Софт прямого эфира
АрхивСо времен Попова, Маркони, Герца прошло всего лишь чуть больше века, но каков прогресс в области связи! Современное высококачественное радиоприемное устройство - это довольно сложный и объемный аппарат, состоящий из сотен и тысяч компонентов, как правило, содержащий свой собственный вычислитель на одном, а иногда и нескольких процессорах для реализации многочисленных рабочих и сервисных функций.
Со времен Попова, Маркони, Герца прошло всего лишь чуть больше века, но каков прогресс в области связи! Современное высококачественное радиоприемное устройство - это довольно сложный и объемный аппарат, состоящий из сотен и тысяч компонентов, как правило, содержащий свой собственный вычислитель на одном, а иногда и нескольких процессорах для реализации многочисленных рабочих и сервисных функций. Посмотрим на один из вариантов упрощенной блок-схемы современного приемника (рис. 1), и станет ясно, какую прорву задач приходится решать для получения изделия высокого класса. Попробуем разобраться, что от чего зависит в приемном устройстве и какие качественные показатели являются самыми важными.
Значение радио в войне было настолько велико, что в преддверии великой победы над фашистской Германией в 1945 г. и в связи с 50-летием изобретения радио день 7 мая был объявлен всесоюзным праздником - Днем Радио.
Еще не так давно - когда станций в эфире было не слишком много - на первом месте находилась чувствительность приемника, то есть его способность принимать слабые сигналы. Чувствительность приемника напрямую зависит от его полосы пропускания. В свою очередь, полоса пропускания определяется тем видом модуляции, для которой предназначен приемник (обычно приемники проектируются с возможностью приема сигналов нескольких видов модуляции). А если добавить селективность (возможность отстроиться от соседней мешающей станции), то задача еще более усложнится…
В настоящее время приоритетным параметром в приемнике становится динамический диапазон, характеризующий реакцию на сигналы мощных станций, работающих "рядом" с частотой настройки приемника. Действительно, что толку от высокой чувствительности, если соседняя мощная станция способна полностью заблокировать принимаемый сигнал? Современными средствами получить высокую чувствительность не проблема, вернее сказать, не такая уж сложная проблема. А вот получить большой динамический диапазон - не так просто. Почему? Да потому, что все каскады приемника (особенно на входе) работают в линейном режиме, для передачи сигнала от антенны на выход без искажений…
Теперь несколько слов о других блоках, из которых состоит современный приемник. В них тоже не все так просто. Чем обеспечить селективность при разных видах модуляции? Ответ один - фильтрами. Нам необходимо отфильтровать полезный сигнал и не пропустить побочный, вредный. Хорошие фильтры сложны и дороги. Современный кварцевый фильтр среднего класса стоит около 5 тысяч рублей, а в конструкции хорошего приемника этих фильтров много - но ничего не поделаешь, приходится идти на это. А ведь необходимо еще реализовать функции АРУ (автоматическая регулировка усиления), дистанционного управления, постараться соблюсти все требования эргономики - сложность задач, которые стоят перед разработчиками хорошего радиоприемного устройства, очевидна.
Обратим внимание еще на один важный момент: когда приемник собран "в железе", в нем уже трудно что-нибудь изменить, модернизировать. Ежегодно разрабатываются (и изготавливаются) тысячи приемников для различных применений, среди которых радиосвязь на земле, в воздухе и на море, создаются радиовещательные приемники, приемники сотовых телефонов, наконец радиоприемные устройства для космических объектов (а в космос потом не прыгнешь и не заменишь нужный блок на совершенно новый). Миллионы микросхем, транзисторов, резисторов, конденсаторов, фильтров и т. д. устанавливаются в приемники, которые через какое-то время устареют и станут ненужными. Конечно, скажут мне, это понятно, но что поделать, такова жизнь. И вот тут мы подошли к самому главному, к "изюминке".
Всем известно, что компьютерная техника сейчас достигла таких высот, которые нам и не снились пару десятков лет назад. Машины нынче быстрые, высокопроизводительные. Программные алгоритмы позволили моделировать на компьютерах большинство физических устройств, включая и те, которые в железе непросто было реализовать.
