NFM и SSB: где и почему?

3 3882
+2

NFM и SSB: где и почему? 

Ни для кого не секрет, что на УКВ среди прочих видов аналоговой модуляции тихо и скромно на верхней ступеньке пьедестала прочно «прописалась» узкополосная частотная (NFM; полоса преимущественно 12 или 25 кГц), безусловно, обладающая неоспоримыми плюсами, но - и минусами относительно той же SSB (полоса менее 3 кГц), которая доминирует на КВ.

Почему так - попробуем детально разобраться в вопросе, не апеллируя к фактам, справедливо кажущимся совершенно очевидными. Мы даже не будем их заранее упоминать.

 

Лучше рассмотрим:

-утилитарную приземную связь (профессиональную и гражданскую; сюда же можно отнести «местную» радиолюбительскую);

-дальнюю связь (радиолюбительский DX-инг на КВ, связь аварийная и условно-«экспедиционная», в том числе дальняя морская). То есть рассматриваем только непосредственный канал «точка - точка», без применения средств техногенной космической ретрансляции, которая в «непрофессиональных» и «некоммерческих» условиях предполагает сеансовый режим, и эти сеансы - вкупе с азимутами и углами места ретрансляторов на небосводе - нужно еще вычислять и «вести», если используются узконаправленные антенны. Да еще учитывать доплеровский сдвиг частоты, о чем мы по ходу дела поговорим.

 

Несколько особняком от рассмотренных типов связи отстоят:

-прямая радиосвязь с быстро движущимися космическими объектами;

-аварийная радиосвязь с высоко летящими объектами (при мощности передатчика в пару ватт и полуметровой антенне, с земли абсолютно реальна дальность стабильного голосового радиоканала по крайней мере от 30...40 до 120 км при высотах воздушного судна соответственно от 2...3 до 10 км над непересеченной поверхностью земли даже из леса, и гораздо дальше - над водной гладью);

-утилитарная и условно-«экспедиционная» радиосвязь с радиусом в несколько сот километров без «мертвой» зоны;

-любительскийDX-инг на УКВ.

 

Начнем:

Утилитарная приземная голосовая связь предполагает прежде всего ее стабильность, высокую разборчивость и в большинстве случаев требует весьма ограниченной дальности от сотен метров в городской застройке и максимум в 10...15 км на открытой местности.

Для следования естественной тенденции к портативности массовых радиостанций при приемлемых параметрах малогабаритных антенн, в разы более короткие длины волн на УКВ (в крайнем случае - «верхние» КВ в ипостаси СиБи) подходят как нельзя лучше.

Куда меньшая стоимость реализации «в железе» NFM-трансиверов, нежели SSB-решений (вкупе с более низкими требованиями по стабильности частоты), а также более высокая разборчивость и помехозащищенность речи при относительно больших сигналах в сравнении с уровнем шумов, да плюс значительная ширина рабочих диапазонов, позволяющая иметь достаточное множество каналов для одновременно работающих на ограниченной территории радиосредств с канальной полосой 10 кГц (СиБи), 12 кГц (участки радиолюбительских УКВ-диапазонов; «гражданский» PMR), и 25 кГц (УКВ как  для «профи», так и «гражданский» LPD) - все это и есть ключевые причины, которые обусловили наиболее бурное развитие именно узкополосной частотной модуляции в рассматриваемом сегменте связи.

Но это явно не всё.

«Скученность» растущей массы радиосредств на ограниченной территории привела к появлению наиболее просто реализуемой технологии избирательного вызова, а именно - субтонального кодирования, позволяющего не реагировать на «чужие» вызовы при использовании одной и той же частоты (что, правда, потребовало и еще одной дополнительной функции: запрета передачи, когда частота занята кем бы то ни было и эксплуатационно сравнимому с классическим телефонным: «абонент занят»).

Заметим, что разные по условным номерам субтоны, имеющие конкретные частоты в интервале ниже 300 Гц (и не пропускаемые УНЧ приемника), физически отстоят друг от друга всего на несколько герц. А теперь представьте, что произойдет, если вы с активированной функцией определения субтона, на SSB принимаете сигнал, этим субтоном оснащенным, но со сдвигом подавленной несущей вызывающего вас передатчика всего на десяток герц? Правильно: вы ничего не услышите, потому что к частоте субтона прибавится и частота сдвига, превратив его в совершенно другой субтон, который ваш приемник определит как «чужой» и не включится.

