чего, волна может менять амплитуду, фазу и направление.
Данное явление объясняет связь на КВ и СВ через ионосферу, когда волна отражается от различных неоднородностей и заряженных частиц и тем самым, меняет направление распространения.
Этим же явлением объясняется способность радиоволн распространяться без прямой видимости, огибая земную поверхность. Для этого длина волны должна быть соразмерна препятствию.
Распространение радиоволн в среде и передача данных
Радиоволна – это взаимосвязанные колебания электрического и магнитного полей, которые способны распространяться в пространстве со скоростью света. Они обладают такими свойствами как отражение, затухание, преломление. Радиодиапазон составляют волны с длинами от 0,1 мм до 100 км. Волны короче 0,1 мм относят к оптическим, длиннее 100 км используют исключительно в научных целях.
Радиоволна и ее особенности
Радиоволна создается при изменении электрического либо магнитного поля. Для ее создания используются специальные электромагнитные генераторы. Каждая волна изначально обладает запасом энергии, которую переносит через пространство. Она может терять энергию – такой процесс называется затуханием.
Электромагнитные волны характеризуются следующими параметрами:
В зависимости от скорости изменения направления электрического (либо магнитного) поля можно определить частоту волны, которая измеряется в Герцах (Гц). Чтобы определить длину волны, необходимо знать расстояние между точками, где поле находится в одной фазе. Частота и длина волны – взаимно обратные величины. Знание длины волны очень важно для правильного выбора размера передающей антенны.
Важным свойством электромагнитных волн является то, что они не встречая сопротивления проходят через воздух и могут свободно распространяться в пространстве. Однако, если волна встречает на пути металлические объекты, а также любой другой проводящий электричество материал, то она теряет часть своей энергии, ее мощность падает, а в проводнике генерирует переменный ток. Также часть энергии волны отражается от проводника – данный принцип лег в основу радиолокации.
Дальность связи зависит от мощности передатчика генерирующего электромагнитную волну. Именно это устройство передает волне запас энергии, которую та будет расходовать при распространении. Запас будет уменьшаться при контакте с поверхностью планеты, а также при взаимодействии с различными объектами. Однако, дальность распространения будет зависеть не только от запаса энергии, но и от других свойств – в первую очередь, от длины волны.
Распространение радиоволн, расстояние и длина волны
Радиоволны распространяются в пространстве различным образом. Способ их движения в первую очередь зависит от их длины. Так, например, волны от 10 км и выше (сверхдлинные – СДВ) без труда огибают наземные препятствия как искусственного, так и естественного происхождения. Они теряют мало энергии в процессе своего распространения и затухают гораздо медленнее, чем волны других длин. По этой причине они могут перемещаться в пространстве на тысячи километров. Также они обладают высокой степенью проникновения в среду, поэтому их широко используют для исследований земной коры для нужд археологии, геологии, инженерного дела. Их применяют для исследования атмосферы планеты. Также с их помощью осуществляют связь с подводными объектами.
Километровые волны также называют «длинные» (ДВ), они составляют 1-10 км и тратят больше энергии при распространении, способны покрывать расстояния до 2000 км. Близкий к ним тип – средние (СВ) от 100 м до 1 км. Они сильнее поглощаются земной поверхностью, поэтому имеют еще меньший диапазон распространения – порядка 1000 км.
Короткие волны (КВ – 10-100 м) распространяются не далее чем на 250 км, однако обладают интересным свойством. Часть их, уходящая под большим углом к горизонту, соприкасаясь с верхними слоями атмосферы (ионосферой) отражается и направляется обратно к поверхности. Затем они снова отражаются, теперь уже от земли и снова направляются вверх. Распространяясь таким образом короткие волны могут несколько раз обойти вокруг планеты. Ионосфера теряет свою отражательную способность в ночное время, поэтому связь на коротких волнах в это время суток будет хуже.
