Представьте, что вас позвали учиться плавать — и сразу бросили в океан. С сегодняшней темой получается что-то похожее. Она точно не годится для начала пути в постижении радиосвязи. Но если взглянуть на неё хотя бы издалека, то открывается удивительная картина — как ученые и инженеры приручили атмосферный хаос, научили радиосвязь заглядывать за горизонт и связывать континенты еще до изобретения спутниковой связи.
Меня зовут Ковальчук Артём и вы слушаете подкаст «До нас дошло»
Предположим, что до появления спутника Молния-1 еще 15 лет, а нам уже требуется связать две точки, между которыми сотни километров. Но Земля то у нас шар, и прямая видимость закончится гораздо раньше. Что делать? Сразу напрашивается тянуть кабель через горы и океаны, или ставить цепочку вышек.
Оба варианта это долго, дорого, а иногда и просто невозможно.
И вот оказывается, еще в середине прошлого века нашли другой путь. Совершенно неожиданный. Ответ, как ни странно, скрывался в самой атмосфере.
Еще во время второй мировой войны стали замечать странное. Сигналы из диапазона УКВ или ультракоротких волн, это волны, которые вполне можно представить как свет фонарика, который светит строго по прямой. А тут их вдруг начали уверенно принимать на удивительно больших расстояниях, сотни километров. Это совершенно не укладывалось в теории того времени.
По классической, на тот момент, теории радиораспространения, даже с самым мощным передатчиком связь должна была обрываться на дистанции меньше 100 км. Да, часть радиоволн действительно огибает Землю, но считалось, что за горизонтом сигнал падает так резко, что становится бесполезным.
Стало понятно, что старые объяснения как-то не стыкуются. Или объясняют далеко не всё. Совершенно точно был какой-то другой механизм. Более своенравный, что ли.
Главное, что нужно понимать в радиосвязи — это шум. Чтобы связь работала, сигнал на приёмнике должен быть заметно сильнее, чем все атмосферные и искусственные помехи.
После войны подобные странности стали замечать еще чаще. В 1948 году Федеральная комиссия по связи США даже ввела мораторий на выдачу телевизионных лицензий. Диапазон ОВЧ оказался переполнен, и станции начали мешать друг другу даже на больших расстояниях. К 1949 году накопились сотни заявок от телекомпаний, но их рассмотрение отложили. Решением должно было стать открытие новых каналов в диапазоне УВЧ, который существовавшие тогда телевизоры принимать не умели. Этот мораторий получил название «телевизионная заморозка».
То же самое происходило и с магистральными радиорелейными линиями Bell: сигнал «перескакивал» через несколько узлов и попадал туда, где, по теории, его быть не должно.
Среди организаций, начавших изучать этот эффект, конечно же была Bell Labs.
В 1950 году инженер Bell Labs Кеннет Буллинг собрал все эти данные и показал: радиосвязь за горизонтом может работать куда лучше, чем считалось раньше.
Более того, он предложил использовать это явление на практике — там, где рельеф или условия не позволяют ставить промежуточные станции слишком часто.
Через два года Bell начала эксперименты совместно с Lincoln Labs — радиолокационной лабораторией при MIT. Используя мощные микроволновые передатчики Lincoln и чувствительные приёмники Bell, они построили несколько экспериментальных систем для проверки различных частот и влияния погодных условий, с целью обнаружить и изучить неизвестные силы.
Результатом этой работы было открытие первой тропосферной линии связи, но давайте вспомним, что вообще такое тропосфера.
Вставка: «Шелдон, не мог бы ты меня немножко научить физике?» (т/с «ТБВ»)
Тропосфера - это нижний слой атмосферы. Километров так 10−15 вверх.
Все что происходит в тропосфере, во многом определяет нашу погоду
Сама тропосфера неоднородна, полна турбулентных вихрей, слоёв с разной плотностью воздуха.
И вот эти-то неоднородности, которые к тому же постоянно в движении, работают, как такие крошечные, постоянно движущиеся переизлучатели. Для радиоволнового диапазона, в частности.
Ключевым фактором тропосферного распространения является такое физическое явление как рефракция или преломление. Это когда направление волны меняется при переходе из одной среды в другую.
Обратимся к свету. У видимого света есть параметр, который называется показатель преломления или индекс рефракции. Если коротко, это число, которое показывает, насколько сильно луч меняет направление, когда проходит из одной среды в другую. Например, луч света из воздуха в воду «сгибается» — вот это и есть преломление. Чем больше разница в плотности, тем сильнее изгиб.
Почему мы вдруг про свет заговорили? Потому что радиоволны и свет ведут себя очень схожим образом. Это всего лишь разные части электромагнитного спектра.
С радиоволнами в диапазоне УКВ в тропосфере всё примерно так же. Только «среда» для них — это слои воздуха с разной плотностью, температурой и влажностью.
Когда сигнал проходит через эти слои, его направление тоже меняется, луч слегка «изгибается» и рассеивается. Именно благодаря этому явлению и постоянным колебаниямив тропосфере часть энергии волны может «обогнуть» горизонт и дойти до приёмника, который находится далеко за видимой линией горизонта.
Методов распространения сигнала в тропосфере несколько, но остановимся на самом часто встречающемся - дальнем тропосферном распространении, сокращенно ДТР.
ДТР возможно благодаря тропосферному рассеянию электромагнитных волн.
Механизм передачи проще всего понять на аналогии: представьте, что вы едете ночью по тёмной просёлочной дороге. Вы приближаетесь к большому городу, который находится за следующим холмом. Когда вы поднимаетесь на холм, вы видите сияние огней города, хотя сами огни находятся за горизонтом и не видны. Световые волны распространяются по прямой, но часть света рассеивается пылью и другими частицами в воздухе и попадает в ваши глаза.