А вот при частотной модуляции такого не произойдет, так как даже достаточно большое, исчисляемое сотнями герц, отличие несущих приемника и передатчика повлияет лишь на уровень нелинейных искажений демодулированного сигнала. По той причине, что текущая амплитуда усиленного микрофонного сигнала в частотном модуляторе на стороне передачи приводит к пропорциональной этой амплитуде девиации (изменению текущей частоты относительно несущей), и именно с частотой модулирующего сигнала как параметра скорости девиации. Очевидно, что при несовпадении несущих на приеме и передаче никакого влияния на указанную скорость девиации не произойдет, и в итоге мы получим на выходе приемника спектр голосовых и субтональных сигналов в абсолютной точности с исходным, который был на стороне передачи.

Пожалуй, причина применимости именно на NFM наиболее простой системы идентификации «свой-чужой» в виде субтонов (для количественного пользовательского «уплотнения» в разы на одном диапазоне) в рассматриваемом сегменте утилитарной и массовой приземной голосовой связи была не менее весомой при выборе этого вида модуляции, нежели относительная простота его организации «в железе». Ну, а если еще вспомнить о том, что таким же макаром, как и субтоны, посредством NFM можно в различных целях передавать и сигнализацию DTMF, и сигналы с двухчастотным кодированием данных (MSK, GMSK)...

 

Впрочем, идем дальше.

Радиолюбительскийглобальный DX-инг и дальняя экспедиционная/аварийная голосовая связьпредполагают установление радиоканала «любой ценой» на пороге разборчивости конечного анализатора, лучшим из которых является слуховой аппарат человека. Предполагается возможность установления связи номинально с любой точкой земной поверхности. Либо (в аварийной ситуации или экспедиции) - с некоторыми ограничениями по дальности при малом полезном сигнале, когда вынужденно применяются «неподходящая» или ненастроенная антенна, слабый передатчик, или имеются критические условия существования дальнего прохождения.

Раз дистанция измеряется тысячами километров при одновременном требовании (аварийная ситуация/экспедиция) установления радиосвязи в произвольный момент времени - УКВ тут просто не вариант. «Верхние» КВ для регулярной экспедиционной/аварийной связи - тоже, т.к. возникновение дальнего прохождения радиосигнала на них сильно зависит от стадии цикла солнечной активности и связанным с ним ростом максимально применимой частоты отражения сигнала от ионосферы, МПЧ  (это можно наглядно лицезреть, заглянув сюда:http://www.voacap.com/prediction.html).

Так что мы ограничиваем себя «нижними» КВ-диапазонами с длинами волн до 20 метров (14 МГц) и весьма скромной по сравнению с УКВ принципиально возможной к применению полосой частот, да еще чтобы ее хватило на всех в мире; ибо радиоканал посредством отражения от ионосферы будет иметь глобальную или как минимум континентальную географию начиная с мощностей передатчика буквально от нескольких ватт при использовании полноразмерных антенн. То есть - упираемся в необходимость использования принципиально узкополосных частотных «делянок». Видим, что NFM, «широкий» относительно однополосной модуляции, тут уж никак не подходит.

Именно здесь уместно вспомнить про утилитарую и условно-«экспедиционную» голосовую радиосвязьс радиусом преимущественно до двух-трех сотен километров без «мертвой» зоны, так как она стабильно возможна с применением исключительно зенитного отражения от ионосферы «нижнего» КВ в диапазоне частот главным образом 3...8 МГц и имеет суточную зависимость по общему правилу: «нижние частоты - темное время суток, верхние - светлое».

