О технологии SDR, АФАР из смартфонов и связи пикосекундными импульсами с другой стороной земного шара. АФАР и остальное

          Поскольку основной интерес при обсуждении вчерашней статьи вызвала тем "АФАР из десятков или сотен произвольно расположенных смартфонов, создаваемая путем применения программы, расположенной «облаке с мощными вычислительными возможностями»", все таки выбрал сегодня минутку , чтобы уточнить эту тему – уточнить, потому что в общем то невозможность создания такой системы выяснилась уже в первых комментариях к предыдущей статье.

    Чтобы внести полную ясность, сначала разберем, что такое АФАР, а уж потом перейдем к «произвольно расположенным смартфонам»

    Каждый радиосигнал,  принимаемый или передаваемый, имеет по крайней мере четыре параметра, которые нужно учитывать при создании направленных  антенн. Это его частота, поляризация, сдвиг фаз и амплитуда.

    Что такое частота,  известно. А вот что такое поляризация, знают не очень многие. Этот параметр определяет плоскость, в которой происходят электромагнитыне колебания данного сигнала. Чтобы понять, что это такое,  возьмем гибкую пластину, к примеру, металлическую линейку. Если прижать один ее конец к столу так, чтобы второй выступал за пределы стола, а потом потянуть вверх или вниз выступающий конец и отпустить его, то линейка начнет колебаться вверх- вниз, издавая звук, зависящий от длины выступающего конца.

   Если проделать то же самое, но прижать линейку не к поверхности стола , а к боковой стенке, то при отпускании линейка начнет колебаться справа налево (или наоборот) , так же издавая звук, подобный первому случаю.

     Так вот, плоскость, в которой происходят колебания линейки, является плоскостью поляризации этих колебаний. Если колебания происходят вверх-вниз, по вертикали, то это колебания с вертикальной поляризацияей, а если справа налево , по горизонтали – это колебания с горизонтальной поляризацией.

    Фаза колебаний в данном случае будет показывать, где находится язычок (выступающая часть линейки) в данный конкретный момент времени. Если принять  среднеположение линейки за ноль, верхнее – за максимальный уровень,  а нижнее – за минимальный, то можно сказать следующее – когда язычок идет вверх, фаза меняется от нуля до 90 градусов,  потом , когда они идет вниз – от 90 до 180 градусов, далее продолжает опускаться вниз до 270 градусов, и вновь поднимается вверх до 360 градусов этого или нуля следующего колебания (периода). То есть, фаза сигнала – величина не постоянная , а все время меняется в течении периода.

      Амплитуда сигнала – это разница между его величинами при фазах 90 и 270 градусов, то есть, размах колебаний от максимального высокого (скажем, максимального положительного) значения до максимально низкого (максимально отрицательного) . Соответственно, колебания в противоположных фазах – это когда в одном высота язычка увеличивается, у другого – уменьшается.

    Вот теперь можно перейти к АФАР. Эта аббревиатура рсшифровывается как активная фазированная антенная решетка. Решетка означает, что это не одна антенна, а несколько антенн, обьединенных в одну конструкцию, фазированная – что для ее правильной работы все эти антенны должны быть сфазированы, то есть, подключены так, чтобы колебания в них приходили в строго определенной фазе, активная – что каждый элемент антенны к тому же активный, то есть, имеет встроенное усилительное устройство (чаще  два – на прием и передачу). Однако, в названии антенны не учтено еще одно условие, которое является необходимым в любой направленной антенне – это одинаковая поляризация колебаний, создаваемых ее элементами.

     Антенные системы с разной поляризацией элементов применяются крайне редко , для создания в основном круговой диаграммы направленности, прижатой к земле.

    Между тем, в нашем случае поляризация – главное условие, которое напрочь убивает идею создания «АФАР из произвольно расположенных смартфонов». Дело в том, что поляризация – такая штука, которую невозможно создать любым неаппаратным способом – нужная поляризация излучения достигается только путем расположения антенны в нужной плоскости. То есть, уже на этом этапе облом – смартфоны не могут располагаться произвольно, они должны быть расположены так, чтобы антенны излучали строго в одной плоскости – к примеру, лежали на ровной площадке строго лицом вверх.

      Чтобы понять, что получится при разной поляризации, можно представить два одинаковых маятника, грузики которых соединены между собой . Если толкнуть оба маятника с одинаковой силой в одном направлении, они отклоняться на определенное расстояние и далее будут колебаться в этой плоскости, причем амплитуда колебаний будет удвоенной по сравнению с одиночным маятником. Если же толкнуть один из них вперед, а другой – вправо, то они начнут колебаться хаотично, практически по кругу, разбрасывая свою энергию во все стороны, причем с меньшей амплитудой. То есть, если колебания, излучаемые частями антенны, происходят в одной плоскости, то они складываются. Если в разных – энергия их разбрасывается в разные стороны.

    Второе условие – частота подводимого к каждой антенне сигнала должна быть строго одинакова, более того, это должен быть строго один и тот же сигнал. Казалось бы, это простое условие, ведь каждый смартфон представялет из себя самостоятельный передатчик, достаточно их синхронизировать по частоте, что можно как раз сделать «программой, расположенной в облаке с большими вычислительными возможностями». Однако сделать это даже при трех- четырех смартфонах практически невозможно – дело в том, что каждый передатчик  составлен из своих деталей, имеющих свои отклонения  в пределах допусков от номиналов, и поэтому хоть чуть чуть, но по другому работает и выдает частоту, пусть на несколько десятых долей процента, отличающуюся от других – но это уже важно, и очень сильно затрудняет синхронизацию передатчиков – ведь каждый из них будет докладывать «я работаю точно на нужной частоте», хотя это будет совершенно не так. Создать канал измерения к каждому передатчику и независимо регулировать частоту ГУНа – весьма трудная задача, так как все передатчики работают на одной частоте и для измерения  и регулировки частоты любого из них нужно выключить другие – иначе они просто забьют сигнал «нужного « передатчика. А ведь еще нужно иметь эталон частоты, на которую нужно все это настраивать.

