§ 35. Понятие о радиосвязи

Определения и обозначения

Радиосвязь — передача информации на расстояние с помощью электромагнитных волн радиочастотного диапазона. Иными словами, сообщение превращают в сигнал, который можно излучить антенной и принять удалённым устройством. Такой способ связи позволяет обмениваться информацией без проводов.

Радиоволна — распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле, используемое для переноса сигнала. В отличие от звуковой волны, ей не нужна материальная среда: она может распространяться и в вакууме. Длину волны обозначают λ, частоту — ν; они связаны формулой λ = c/ν, где c — скорость распространения волны.

Модуляция — изменение параметров высокочастотного несущего колебания по закону передаваемого сообщения. Несущее колебание само по себе не содержит нужной информации, но может эффективно излучаться антенной. Модуляция переносит на него сообщение, чтобы передатчик мог отправить его радиоволной.

Демодуляция — выделение исходного информационного сигнала из модулированного колебания в приёмнике. Детектор отделяет изменения, связанные с сообщением, от высокочастотного несущего сигнала. После этого электрический сигнал можно подать на устройство, которое воспроизведёт сообщение.

Как это устроено

Звуковое сообщение сначала нужно превратить в электрический сигнал. Звуковая волна сама по себе не подходит для непосредственного излучения обычной антенной: её частота слишком мала для эффективного излучения, а звук распространяется иначе, чем электромагнитное поле. Поэтому микрофон преобразует изменения давления воздуха в переменное напряжение, меняющееся в соответствии со звуком. В таком виде сообщение можно использовать для управления радиосигналом.

В передатчике генератор создаёт высокочастотное несущee колебание, а модулятор изменяет его параметр под действием сигнала от микрофона. Например, при амплитудной модуляции меняется амплитуда несущего колебания. Высокая частота нужна потому, что соответствующую ей волну антенна излучает эффективнее, чем низкочастотный звуковой сигнал. Несущая также позволяет каждой станции работать на выделенной частоте.

После модулятора изменённое колебание поступает к передающей антенне. Переменный электрический ток в антенне создаёт переменное электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве как радиоволна. На расстоянии поле достигает приёмной антенны и вызывает в ней переменный электрический сигнал. Так сообщение переносится от передатчика к приёмнику без соединяющего их провода.

Приёмная антенна принимает не только сигнал одной станции: в ней могут возникать колебания от множества передатчиков. Чтобы выбрать нужный, приёмник использует колебательный контур — цепь, способную особенно сильно откликаться на определённую частоту. Настройка контура меняет эту частоту, а резонанс усиливает отклик на сигнал выбранной станции. Затем усилитель увеличивает амплитуду выделенного сигнала, чтобы его можно было обработать дальше.

Детектор выполняет демодуляцию: из высокочастотного колебания он выделяет изменения, соответствующие переданному сообщению. В результате появляется низкочастотный электрический сигнал, похожий на сигнал микрофона. Громкоговоритель преобразует этот сигнал в колебания воздуха, которые слышит человек. Для передачи иных видов информации вместо громкоговорителя используют соответствующее устройство вывода.

Основные этапы радиосвязи

Таблица показывает путь сообщения от микрофона передатчика до громкоговорителя приёмника. По столбцу «Основное устройство» можно восстановить, какой прибор выполняет каждый этап. Если нужно найти место сбоя, сопоставьте ожидаемый результат этапа с тем, что фактически происходит с сигналом.

Разбор задач

Задача 1. Длина радиоволны

Определить длину радиоволны частотой 100 МГц, принимая скорость её распространения равной 3·10⁸ м/с. Требуется связать частоту, то есть число колебаний в секунду, с расстоянием между соседними одинаковыми фазами волны. Используем λ = c/ν. Перед подстановкой переведём частоту в герцы: 100 МГц = 100·10⁶ Гц = 1·10⁸ Гц.

1. Запишем формулу связи длины волны и частоты: λ = c/ν. Она следует из того, что за один период волна проходит расстояние, равное одной длине волны.
2. Подставим значения в единицах СИ: λ = (3·10⁸ м/с)/(1·10⁸ с⁻¹). Секунды сокращаются, поэтому результат выражен в метрах.
3. Выполним деление: λ = 3 м. Проверка на здравый смысл: частота порядка 10⁸ Гц соответствует метровой, а не километровой волне.

Ответ: длина волны равна 3 м.