Длина ультракоротких волн (УКВ) составляет от 1 см до 10 м, к ним относятся метровые (МВ), дециметровые (ДМВ), сантиметровые (СМВ). Они успешно преодолевают ионосферу не отражаясь от нее. Они уходят выше и применяются для исследования свойств облаков, наблюдения за птицами, определения координат самолетов. Но так как отсутствует эффект отражения, они не могут огибать планету и радиосвязь с их помощью ограничена расстоянием в 200-300 км. С помощью специальных антенн УКВ собирают в «пучок», усиливают и отправляют в указанном направлении, что широко используется при обеспечении спутниковой связи, а также в радиолокации.
Миллиметровые волны (ММВ) во многом схожи с УКВ, однако для них серьезной помехой служат атмосферные явления, такие как дождь, снег, туман, облака. За счет ММВ обеспечивается работа высокоскоростной радиорелейной связи. Они нашли свое применение в быту, их используют в медицине, они пригодились в радиоастрономии.
Оборудование применяемое для передачи радиоволн, способы увеличения дальности
Радиосвязь – быстрый и относительно надежный способ передачи данных на большие расстояния. При этом нет необходимости в использовании физического носителя, например проводов.
Свойства волн разной длины напрямую влияют на их применение для обеспечения радиосвязи. Кроме того, на качество передачи информации с их помощью влияют следующие факторы:
Процесс приема-передачи информации с помощью радиоволн состоит из следующих основных этапов:
Чтобы реализовать обмен информации необходимо чтобы у принимающей и передающей стороны в наличии было следующее оборудование:
Две простейшие радиостанции, как правило, могут обмениваться информацией на очень небольших расстояниях. Чтобы значительно увеличить зону покрытия, необходимо использовать один из следующих методов:
Применяется несколько способов радиосвязи, для каждого из которых используется специфическое оборудование. Три наиболее распространенных вида:
Сотовая связь
При ее использовании сигнал идет от передатчика к приемникам, расположенным на одинаковом расстоянии друг от друга. Они образуют гексагональную фигуру, которую называют «сота». Такое построение сети позволяет обеспечить в области покрытия высокое качество сигнала, которое будет определяться количеством приемников расположенных рядом с местом приема или передачи. В настоящее время этот вид связи является наиболее популярным и чаще всего используемым. Роль приемника и передатчика здесь играет персональный телефонный аппарат. Основное преимущество сотовой связи – обеспечение высокой мобильности абонента.
Радиорелейная связь
Вид радиосвязи, осуществляемой с помощью цепочки передающих станций, находящихся в прямой видимости их антенн. Работают в дециметровом и сантиметровом диапазонах. Возможна одновременное функционирование большого количества передатчиков. Уровень индустриальных и атмосферных помех радиоприему в ДМ и СМ диапазонах низкий. Главный недостаток – ограниченное расстояние передачи и высокая степень зависимости от коммуникационной инфраструктуры – сети ретрансляторов.
Как правило на передающих станциях размещается большой комплекс передающих устройств, находящихся в едином техническом здании. Они применяют общие источники электроэнергии, антенны и их опоры. На каждом объекте создается несколько стволов связи, что позволяет значительно повысить пропускную способность станции, что позволяет реализовать многоканальную связь.
Спутниковая связь
Данный вид – это следующий этап развития радиорелейной связи. Вместо наземной коммуникационной сети используются спутники, расположенные на околоземных орбитах. Радиосигнал сигнал передается со специализированной станции, находящейся на поверхности планеты на космический аппарат. Здесь он обрабатывается, усиливается и отправляется либо на принимающую наземную станцию, либо на другой спутник, находящийся в радиусе действия. Главным достоинством данного вида связи является возможность передавать информацию в любую точку планеты – независимо от ее местоположения: на суше, в полярных льдах, посреди океана.
Сферы применения
Возможность практически мгновенной передачи информации на любые расстояния создает широкие возможности использования во всех сферах деятельности человека. Радиосвязь успешно применяется в следующих отраслях:
Также широкие возможности коммуникации являются неотъемлемым инструментом практически любого современного бизнеса. При помощи беспроводной связи можно успешно решать вопросы управления удаленными объектами.
