Rövid bevezető a rádiózásba #1

Rövid. Tényleg rövid.

Mi a rádió?

A rádió egy jeltovábbításra használt technológia. Legyen a térben egy adó, küldő pont, itt van a rádióadóm, ahol van egy U_a(t) ( időben változó feszültségű adat, alapsávi ) jelem. Ezt a jelet kell eljuttatnom a tér vevő, fogadó pontjára, ott van rádióvevőm.

• Az úgy kezdődött, hogy Maxwell James Clerk [1831..1879=48] 1864-ben bemutatta egyenleteit . Ezeknek megoldásaként kijött az elektromágneses hullám, sebességére a fénysebesség ( 299 792 458 m/s ). Tudósságának nagyságát jelzi, hogy mértékegységet neveztek el róla.
• Hertz Heinrich Rudolf [1857..1894=36] 1886-ban szikrázó kísérlettel mutatta ki az elektromágneses hullámokat. Igen, a frekvencia mértékegységét róla nevezték el.
• Marconi Guglielmo [1874..1937=63] következett. 1894-ben volt első sikeres kísérlete. Mértékegység helyett fizikai Nobel-díjat kapott 1909-ben.
• Károly Iréneusz József [1854..1929=75] is kísérletezett. 1895-ben demonstrált rádiózást.
• Попов Александр Степанович ( Popov Alexander Stepanovich ) [1859..1906=46] 1896-ban mutatta be rádióját.

A rádió a jel továbbítására elektromágneses hullámok egy, frekvenciában körülbelül 3 Hz-től 3 THz-ig ( hullámhosszban 100 Mm-től 100 μm-ig ) terjedő részét használja. Az ugye megvan, hogy a frekvencia ( f ) és a hullámhossz ( λ ) szorzata a terjedési ( fény- ) sebesség ( c )? \( f \cdot \lambda = c \) . Számolóim: f λ .

• f: frekvencia, [f] = hertz = Hz
• λ: hullámhossz, [λ] = méter = m
• c: fénysebesség, [c] = méter/másodperc = m/s , c = 299 792 458 m/s

§

A rádiózás és környéke engedélyköteles. Többféle engedély van, például gyártási, előállítási, átalakítási, importálási, forgalomba hozatali, üzemben tartási, ideiglenes. Legegyszerűbben típusengedélyes rádiót ( műsorvevő, PR27 ( CB ), PMR446, mobil telefon, rádiós ajtócsengő, stb. ) használhatsz.

Rádióamatőr engedélyem feljogosít amatőrállomás üzemeltetésre kész állapotban tartása, üzemeltetése, azon való forgalmazásra, rádióberendezés építésére és átalakítására. Megszabja a használható frekvenciákat, teljesítményt, modulációs módot, a forgalmazás tartalmát és mely országokban használhatom.

Adat előkészítése rádióadáshoz

A rádió egy elektromos feszültséget ( U_a(t) ) visz át, de az adatom bármilyen mérhető érték lehet. Helyzet, sebesség, gyorsulás, nyomás, hangerő, fényerő, elektromos-, mágneses térerő, pH, stb. Másrészt József Attila: Tudod, hogy nincs bocsánat verse betűkkel és megzenésítve is átvihető kell legyen rádióval. Nem tartozik szorosan a rádiózáshoz, de ide kívánkozik adataim előkészítése rádióadáshoz.

Konkrétan, például egy kapucsengőnél a kapunál van egy gomb, amire F erővel hatok. Rugó, elmozdulás, majd a gomb mögé szerelt kapcsoló alakítja át elektromos jellé csengetési szándékom. Két szimbólum van: kikapcsolt, bekapcsolt, 0 volt, 5 volt, vagy éppen amennyi, egy időben vagy az egyik, vagy a másik. Ezt az elektromos jelet már a rádióadó bemenetére köthetem.

• U_a(): adat feszültség, [U] = volt = V
• t: idő, [t] = másodperc = s

Ha nem csak egy egyszerű csengetést kell továbbítanom, hanem szöveget, akkor megoldás a távírónál bevált módszer. Először a szöveget karakterekre ( betűkre, számjegyekre, írásjelekre, üzemi jelekre ) bontom. Utána a karaktereket átkódolom távíró kódokra. Minden karakterhez tartozik egy be- kikapcsolt jelsorozat, meghatározott időzítéssel. Már csak ezt kell lemorzéznom távíró billentyűvel, amit az adóhoz kötök.

