Pytanie:
Lepsze wyjaśnienie zasięgu sygnału VHF poza zasięgiem wzroku niż „niższa krzywizna fal radiowych”
Dave G
2019-02-23 22:56:42 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Obecnie przygotowuję się do egzaminu na technika i znalazłem odpowiedź na pytanie, które uważam za śmieszne. Pytanie brzmi:

Dlaczego sygnały VHF / UHF zwykle przemieszczają się nieco dalej niż wizualna odległość w linii wzroku między dwiema stacjami?

Podana " poprawna "odpowiedź brzmi:

Ponieważ Ziemia wydaje się mniej zakrzywiona pod wpływem fal radiowych niż światła.

Daj spokój, są o wiele lepsze odpowiedzi i nie trzeba nawet wchodzić w dualność cząstek i fal. Moje pytanie brzmi, pytając eksperta od szynki, jaka byłaby lepsza odpowiedź na to pytanie?

Czy możesz wyjaśnić, jakie pytanie zadajesz ** nam **, proszę?
Przepraszamy - teraz ma formę pytania zamiast oświadczenia
tak więc pełne pytanie brzmi: „Jak możesz wyjaśnić, że sygnały VHF / UHF sięgają dalej niż linia wzroku? (wyjaśnij bez użycia„ krzywizny ”)”?
Swoją drogą, jestem ** naprawdę ** zły z powodu tej odpowiedzi. To nawet nie odpowiada na pytanie. Dosłownie odpowiada na coś innego. Pytanie nawet nie wspomina, że ​​druga stacja znajduje się poza horyzontem wizualnym z powodu krzywizny ziemi; opisuje brak ** wizualnej linii widzenia ** (dosłownie!), co może oznaczać, że pomiędzy nimi występuje krzywizna ziemi, ale może też oznaczać, że pomiędzy nimi znajduje się wzgórze, dom lub billboard wykonany z cienkiej tektury. I nawet jeśli chodzi o pytanie, na które * odpowiada *, jest to po prostu błędne.
Dziękuję Marcus - miło jest wiedzieć, że ktoś z takim doświadczeniem jak twoje zgadza się ze mną.
Hej, @DaveG, możesz w końcu przyjąć odpowiedź - myślę, że najlepiej Phila :)
Cztery odpowiedzi:
#1
+7
Phil Frost - W8II
2019-02-24 04:00:47 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Pełne pytanie i możliwe odpowiedzi:

T3 C11
Dlaczego sygnały radiowe VHF i UHF zwykle przemieszczają się nieco dalej niż wizualna odległość w linii wzroku między dwiema stacjami?

A. Sygnały radiowe poruszają się nieco szybciej niż prędkość światła
B. Fale radiowe nie są blokowane przez cząsteczki kurzu
C. Ziemia wydaje się mniej zakrzywiona przez fale radiowe niż światło
D. Fale radiowe są blokowane przez pył cząsteczki

Spośród nich C jest jedyną odpowiedzią, która ma sens. Zapewne można by polemizować ze sformułowaniem odpowiedzi, ponieważ fale radiowe nie mają świadomości, a więc nic nie może im „wydawać się” niczym. Jednak załamanie atmosferyczne w większym stopniu zakrzywia stosunkowo niskie częstotliwości (w porównaniu do światła widzialnego) VHF i UHF, a ludzka natura polega na przekształcaniu naszych obserwacji w niemożliwe do wykonania układy odniesienia, aby bardziej intuicyjnie rozumieć świat. Gdyby twoje oczy mogły widzieć w częstotliwości radiowej, rzeczywiście widziałbyś dalej, co oznacza, że ​​Ziemia jest faktycznie mniej zakrzywiona, więc nawet jeśli jest to niemożliwy scenariusz, zachowuje prostą intuicję i rozsądek.

Próba uproszczenia złożonego interakcja warunków atmosferycznych i elektrodynamiki w jedno zdanie pytanie i odpowiedź w prostym języku z pewnością wywoła pewien stopień niezgody na temat jednego „najlepszego” zdania, które oddaje sytuację, i będzie wymagało przyjęcia pewnych rozsądnych założeń. Najlepsze, na co możemy mieć nadzieję, to to, że jedna z czterech proponowanych odpowiedzi jest oczywiście poprawna, podczas gdy pozostałe trzy są oczywiście błędne, i według tego standardu to pytanie wydaje mi się w porządku.