Алгоритмы кодирования и декодирования, методики защиты информации
При передаче сообщений посредством радиоволн, необходимо преобразование обычной звуковой информации. Изначальный сигнал подвергается нескольким последовательным трансформациям, в том числе кодируется. Затем передается. А на принимающем устройстве осуществляется его декодирование и преобразование в аналоговую форму.
Кодирование сигнала при радиопередаче используется для нескольких целей. Одна из них – повышение помехоустойчивости. Это необходимо, так как на радиосигнал во время его перемещения воздействуют различные физические явления. Они могут изменять данные, вносить в них ошибки. Поэтому к каждому сообщению добавляют определенное количество битов, между значениями которых имеется заданная алгебраическая взаимосвязь. Анализ этих данных с помощью встроенного декодера дает возможность системе обнаружить и исправить ошибки, возникшие при передаче радиосигнала.
У силовых ведомств, частных служб охраны и безопасности, а также других организаций возникает необходимость защитить данные от несанкционированного доступа. Применяется два основных метода: дискретизация с шифрованием, а также аналоговое скремблирование.
Дискретизация с шифрованием объединяет наиболее прогрессивные методы закрытия речи связанные с переводом сигнала в цифровой вид. Используются различные криптографические алгоритмы. Чаще всего применяются вокодеры с линейным предсказанием речи (ЛПР). Кусочно линейная аппроксимация процесса является основой используемого алгоритма. Каждый кодируемый фрагмент представляет собой линейную функцию от фрагментов предыдущих. Речевая информация задается тремя параметрами: периодом основного тона, амплитудой, решением «тон/шум».
В целом же существует два основных подхода к шифрованию речи, передаваемой в цифровом виде:
В средствах аналогово связи защита данных достигается за счет использования аналоговых скремблеров. Они трансформируют первоначальный звуковой сигнал в неразборчивую смесь звуков, что не позволяет злоумышленникам понять смысл передаваемых данных. Применяются следующие виды преобразования:
Одним из критериев оценки эффективности работы скремблера является остаточная разборчивость – это параметр характеризует возможность дешифрации данных техническими средствами и оценивается в процентах восстановленной информации. При простых и недорогих методах защиты может составлять от 10 до 50%. Другой критерий – качество сигнала восстановленного в принимающем устройстве. Достаточным качеством является сигнал, который позволяет без труда выделить голос и понять смысл сообщения.
Частоты и каналы
Классификация радиоволн подразумевает разделение на 8 типов по длине и частоте:
Для переговоров в РФ разрешены следующие диапазоны частот:
Остальные диапазоны законодательно запрещены к использованию. Они выделяются для служебных нужд различных ведомств и их использование может повлечь за собой административное или уголовное наказание – в зависимости от тяжести последствий несанкционированного вмешательства.
Для удобства общения, чтобы максимально упростить использование радиосвязи, были выделены определенные частоты. Они были пронумерованы так, что их стало не сложно запомнить и настроить. Эти номера и называют – каналы радиосвязи. Во многих простейших моделях раций нет ни клавиатуры, ни ручек настройки для установки произвольной частоты – только кнопки позволяющие переключать каналы. Таким образом рацией может пользоваться любой человек и ему не нужно знать что такое частоты, LPD или PMR, достаточно перещелкнуть рацию на заданный канал и успешно ею пользоваться.
Субтоны являются дополнительным средством, позволяющим разделить разговоры различных абонентов в рамках одного канала. Настройка данного параметра позволит аппарату отфильтровывать сообщения и выдавать в эфир только те, которые совпадают с заданным субтоном. Существует два вида таких сигналов: QT/DQT и CTCSS.
Связь с помощью радиоволн – один из основных способов обмена информацией в современном мире. Существует большое разнообразие различных методов их применения. Они широко используются для радио и телевещания, для исследования, обеспечения дальней связи, повседневной коммуникации, а также для организации деятельности различных специальных служб: охранных подразделений, полиции, пожарных, медицинской службы. Все типы радиоволн находят себе применение в деятельности человека.