• I_a(): adat áramerősség, [I] = amper = A
• t: idő, [t] = másodperc = s

Morzegyakorlón vagy rádióvevőn így hallhatod József Attila versét.

Távíró "CQ" adat jel:

Ha a hangomat akarom eljuttatni a vevőhöz, mikrofont kötök az adóhoz. Mikrofon alakítja át a levegő rezgését ( nyomását ) elektromos jellé. Ha kíváncsi vagy hangod alakjára, az Audacity programot ajánlom. És, ha már beizzítottad az AudaCity-t, nézd meg a távírós verset is. Mivel ez egy rövid bevezető, ezért a képátvitelt ( fekete-fehér állóképtől színes 3 dimenziós mozgóképig ) most csak megemlítem.

Rádióhullám adása és vétele

A rádióadó egy f_v vivőfrekvenciájú elektromágneses hullámot sugároz. ( Ez a hullám fotonokból áll, és nagy szerencse, hogy a foton bozon, így sok foton szeret azonos állapotban lenni. Azaz szeretnek azonos frekvenciájúak és fázisúak lenni. Belátom, ez keveseket érdekel, elegendő csak az összegükkel számolnunk. )

Először f_v frekvenciájú jelet kell előállítani. Oszcillátor áramkör teszi meg nekem, amiben van egy frekvenciameghatározó rész és egy erősítő, ami az áramforrásból pótolja az elvesző energiát. Mindössze néhány alkatrész, de néhány frekvenciára készen is vehetsz. Eredmény egy "szép", torzításmentes,

• U_Av maximális amplitúdójú ( nagyságú ) feszültség, [U] = volt = V
• f_v frekvenciájú, ( frekvencia, [f] = hertz = Hz )
• φ_v fázisú ( fázis, [φ] = radián = rad ) jel.

Oszcillátor: frekvenciameghatározó, erősítő:

pl Van függvény a jel t ( idő, [t] = másodperc = s ) időpontbeli U_v(t) feszültségének leírására, előállítására:

Ha a cos() függvénnyel még nem ismerkedtél össze, nem baj, ráérsz.

Itt most kis kitérőt teszek az oszcillátorok táján. Gyakran előfordul, hogy változtatnom kell a frekvenciát, VFO kell.

• Lehet olyan frekvenciameghatározó alkatrészt beépítenem, aminek értékét mechanikusan gombbal vagy elektronikusan tudom változtatni.
• Másik konstrukcióban van egy nagyon pontos referencia oszcillátorom, ami ( leosztva ) például 100 Hz vagy 6,25 kHz vagy 12,5 kHz vagy 100 kHz, vagy amennyi frekvenciájú jelet állít elő. Van egy másik oszcillátorom, aminek a frekvenciáját úgy szabályozom, hogy egész számmal leosztva a referenciaérték legyen. Az osztási értéket átírva változik a frekvencia. PLL néven találsz rá. Ha pedig nagyon pontos referencia frekvenciát akarsz használni, GPS vevőt ajánlok.
• Legújabb megoldásban szintén van egy nagyon pontos referencia oszcillátorom. Van egy cos() táblázatom is. A táblázatból a kívánt frekvenciájú jelhez megfelelő ütemben olvasom ki az értékeket. DDS néven találsz rá. Roppant hasonlóan rajzoltattam ki neked a fenti szép kék hullámot.

Adóm következő fokozata egy erősítő.

Az erősítő kimenetén lévő elektromos teljesítményt antennám sugározza ki. Egy hozzám képest nyugvó elektromos töltés elektromos mezőt hoz létre maga körül. Egyenletesen mozgó töltés ezen kívül mágneses mezőt is. Ha azonban a töltés gyorsul, akkor a körülötte kialakuló, időben változó elektromágneses mező elektromágneses hullámot kelt, amely a töltésről leszakadva a térben tovaterjed, és energiát visz magával: a gyorsuló töltés elektromágneses sugárzást bocsát ki magából. A váltakozóáram gyorsuló elektronokat jelent, antennám fizikai kialakítása pedig lehetővé teszi az elektromágneses hullám kisugárzását.