История первая: Фарадей и Максвелл
Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в пригороде Лондона Ньюингтоне в семье кузнеца. Бедность родителей не позволила ему закончить начальное образование, и в возрасте тринадцати лет его послали для обучения к переплетчику. Работая с книгами, Майкл много читал, особенно интересуясь химией и физикой и стараясь опытами проверить прочитанное. Так формировался искусный экспериментатор, который до конца жизни не знал ни алгебры, ни геометрии.
В 1821 году Фарадей узнает об опытах Эрстеда и Ампера по отклонению магнитной стрелки вблизи провода с током. Уже через несколько месяцев он доказывает существование вокруг проводника кольцевых магнитных силовых линий, то есть фактически формулирует правило буравчика. В его рабочем дневнике появляется запись новой задачи: "Превратить магнетизм в электричество".
Для решения сложнейшей по тем временам задачи потребовалось десять лет беспрерывных экспериментов. Фарадей поставил огромное количество опытов, но постоянно терпел неудачу. Первый успех пришел лишь в 1831 году. В одном из опытов использовался кольцевой сердечник из магнитомягкого железа с двумя изолированными обмотками. Выводы одной из них замыкались проводником, возле которого располагалась магнитная стрелка. В момент подключения к другой обмотке гальванической батареи стрелка отклонялась. В других опытах магнитная стрелка отсутствовала, а концы вторичной обмотки не замыкались, а лишь очень близко располагались, образуя разрыв в доли миллиметра. При замыкании и размыкании ключа, управляющего током в первичной обмотке, в этом малом промежутке проскакивала электрическая искра. Так была открыта электромагнитная индукция.
Однажды после лекции Фарадея в Королевском обществе, где он демонстрировал свои опыты, к нему подошел богатый коммерсант, оказывавший обществу материальную поддержку, и надменно спросил:
- Все, что вы нам здесь показывали, господин Фарадей, действительно красиво. Но теперь скажите мне, для чего годится эта магнитная индукция?!
- А для чего годится только что родившийся ребенок? - ответил рассердившийся Фарадей.
С ноября 1831 года Фарадей начал систематически печатать свои "Экспериментальные исследования по электричеству", составившие тридцать серий (более трех тысяч параграфов). Это великолепный памятник его научному творчеству.
Результаты опытов свидетельствовали о существовании нового вида материи - электромагнитных волн. 12 декабря 1832 года Фарадей сдал на хранение в архив Королевского общества запечатанное письмо, в котором сообщалось, что оно написано с целью закрепления даты открытия в случае его экспериментального подтверждения. Конверт был вскрыт лишь в 1938 году, 106 лет спустя.
Поразительны своей проницательностью основные мысли письма: электрическая индукция распространяется подобно волнам с конечной скоростью, световые явления не отличаются от электрической индукции, для анализа указанных явлений следует использовать теорию колебаний. Эти интуитивные догадки полностью перекликаются с идеями электромагнитной теории, разработанной много позднее Максвеллом и подтвержденной опытами Герца.
Никакие почести не уменьшили природную скромность Фарадея. Он отказался от дворянского звания, президентства в Королевском обществе, от крупных гонораров и даже от государственной пенсии. Следуя воле ученого, на его надгробии в Вестминстерском аббатстве выбито лишь два слова: Майкл Фарадей.
Продолжателем его дела стал другой выдающийся английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879), отличавшийся исключительным математическим талантом и солидной научной подготовкой. В 1855 году он опубликовал свою первую работу "О силовых линиях Фарадея", в которой облек в математическую форму идеи своего предшественника. В 1857 году Максвелл посылает эту статью самому Фарадею, пришедшему от нее в полный восторг и изумление от того, что математика не только не портит, но еще глубже раскрывает его идеи.
В 1865 году после тяжелой болезни Максвелл отправился на отдых в свое родовое имение в Шотландию, где полностью отдался научной работе. Именно здесь он начал писать свой знаменитый "Трактат по электричеству и магнетизму".