Zgodzę się z tobą co do „najmniej zła opcja”; Myślę, że wydałeś bardzo prawdziwe stwierdzenie w wielu sytuacjach w życiu: kiedy masz za zadanie dokonać wyboru między wieloma złymi opcjami, wybierz tę, która jest najmniej szalona. I zgadzam się z tobą, przy tych alternatywach wybór jest więcej niż jasny.
Uważam, że odpowiednim terminem byłoby antropomorfizacja.
Wszystkie znakomite punkty Phil, Marcus i Glen… trudno byłoby opisać fizyczny wszechświat bez użycia metafory.
#2
+7
Marcus Müller
2019-02-24 05:15:49 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Przyjmij proszę odpowiedź Phila. To najbardziej rozsądna odpowiedź.

Teraz jednak, aby odpowiedzieć:

Jaka byłaby lepsza odpowiedź na to pytanie?

Dlaczego Sygnały VHF / UHF zwykle przemieszczają się nieco dalej niż wizualna odległość w linii wzroku między dwiema stacjami?

Ponieważ nie są tym samym, co światło; po pierwsze, nie blokują ich rzeczy takie jak cienki bawełniany prześcieradło.

Słyszę, jak mamroczę pod nosem:

Ok, wiesz dokładnie, jakie było to pytanie; nie bądź dupkiem:

Dlaczego można wykrywać fale VHF / UHF, jeśli nadajnik i odbiornik nie łączy się z linią prostą przez medium przezroczyste dla RF?

Ponieważ optyka wiązki nie ma tutaj zastosowania.

Pamiętaj, że założenie, że światło tworzy idealnie proste wiązki, jest w rzeczywistości błędne; po prostu tak wygląda, ponieważ długość fali światła widzialnego, które jest falą elektromagnetyczną, podobnie jak fale radiowe, jest w nanometrach, a zatem większość efektów, które możemy zaobserwować w światłach, jest dobrze modelowana za pomocą modelu światła podążającego po prostej

Jednak to tylko uzasadnione uproszczenie przy założeniu, że

  1. wszystkie struktury oddziałujące z falą są znacznie większe niż długość fali.
  2. medium (na przykład powietrze), przez które porusza się fala, jest jednorodne i działa tak samo bez względu na to, w jakim kierunku przez niego podróżujesz
  3. czułość, z jaką patrzymy na zjawiska świetlne, jest wystarczająco niska, aby zignorować efekty, których model nie może wyjaśnić (nawiasem mówiąc, dotyczy to dowolnego modelu świata)

Wielkoskalowość (założenie 1)

Aby zilustrować 1 .: Może przeprowadzałeś eksperymenty ze szczeliną ze światłem: zrób naprawdę, bardzo wąską szczelinę i umieść ją między źródłem światła a ekranem. Zobaczysz, że światło naprawdę nie potrzebuje prostej ścieżki do podróży. Idealnie byłoby również móc obserwować efekty interferencji na ekranie, tj. nie tylko światło w miejscach, które powinny być ciemne, ale także regularne wahania jasności.

Potrzebujesz jednak naprawdę wąskiej szczeliny, aby działała dobrze (lub nawet lepiej, wiele identycznych szczelin w równej odległości, aby efekt był silniejszy).

To samo dotyczy fal radiowych i ziemi: powiedzmy, że twój sygnał UHF ma długość fali w kolejności „mierników jednocyfrowych”. Ziemia ma promień 6370 km. Jest „wystarczająco duży” w porównaniu z długością fali, na której fale radiowe, podobnie jak światło, nie „sięgałyby poza horyzont”, ** jeśli * nie było atmosfery wokół Ziemi.

Homogeniczne, anizotropowe medium ( Założenie 2)

A teraz rzecz: jeśli Ziemia jest naprawdę duża w porównaniu z falami UHF, model propagacji optycznej zadziała i nie powinniśmy być w stanie odbierać rzeczy z miejsca, do którego prosta linia przechodzi przez ziemię.

Jednak atmosfera w ogóle tu nie gra:

W dolnej części jest ograniczona ziemią, a właściwie globalnie , częściej wodą morską, która przynajmniej częściowo jest dość dobrze odbijającą powierzchnię dla fal radiowych. Na górnym końcu otrzymujemy jonosferę, troposferę i tak zwaną sferę; zasadniczo otrzymujesz załamanie, które „zagina” wiązkę w kierunku ziemi na tyle, aby nieco bardziej „przylgnęła” do powierzchni Ziemi.