Legegyszerűbb antenna egy fél hullámhosszú vezeték, aminek közepe meg van szakítva és oda csatlakozik a rádiókészülék, félhullámú dipólnak hívd. Különböző szempontok szerint rendkívül változatos antennákat használnak. A fülembe tett BlueTooth-os fülhallgatóban csak pici antenna fér el, ezért ( is ) nagy frekvencián kell működnie. Nagy méretű ( például rövidhullámú ) antennánál célszerű figyelembe venned a § helyi építési szabályzatot.

Rádióadó: vivőfrekvencia oszcillátor, erősítő, (adó)antenna:

Félhullámú dipól:

A rádióhullám eljut vevőm antennájáig, az elektromágneses mező a töltött részecskéire erővel hat, azokat gyorsítja. Töltéshordozók rendezett mozgása áram, amit az antennámból elvezetek. A vevőantennám szintén rendkívül változatos lehet.

A vevőantennámat rengeteg rádióhullám éri. Bár van, amelyik egy kisebb frekvenciasávra érzékeny, gyakori a széles sávú antenna is. Önmagában a vevőantennám nem képes az f_v frekvenciájú adásodat kiválasztani a többi rádióhullám közül.

Három feladatot kell megoldania a vevőkészülékemnek. Első az elektromágneses hullámok elektromos jellé alakítása antennával. Második az f_v frekvenciától eltérő antennajelek kiszűrése. Végül erősítés. Nagyon nagy erősítés, mert az antennajel pirinyó.

Rádióvevő: (vevő)antenna, vivőfrekvencia szűrő, erősítő:

Mitől függ a vevőm kimenetén megjelenő feszültség amplitúdója?

• adó oszcillátorának U_Av amplitúdójától
• adóban lévő erősítőtől
• adóantenna hatásfokától, nyereségétől, ideszámolva az antennakábel csillapítását
• adó és vevő között elveszett, nem a vevőantennába jutott teljesítménytől
• vevőantenna hatásfokától, nyereségétől, ideszámolva az antennakábel csillapítását
• szűrő veszteségétől
• vevőben lévő erősítőtől.

Moduláció

Most ott tartok, hogy van egy szép f_v frekvenciájú U_v(t) jelem, amit rádióhullámmal el tudok juttatni az adótól a vevőig. De nekem U_a(t) adat, alapsávi jelet kellene eljuttatnom. Legyen ez az adatom, a moduláló, U_a(t), ami most szintén egyszerű:

A kisugárzott rádióhullámra rá kell ültetnem az adatomat. U_v(t) jelet módosítanom, modulálnom kell U_a(t)-vel.

Az oszcillátornál említettem, hogy a vivőnek U_Av amplitúdója, f_v frekvenciája és φ_v fázisa van. Bármelyiket módosíthatom adatommal. Modulációkat beleírva így alakulnak a modulált vivőhullámok függvényei ( nagyjából ):

Azt ígértem, rövid bevezetőt írok, mégis egyre több a függvény és egyre bonyolultabb. Lényeg a függvények mögött van. Egyrészt szerepel benne a vivőfrekvencia és az adat, alapsávi jel. Másrészt bonyolultabb, mint U_v(t) függvény. Azt mondtam U_v(t) függvényre, hogy "szép", ahhoz képest a modulált már torzított.

Az amplitúdó modulált jel:

A frekvencia modulált jel:

A fázis modulált jel:

Távíró "CQ" adat ( moduláló ) jel:

Távíró "CQ" jellel amplitúdó modulált vivőfrekvencia:

Távíró "CQ" jellel amplitúdó modulált hangfrekvenciás jel: .

Jól látod, a frekvencia és fázis moduláció testvérek. Grafikus képükön kívül a függvényükön is látszik, U_m(t) mindkettőjüknél a cos() függvény argumentumában van.

Egy oldalsávos modulációhoz ( SSB ) nem árt egy kis kavarás. Előfordul a modulációk kombinációja is. Az analóg földfelszíni televízió sugárzás elavulásával történelemmé vált a csonka oldalsávos csökkentett vivőjű negatív amplitúdó moduláció, jó pár ember örömére. Az, hogy melyik feladatra milyen modulációt használnak, érdekes mérnöki feladat. Megjegyzem, a vivőfrekvencia és a modulációs módok között nincs technikailag összefüggés, bármely frekvencián bármely moduláció használható.