Далее названного радиуса (конечно, если вы работаете на «правильную» зенитную аненну) ваш сигнал практически не распространяется, а под площадью «купола» отражения плотность радиостанций невелика. Казалось бы, в таком случае можно использовать и «широкий» NFM с его замечательной разборчивостью. Однако, стационарные антенны зенитного излучения (АЗИ, или NVIS) «нижнего» КВ, для «стрельбы» исключительно в зенит, с противоположной стороны должны иметь слишком близкую по отношению к длине волны землю (ближе десятой ее доли), и потому не обладают высоким КПД, неизбежно «грея» землю частью излучения. Еще более низок на передачу КПД компактных возимых рамочных АЗИ, обладающих сопротивлением излучения в доли ома, приводя к сложностям согласования таких антенн без значительных потерь с передающими трактами радиостанций. К тому же, компактные КВ-рамки требуют высокой точности настройки из-за своей узкой рабочей полосы, исчисляемой всего десятками килогерц. Так что без «надрыва» передатчика (особенно если он полевой, с ограниченной энергией электропитания), про зенитную связь на NFM следует забыть (не практикуется также и по причинам частотно-разрешительного характера). Куда продуктивней избрать SSB, обладающей относительно NFM многократной реальной спектральной мощностью полезного сигнала при той же мощности передатчика, причем абсолютно даром (очень грубая прикидка без учета деталей: делим типовую полосу модуляции NFM в 12 кГц на типовую полосу SSB 3,0 – 0,3 = 2,7 кГц и получаем значение выше 4-х, или 6-ти дБ).

 

Совсем другой расклад – при организации стабильной прямой голосовой радиосвязи с быстро движущимися космическими объектами (например, с экипажами МКС и космических кораблей), которая чисто физически возможна исключительно на УКВ, так как даже на «верхних» КВ, при повышении МПЧ, что случается иногда и на частотах выше 30 МГц, да при радиоканале под малым углом к горизонту, радиолуч просто не «проткнет» ионосферу, а целиком от нее отразится.

УКВ выше по крайней мере 100 МГц этому принципиально не подвержено и «протыкает» ионосферу насквозь при любых условиях. Исключение - лишь редко и сезонно возникающие южнее 50-й параллели «пятна» сгустков ионизации спорадического (т.е.возникающего нерегулярно) E-слоя ионосферы (Es), от которого отражается УКВ-сигнал в случае его прихода под малым углом.

Однако, нужно помнить о том, что космический «быстролет» будет приводить в зоне прямой его видимости с земли к значительному (максимум - до 3,8 кГц на подлете и столько же минус - на отлете) доплеровскому сдвигу частот даже близ частоты радиоканала 150 МГц (счет пойдет на пропорционально более значительные величины сдвига при более высоких рабочих частотах).

Как вы думаете, комфортно ли вам будет использовать SSB, если «доплер» будет постоянно сдвигать рабочую частоту при курсах, даже довольно далеких от зенитного по отношению к вам, на несколько десятков герц каждые несколько секунд, то есть непрерывно «роботизируя» звук голоса оператора с космического аппарата вплоть до полной неразборчивости? NFM же, относительно «лояльный» к сдвигу частоты при демодуляции и в пару килогерц от несущей, в этом случае выглядит кардинально выигрышней.

Пожалуй, к месту теперь поговорить об аварийной радиосвязи дальнего радиуса действия с высоко летящими объектами. Есть для этого «классическая» УКВ частота авиапоиска 121,5 МГц. Тут бы естественным образом увидеть FM, поскольку максимальный «доплер» при связи по аварийному каналу с магистральным самолетом, летящим на курсе, проходящем у вас над головой и скорости, скажем, 900 км/ч, на указанной радиочастоте будет составлять около 100 Гц. Это уже прилично заметно на SSB. К тому же, аварийные радиосредства должны предполагать пониженные требования к стабильности удержания частоты, поскольку возможна их эксплуатация при широчайшем разбросе температур. Но - чисто исторически - УКВ-авиадиапазон работает на АМ, при которой амплитудный детектор оперирует огибающей несущей, амплитуда которой изменяется согласно скорости изменения амплитуды модулирующего голосового сигнала. Это, как и в случае модуляции частотной, позволяет особенно «не замечать» изменений в качестве демодулируемого сигнала при доплеровском и любом другом сдвиге частоты до первых сотен герц расстройки.

 

Что у нас осталось? Пожалуй, самое «неутилитарное»: УКВ-DX-инг. Причем даже учитывая то, что такие виды организации дальних радиоканалов на УКВ, как использование отражения от ионосферных сгустков (ионо или FAI), отражение от следов метеоров (Ms), авроральное отражение и связь с отражением от Луны (EME) по разным, но объективным причинам непригодны или крайне малопригодны для проведения QSO голосом.

Собственно, остались лишь «тропо» (родственное «повседневной» атмосферной рефракции в нижнем слое атмосферы, которая особенно явственно проявляется в предрассветные часы, позволяя на УКВ слышать «загоризонтные» радиостанции на расстоянии ста или чуть более километров, что DX-ингом не назовешь). И - уже упоминавшееся Es.