    В общем, геморрой еще тот.

    Ну , и еще фазирование. Практически – по крайней мере в обозримом  будущем – эта задача невозможна, несмотря на наличие GPS  и так далее. Дело в том, что разность фаз в принципе определяется временем запаздывания одного сигнала от другого. Разность фаз в 90 градусов означает, что один сигнал отстает (опережает) от другого на четверть периода колебания, и это время в долях секунды можно рассчитать по формуле, определяющий соотношение частоты и периода колебаний (Т=1/f).

     Так вот, для фазирования антенны необходимо, чтобы 

1. Частоты сигнала точно совпадали, иначе фазы будут "бегать" относительно друг друга;
2. Время, затрачиваемое на подстройку фазы, было меньше хотя бы 1/8 – 1/10 периода колебаний.

Однако, выполнить эти условия – невозможно. Дело в том, что быстродействие GPS  не позволяет с такой скоростью отслеживать местоположение каждого смартфона, а ведь еще нужно произвести необходимые расчеты, передать полученный результат в каждый смартфон,  который изменит фазу колебаний до нужной величины.

    Чтобы понять это, сделаем расчет

Допустим, частота излучения смартфона – 1800 мегагерц, тогда период колебаний будет равен

1 сек/ 1800 000 000 герц = 0,55 наносекунды. Нам нужен период измерения фазы со скоростью 1/10 периода, что даст нам 0,055 наносекунды, но у нас, скажем, есть хотя бы 10 смартфонов, которые за эти 0,055 наносекунды нужно опросить, сделать расчет и выдать ему результат. Получается время на каждый смартфон – 0,0055 наносекунды, или 5,5 пикосекунд, что даст частоту 1секунда /5,5 пикосекунд  составит 182 Гигагерца. То есть, смартфоны должны с этой целью опрашиваться и получать назад информацию со скоростью 181 Гигагерц. Эта скорость по частоте  на два порядка выше той, на которой работает смартфон, а потому просто не может использоваться для какого то воздействия на него

     А еще с такой же скоростью должны работать устройства GPS, определяющие положение девайса. Посчитайте, сколько времени уходит на то, чтобы сигнал от спутника достиг приемника GPS, взяв минимальное расстояние – 20000 километров. Подсчитали ?  Правильно, около 60 микросекунд. А нужное время – не более 5 пикосекунд…

     Думаю, комментарии не требуются.  

     Ну , и коротко еще об одном заявлении – о пикосекундных импульсах, в которые со смартфона можно вложить огромную мощность, которая позволит напрямую связываться с другой стороной Земли, минуя базовую станцию.

    Глупость этого утверждения – очевидна, хотя бы потому, что радиоволны тех диапазонов , на которых работают современные смартфоны, не могут огибать Землю, независимо от мощности – они распространяются только прямолинейно, как световые лучи.

       Ссылки на то, что "коротковолновики вон связываются на 5 ваттах со всем миром" абсолютно не состоятельны - дело в том, что волны , на которых работают радиолюбители, на два порядка длиннее рабочих волн сотовой связи (длиннее 10 метров, в то время как у сотового телефона это дециметровый диапазон), и имеют совершенно другой механизм распространения - отражаются от неоднородностей в тропосфере или ионосфере, способны преломляться в ней , отражаться от земной поверхности, в результате чего огибают земной шар и на них возможна связь в определенные часы на сверхдальные расстояния. Частоты, на которых работают сотовые телефоны, такой способностью не обладают. 

    Во вторых, как бы мы не сокращали импульс при имеющихся источниках питания, вложить в него большую мощность, чем может дать в обычном режиме выходной каскад – не получится. Не даст закон сохранения энергии, который в общем гласит, что энергию невозможно взять ниоткуда и она никуда не девается. Если выходной каскад передатчика потребляет 1 ампер при напряжении 4 вольта, при любой длительности мгновенная мощность не может превышать – при КПД каскада 100% - 4 ватта.

     Естественно, мгновенно возникнет вопрос – а как же, к примеру, в локаторах или других импульсных устройствах при скромной потребляемой мощности в импульсе достигают мощностей излучения, десятикратно, а то и более превышающих  мощность источников питания ?  Например, локатор, потребляющий 25 киловатт, в импульсе может давать до 200 киловатт мгновенной мощности.

    Все правильно. Дело в том, что это вовсе не противоречит закону сохранения энергии – она локаторах накапливается. Импульсы там короткие, частота следования достаточно низкая, особенно у станций дальнего обзора  - несколько сот герц, время  между импульсами многократно превышает длительность самого импульса.  Весь проомежуток между импульсами энергия накапливается – либо в магнитном поле импульсного источника (преобразователя) , либо в накопительном конденсаторе  - в виде повышенного напряжения .

    Затем накопленная энергия включается на питание генератора, и все. Накопленное, скажем, в течении 50 миллисекунд, мгновенно выдается в зондирующем импульсе длиной 50 микросекунд.

   Естественно, в таком случае средняя мощность будет не выше возможностей источников электропитания, хотя в самом импульсе может достигать многократного ее превышения.

    Но такой режим возможен только в том случае, если скорость повторения импульсов небольшая, уже при нескольких килогерцах (что и есть в смартфонах)  мощность источника питания становится сравнимой с излучаемой.

    Ну все. Надеюсь, я не утомил никого  техническими подробностями.