§ 17. Передача и приём радиоволн

Определения и обозначения

Радиопередатчик — устройство, которое преобразует сообщение в электрический сигнал, модулирует им высокочастотное колебание и излучает радиоволну антенной. Модуляция означает изменение параметра этого колебания под действием сообщения. Передатчик нужен, чтобы подготовить информацию к передаче по воздуху и отправить её на расстояние.

Несущая частота — высокая частота электромагнитного колебания, используемого для переноса информационного сигнала. Обычно она намного больше частоты передаваемого звука. Несущая позволяет эффективно излучать сигнал антенной и задаёт частотный канал, на котором работает передача.

Модуляция — изменение параметра несущего колебания под действием передаваемого сигнала. При амплитудной модуляции меняется амплитуда, то есть размах колебания, а его изменения повторяют форму информационного сигнала. Благодаря этому сообщение оказывается закодировано в высокочастотной волне.

Радиоприёмник — устройство, которое выделяет из принятой радиоволны нужный сигнал и преобразует его в звук или другую форму сообщения. Для выбора передачи используется настройка на частоту, а детектирование помогает отделить сообщение от несущей. Затем слабый выделенный сигнал усиливают для воспроизведения.

Как это устроено

Звуковой сигнал непосредственно передавать на большие расстояния неэффективно: его частота мала, поэтому для эффективного излучения потребовалась бы очень длинная антенна. Кроме того, передачи на разных звуковых частотах было бы трудно разделить между станциями. Поэтому сообщение переносят на высокочастотное колебание — несущую, которую антенна может излучить гораздо эффективнее.

Сначала микрофон преобразует звуковые колебания воздуха в меняющийся электрический сигнал. Его величина со временем повторяет изменения звука, например громкости и тона. Отдельный генератор создаёт несущие высокочастотные колебания; они нужны не для создания звука, а для переноса сообщения в радиочастотный диапазон.

При амплитудной модуляции электрический сигнал от микрофона изменяет амплитуду несущей. Когда сигнал усиливается, размах высокочастотных колебаний увеличивается, а когда ослабевает — уменьшается. Поэтому огибающая, то есть линия, соединяющая вершины колебаний, повторяет форму информационного сигнала; частота несущей при этом остаётся высокой.

В антенне передатчика течёт переменный ток высокой частоты, который создаёт переменное электромагнитное поле. Изменения поля распространяются в пространстве как электромагнитная волна, уносящая модулированный сигнал. Приёмная антенна, попав в это поле, создаёт слабый переменный ток, связанный с пришедшей волной.

В приёмнике настроенный колебательный контур выбирает нужную полосу частот: его собственная частота близка к несущей выбранной станции. Детектор, или демодулятор, выделяет из модулированного колебания информационный сигнал. Поскольку после приёма и выделения он обычно слаб, усилитель увеличивает его, а громкоговоритель преобразует электрические колебания обратно в звук.

Этапы передачи и приёма радиосигнала

В таблице показан путь сообщения от источника до слушателя. В каждом этапе указан элемент, который выполняет основную операцию, и результат этой операции. Проследи по строкам, как исходный сигнал меняется, прежде чем снова стать сообщением.

Если нужно объяснить назначение конкретного узла, найди в таблице его этап и проследи, какой результат он передаёт следующему звену. У передатчика этапы идут от преобразования сообщения к излучению, у приёмника — от настройки к воспроизведению.

Разбор задач

Звуковой сигнал частотой 2 кГц модулирует несущую частоту 1 МГц. Определим частоты, входящие в спектр амплитудно-модулированного сигнала. При амплитудной модуляции появляются несущая и две боковые частоты: сумма и разность частот несущей и сигнала.

1. Переведём величины в одинаковые единицы: f₀ = 1 МГц = 1000 кГц, fₛ = 2 кГц.
2. Найдём нижнюю боковую частоту: f₀ − fₛ = 1000 кГц − 2 кГц = 998 кГц.
3. Найдём верхнюю боковую частоту: f₀ + fₛ = 1000 кГц + 2 кГц = 1002 кГц. В спектре также присутствует несущая 1000 кГц.

Ответ: 998 кГц, 1 МГц и 1002 кГц. Боковые частоты расположены симметрично относительно несущей, потому что к ней прибавляется и из неё вычитается одна и та же частота звукового сигнала.

Передатчик работает на длине волны 300 м. Требуется определить частоту несущего колебания и понять, на какую частоту следует настроить приёмник. Связь длины волны и частоты задаётся формулой c = λν, где c — скорость электромагнитной волны.

1. Выразим частоту: ν = c/λ.
2. Подставим c ