Персональная радиосвязь. Что? Почем? Зачем?

в 11:27, , рубрики: Носимая электроника, портативная электроника, радиосвязь, связь, электроника
Усложнение и удорожание слева направо
Усложнение и удорожание слева направо

Здесь не будет никаких схем и скучных лекций об основах радио. Цель статьи – объяснить разницу между имеющимися на рынке моделями. Почему цена может так отличаться, и как это влияет на потребительские характеристики.

Небольшого экскурс

Почти каждый раз, когда в непрофильном кругу заходит речь о средствах персональной радиосвязи, находится кто-то, кто очень удивляется, что подобные устройства все еще активно используются. А аргументация таких скептиков всегда одинаковая: зачем нужны все эти рации, если у каждого в кармане и так есть мобильный телефон с GSM, UMTS, LTE, WiFi, GPS, и еще десятком других страшных слов в комплекте.

Сразу хочу попросить прощения за некоторый снобизм, но по «религиозным» соображениям в этой статье я все-таки буду использовать слово радиостанция.

Конечно, любителям активного отдыха, равно как и профессионалам, работающим группами где-нибудь далеко за пределами теплых кабинетов, ничего объяснять не нужно. Эти люди регулярно пользуются персональной радиосвязью и ее удобство для них очевидно. Но, тем не менее, для остальных поясню ключевые различия мобильных телефонов и радиостанций. Сначала о преимуществах последних.

Автономность. В большинстве случаев персональная радиосвязь осуществляется в так называемом прямом канале, непосредственно от передающего устройства к принимающему. Соответственно, никакая внешняя инфраструктура для такой связи не требуется. Радиостанции прекрасно работают на полюсе и посреди океана, где нет сотовых сетей. Побочный продукт автономности – отсутствие какой-либо платы за связь.

Мгновенность. Радиостанция не требует набора номера и ожидания ответа. Ты просто нажимаешь на кнопку, говоришь, и твои слова сразу доносятся из любого приемного устройства, настроенного на тот же частотный канал. Это бывает очень важно в экстремальных условиях, где тыкать в сенсорный экран, свисая с края обрыва, бывает не всегда удобно.

Широковещание. Одну передающую радиостанцию принимают все, кто находится в зоне ее действия и настроены на ее канал. То есть это связь один-ко-многим, где количество приемников вообще никак не ограничено. Хоть десять, хоть тысяча. Крайне удобно при работе в большой группе, где обычным телефоном пришлось бы обзвонить каждого, потратив на это уйму времени.

Я в курсе про PTT и Zello-подобные сервисы, но мало кто знает, что сообщение через такой канал может приходить с задержкой до десятков секунд. В условиях борьбы с пожаром, например, это вечность.

Теперь о главных недостатках.

Ограниченная дальность. Обратная сторона автономности. Сигнал портативной радиостанции в условиях земной поверхности распространяется обычно на расстояние от нескольких сотен метров до пары-тройки километров. В зависимости от высоты, рельефа, и других факторов. Связи на многие десятки километров, как это иногда показывают в кино или на страничках продавцов, не будет.

Мгновенность. Да, это еще и недостаток. При входящем телефонном звонке можно не спеша вынуть его из кармана, психологически настроиться на прием информации. А вот радиостанция может начать говорить сразу и по делу, без предварительных ласк, так сказать. В результате пионер должен быть всегда готов.

Отсутствие адресности. Обратная сторона широковещания. При связи в группе нельзя вызвать отдельного человека. Максимум, что можно сделать, это в общем канале предложить абоненту перейти на другой канал, где и обсудить персональные вопросы. Это, конечно, гораздо менее удобно, чем прямой звонок по телефону. Да и еще нужно не забыть потом вернуться в общий канал.

Нет подтверждения доставки. Далеко не факт, что переданную информацию принял ее адресат. Не факт, что ее вообще хоть кто-нибудь принял. Например, все абоненты находятся слишком далеко, или их радиостанции настроены на другой канал. Именно поэтому при такой связи правилом хорошего тона является подтверждение факта приема словом «принял» или каким-то подобным образом.

Симплекс. Это когда нельзя одновременно говорить и слушать. Еще и кнопку нажимать. Более того, когда говорит кто-то один, никто другой больше говорить тоже не может. Точнее может, но кого из нескольких говорящих услышит тот или иной абонент – воля случая. Близкий передатчик перекроет дальнего, а вот сигналы равноудаленных передатчиков не наложаться как обычные голоса, а сделают друг друга полностью нечитаемыми.

Ограниченное количество каналов. В отличие от сотовой связи, где за динамическое распределение каналов отвечает сеть, здесь канал выбирают люди, причем его смена часто сопряжена с организационными, а, может, и техническими трудностями. Все это часто ведет к конфликтам в эфире. Для уменьшения влияния этого фактора придумали субтона (CTCSS, DTS и тому подобные «субканалы»), которые позволяют хотя бы не слушать чужую болтовню.

Внимание! Закрытие на субтон не является средством шифрования или иного способа ограничения доступа к вашим разговорам. Эта технология всего лишь закрывает ваш приемник от чужих сигналов на той же частоте. Другими словами, это вы перестаете слышать передачи соседей, а не они ваши.

Отсутствие приватности. Если не уходить в высокие материи шифрованной цифровой связи, то все ваши разговоры могут быть не просто легко услышаны посторонними, но и нарушены чужим в них вмешательством. Некоторые радиостанции имеют в своем составе аналоговый обфускатор сигнала – скремблер, но это сравнительная редкость, да и как шифрование он так себе, что-то типа WEP из мира WiFi, кто захочет – легко раскодирует. Поэтому не забываем старую армейскую мудрость.

Персональная радиосвязь. Что? Почем? Зачем? - 2

Как видим, недостатков выше крыши. Часть из них устранена в профессиональной аппаратуре, но все равно понятно, что радиостанции – это не про бытовую или деловую связь, т.е. не замена телефону.

Мне очень нравится аналогия с сетевыми протоколами.

Сотовый телефон – это TCP. Связь точка-точка; обязательно предварительное соединение с получением согласия на связь от принимающей стороны; гарантированная доставка пакетов; нотификация сторон об аварийном разрыве канала; используется как в локальных, так и в глобальных сетях.

Радиостанция – это UDP. Связь как точка-точка, так и точка-многоточка; никаких предварительных соединений, просто шлешь пакеты и все; нет не только гарантии доставки, но и гарантии того, что кто-то вообще слушает данный порт; аварийный разрыв канала обнаруживается только по отсутствию входящего трафика; чаще применяется в локальных сетях.

При этом никто не говорит, что TCP должен стать заменой UDP. Более того, в «тяжелых» сетевых условиях рекомендуется использовать как раз-таки UDP.

Но, не смотря на все недостатки, такая связь снискала популярность у озвученных выше категорий пользователей. А теперь переходим к теме статьи.

Чуть более десяти лет назад выбора радиостанций фактически не было. Конечно, была и есть дюжина производителей, предлагающих похожие решения по похожей (высокой) цене. Но разница между этими продуктами заключается в основном в оформлении и сервисных функциях. Строятся они все по одному принципу и работают примерно одинаково.

Приемный тракт этих радиостанций построен по супергетеродинной схеме на дискретных элементах или аналоговых микросхемах малой степени интеграции. Передатчик состоит из задающего генератора, совмещенного с модулятором, нескольких каскадов умножения частоты, и усилителя мощности. Тут тоже используются отдельные транзисторы или простенькие микросхемы (а так же гибридные сборки). То есть передатчик и приемник являются аналоговыми устройствами, а из-за того, что некоторые части схемы используются ими совместно, радиостанции такого типа еще называют трансиверами.

Такие устройства я буду далее называть «классическими», ведь принципы их работы известны уже более ста лет.

Сегодня же, благодаря китайским товарищам, на рынке представлено около сотни моделей. Порой похожих друг на друга как близнецы, порой очень не похожих. Но, что главное, цены разных моделей тоже порой отличаются чуть ли не на порядок. Дело в маркетинге и «свистелках», или не только?

RDA и все-все-все

Настоящий бестселлер
Настоящий бестселлер

Начнем с самого вкусного по цене и оттого крайне любимого в народе бренда под названием Baofeng. Не буду отрицать, он просто перевернул рынок с ног на голову. Благодаря ему портативные радиостанции превратились из гаджетов в расходный материал. Теперь не нужно откладывать целую зарплату на радиостанцию, достаточно разок не сходить в ресторан. В чем же секрет?

Секрет в этой маленькой микросхеме, всего 5x5 мм, одна тетрадная клетка
Секрет в этой маленькой микросхеме, всего 5x5 мм, одна тетрадная клетка

Несмотря на некоторый антагонизм радиостанций и мобильных телефонов, своим появлением на свет «Баофенги» обязаны как раз разработкам в области сотовой связи.

Однажды, один инженер спросил себя: если в любом копеечном мобильнике прямо в процессор встроен приемопередатчик с неплохими характеристиками, то почему радиостанции такие сложные и дорогие? Нельзя ли наработки мобильной связи применить для построения такой же дешевой радиостанции?

И закономерно оказалось, что вполне можно. Ведь приемопередатчик радиостанции структурно значительно проще приемопередатчика сотового терминала. Тут и частоты ниже, и переключение прием-передача проще, и требования к стабильности характеристик на порядок мягче. Почему бы и да?

В результате всех этих логических заключений, а потом и инженерных усилий, на свет появилась замечательная микросхема RDA1846, которая включает в себя почти всю радиостанцию. Тут и синтезатор частот, и тракты приемника с передатчиком, включающие в себя все ключевые узлы, и даже интерфейсы SPI и I2C для связи с внешним микроконтроллером, более характерные для периферии «ардуин» с «ежевиками».

Короче, идея сработала на все 200%. Радиостанции на базе этой микросхемы получились примерно той же цены, что и самые дешманские мобильники на базе высоко-интегрированных SoC типа все-в-одном, то есть буквально от двух десятков долларов. И, что тоже очень важно, по некоторым параметрам они даже превзошли классические изделия начального уровня при кратно более низкой цене!

Но наш мир устроен так, что не бывает, чтобы все было хорошо. Где-то должен быть подвох. И он, к сожалению, есть.

Что находится внутри радиостанции Motorola или Kenwood, стоимостью двести долларов? Там очень много разных деталей, среди которых уйма конденсаторов и катушек. Причем, часть катушек еще и с переменной индуктивностью, которую нужно вручную подгонять в каждом экземпляре на этапе производства. Еще обычно есть несколько увесистых кварцевых резонаторов и керамических фильтров.

Все эти детали не запихнуть внутрь кристалла микросхемы. Особенно подстроечные элементы. А если просто вынести их наружу, то получится не намного проще и дешевле, чтобы считать это революцией.

Аналоговые микросхемы приемников и передатчиков, которые содержат в своем составе все, что можно разместить на кристалле, конечно, давно существуют. Но их применение не дает радикальных преимуществ, поэтому многие классические радиостанции все еще базируются на дискретных транзисторах в своей высокочастотной части.

Motorola активно использует аналоговые микросхемы собственной разработки
Motorola активно использует аналоговые микросхемы собственной разработки

Именно по этой причине интегральные приемники и передатчики строятся по другому принципу. В них аналоговый сигнал подвергается лишь самой минимальной обработке.

Если несколько упростить, то приемник после непродолжительной подготовки переносит сигнал на более низкую частоту, попутно разделяя его на составляющие, и сразу же оцифровывает. Все последующие манипуляции производятся уже над цифровым потоком. Ровно тот же принцип, что у SDR, только алгоритмической обработкой занимается встроенное DSP-ядро, а не отдельный компьютер.

Передатчик наоборот, формирует целевой сигнал полностью «в цифре», и только перед самым выводом его на ножку чипа, подвергает цифро-аналоговому преобразованию и переносу на нужную частоту.

Такой подход позволяет избавиться от 90% тех деталей, которые нельзя вытравить на поверхности кремниевой подложки, а заодно и от всех тех, которые нужно подкручивать в процессе настройки.

Конечно, по количеству элементов схема такого трансивера оказывается на три порядка сложнее аналогового. Но благодаря тому, что вся она теперь размещается на кристалле, который можно штамповать миллионными тиражами, итоговая цена оказалась очень низкой.