Рассеиваемый свет — это очень малая доля от общего объёма, и то же самое справедливо для радиоволн: энергия, рассеиваемая в тропосфере и доходящая до приёмника, составляет крошечную часть от всей излучённой мощности.
Использовать хаос атмосферы для связи - звучит круто. Но если приемника достигала лишь ничтожно малая часть энергии, то сигнал на приёме должен быть просто чудовищно слабым.
Все именно так. Это и была ключевая проблема ДТР. Потери мощности сигнала при таком рассеянии, они колоссальны. Чуть позже разберемся почему.
Чтобы компенсировать эти гигантские потери, пришлось создать аппаратуру с поистине, выдающимися характеристиками для середины XX века.
Во-первых, передатчики. Нужны были передатчики очень большой мощности. Речь о мощности в единицы и даже десятки киловатт.
Когда мы говорим о мощности передатчика, мы имеем в виду, сколько энергии он способен «выплеснуть» каждую секунду в эфир. В быту у каждого дома есть такой передатчик - обычная светодиодная лампочка. Лампочка тоже излучает электромагнитные волны, только в видимом диапазоне. Эти волны мы называем видимым светом. Маленькие фотончики летят от лампы, отражаются от стен, и мы видим окружающий мир.
Если вы посмотрите на лампочку, там наверняка будет цифра от пяти до десяти ватт. Десятиваттная светодиодная лампа уже очень ярко освещает комнату. Двадцать–пятьдесят ватт — и у вас в комнате наступает настоящий день. Сто ватт — и вы буквально затопили светом целый зал.
Но есть важный нюанс. Всё это — рассеянный свет, распределённый во все стороны. А что если ту же мощность сфокусировать? Тогда мы получим лазер. Киловаттным лазером можно, например, резать лист металла толщиной в палец.
Такой сфокусированный луч, только в диапазоне УКВ, генерировал передатчик выходной мощностью 10 киловатт, на первых версиях станций советской тропосферной линии связи Север. Преодолеть сотни километров с учетом огромных потерь в тропосфере? Легче легкого!
С приемом дела обстояли не лучше.
Для приема слабого сигнала нужны были приёмники с чрезвычайно высокой чувствительностью, способные выделить вот этот полезный сигнал буквально на уровне собственных шумов самой аппаратуры. И внешних помех ещё. Инженеры работали, можно сказать, на пределе тогдашних технологий. И, конечно, второй компонент — это антенны.
Их вполне можно назвать необычными. Если надо собрать вот эти крохи рассеянной энергии, антенны должны быть просто огромными.
В основе таких систем лежали параболические антенны гигантских размеров — диаметром от десяти до тридцати метров, а иногда и больше. Чтобы представить их масштаб, можно вообразить себе «тарелку» размером с фасад небольшого дома, постоянно направленную в горизонт.
Задача этих антенн была двойная: на передачу и на прием. При передаче мощного сигнала антенна работала как линза: она собирала всю энергию передатчика в сфокусированный луч, подобный лучу прожектора. Этот луч нужно было направить с высочайшей точностью в заранее рассчитанную точку в пространстве — так называемый рассеивающий объем.
Можно объяснить это понятие на простой аналогии с двумя фонариками: если скрестить их лучи, то область пересечения и будет тем самым объемом, где энергия сосредоточена больше всего. В радиосвязи эти «лучи» называются диаграммами направленности антенн.
На приеме та же самая антенна выполняла обратную, еще более сложную работу. Она действовала как гигантское «ухо», задача которого — собрать с огромной площади те крохи рассеянной энергии слабого ответного сигнала, которые долетели обратно. Этой энергии было настолько мало, что ее необходимо было усилить, чтобы выделить изначальный полезный сигнал. Даже для более подвижных станций, которые по логике должны быть компактнее, все равно требовались весьма внушительные антенны диаметром от двух до десяти метров.
Но была еще одна проблема - замирание сигнала.
Это вторая ключевая особенность. И, пожалуй, самая главная головная боль для создателей систем ДТР. Уровень принимаемого сигнала постоянно колеблется, иногда пропадает почти совсем. Это явление называют замираниями. Причина в том, что тропосфера, как мы уже знаем, среда очень динамичная, постоянно меняется. Есть быстрые замирания, до нескольких секунд.
Они возникают, когда множество лучей приходят в точку приёма чуть-чуть разными путями, через вот эти постоянно движущиеся неоднородности тропосферы. Эти лучи то складываются усиливая друг друга, т.е находятся в фазе, то в противофазе, ослабляя друг друга.
Помимо быстрых, бывают и очень медленные замирания. Они могут длиться минуты, часы, а иногда даже целые дни или зависеть от времени года. Происходит это из-за глобальных изменений в состоянии тропосферы по всей длине трассы.
Смена погоды, атмосферные фронты, сезонные изменения температуры, влажности — все это влияет на средний уровень рассеянного сигнала. И вот суммарное действие быстрых и медленных замираний приводило к тем самым, как говорят в радиосвязи, затуханиям сигнала, причем настолько, что уровень сигнала мог скакать на сотни децибел.
Децибел — это особая, логарифмическая единица измерения. Она показывает не абсолютное значение, а отношение мощностей. Ключевая идея в том, что каждое увеличение на 10 децибел означает десятикратное изменение мощности. Соответственно, изменение на 20 дБ — это изменение в 100 раз, а на 30 дБ — в 1000 раз. Именно поэтому, когда мы слышим о колебаниях сигнала на десятки децибел, это означает, в сотни тысяч, в миллионы, даже в миллиарды раз сигнал слабее.
Как в таких условиях обеспечить надёжную передачу? Скажем, телефонный разговор или данные передать? Это же просто кошмар для связиста.
Простое увеличение мощности тут бы не спасло. Замирания-то всё равно остаются. Нужен был принципиально другой подход. И его нашли. Это метод разнесённого приёма.