В 1864 году вышла его работа "Динамическая теория электромагнитного поля", в которой он дал развернутую математическую формулировку теории электромагнитного поля, чем доказывал существование электромагнитных волн. Максвелл считал, что в диэлектрике может существовать особый вид тока, связанный с перемещением силовых линий электрического поля. Этот ток, названный им "током смещения", подобно токам проводимости порождает вокруг себя магнитное поле. Было математически доказано, что изменение во времени силовых линий электрического поля неизбежно вызывает изменение магнитного поля, которое, в свою очередь, вызывает изменение электрического поля и создает в окружающей среде волновой процесс. Этот процесс Максвелл назвал электромагнитной волной. Он также пришел к выводу, что свет имеет электромагнитную природу и что электромагнитные волны любых частот распространяются со скоростью света и подчиняются световым законам, то есть имеют такие свойства, как отражение, преломление, дифракция, интерференция и поляризация. Характерно, что все доказательства были оформлены строго математически в виде ряда уравнений, носящих теперь имя их создателя.
Джеймс Максвелл безвременно сошел в могилу 48 лет от роду. Только через девять лет после его смерти молодой немецкий физик Генрих Герц на опыте доказал правоту всех положений Максвелла.
Редакция благодарит Музей радио им. А.С. Попова, а также Бориса Кошелева за разрешение использовать отрывки из его статей на radiomuseum.ur.ru/index1.html.
А теперь взгляните: приемники, представленные на рис. 2 (№1 - профессиональный связной приемник, №2 - приемник, собранный по новой технологии цифрового моделирования), равны по характеристикам; к тому же приемник №2 является еще и многофункциональным ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ прибором! (Конечно, для работы нового приемника необходим компьютер, но об этом дальше.)
Реальные пропорции между приемниками на рисунке сохранены. Трудно поверить, но это так. Как же работает такой чудо-приемник?
Начнем с названия новой технологии: SDR (Software Defined Radio). В переводе на русский это значит "программно определяемое (зависимое) радио". Чем же это радио "определяемо" и от каких программ оно "зависит"? Непривычно выглядит сам принцип построения приемника, состоящего как бы из двух частей: маленькой схемной части и программного обеспечения. Вот на программное обеспечение и возложена основная нагрузка.
По сути, компьютер моделирует все узлы приемника программно. Причем делает это с высочайшим качеством. На долю "железа" остаются только три первых "квадратика" на рис. 1: коричневый, голубой и красный, но и они упрощены до предела. Даже питание теперь можно взять от USB-порта компьютера.
На рис. 3 показана схема простейшего SDR-приемника. Я решился привести ее потому, что она на удивление проста и нам легче будет понять принцип работы устройства. Итак, сигнал от антенны подается через фильтр (можно и через ФНЧ) на быстродействующие ключи. От этих ключей зависит многое, поэтому они должны быть хорошего качества (быстродействующие, с малым переходным и высоким сопротивлением отключенного состояния и т. д.). К выходам ключей подключены два операционных усилителя. К усилителям тоже предъявляются высокие требования. О гетеродине (синтезаторе) писать нечего.
Используя стандартную микросхему синтезатора DDS (Direct Digital Synthesis - цифровой синтезатор прямого синтеза) и делители с выходами сигналов, сдвинутыми на 90 градусов, можно перекрыть тот диапазон, который вам необходим. Вот и весь приемник, в простейшем варианте.
С выхода операционных усилителей сигнал передается на левый и правый каналы аудиокарты. Все остальное делает программа: обрабатывает сигнал, перестраивает приемник по диапазону (используется управляемый DDS), моделирует необходимые фильтры (причем с такими характеристиками, которые в железе не получить), моделирует работу АРУ (гораздо лучше, чем в "реальном" приемнике), имеет панорамный индикатор, отображающий спектрограмму (на котором видно обстановку в эфире), измеряет уровни сигнала и многое, многое другое. Конечно, есть одно "но". Компьютер, при использовании такого приемника, должен быть производительным, да это и понятно, на компьютер взвалена вся работа по обработке сигналов и информации: формирование характеристик полосовых фильтров, режекторных фильтров, моделирование системы АРУ (автоматическая регулировка усиления), ограничение шумов и подавление импульсных помех, индикация уровней сигналов, отображение спектрограммы и т. д. К тому же надо учесть, что современные приемники, как правило, способны одновременно работать на разных диапазонах или на разных участках одного диапазона (по сути, моделируется работа сразу двух приемников). Если же предполагается использовать приемник в цифровых видах связи (что бывает очень часто), то для этого требуются дополнительные ресурсы компьютера. Скажем, компьютер с процессором Celeron 1000 МГц при использовании большинства SDR программ загружен на 80–95%. А поскольку важную роль играет звуковая карта компьютера или аудиоинтерфейс, они тоже должны быть высококачественными, с хорошим соотношением сигнал/шум и большим динамическим диапазоном. Если же SDR-программу предполагается использовать не только на прием, но и на передачу (при моделировании в компьютере узлов SDR-передатчика), то требования к аудиоинтерфейсу становятся еще выше.