В результате получается отличный передатчик, и приемник, который обладает очень хорошей чувствительностью, но имеет некоторые проблемы...

Тот, кто использовал приемники типа RTL-SDR в городе, хорошо знает, как они ведут себя при наличии в эфире мощного мешающего сигнала. Сигнал этот начинает приниматься везде, а не только на своей частоте. А в момент появления такой помехи «проседает» весь спектр, как будто уровень всех остальных сигналов резко уменьшился.

Происходит это из-за того, что диапазон входных напряжений, которые такой приемник может обработать, ограничен схемотехникой входных цепей и разрядностью АЦП. Если типичная чувствительность приемника равна примерно 0.1 мкВ, то даже в идеальных условиях 16-разрядный АЦП упрется в верхний предел своего динамического диапазона уже при входном напряжении всего около 3 мВ. В реальности еще в несколько раз ниже. А такой сигнал легко можно «словить» даже в нескольких километрах от его источника, особенно на внешнюю антенну.

Что происходит при «переполнении» АЦП мощным сигналом? Примерно то же самое, что и при засветке камеры прямым солнечным светом. Каждый видел подобные кадры.

Внутри яркого круга тоже есть ветки и листья, но их не видно
Внутри яркого круга тоже есть ветки и листья, но их не видно

На снимке мы видим, что из-за солнца все цвета поменялись. Темные тона превратились в серые, причем чем ближе к солнцу, тем сильнее искажается цвет. А начиная с некоторой степени приближения уже все пиксели сливаются в сплошной белый цвет и информация о них теряется полностью. Этот порог яркости и есть предел возможностей аналоговых ячеек или АЦП матрицы.

Ровно те же эффекты происходят и в «ослепленном» приемнике. Сильный сигнал заметно подавляет даже то, что далеко отстоит от его частоты. Слабые сигналы при этом начинают тонуть в шумах. А все то, что оказалось рядом с частотой «засветки» – полностью перекрывается помехой.

Это далеко не все негативные последствия перегрузки приемника, но уже достаточно, чтобы объяснить такую неприятную особенность «Баофенгов», как способность принимать помехи от автосигнализаций на любой частоте, даже при большой отстройке от мусорного канала 433.920 МГц. Сигнал рядом расположенной жужжалки в данном случае играет ту же роль, что и прямой солнечный свет на испорченной фотографии.

Можно, конечно, повысить разрядность АЦП до 24 бит и получить неплохой динамический диапазон от 0.1 мкВ до 0.7 В, но тогда нужно будет перевести на 24-битные рельсы и DSP. И заодно не забыть про аналоговые цепи на входе, которые должны потреблять значительный ток для того, чтобы без искажений пропускать через себя почти вольт входного напряжения. Все это можно сделать, но итоговая цена и потребление энергии подобного чипа уже делает его почти бессмысленным по сравнению с аналоговой «классикой».

Кстати, такие решения активно применяются, например, на рынке коротковолновых радиостанций, где проблема динамического диапазона стоит гораздо острее. Но цена их, как я уже сказал, даже выше, чем у классических аппаратов, и вся возня затеяна не для удешевления, а ради огромных возможностей, предоставляемых цифровой обработкой сигнала.

Итак, что мы имеем? «Баофенги» дешевые, компактные, экономичные, чувствительные по приему, но плохо чувствуют себя в загруженном городском эфире.

Их идеальная «среда обитания» – на природе, в море, в пустыне, на полюсе. Короче, подальше от помех, где полностью сможет раскрыться потенциал их чувствительного приемника.

Соответственно, где их применять не нужно – это в авиации и воздухоплавании, на электротранспорте, а в городских условиях быть готовым слушать все сигнализации в радиусе ста метров. И ни в коем случае даже не думать о подключении внешней антенны, в том числе и автомобильной. Вообще ничего кроме штатного «крысиного хвостика» подключать крайне не рекомендую. Чем лучше антенна, тем сильнее проявляются все недостатки RDA-чипа. Вплоть до того, что прием слабых сигналов на внешнюю антенну будет хуже, чем на штатную.