Основная идея разнесённого приёма простая и, я бы сказал, гениальная. Не класть все яйца в одну корзину. То есть передавать и принимать один тот же сигнал не одним способом, а несколькими.
Основной расчёт делался на то, что условия приёма для этих каналов будут отличаться, и замирания сигнала в разных каналах не совпадут по времени.
Например, когда сигнал почти полностью исчезал в одном канале, он с высокой вероятностью оставался вполне приемлемым в другом, что позволяло поддерживать стабильную связь.

Существовало три основных способа реализовать этот принцип:
Первый - это пространственный разнос. Это был самый простой и очевидный метод. Приёмные антенны — две или больше — разносили в пространстве на значительное расстояние, от десятков до сотен метров. Идея заключалась в том, что из-за такого разноса каждая антенна принимала сигналы, прошедшие через разные участки турбулентной тропосферы. В результате замирания на них возникали в разное время и были статистически независимы.

Второй - частотный разнос. В этом случае одну и ту же информацию передавали одновременно на двух или более несущих частотах, которые были близки, но всё же отличались. Поскольку условия распространения радиоволн даже с небольшой разницей в частоте в тропосфере не идентичны, глубокие провалы сигнала на этих частотах также часто не совпадали по времени, что вполне решало задачу.
И третий - это угловой разнос. Этот метод был более технологичным и одновременно более сложным. В нём одна большая антенна (например, параболическая) могла формировать несколько очень узких лучей, каждый из которых был направлен под разным углом в сторону рассеивающего объёма. Так как каждый луч проходил свой уникальный путь через атмосферу, замирания в каждом из этих угловых каналов также были в значительной степени независимыми.
Наиболее распространены были системы сдвоенного приёма, это два канала, и счетверенный прием - четыре канала. Часто для ещё большей надёжности, методы комбинировали, например, пространственный и частотный одновременно.