(Napisałem wyjaśnienie na poziomie fizyki dla zaawansowanych do tego tutaj.)

Zatem to, co widzimy w przypadku radia mikrofalowego, jest podobne do tego, co dzieje się w światłowodzie (wielomodowym o stopniowanym indeksie); światłowód nie musi biec w linii prostej, ale wiązka światła może nadal przechodzić przez niego względnie bez przeszkód, z prostego powodu polegającego na tym, że zawsze jest załamywana (i odbijana) z powrotem w kierunku rdzenia światłowodu, gdy zbliża się do krawędź.

To nie sprawia, że ​​światłowód (ziemia) jest mniej zakrzywiony; po prostu makroskopowo wiązka podąża za krzywizną. Fakt, że krzywizna nie jest „wyeliminowana” przez ten model refrakcji, można po prostu zweryfikować, zdając sobie sprawę, że światło wciąż musi przebyć odległość dłuższą (a zatem przez czas mierzalnie dłuższą) niż proste połączenie między punktami.

Więc tak, uważam, że ta odpowiedź jest błędna.

Czułość jest zbyt niska, aby wykryć różnicę w stosunku do prostszego modelu (założenie 3)

Chociaż nasza oczy są potężnymi instrumentami, które można w sposób ciągły i płynnie dostosowywać do różnych sytuacji oświetleniowych, ich chwilowy zakres dynamiczny (stosunek najsłabszej wykrywalnej mocy do najsilniejszej wykrywalnej mocy światła) jest ograniczony: Liczby różnią się w zależności od tego, kto badał co, ale można założyć, że nie przekracza rzędu 1: 1 000 000 (lub 60 dB).

Dzięki odbiornikom i nadajnikom radiowym możemy być znacznie bardziej wrażliwi na coś, na co nie pozwalają nam fale świetlne (ponieważ fale nie są spójne):

Możemy wziąć dowolnie długą obserwację i sprowadzić ją do liczby. (Nazywamy wzrost czułości wzmocnieniem przetwarzania . Uważam, że ta nazwa bardzo pasuje.)

W ogóle nie będziesz w stanie zobaczyć załamanego atmosferycznie światła latarni morskiej, jeśli światło go przyćmiało, nawet jeśli stałeś tuż obok - ale dzięki odbiornikom radiowym możemy stłumić efekt szumów otoczenia i odbiornika. Możesz zrobić coś takiego:

Pozwól nadajnikowi transmitować $ \ cos (2 \ pi 200 \, \ text {MHz} t) $ przez 1 ms, a następnie $ - \ cos (2 \ pi 200 \, \ text {MHz} t) $ (tj. wersja tej samej nośnej przesunięta o 180 ° w fazie) i powtórz to wzorzec przez godzinę (to 3 600 000 ms).

Jeśli nasz odbiornik zna ten wzorzec, mógłby pobrać wszystkie sygnały z nieparzystych milisekund, zapisać je i zsumować. Zrób to samo dla wszystkich parzystych milisekund, ale w osobnym akumulatorze.

Teraz otrzymujesz dwa różne „nagrania sumaryczne”, każdy zawierający 1 800 000 zsumowanych segmentów cosinusów, jeden ze wszystkimi + cos, druga ze wszystkimi -cos.

Jeśli dwa kosze w ogóle nie wyglądają jak cosinusy, to z pewnością jest to tylko szum bez „ukrytych” cosinusów.

Jeśli jednak jeden kosz wygląda jak cosinus, a drugi jak minus-cosinus, wtedy możesz z dużą pewnością powiedzieć, że odebrałeś sygnał z nadajnika. Cosinusy tej samej fazy dodały się konstruktywnie - utworzyłeś cosinus o amplitudzie 1,8 miliona z cosinusa o amplitudzie 1. Szum nie może się sumować tak bardzo; matematyka jest tutaj stosunkowo łatwa: jeśli powiemy, że cosinus o amplitudzie 1 ma potęgę $ P $ , to cosinus o amplitudzie $ A \ cdot 1 $ ma moc $ A ^ 2 \ cdot P $ , tzn. Widzisz wzrost mocy w sumarycznym sygnale $ 1 \, 800 \, 000 ^ 2 $ . Moc nieskorelowanego szumu sumuje się - więc wzrost mocy szumu wynosi „tylko” $ A $ , a nie $ A ^ 2 $ ; stąd stosunek mocy sygnału do mocy szumu (SNR) sumy jest $ \ frac {A ^ 2} {A} = A $ razy lepszy niż oryginalna pojedyncza obserwacja.