RDA на стероидах

Описанные выше недостатки заставили некоторых производителей пойти на небольшое усложнение и удорожание радиостанции с целью улучшить ее приемные характеристики.

Суть улучшения простая. Раз однокристальный приемник так боится сильных помех, нужно его от них по возможности оградить. Для этого на входе приемника ставятся дополнительные фильтры, состоящие из катушек индуктивности и электрически управляемых конденсаторов переменной емкости – варикапов.

На самом деле варикап – это простой диод, но сейчас не об этом.

Во время установки частоты процессор при помощи встроенного ЦАП меняет напряжение на варикапах так, чтобы их емкость в комбинации с индуктивностью катушек образовывала LC-контуры, настроенные примерно на эту же частоту. Буквально пара таких контуров, соединенные в цепочку, образуют фильтр, который позволяют прямо на входе приемника эффективно отсеять все сигналы, отстоящие от рабочей частоты более чем на несколько мегагерц. В результате радиостанция перестает слышать сигнализации по всему диапазону и вообще работает на прием гораздо лучше.

Ценой улучшений кроме подорожания становится небольшое ухудшение чувствительности приемника из-за потерь в фильтре (ведь остальная схема, в частности усилитель ВЧ, осталась без изменений). Но эти потери с лихвой компенсируется улучшением помехозащищенности, в результате чего способность к приему слабых сигналов в условиях города становится только лучше.

ShiQun SQ-UV25 выглядит точно так же
ShiQun SQ-UV25 выглядит точно так же

Отличить модели радиостанций, оснащенные фильтром, не так просто. Их цена немного выше, чем у классического «Баофенга», примерно на $10. Но очевидно, что только на цену ориентироваться нельзя, нужно искать обзоры от специалистов. Мне доподлинно пока известны только две таких модели: Quansheng UV-R50 и ShiQun SQ-UV25.

Какие выводы? Эти радиостанции по качеству приемника занимают промежуточное положение между «Баофенгами» и супергетеродинами. Их можно достаточно комфортно применять в городе со штатной антенной. А в отдаленных местностях даже присоединить наружную антенну по необходимости.

По-прежнему плохо RDA себя чувствует в городе с внешней антенной, и на электротранспорте.

Классика

Персональная радиосвязь. Что? Почем? Зачем? - 8

Тут много писать не буду. Стоимость этих радиостанций у китайцев начинается от $80. Сейчас рынок дешевых портативных супергетеродинных аппаратов фактически монополизирован несколькими моделями всего двух производителей. Это Wouxun с моделью KG-UVD1P и линейкой KG-UVxD, а так же Quansheng с моделями TG-UV2 и TG-UV2 Plus. Есть некоторое количество навороченных моделей ценой под две сотни долларов, но это уже совсем другая категория, которой касаться не будем.

Классическая схемотехника позволяет приемнику работать в трудных условиях городского эфира и на электротранспорте, где помех еще больше. Но во всем нужно знать меру. Входные цепи даже у супергетеродинного приемника портативной радиостанции заточены в первую очередь на чувствительность и экономичность. Способность противостоять сильным мешающим сигналам хоть и выше, чем у RDA, но использовать внешнюю антенну все равно надо с осторожностью.

Для работы с полноразмерными антеннами рекомендуются только стационарные и некоторые автомобильные аппараты. Их разработчикам не нужно было экономить каждый миллиметр на плате. Даже в режиме приема с закрытым шумоподавителем эти аппараты потребляют от источника питания ток до нескольких ампер. Именно такой ценой достигается широкий динамический диапазон, и поэтому портативная радиостанция никогда не сравнится с ними по этому параметру.

Каков итог? Классические аппараты можно использовать почти без ограничений в любых условиях кроме варианта с внешней антенной в особо загруженном эфире.

Из недостатков более высокая цена и энергопотребление, обычно меньше разных сервисных функций.

P.S. Хотел включить в статью еще и цифровые радиостанции, но и так получилось слишком длинно. Если тема цифрового персонального радио интересна, то будет подобная статья, но уже про недорогие цифровые радиостанции.

Автор:
quwy

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js