История вторая: Генрих Герц
По-настоящему победоносное шествие теории Максвелла началось только после 1898 года, когда Герц экспериментально открыл электромагнитные волны и опубликовал результаты своих работ.
Генрих Рудольф Герц (1857–1894) родился в Гамбурге в семье адвоката, ставшего позже сенатором. Учился Герц прекрасно, а еще писал стихи и с удовольствием работал на токарном станке. По окончании гимназии юноша поступает в Берлинский университет.
Герц тщательно изучил все, что было известно к тому времени об электрических колебаниях и в теоретическом, и в практическом плане. Использовав пару индукционных катушек, он обнаружил, что при разряде лейденской банки (конденсатора) через одну из двух расположенных поблизости спиралей Рисса, в другой спирали наводится напряжение. Это можно было принять за проявление открытой еще Фарадеем взаимной индукции, но Герц доказал, что в данном случае имеет место излучение, носящее волновой характер. Меняя расстояние между катушками, он определил положения пучностей и узлов генерируемых электромагнитных волн. Период этих колебаний оказался около одной пятимиллионной доли секунды, что определило длину волны порядка шести метров. Так в 1886 году начались опыты, продлившиеся 25 месяцев.
В результате дальнейших экспериментов Герц создал источник электромагнитных волн, названный им вибратором. Вибратор состоял из двух проводящих сфер диаметром 10–30 см, укрепленных на концах проволочного разрезанного посредине стержня. Концы половин стержня в месте разреза оканчивались небольшими полированными шариками, образуя искровой промежуток в несколько миллиметров. Для решающих опытов, долженствующих показать тождественность электромагнитных и световых волн, установить поляризацию волн и доказать не только отражение, но и преломление, нужно было перейти к еще более коротким волнам. Герцу удается получить волны длиной около 60 см и с ними провести завершающие опыты. Для создания столь коротких волн Герц использовал медные стержни диаметром 3 см и длиной 9 см в качестве эквивалента катушки колебательного контура. На концах стержней располагались медные шары диаметром 4 см как эквиваленты конденсатора. Впоследствии такой вибратор был назван его именем.
В качестве детектора, или приемника, Герц использовал кольцо (иногда прямоугольник) с разрывом - искровым регулируемым промежутком. Диаметр кольца с более чем метра в первых опытах к их концу уменьшился до 7 см.
"Я работаю, как рабочий на заводе и по времени, и по характеру, я по тысяче раз повторяю каждый подъем руки", - сообщал профессор в письме своим родителям в 1877 году. Так, для фокусировки электромагнитных волн было выгнуто внушительное параболическое зеркало из тяжелого листа оцинкованного железа размером 2х1,5 м. А для доказательства преломления лучей была изготовлена асфальтовая призма в виде равнобедренного треугольника с боковой гранью 1,2 м, высотой 1,5 м и массой 1,2 т.
Приемное кольцо Герц назвал резонатором. Опыты показали, что изменением геометрии резонатора - размеров, взаимного положения и расстояния относительно вибратора - можно добиться гармонии, или синтонии (резонанса), между источником электромагнитных волн и приемником. Наличие резонанса выражалось в возникновении искр в искровом промежутке резонатора в ответ на искру, возникающую в вибраторе. В опытах Герца посылаемая искра была длиной 3–7 мм, а искра в резонаторе - всего несколько десятых долей миллиметра. Увидеть ее можно было только в темноте, да и то воспользовавшись лупой.
После публикаций 1877–78 гг. и доклада, сделанного 13 декабря 1888 года в Берлинском университете, Герц стал одним из самых популярных ученых, а электромагнитные волны стали повсеместно именоваться лучами Герца. Его опыты были многократно повторены, усовершенствованы и в конечном счете привели к изобретению радио и телевидения. Не случайно первая в мире осмысленная радиограмма, переданная 12 марта 1896 года А. С. Поповым, содержала всего два слова: "Генрих Герц", как дань уважения памяти великого ученого, который сам о таком использовании своего, как он считал, чисто научного открытия даже не помышлял.