Задача 2. Зачем нужно несущee колебание

Объясним, зачем в радиопередатчике звуковой сигнал накладывают на высокочастотное несущee колебание. Здесь слово «накладывают» означает, что сигнал сообщения управляет параметром несущей, то есть происходит модуляция. Звук содержит информацию, но сам по себе плохо подходит для излучения обычной антенной. Нужно понять, какую роль играет высокая частота и почему разные станции используют разные несущие.

1. Звуковой сигнал передают на несущую с помощью модулятора. Параметр высокочастотного колебания начинает изменяться по закону звукового сообщения, поэтому информация сохраняется в радиосигнале.
2. Высокая частота позволяет антенне эффективнее излучать электромагнитную волну. Если передавать только низкочастотный сигнал, излучение обычной антенны было бы неэффективным.
3. Станции работают на разных несущих частотах. Благодаря этому контур приёмника можно настроить на одну станцию и отделить её сигнал от сигналов других передатчиков.

Ответ: несущая обеспечивает эффективное излучение и помогает разделять сигналы станций по частоте; модуляция переносит на неё информацию о звуке.

Задача 3. Путь сигнала в приёмнике

Нужно описать последовательность прохождения сигнала при радиоприёме — от антенны до громкоговорителя. Устройства выполняют разные операции, поэтому важно не менять их порядок. Сначала приёмник должен получить сигнал и выбрать нужную станцию. Затем он восстанавливает информацию и превращает электрические колебания в слышимый звук.

1. Радиоволна достигает приёмной антенны и вызывает в ней переменный электрический сигнал. Антенна не выбирает одну станцию сама по себе, поэтому вместе с нужным сигналом могут появиться сигналы других частот.
2. Колебательный контур настраивается на частоту нужной станции и выделяет её сигнал. Усилитель увеличивает амплитуду этого сигнала, чтобы его было достаточно для дальнейшей обработки.
3. Детектор демодулирует сигнал и выделяет исходные изменения, соответствующие сообщению. Громкоговоритель превращает полученный электрический сигнал в звуковые колебания воздуха.

Ответ: антенна принимает сигнал, контур выделяет нужную частоту, усилитель повышает амплитуду, детектор восстанавливает сообщение, а громкоговоритель воспроизводит звук.

Типичные ошибки

Ошибка: считать радиоволну звуковой волной. Так можно подумать, потому что при радиовещании в итоге слышен звук, но по пути он переносится электромагнитным сигналом, а не колебаниями воздуха. Проверь себя: радиоволна может идти в вакууме, а звук — нет; звук появляется снова в громкоговорителе.

Ошибка: путать модуляцию с усилением. Приёмник действительно содержит усилитель, поэтому эти действия легко смешать, однако при модуляции меняется параметр несущей по закону сообщения, а усиление лишь повышает амплитуду сигнала. Проверь себя вопросом: появилась ли информация в несущем колебании или его только сделали сильнее?

Ошибка: считать, что приёмник принимает только одну радиоволну. На антенну могут воздействовать сигналы разных передатчиков, поэтому для выбора станции служит настроенный колебательный контур. Проверь себя: если изменить настройку контура, выбранная частота изменится, хотя окружающие сигналы останутся.

Ошибка: путать передающую и приёмную антенны. Обе связаны с электромагнитными волнами, но первая создаёт их излучение, а вторая под действием волны формирует электрический сигнал. Проверь себя по направлению передачи энергии: от передатчика волна уходит в пространство, а у приёмника поступает из пространства к устройствам обработки.

Связь с другими темами

Для понимания радиосвязи нужны знания об электромагнитных волнах, частоте и длине волны, включая формулу λ = c/ν. Настройка приёмника опирается на работу колебательного контура и явление резонанса: контур особенно сильно откликается на выбранную частоту. Эти идеи помогают понять, как из множества сигналов выделяют один. Они также служат основой для изучения телевидения, мобильной связи, радиолокации и цифровых систем связи.

Что запомнить

• Радиосвязь передаёт информацию электромагнитными радиоволнами.
• Передача начинается с преобразования сообщения в электрический сигнал.
• Для излучения используют высокочастотное несущee колебание.
• Модуляция изменяет параметр несущего колебания в соответствии с сообщением.
• Приёмник выделяет нужную частоту и усиливает принятый сигнал.
• Демодуляция восстанавливает исходный информационный сигнал.
• Громкоговоритель преобразует восстановленный электрический сигнал в звук.