Конечно несколько антенн, несколько приёмников — это всё очень сильно усложняло и удорожало аппаратуру.
Но это был практически единственный способ превратить вот этот крайне нестабильный тропосферный сигнал в основу для надёжной, качественной многоканальной связи.
Можно сказать, что инженерная смекалка победила капризы природы.
Несмотря на высокую стоимость, эта технология активно развивалась и использовалась до эры спутников, что заставляет задуматься о веских причинах, стоявших за ее использованием.

Главная причина крылась в контексте эпохи. Холодная война. Подавляющее большинство построенных линий ДТР имели военное или правительственное назначение. В условиях глобального противостояния военным требовалась гарантированно надёжная, широкополосная связь, способная передавать большие объёмы данных на тысячи километров.
Ключевым преимуществом ДТР была её незаменимость в ситуациях, где другие технологии оказывались несостоятельны.
Вспомним нашу задачу про связь двух точек. Это могли быть командные центры, станции предупреждения о ракетном нападении, авиационные и военно-морские базы, часто расположенные в труднодоступных регионах, вроде Крайнего Севера. Выпуск про связь в таких регионах у нас уже был, советую послушать.
Замена в виде прокладки подводного кабеля была титанической и дорогой задачей, а радиорелейная связь требовала строительства цепочек вышек в пределах прямой видимости, что невозможно через океан. На круг все равно получалось дешевле.
Примеров монструозных тропосферных линий не так много и все они заслуживают внимания.
В 1954 году началось строительство первой практической системы тропосферной связи — системы Pole Vault, которая связала радарные станции линии Pinetree вдоль побережья Лабрадора, между Гренландией и Канадой.
Использование тропосферной связи позволило сократить количество промежуточных станций с 50 микроволновых ретрансляторов, разбросанных по дикой местности, до всего лишь 10. Несмотря на более высокую стоимость каждой станции, новая сеть обошлась вдвое дешевле релейной. За Pole Vault вскоре последовали аналогичные системы — White Alice, ретрансляторы на линии Mid-Canada и DEW Line, а в 1960-е годы — линии через Атлантику и Европу в составе натовской системы ACE High.
В советском союзе к 1965 запустили тропосферную линию «Север», протяженностью свыше 14тыс. км. которая ныне груда заброшенного железа.
И так не только у нас. Гигантские тарелки ушли в прошлое.
Все потому, что сегодня, ландшафт глобальных коммуникаций кардинально изменился. Спутниковая связь, оптоволоконные сети. Они обеспечивают гораздо большую пропускную способность, глобальное покрытие.

Сегодня тропосферная связь в основном используется военными. Современные системы стали компактнее, мобильнее и уже не требуют огромных антенн, как раньше. Но есть и попытки вернуть эту технологию в гражданскую сферу — например, для связи в труднодоступных районах.

Один из таких проектов в России — система «Гроза», которую разрабатывает НПП «Радиосвязь». По замыслу инженеров, она должна обеспечивать интернет со скоростью до 50 Мбит/с на расстоянии до 300 километров. Причём вместо антенн «размером с дом» достаточно тарелки диаметром около полутора метров и блока управления — всё это можно установить в поле, на крыше или на мачте мобильной связи.
Другие страны идут тем же путем. Например комплекс тропосферной связи Archer, очень похож на Грозу, разрабатывается компанией Ultra. Разработку активно тестируют в армии США для организации секретных каналов связи. Заявленные параметры системы 180 Мбит/с канал, на расстоянии до 200км.
Или например английская Spectra Group заключила контракт с Ирландскими силами обороны на поставку систем COMET, дальностью до 70км и расчетной пропускной способностью 210 мбит/с.
Вторым рождением все это вряд ли можно назвать, но технология скорее жива, чем мертва.
В конечном итоге, сама возможность тропосферной связи — отличный пример того, как то, что сначала выглядело как необъяснимая аномалия, вдруг стало перспективной технологией. Сегодня её почти полностью вытеснили спутники и оптоволокно, но история освоения тропосферы определенно учит нас видеть возможности там, где сначала кажется, что вокруг только хаос.
Выпуск подготовил Ковальчук Артём, а вычистил и сфокусировал звукорежиссер Алексей Попов.