Однажды, когда мать Герца сообщила мастеру, обучавшему его сына токарному делу, что Генрих стал профессором, тот весьма огорчился и заметил:
- Ах, как жаль. Из него получился бы великолепный токарь.
Борис Кошелев
Почему же у столь простого приемника такие прекрасные характеристики? Вспомните, о чем мы говорили, обсуждая проблемы с динамическим диапазоном приемников. Здесь почти нет аналоговых элементов, которые могут вносить искажения. Шумы приемника (соотношение сигнал/шум) и его динамический диапазон определяются теперь характеристиками звуковой платы [Вот пример из практики: в минувшем марте был проведен сеанс связи между Санкт-Петербургом и Москвой на частоте 7 МГц. Мощность SDR-радиостанции (SDR-приемник и передатчик) всего 800 мВт (причем в Петербурге использовалась так называемая ЕН-антенна длиной лишь 1 м)].
Какие же еще преимущества мы получим от применения такого приемника? Например, не надо перепаивать схему или проектировать и изготавливать новое устройство при смене, скажем, видов модуляции - достаточно поменять программу (если нужный вид модуляции в ней не заложен). Только одно это дорогого стоит. Мы, по сути, будем получать новый приемник, с новыми функциями при каждой смене программного обеспечения. А если не нравится дизайн - подстройте его под себя (помните, сколько "шкурок" у WinAmp?).
В конце прошлого года в Великобритании проходила конференция по телекоммуникациям и компьютерам. Там обсуждался и проект "Вавилонская башня" ("Tower of Babel"), призванный объединить большинство существующих сегодня протоколов связи. Основой, конечно, станет SDR, а реализацией займется европейский концерн EADS Astrium. Разумеется, первые разработки будут предназначены для военных. Представьте себе устройство (даже и не знаешь, как его назвать: радиостанция, компьютер, мобильный телефон или коммуникатор), которое сможет исполнять роль мобильного телефона (всесистемного), спутникового навигатора, компьютера, радиостанции и т. д., и все это реализовано программно, а потому места занимает мало.
Вот теперь самое время посмотреть на программное обеспечение, оценить возможности SDR-приемника как инструмента. На рис. 4 мы можем увидеть интерфейс одной из программ, поддерживающих SDR-технологию. Глаза разбегаются от возможностей такого приемника (простите, оговорился - такой программы).
Пробежимся по интерфейсу. Диапазон частот - КВ и УКВ, но имеются дополнительные фиксированные кнопочки для приема эталонной частоты из эфира (по которой, кстати, можно откалибровать приемник с точностью, намного превышающей лабораторную, и притом оперативно). Виды модуляции (иными словами, виды принимаемого сигнала приемника) - АМ, ЧМ, SSB (USB, LSB, DSB), CW, цифровые (ограничиваются лишь программой для декодирования цифровых видов работ, а это еще два десятка протоколов!).
Далее - полосы пропускания (помните, мы говорили о важности этого параметра и о том, сколько стоит каждый кварцевый фильтр). Так вот, мы имеем десяток фиксированных (кстати, настраиваемых) фильтров плюс возможность изменить характеристики по своему вкусу и запомнить эти характеристики. Полосы пропускания фильтров можно менять программно от 10 Гц до 10 000 Гц (!). Коэффициент прямоугольности фильтров может достигать 1,02 (!). Для неспециалистов скажу, что создателям программы пришлось оставить возможность ухудшать параметры фильтров, чтобы при приеме на слух звук был привычным, как в аналоговом приемнике. Впрочем, сейчас принимают сигналы не только на слух, а для цифровых видов связи такие идеальные параметры фильтров очень даже кстати.
Обозреваем интерфейс дальше… Программа может работать не только с приемником, но и с передатчиком SDR, поэтому есть встроенный автоматический телеграфный ключ. В программе имеется как бы два виртуальных гетеродина: А и В, поэтому можно быстро переходить с частоты на частоту нажатием одной кнопки. Есть встроенные подавители шумов, подавитель импульсных помех, автоматический режекторный фильтр и т. д.
