1. Цель
Этот интерактив — про то, как радиоволна выбирается из передатчика, что с ней происходит по дороге и почему разные диапазоны ведут себя по-разному.
После прохождения вы сможете:
- по частоте определить диапазон, длину волны и место на шкале ЭМ излучений;
- объяснить, почему ДВ огибает холм, а Wi-Fi за тем же холмом не работает;
- объяснить, почему КВ слышно за тысячи километров, а УКВ — только в прямой видимости;
- выбрать диапазон под задачу (подводная связь, вещание, мобильная, спутник);
- объяснить, чем амплитудная, частотная и фазовая модуляции отличаются и где какая применяется;
- объяснить, как направленная антенна, ППРЧ и экранирование снижают риск перехвата и подавления.
2. Актуализация: волна и шкала
Колеблющийся заряд создаёт переменное электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве со скоростью света. Частота f и длина волны λ связаны: λ = c / f, c = 3·10⁸ м/с.
Двигайте ползунок — частота, длина волны и энергия кванта меняются вместе.
Видимый свет — узкая полоска в середине шкалы. Глаз видит только её.
3. Определения для тетради
- Электромагнитная волна
- Распространяющееся в пространстве переменное ЭМ поле. В вакууме c = 3·10⁸ м/с.
- Длина волны
- λ = c / f, [м]. Частота f, [Гц].
- Модулирующий сигнал
- Низкочастотный сигнал, содержащий информацию. Обозначение Fм, [Гц].
- Несущая
- Высокочастотное колебание, переносящее сигнал. Обозначение fc, [Гц].
- Амплитудная модуляция (АМ)
- Амплитуда несущей меняется по закону сигнала. Полоса B = 2Fм.
- Частотная модуляция (ЧМ)
- Частота несущей меняется по закону сигнала, амплитуда постоянна. Девиация Δf. Индекс β = Δf/Fм. Полоса по Карсону B ≈ 2(Δf + Fм).
- Фазовая модуляция (ФМ)
- Фаза несущей меняется по закону сигнала, амплитуда постоянна. Индекс β. Полоса B ≈ 2Fм(β + 1).
- Дифракция
- Огибание волной препятствий, соизмеримых с λ.
- Ионосфера
- Ионизированные слои атмосферы (D, E, F), отражающие КВ.
- Радиогоризонт
- d ≈ 3.57·(√h₁ + √h₂) км, h₁,h₂ — высоты антенн в метрах.
Переход не блокируется: не записали — вернитесь позже. Определения короткие, в тетрадь, не для чтения.
4. Амплитудная модуляция (АМ)
Информацию переносит не сама несущая, а её изменение. Передатчик формирует высокочастотную несущую, модулятор накладывает на неё сигнал, антенна излучает. Приёмник отделяет сигнал обратно.
Модулирующий сигнал Fм — низкочастотный, содержит информацию. Несущая fc — высокочастотная, переносит её. При амплитудной модуляции амплитуда несущей меняется по закону модулирующего сигнала. Значит огибающая АМ-сигнала повторяет Fм, а заполнение под ней — это несущая fc. Глубина модуляции m — насколько сильно, полоса B = 2Fм.
Верхний график — модулирующий сигнал F_м (зелёный). Средний — несущая f_c (синяя). Нижний — АМ-сигнал: красная огибающая точно повторяет верхний график (F_м), заполнение под ней — несущая f_c, то же число осцилляций, что на среднем. При движении F_м меняется только огибающая. При движении f_c — только число осцилляций несущей.
5. Частотная модуляция (ЧМ)
В АМ меняется амплитуда несущей, а частота постоянна. В ЧМ наоборот: амплитуда постоянна, а частота несущей меняется по закону модулирующего сигнала. Информация заложена в отклонении частоты от среднего значения — в девиации.
Девиация Δf — максимальное отклонение мгновенной частоты от несущей. Индекс модуляции β = Δf / Fм. Полоса по Карсону: B ≈ 2(Δf + Fм).
Верхний — модулирующий F_м. Средний — несущая f_c без модуляции (для сравнения). Нижний — ЧМ-сигнал: амплитуда постоянна, но осцилляции сгущаются при положительной полуволне модулирующего и разрежаются при отрицательной.
6. Фазовая модуляция (ФМ)
В ФМ амплитуда тоже постоянна, но меняется не частота, а фаза несущей — она сдвигается вперёд-назад по закону модулирующего сигнала. Внешне похоже на ЧМ, но отличие принципиальное: в ЧМ мгновенная частота пропорциональна модулирующему (sin), а в ФМ сама фаза пропорциональна модулирующему. Значит, мгновенная частота в ФМ меняется по производной — по cos, со сдвигом π/2.
Индекс модуляции β — максимальный сдвиг фазы в радианах. Полоса: B ≈ 2Fм(β + 1).
Верхний — модулирующий F_м. Средний — несущая f_c без модуляции. Нижний — ФМ-сигнал: амплитуда постоянна, фаза смещается вперёд-назад — видно, как осцилляции сдвигаются вправо-влево в такт с модулирующим, но частота меняется не в фазе с ним, а со сдвигом π/2.
7. Распространение: дифракция и прямая видимость
Волна огибает препятствие, если её длина соизмерима с препятствием. Если λ много меньше — за препятствием тень.
Передатчик и приёмник на земле, по 10 км от препятствия. Меняйте λ и высоту препятствия h — смотрите, как меняется волновое поле и что доходит до приёмника.
Шаг волновых фронтов = λ в масштабе экрана: при λ много меньше h фронты мелкие и за препятствием гаснут, при λ ~ h фронты крупные и огибают. Модель ножевого края (ITU-R P.526).
8. Ионосфера: отражение и поглощение
Ионосфера — ионизированные слои атмосферы. Радиоволна может отразиться от них, пройти сквозь или поглотиться — это зависит от частоты и от солнечной активности (чем она выше, тем ионизация сильнее).
- D (60–90 км)
- Существует только днём. Поглощает ДВ/СВ и нижние КВ. Ночью исчезает.
- E (90–120 км)
- Отражает СВ и нижние КВ. Днём ионизация выше — слой плотнее и чуть выше.
- F (150–400 км)
- Основной слой для КВ. Ночью ниже (~250 км), днём выше (~400 км). Выше слой — дальше точка отражения и приёма.
Солнечная активность: 0% — ночь, 100% — полдень. Угол выхода луча фиксирован (50° от вертикали). При росте активности слой F поднимается — точка отражения на слое и точка приёма на Земле сдвигаются вправо. Поверхность Земли изогнута; вертикальный масштаб увеличен для наглядности.
9. Тренажёр диапазонов
Выберите карточку, затем нажмите на корзину. Верно — карточка встанет на место с пояснением.
10. Применение и ИБ: атака и защита
Распространение волн — это ещё и зона перехвата. Чем шире зона, тем больше возможностей у «красных».
Связь с триадой КЦД: перехват — конфиденциальность, подавление — доступность, имитация — целостность.
11. Проверка
Девять вопросов. После ответа — пояснение. Оценка — за первую попытку.