§ 3.6. Принцип радиосвязи

Определения и обозначения

Радиосвязь — передача информации на расстояние с помощью электромагнитных волн без проводной линии связи. Иначе говоря, сообщение не нужно вести по кабелю: его кодируют в параметрах волны. Это позволяет связывать передатчик и приёмник, даже если между ними нет провода.

Несущая волна — высокочастотное электромагнитное колебание, параметры которого изменяют в соответствии с передаваемым сообщением. Она служит основой, на которую «накладывают» информацию. Без модуляции несущая сама по себе не сообщает, какой звук был передан.

Модуляция — изменение параметра несущей волны под действием информационного сигнала; при амплитудной модуляции меняется амплитуда. Поэтому быстрые колебания несущей начинают отражать форму сигнала от микрофона. Модулятор нужен, чтобы подготовить сообщение к передаче радиоволной.

Детектирование — выделение низкочастотного информационного сигнала из модулированной высокочастотной волны. Приёмник получает сложные быстрые колебания, внутри которых заключено сообщение. Детектор отделяет его, чтобы сигнал можно было усилить и воспроизвести как звук.

Как это устроено

Сначала звук попадает на микрофон, который преобразует колебания воздуха в электрический сигнал низкой частоты. Этот сигнал повторяет изменения звука, но его недостаточно просто подать на передающую антенну: низкочастотные колебания излучаются неэффективно. Поэтому в радиопередаче отдельно создают высокочастотную несущую, пригодную для излучения.

Генератор создаёт высокочастотные колебания, а модулятор изменяет их амплитуду в соответствии с сигналом микрофона. Чем сильнее меняется информационный сигнал, тем заметнее соответствующее изменение амплитуды несущей. В результате быстрые колебания сохраняют форму, удобную для передачи, и одновременно несут сведения о звуке.

Далее модулированные электрические колебания поступают на передающую антенну. В ней заряды совершают быстрые колебания и создают электромагнитное излучение. Антенна нужна для преобразования электрических колебаний в волну, которая может распространяться в окружающем пространстве без проводов.

Электромагнитная волна достигает приёмной антенны и вызывает в ней электрические колебания. Их форма связана с модулированной волной, но на входе приёмника сигнал может быть слабым. Поэтому приёмник усиливает его, чтобы дальнейшее выделение сообщения и воспроизведение звука были возможны.

Детектор выделяет из быстрых колебаний низкочастотный сигнал, который соответствует исходным колебаниям микрофона. Затем этот электрический сигнал поступает на динамик. Динамик заставляет воздух колебаться и создаёт слышимый звук, так что на приёмной стороне сообщение снова становится звуковым.

Этапы передачи и приёма радиосигнала

Таблица показывает путь сообщения от источника звука до слушателя. Проследи этапы сверху вниз: результат каждого шага становится входом для следующего. Так легче увидеть, где именно выполняются модуляция и детектирование.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему для передачи звукового сообщения используют высокочастотную несущую волну, а не передают непосредственно колебания микрофона.

1. Микрофон создаёт низкочастотный электрический сигнал, повторяющий звук.
2. Такие колебания антенна излучает неэффективно, поэтому непосредственная передача не подходит для надёжной связи на расстоянии.
3. Высокочастотную несущую удобно излучать, а её параметры можно изменить по закону низкочастотного сигнала.

Ответ: несущая обеспечивает эффективное излучение, а её модуляция позволяет передать информацию о звуке.

Задача 2. При амплитудной модуляции амплитуда несущей изменяется по закону звукового сигнала. Опишите сигнал в передающей антенне и излучение.

1. Модулятор получает высокочастотные колебания несущей и низкочастотный сигнал микрофона.
2. Он изменяет амплитуду несущей: её изменения повторяют информационный сигнал, тогда как колебания остаются высокочастотными.
3. В передающей антенне возникают модулированные электрические колебания, и она излучает электромагнитную волну с изменяющейся амплитудой.

Ответ: антенна излучает высокочастотную электромагнитную волну, амплитуда которой несёт звуковую информацию.

Задача 3. Опишите путь сигнала от звука перед микрофоном передатчика до звука в динамике радиоприёмника, указав роль антенн, модулятора и детектора.

1. Микрофон превращает звук в электрический сигнал, а модулятор изменяет по нему амплитуду несущей.
2. Передающая антенна излучает электромагнитную волну; приёмная антенна принимает её и создаёт электрические колебания.
3. Приёмник усиливает сигнал, детектор выделяет низкочастотную часть, а динамик преобразует её обратно в звук.

Ответ: звук проходит цепочку преобразований: микрофон — модулятор — передающая антенна — радиоволна — приёмная антенна — детектор — динамик.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что передаётся сам звук. Такое представление возникает, потому что приёмник в итоге воспроизводит голос или музыку. Но звук сначала преобразуется микрофоном в электрический сигнал, а в пространстве распространяется электромагнитная волна. Проверь себя: назови, что именно движется от передатчика к приёмнику.

Ошибка: путать несущую с информационным сигналом. Несущая высокочастотная, и из-за этого её легко принять за само сообщение. Однако сообщение задаёт изменение параметров несущей, а не совпадает с ней. Для проверки раздели в цепочке сигнал микрофона и колебание генератора.

Ошибка: считать модуляцию и детектирование одним процессом. Оба процесса связаны с сигналом, поэтому их названия иногда смешивают. Модуляция происходит в передатчике и помещает информацию в несущую, а детектирование выполняется в приёмнике и выделяет её. Сверь, на какой стороне и с какой целью работает каждое устройство.

Ошибка: полагать, что антенна создаёт или восстанавливает сообщение. Антенны непосредственно работают с электрическими колебаниями и электромагнитной волной, но не выполняют модуляцию или детектирование. Передающая антенна излучает, приёмная принимает волну и преобразует её в электрический сигнал. Проверь себя, указав отдельно роль антенн и роль устройств обработки сигнала.

Связь с другими темами

Для понимания радиосвязи нужны знания о возникновении и распространении электромагнитных волн, а также о связи электрических колебаний с электромагнитным излучением. Микрофон связывает тему с преобразованием звуковых колебаний в электрический сигнал и с переменным током. Представление о передаче сообщения с помощью модуляции пригодится при изучении радиопередачи, телевидения и мобильной связи. В этих системах применяются те же общие идеи: кодирование информации в сигнале, излучение и последующий приём.

Что запомнить

• В радиосвязи информация передаётся электромагнитными волнами.
• Звук сначала преобразуется микрофоном в электрический сигнал.
• Для передачи сообщения используют высокочастотную несущую волну.
• Модулятор изменяет параметр несущей в соответствии с сообщением.
• Передающая антенна излучает модулированную волну.
• В приёмнике детектор выделяет информационный сигнал.
• Динамик преобразует восстановленный электрический сигнал в звук.