§ 16. Передача информации с помощью электромагнитных волн

Определения и обозначения

Несущая электромагнитная волна — высокочастотная волна, параметры которой изменяют для передачи сообщения. Сама по себе она не является звуком: её задача — эффективно переносить сигнал на расстояние. Высокая частота позволяет использовать антенну разумных размеров.

Модуляция — изменение одного из параметров несущей волны в соответствии с передаваемым сигналом. Таким параметром может быть амплитуда, частота или фаза. Благодаря модуляции сообщение можно связать с волной, способной распространяться от передатчика к приёмнику.

Амплитудная модуляция — модуляция, при которой амплитуда несущей волны изменяется вслед за сигналом. Быстрые колебания несущей сохраняются, но их размах становится то больше, то меньше. Форма изменения размаха показывает, какой сигнал передавался.

Детектирование — выделение исходного низкочастотного сигнала из модулированной волны в приёмнике. Детектор отделяет медленные изменения, связанные с сообщением, от быстрых колебаний несущей. Полученный сигнал можно направить на устройство воспроизведения звука.

Как это устроено

Звук представляет собой колебания воздуха, а для передачи радиосигнала нужны электромагнитные волны. Если пытаться излучать непосредственно низкочастотный звуковой сигнал, антенна должна быть чрезвычайно большой, а передача получилась бы неэффективной. Поэтому звук сначала преобразуют в электрический сигнал и переносят на высокочастотную несущую. Она хорошо излучается антенной и может распространяться далеко.

Звуковая волна воздействует на микрофон, и его мембрана колеблется в такт звуку. Микрофон преобразует эти колебания в электрический сигнал, изменения которого соответствуют изменениям звукового давления. Передатчик создаёт высокочастотные электрические колебания — несущую. Затем сигнал микрофона управляет одним из параметров этих колебаний, связывая сообщение с несущей.

При амплитудной модуляции меняется именно размах высокочастотных колебаний, тогда как сама несущая колеблется значительно быстрее звукового сигнала. Если соединить вершины колебаний плавной линией, получится огибающая — линия, показывающая, как меняется их амплитуда. При правильной амплитудной модуляции форма огибающей повторяет форму переданного низкочастотного сигнала. Поэтому на графике сообщения не нужно искать в частых колебаниях: оно закодировано в их меняющейся амплитуде.

Передатчик формирует модулированный сигнал и подаёт его на передающую антенну. В антенне электрические колебания создают электромагнитную волну, которая распространяется в пространстве. Приёмная антенна под действием этой волны создаёт электрические колебания, а дальнейшая обработка происходит уже в радиоприёмнике. Так информация проходит путь от источника звука до устройства, принимающего передачу.

В одном месте могут одновременно распространяться волны разных радиостанций, поэтому приёмнику нужно выделить нужную. Колебательный контур настраивают на частоту несущей выбранной передачи: он сильнее откликается на колебания с подходящей частотой. Настройка не меняет волну, а помогает отделить её от других сигналов. Затем детектор выделяет низкочастотный сигнал, соответствующий сообщению, и громкоговоритель преобразует электрические колебания в звук.

Этапы передачи и приёма информации

Таблица показывает, как сообщение последовательно меняет форму: от звуковых колебаний до радиоволны и обратно к звуку. При разборе передачи двигайтесь по строкам сверху вниз, отмечая, какое устройство выполняет очередное преобразование. Так легче не перепутать излучение волны, её приём и восстановление сообщения.

Разбор задач

Последовательность передачи речи

Условие. Назовите последовательность основных этапов передачи речи от микрофона передатчика до громкоговорителя приёмника. Нужно описать не только устройства, но и то, как изменяется форма сигнала на каждом шаге. Начать следует с преобразования речи в электрический сигнал, а закончить получением звука.

1. Микрофон преобразует звуковые колебания речи в электрический сигнал.
2. Передатчик создаёт высокочастотную несущую и модулирует её этим сигналом.
3. Передающая антенна излучает модулированную электромагнитную волну, которая распространяется к приёмнику.
4. Приёмная антенна принимает волну, а настроенный контур выделяет передачу с нужной частотой несущей.
5. Детектор выделяет сигнал речи, после чего громкоговоритель преобразует его в звук.