To dość prymitywna rzecz - i to jest powód, dla którego tryby takie jak WSPR lub rzeczy takie jak GPS działają tak niezawodnie - twój odbiornik GPS może współpracować z 4-bitowym przetwornikiem ADC, co oznacza od najsłabszej do najsilniejszej natychmiastowo rozróżnialnej szybkości sygnału, tj. zakres dynamiki wynosi zaledwie 16, nawet ignorując ten jeden bit powinien być faktycznie znakiem odbieranego sygnału. Sygnały GPS są zwykle znacznie poniżej poziomu szumów - tj. Mają ujemny współczynnik SNR (w dB). Mimo to GPS działa dobrze! Odbiorniki GPS znają wzór sygnału wysyłanego przez satelity i sumują go przez długi czas, co podnosi sygnał z szumu.

To wszystko ma na celu zilustrowanie, że mamy to znacznie łatwiej ponieważ wykrywanie sygnałów radiowych poniżej otoczenia jest po prostu standardem, a nie sygnałów świetlnych; stąd łatwiej zauważyć, że rzeczy nie działają tak, jak w ładnym i prostym modelu optycznym (wiązkowym).

Odpowiedź

Ponieważ łamiemy założenia niezbędne do modelowania elektromagnetycznego fale jako wiązki, nie możemy formułować żadnych twierdzeń opartych na modelu opartym na wiązce.

Szczególnie energia emitowana wykracza poza horyzont dzięki fali (w przeciwieństwie do promienia ) efekty propagacji, takie jak załamanie, dyfrakcja i odbicie.

#3
+5
Rich Morgan - KF9F
2019-02-27 05:40:58 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Z brytyjskiej strony Electronics Notes.

Łączność radiowa w zasięgu wzroku

Można by pomyśleć, że większość łączy radiokomunikacyjnych w VHF i wyżej podążają wzdłuż linii widzenia. Nie jest to do końca prawdą i okazuje się, że nawet w normalnych warunkach sygnały radiowe mogą podróżować lub propagować na odległościach większych niż linia wzroku.

Przyczyna wzrostu odległości pokonywanej przez Sygnały radiowe są takie, że są załamywane przez niewielkie zmiany zachodzące w ziemskiej atmosferze blisko ziemi. Stwierdzono, że współczynnik załamania światła powietrza blisko gruntu jest bardzo nieznacznie wyższy niż powyżej. W rezultacie sygnały radiowe są wyginane w kierunku obszaru o wyższym współczynniku załamania światła, który jest bliżej ziemi. W ten sposób rozszerza zasięg sygnałów radiowych.

Współczynnik załamania światła atmosfery zmienia się w zależności od różnych czynników. Temperatura, ciśnienie atmosferyczne i ciśnienie pary wodnej mają wpływ na wartość. Nawet niewielkie zmiany tych zmiennych mogą mieć istotne znaczenie, ponieważ sygnały radiowe mogą być załamywane na całej ścieżce sygnału, co może rozciągać się na wiele kilometrów.

Niezła odpowiedź. Tutaj, na Stack Exchange, nie umieszczamy podpisów na postach - karta użytkownika automatycznie dostarczana na dole to Twój podpis i możesz umieścić cokolwiek chcesz w swoim imieniu i profilu. Zrobiłem to dla ciebie.
#4
+2
Richard Fry
2019-02-27 20:45:58 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Z odpowiedzi Marcusa z 23 lutego 2019 r .: ... Szczególnie energia emitowana wykracza poza horyzont z powodu efektów propagacji fal (w przeciwieństwie do promienia), takich jak załamanie , dyfrakcja i odbicie.

Poniżej znajduje się skrajny przykład załamania w zakresie VHF.

Chociaż ścieżka widzenia jest mocno zacieniona przez krzywiznę Ziemi i kilka przeszkód terenowych, wystarczająca ilość wypromieniowanej energii może sięgać poza te przeszkody, aby dostarczyć użyteczny sygnał do odpowiedniego system odbioru.

enter image description here



To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 4.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...