 

«Пятна» изредка и сезонно (чаще - с мая по август, во второй половине дня) возникающего на высотах около ста километров спорадического E-слоя - прекрасный отражатель при падении на них сигнала УКВ под малым углом. Поэтому для осуществления дальних связей посредством Es не требуется значительной энергетики радиостанции ни в одной ее ипостаси, а именно:

-мощности передатчика;

-чувствительности приемника, в том числе выражаемой и в стремлении к максимальному сужению его полосы и соответствующей таковой модуляции SSB;

-применении максимально узконаправленной антенны с сопутствующими ей высоким усилением и значительными габаритами.

Дальность связи фактически имеет чисто геометрический предел, обусловленный высотой отражателя и радиусом земной сферы (примерно 6370 км). Для высоты в 100 км Es-облака и луче излучения в единицы градусов над горизонтом, это будет дистанция до 2250 км.

NFM и SSB: где и почему?

 

Используя достаточно мощные передатчики (десятки ватт), повышенную чувствительность SSB (в конце статьи будет расчет от выгоды ее применения на стороне приема) и направленные антенны с усилением децибел 10...12 и более, за счет дополнительной загоризонтной рефракции названную выше дистанцию можно увеличить еще процентов на 10...15.

У вас всего лишь 5-ваттная «портативка», в которой не найти ничего, кроме NFM? С Es - это не приговор, если вы хотите почувствовать себя DX-мэном.

Для дистанций по крайней мере до 1000 км смело можно использовать и ее, «пристегнутую» коротким кабелем к 3...4-элементной «балконной» Yagi, чему автор как-то был свидетелем. Проверим расчетом: в теории энергетика излучения для распространения сигнала в свободном пространстве на тысячекилометровую дистанцию (вполне наш случай), скажем, на частоте 145 МГц, при уровне мощности с выхода передатчика 5 Вт (+37 дБм), скромном усилении передающей и приемной антенн по 6 дБ (в сумме +12 дБ), потерях в фидере на приеме и передаче по одному дБ (итоговое -2дБ), даст на входе приемника мощность -89 дБм (7,5 мкВ на 50 омах). Это превосходит реальную чувствительность «массовой» NFM-УКВ радиостанции как минимум на 28...30 (!) дБ, которые мы можем спокойно «разбазаривать», включая возможность потерь при относительно невысоком проценте отражения сигнала от Es-облака. Главное, чтобы близко от створа диаграммы антенны не было солнца - естественного и очень мощного источника шума.

Три нюанса: антенну лучше повернуть по оси траверсы на угол, близкий к 45 градусам, т.к. при Es-отражении поляризация не сохраняется; антенна выше хотя бы нескольких градусов по углу места должна иметь чистый горизонт в направлении на «отражатель»; при возникновении Es-облака на 50-й параллели (что не предельная редкость) и даже точно на вашей долготе, у вас практически нет шансов им воспользоваться, если вы выше параллели 60-й.   

 

Что касается DX-инга на УКВ голосом посредством «обычного» «тропо», то ему соответствуют типовые дальности 300...400 км. Поляризация - горизонтальная. Максимум диаграммы направленной антенны - вдоль горизонта.

Поскольку это просто сильное «загибание» сигнала в атмосфере к земле (рефракция), а не его рассеяние на неоднородностях, существенного затухания сигнала не наблюдается, и во многих случаях вполне можно использовать хоть NFM-«портативки» с направленными антеннами.

Такое прохождение часто сопутствует приходу антициклона (ясной сухой погоды после ненастной), причем вдоль атмосферного фронта. Если время перехода фронтов сопровождается ветром - пока он не стихнет, «тропо» едва ли появится.

Кстати, указанная дальность связи в 300...400 км безо всяких метеорадарных исследований, чисто из соотношения длины «скачка», его относительно плавной кривой и геометрии Земли, указывает на то, что высота «перегиба» рефрагирующего сигнала никак не может быть выше 2 км над поверхностью.

Весьма редкое и до сих пор не очень-то изученное для хоть как-то достоверного прогнозирования канальное «тропо» (многократные «скачки» сигнала либо в атмосферу и к поверхности, либо в атмосфере между ее слоями как в волноводе) также сопровождается малым затуханием, что принципиально позволяет даже с малой мощностью и NFM «перешагнуть» тысячекилометровый интервал. Однако, конечно же, интересней использовать куда более энергетичную SSB-модуляцию и передатчик помощнее, так как становятся реальными QSO и на несколько тысяч километров.