Теперь "поднимаемся" по левому краю интерфейса вверх: ограничитель шумов (регулируемый), выбор задержек или отключение АРУ, включение/отключение входного предусилителя, а также встроенного калиброванного аттенюатора (для увеличения динамического диапазона это очень важно). Конечно, имеют место регуляторы усиления по низкой и высокой частоте. Даже как-то странно об этом говорить, зная, что никакого усилителя высокой частоты и в помине нет - он виртуальный.
В верхней части интерфейса находятся индикаторы частоты приема соответственно для гетеродинов А и В, с точностью отсчета до 1 Гц. Справа - измеритель силы сигнала (и цифровой, и аналоговый), с возможностью точной калибровки.
В середине находится черное окно спектроанализатора (в левой части окна линейка с уровнями сигнала в децибелах). Эту программу можно с большим успехом использовать как хороший анализатор спектра с высоким динамическим диапазоном. Причем уровни сигналов можно отслеживать как по шкале спектроанализатора, так и на встроенном измерителе силы сигнала. Кстати, измеритель можно использовать в роли высокоточного селективного вольтметра. И хотя мы понимаем, что эту программу можно за несколько минут заменить другой и получить приемник с совершенно другими параметрами, я рискнул кратко перечислить органы управления программой, чтобы иметь хоть какое-то представление о ПО и возможностях приемника.
Взглянем на рис. 5. Здесь мы используем встроенную в компьютер звуковую карту (AC’97) и более простую программу (тоже freeware). Это реальный эфир. Полоса обзора несколько больше 10 кГц. Шумы на уровне 100 dB (при использовании внешнего аттенюатора 12 dB). Этот вариант, конечно, хуже, в основном из-за использования не самой лучшей звуковой карты (по отношению сигнал/шум не хватает десятка два децибел), но даже в таком варианте - параметры отличные.
Еще одна важная способность SDR-приемника. То, что мы видим на спектроанализаторе (участок диапазона), мы можем записать на винчестер (кнопочка "Save" в верхней части рисунка)! Можем записывать, насколько хватит памяти, а потом "воспроизвести" файл с помощью этой же программы. При воспроизведении создается полное впечатление, что мы в живом эфире: мы можем настраиваться на разные станции (в пределах того участка диапазона, который записали на винчестер и который был виден на спектроанализаторе), менять полосы пропускания и виды модуляции и т. д. Такого раньше не было, да и трудно было это даже вообразить. Какая-то "машина времени", а не SDR-технология!
Совершенно ясно, что не обязательно применять стандартный РС (это простейший вариант, но даже он дает большие преимущества), можно взять специализированный вычислитель. Есть и такие. Например, отечественная российская фирма "Элвис" недавно выпустила СБИС 1288ХК1Т, "заточенную" под SDR.
Может показаться, что в статье описаны перспективные разработки. Нет. Та программа (freeware), которую мы только что исследовали, прилагается к серийному трансиверу (радиостанции) SDR с выходной мощностью 100 Вт. Есть и другие серийно выпускаемые конструкции, с применением технологии SDR. На мой взгляд, интересен конструктор одной из зарубежных фирм, состоящий из центральной платы с процессором ALTERA Cyclone, на которую навешиваются (вставляются в разъемы) дополнительные компоненты для приема (или передачи) в различных диапазонах частот от 50 до 2700 МГц (рис. 6). Можно одновременно (!) использовать от четырех приемников до четырех передатчиков, в различных комбинациях.
Прекрасно, скажет читатель, но где же практический "выход", для быта? А он на том же скриншоте (рис. 4). Посмотрите на правый край рисунка: в меню Mode вы увидите кнопочку под названием "DRM". Что это за "гусь"? А это цифровое вещание, работающее уже сейчас, вещание с высококачественным звуком и прочими прибамбасами, которых большинство еще не видело. Жаль, что в журнальной статье нет возможности показать примеры звучания цифровых радиостанций! Достаточно приобрести маленькую коробочку SDR-приемника (вопрос - где?), подключить его к своему компьютеру и… впрочем, можно этого и не делать, а вставить ваш любимый CD в дисковод и наслаждаться музыкой.
Надеюсь, мне удалось порадовать читателей такими приятными перспективами, да что перспективами - реальными вещами. Приятно, когда новые (здесь уместно подчеркнуть - компьютерные!) технологии несут нам что-то, радующее нас и облегчающее нам жизнь.