Ответ. Цепочка такова: микрофон, модуляция несущей, излучение передающей антенной, приём и настройка, детектирование, громкоговоритель. Эта последовательность показывает, что между микрофоном и громкоговорителем сигнал проходит несколько преобразований. Антенны участвуют в передаче и приёме волны, а восстановлением сообщения занимается детектор.

Определение вида модуляции

Условие. На графике видны высокочастотные колебания, амплитуда которых меняется по заданному низкочастотному закону. Требуется определить вид модуляции и указать, где изображена передаваемая информация. При решении важно отличить форму самих быстрых колебаний от изменения их размаха.

1. Найдите, какой параметр высокочастотных колебаний меняется со временем: амплитуда, частота или фаза.
2. Если меняется амплитуда, а быстрые колебания сохраняются, это амплитудная модуляция.
3. Мысленно проведите линию по верхним вершинам колебаний. Эта огибающая повторяет закон изменения низкочастотного сигнала.

Ответ. Применена амплитудная модуляция, потому что изменяется амплитуда несущей. Информация видна в форме огибающей, а не в каждом отдельном быстром колебании. По огибающей можно судить о форме передаваемого сигнала.

Выбор передачи радиоприёмником

Условие. Приёмник принимает несколько передач с разными несущими частотами. Нужно выбрать одну передачу и получить из неё звуковой сигнал. Следует объяснить, зачем настраивают контур и что происходит с сигналом после выбора.

1. Настройте колебательный контур на частоту несущей нужной передачи. Он будет сильнее откликаться на сигнал этой частоты, чем на остальные.
2. Учтите, что настройка выделяет передачу, но не восстанавливает звук и не изменяет волну, уже переданную в пространстве.
3. Подайте выбранный модулированный сигнал на детектор. Детектор выделит низкочастотную составляющую, затем громкоговоритель преобразует её в звук.

Ответ. Нужную передачу выбирают настройкой контура на частоту её несущей. После этого детектор выделяет сигнал сообщения, а громкоговоритель воспроизводит звук. Так выполняются два разных действия: выбор радиостанции и восстановление переданной информации.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что несущая сама содержит звук как последовательность звуковых колебаний. Так думают, потому что на графике одновременно видны быстрые колебания и их медленное изменение. На самом деле сообщение передаётся изменением параметров несущей; проверьте себя, найдя на графике огибающую, а не отдельные колебания.

Нельзя путать частоту несущей с частотой звукового сигнала. Путаница возникает, когда оба сигнала называют частотами и не сравнивают, какую роль они выполняют. Несущая высокочастотная, а звуковой сигнал задаёт медленное изменение её параметров; проверяйте, какая величина переносит волну, а какая несёт сообщение.

Приёмная антенна не превращает радиоволну сразу в звук. Она создаёт электрические колебания под действием волны, но для выделения сообщения нужна дальнейшая обработка. Проверьте цепочку устройств: после антенны сигнал проходит через настроенный контур и детектор, а звук создаёт громкоговоритель.

Настройка приёмника не меняет переданную волну. Это заблуждение появляется из-за того, что настройка влияет на то, какую передачу слышит слушатель. Контур помогает выбрать сигнал с нужной несущей частотой; чтобы проверить себя, разделите действия передатчика, который формирует волну, и приёмника, который её выбирает.

Связь с другими темами

Для понимания радиопередачи нужны знания о том, что электромагнитные волны распространяются в пространстве и переносят энергию. Пригодится и связь частоты с длиной волны: высокочастотной несущей соответствует более короткая волна. Основы колебаний и переменного тока помогают понять работу несущей и колебательного контура. Эти идеи применяются при изучении радиосвязи, радиолокации и современных систем беспроводной передачи данных.

Что запомнить

• Информация передаётся изменением параметров несущей электромагнитной волны.
• Модуляция связывает низкочастотный сигнал сообщения с высокочастотной несущей.
• При амплитудной модуляции изменяется амплитуда несущей.
• Антенна передатчика излучает электромагнитную волну, а антенна приёмника принимает её.
• Настройка приёмника позволяет выбрать передачу с нужной несущей частотой.
• Детектор выделяет из модулированной волны сигнал, соответствующий переданному сообщению.