Для тех, кто не знает: есть серьезный, прогнозирующий «тропо» ресурс http://www.dxinfocentre.com/tropo_eeu.html 

Вид прогноза  (на ближайшие двое суток из 6-ти индицируемых - весьма точный) выглядит так:

NFM и SSB: где и почему?

 

Некоторые общие замечания:

На КВ шумы эфира (от космических до индустриальных) существенно превосходят собственные шумы современных приемных трактов. Поэтому реальная чувствительность приемного тракта будет определяться именно уровнем эфирных шумов в ширине спектра модуляции. Так что среди голосовых аналоговых ее видов самой чувствительной и «разборчивой» (при величине полезного сигнала с уровнями 9...12 дБ над шумами в полосе порядка 3 кГц) объективно будет самая «узкая» из аналоговых голосовых видов модуляции, то есть - SSB (вполне оптимальна даже полоса 300...2700 Гц с некоторым подъемом верхних частот и резким спадом за ними). А вот с уровнями сигнала по мощности в несколько  раз выше, по разборчивости потихоньку начинает превосходить NFM как наименее подверженная паразитным амплитудным изменениям полезного сигнала.

На УКВ подобная «конкуренция» сохраняется, но с той разницей, что здесь совокупные шумы радиотракта определяются не «тихим» тут эфиром, а шумовой характеристикой первого усилительного элемента приемного тракта. Потому-то именно на УКВ так важно использовать во входном каскаде приемника малошумящий компонент.

 

Вот уж кстати: видели в рекламах NFM-портативок данные, что чувствительность по приему составляет 0,18 мкВ при коэффициенте шума 1 дБ (для GaAs-полупроводников может быть и ниже) и соотношении сигнал/шум 12 дБ SINAD?

А давайте проверим, может ли такое быть в стандартной «любительской» NFM-полосе, равной 12 кГц.

Дело в том, что существует «природная» шумовая константа -174 дБм/Гц при примерно «комнатной» температуре. Для полосы в 12 кГц мы получим следующий уровень шума:

-174 + 10 lg (12000 Гц) = -133 дБм.

С учетом заданного соотношения сигнал/шум 12 дБ при не напрягающих слух искажениях (это и есть SINAD), и коэффициента шума приемного тракта 1 дБ получим уровень входного сигнала:

-133 + 12 +1 = -120 дБм. Осталось пересчитать это значение мощности в микровольты на входное сопротивление приемника, равное 50 Ом:

UмкВ = 1000000 х Корень(50 Ом х 10 в степени ((-120 дБм - 30)/10)) = 0,22 мкВ.

Так что по чувствительности нам малость приврали, но не намного: менее, чем на 2 дБ.

Кстати, приSINAD, для SSB принятым 10 дБ, в полосе порядка 3 кГц на УКВ мы бы имели уровень шума -139 дБм и чувствительность при том же 1-децибельном коэффициенте шума приемника 0,09 (!) мкВ.

Как говорится, почувствуйте разницу...

...в приросте почти 8 дБ по чувствительности относительно NFM!

Правда, не обольщайтесь, что вам удастся поработать на SSB голосом с таким уровнем сигнала даже на большом удаления от техногенных источников шумов, с батарейным питанием трансивера и при ночном безлунном небе. Потому что величина только лишь галактических шумов при малом угле направленности антенны над горизонтом - по крайней мере в VHF-диапазоне - скорее всего превзойдет вычисленное значение.

NFM и SSB: где и почему?

 

Однако, при всех прочих обстоятельствах, сигнальный 8-децибельный выигрыш SSB относительно NFM на приеме - все равно останется.

 

DIM


Источник | Опубликовал: DIM


и поделитесь с друзьями в соц сетях:


Комментарии (3)

  1. Олег
    Репутация: (1|1|0)

    Спасибо за интересный материал!

    Очень познавательно.

    На указанном сайте не смог увидеть прогноз... только прошедшие дни.

    1. DIM
      Репутация: (6|6|0)

      Там прямо по карте нужно щелкать мышкой. Пойдут вперед дата, UTC и прогнозируемые очертания "тропо"


      --------------------

Добавить комментарий

Похожие новости