Az f_v vivőfrekvenciájú U_v(t) egyetlen frekvenciát foglal el. Modulálva torzul, ami abban nyilvánul meg, hogy mellette is megjelennek összetevők, a vivőfrekvencia alatt és/vagy felett is lesz jel, lesz kisugárzott teljesítmény.

Sávszélesség az a frekvenciatartomány a vivőfrekvencia körül, ami a moduláció eredménye és szükséges az adatom átviteléhez. Mérete függ a modulációs módtól, de még inkább az adataim mennyiségétől. Távírónak elég 0,3 kHz, hangomnak rádióamatőr készüléken 2,7 kHz, műsorszóró hangnak 9 kHz, míg "hifi" stereo hangnak 300 kHz kell. Így már érthető, miért nem lehetnek a vivőfrekvenciák tetszőlegesen sűrűn, a sávszélességnek megfelelő távolságot meg kell tartani, hogy az egyes adók ne zavarják egymást. Másrészt a vevőnek is nem csak a vivőfrekvenciát, de a körülötte lévő sávot is vennie kell.

Modulátoros rádióadó: adat bemenet, vivőfrekvencia oszcillátor, modulátor, erősítő, antenna:

Ahogy a fenti lila hullámokat programmal rajzoltattam ki neked színes ceruza helyett, pont úgy az alkatrészekből megépített modulátor áramkör helyett programot is használhatok. Egyszerűbb, ha az adatjelem eleve digitális, de ha nem, akkor egy analóg-digitális áramkörrel digitálissá alakítom. Ezt dolgozza fel a modulátor programrészlet, kimenetét pedig digitális-analóg áramkörrel feszültség jellé alakítom. Erősítő és antenna szokásos. Határozott előnye a szoftverrádiónak ( SDR ) a hardverrádióval ( HDR ) szemben, hogy akár távoli készülékre, például műholdra letöltheted a modulációs programot is.

Az oszcillátornál említett DDS integrált áramkörnek megadhatom az U_Av kimeneti amplitúdót, f_v frekvenciát és φ_v fáziseltolást is. \(U_v(t)=U_{Av}\cdot\cos(2\cdot\pi\cdot f_v\cdot t+\varphi_v)\) modulált jelet önállóan készre számolja.

Demoduláció

Modulált adás vevője kiegészül egy demodulátor fokozattal, ami visszaállítja az eredeti adat, alapsávi jelet.

Demodulátoros rádióvevő: (vevő)antenna, vivőfrekvencia szűrő, erősítő, demodulátor:

Mutattam már neked amplitúdó modulált jelet. Most rárajzolom az egyik burkológörbéjét.

A burkológörbe megegyezik az eredeti adattal, moduláló jellel. Van is ilyen elven működő demodulátor, nagy nyelvi leleménnyel burkológörbe demodulátorként leled. Külön érdekesség, hogy ez a demodulátor ( az áramköri környezettől függően ) akár egyetlen alkatrészből is állhat.

Frekvencia modulált jelnél elegendő a nullátmenetek között eltelt időt mérnem, a jel amplitúdójának nincs szerepe.

Szoftverrádiónál szűrés és erősítés után analóg-digitális áramkörrel digitálissá alakítom a vett jelet. Programrészlet végzi a demodulálást.

Rádióhullámok terjedése

Vákuumban egyszerű az eset, a teljesítmény a távolság négyzetével fordítottan arányos. Persze, hiszen ugyanaz a teljesítmény oszlik el az adó körüli gömbök felületén, a felület pedig a sugár négyzetével arányos.

A földi légkört ionizálja a Nap sugárzása, amely réteget ionoszféra néven emlegetnek. Több rétege van 50 és 500 kilométer magasságban. Az ionizált levegőnek ( plazmának ) változik a törésmutatója. Elhajlítja a sugárzás irányát, visszaverheti vagy teljesen el is nyelheti, frekvenciától függően. A természet ajándéka, hogy a rövidhullámú sugárzást nem az űr, hanem a Föld felé hajlítja el. Többszörös ( ionoszféra - Föld ) visszaverődés is lehet. Így igen távoli állomásokat is elérhetsz, de ez függ a Nap állásától ( napszak az adónál és a vevőnél ), a űridőjárástól és a használt frekvenciától. Tehát, ha egy területet, például Brazíliát akarod elérni, akkor a korábbi terjedési megfigyelések, illetve előrejelzés alapján ki tudod választani, milyen napszakban milyen frekvenciát célszerű választanod. Másrészt, ha csak 7 MHz-es sávban működő rádiód van, az előrejelzés alapján tudhatod, melyik napszakban milyen területekkel tudsz forgalmazni. Ez az ionoszférikus terjedést rövidhullámú ( 3 .. 30 MHz frekvenciájú, 10 .. 100 m hullámhosszú ) adásoknál használhatod ki, a hullámhossz nagyságrendjébe eső méretű antennák messziről felismerhetők. Az a jelenség, amikor a légkör a fény tartományába eső elektromágneses hullámokat elhajlítja, visszaveri ( bár nem ionizálás, hanem hőmérsékleti eredetű sűrűségváltozás miatt ), az fata morgana, délibábként közismert.