История третья: Оливер Лодж и Александр Попов
Изучение свойств электромагнитных волн, практически открытых Герцем, приводило к мысли о возможности их использования для организации беспроволочной связи.
Среди ученых, повторивших опыты Герца, дальше всех продвинулся английский физик Оливер Лодж, создавший в 1893 году весьма удачный индикатор электромагнитных волн, основанный на использовании металлических опилок. Оказалось, что под действием электрических разрядов порошки и опилки резко увеличивают электропроводность, но при этом теряют чувствительность, для восстановления которой трубку нужно встряхивать. Лодж, повторяя и совершенствуя опыты Герца, сконструировал прибор, названный им когерером (сцепителем), который лег в основу первых радиоприемников.
Но Лодж, как и Герц, абсолютно не думал о применении своего прибора для связи без проводов и не пошел дальше лекционных опытов, хотя был в одном шаге от изобретения радио. Лишь тридцать лет спустя после изобретения Александра Попова, в 1925 году, на заседании английского Радиообщества Лодж сознался в своей оплошности и с горечью подтвердил, что считал беспроволочное телеграфирование с помощью электромагнитных волн бредовой мечтой.
Опыты Лоджа, как ранее опыты Герца, повторили все физики мира. Среди них был и преподаватель минного офицерского класса в Кронштадте А. Попов.
Александр Степанович Попов (1859–1906), будучи работником Морского ведомства, хорошо знал о потребности флота в средствах дальней связи, а как физик он был прекрасно осведомлен обо всех достижениях в области использования электромагнитных волн. Попов понимал, что для создания беспроводных средств связи нужно решить две важные технические задачи: увеличить чувствительность когерера и создать устройство, возвращающее когереру чувствительность после приема каждого сигнала.
Решение первой задачи, потребовавшее многочисленных экспериментов, завершилось созданием усовершенствованного когерера в виде трубочки с платиновыми контактными листочками, укрепленными на ее внутренних поверхностях с противоположных концов.
В результате решения второй задачи была создана такая комбинация элементов приемного устройства, при которой связь между опилками после прихода сигнала разрушалась автоматически, восстанавливая чувствительность когерера для приема следующего сигнала. Это же устройство являлось звуковым сигнализатором принятых сигналов. В качестве основного автоматического прибора всей комбинации Попов применил электрический звонок. При прямом ходе молоточек ударял по чашечке звонка, создавая звук, а при обратном ударял по когереру и встряхивал его, разрушая связь между опилками.
7 мая 1895 года Попов впервые продемонстрировал работу своего "прибора для обнаружения и регистрирования электрических колебаний" на заседании Русского физико-химического общества. Прибор откликался на посылки волн от "герцевского вибратора", возбуждаемого катушкой Румкорфа, на расстоянии 25 м.
Это была демонстрация первого в мире радиоприемника.
Еще отрабатывая схему, Попов обнаружил, что дальность действия прибора значительно возрастает, если присоединить к когереру длинный и поднятый над землей провод. Так появилась первая антенна, хотя сам Попов не считал себя изобретателем антенны, отдавая приоритет Никола Тесле.
В последующие годы все более быстрыми темпами совершенствуются схемы и идут натурные испытания. В течение 1897 года, за счет увеличения антенн и мощности передатчиков, Попов достиг дальности связи 5 км, что позволило оборудовать военные корабли радиотелеграфными аппаратами. В ходе летних экспериментов на море было обнаружено явление отражения радиоволн от корпуса судна, пересекающего направление связи. Эти наблюдения, описанные в отчетах Попова, были впоследствии (1902–1904) развиты немецким инженером Х. Хюльсмайером, сконструировавшим "телемобилоскоп" - некий прототип радара. Таким образом, наблюдения Попова легли в основу будущей техники радиолокации - обнаружения объектов по отраженным ими радиоволнам.
Борис Кошелев
Литература
[1] www.rw3ps.qrz.ru/sdr.htm - отечественный сайт по SDR-технологии.
[2] www.rw3ps.qrz.ru/Download/DRM1.zip - файл с примером DRM на КВ.
[3] www.ettus.com - сайт компании Ettus.
[4] www.rfspace.com/index.html - сайт компании RF Space.
[5] www.radiomuseum.ur.ru.