Visszaverődhet a rádióhullám sarki fényről, meteorról, repülőgépről vagy akár a Holdról. Az időjárási radar esőfelhőkről visszaverődő jeleiből készített térképet szoktam nézni.

Néhány ( ultrarövid, 30 MHz frekvencia feletti ) frekvenciájú hullám egyenesen áthatol a légkörön, lehetővé téve, hogy GPS-t használjak vagy műholdas televíziót nézz.

Alacsony frekvenciájú rádióhullám még követi a Föld görbületét, minél nagyobb a frekvencia, annál inkább "fényszerűen" terjed.

Zavarok

Megfigyelésem szerint az információ zavarosan terjed. A rádióhullám is.

Környezet, ionoszféra változása okán jelentősen változhat a vevőmet elérő hasznos teljesítmény. Akár teljesen meg is szűnhet a vétel. Másik probléma amikor nem kevés a jel, hanem idegen jel is vevőmbe jut. Széles sávú zavart okoz a villámlás. Valamint minden, amiben változik az áramerősség: kapcsolóüzemű tápegységek, töltők, számítógépek, stb.

Az sem biztos, hogy egyáltalán van-e adás. Analóg rádiómban, ha a vett jel szintje túl alacsony, bekapcsol a zajzár és a zaj nem szól a hangszórómból.

Zavarok ellen analóg átvitelnél például modulációs mód megválasztásával tudok védekezni.

Digitális átvitelnél a hibajavító kódolás széles tárháza áll rendelkezésemre. Ajánlom figyelmedbe A csomagrádiózás elmélete és gyakorlata könyvet.

Jel megjelenítése

Az elektromos áramnak van élettani hatása, így például vevő kimenetét közvetlenül a nyelvemre érintkeztetve távíró adást tudok észlelni. De kényelmesebb fejhallgatóval hanggá alakítva füleimmel.

Vevő kimenetére köthetek csengőt, lámpát, detonátort.

Klasszikus rádióvevőnél hangszóróból hallgatom a műsort, régebben magnetofonnal, manapság diktafonnal, számítógéppel rögzítem.

Forgalmazás

A forgalmazás, információcsere lehet egyirányú, szimplex. Jellemzően ilyen a műsorszóró szolgálat.

Lehet az átvitel kétirányú, duplex, mindkét állomáson van adó és vevő is. Mivel az adóm jele elnyomja a partnerem adójának jelét, ezért ugyanakkor ugyanazon a frekvencián nem üzemelhetnek. Ha a két irányra két frekvenciát használunk, akkor full duplex, röviden duplex átvitel van. Ha egy időben csak egyirányú az átvitel ( vagy én adok, vagy a parterem ), akkor half duplex. Utóbbi esetben használhatjuk ugyanazt a frekvenciát.

Rádióamatőr gyakorlatban szimplex forgalmazok, amikor jeladót figyelek meg. Állomásnaplómba bekerül az időpont, frekvencia, jeladó hívójele és a vételjellemzés.

Gyakoribb a half duplex, amikor az összeköttetés több periódusból áll, adom a saját állomásom hívójelét és a vételjellemzést, amit a partner is naplóz.

A rádióamatőr forgalmazásnak formája, a használt rövidítések, kódok, távíró kódok egyezményesek. Tartalma az amatőrszolgálattal összefüggő.

Rövid bevezető a rádiózásba #2

Experiment is the sole judge of scientific “truth”. A (természet)tudományos igazság kizárólagos kritériuma a kísérlet.
Feynman Richard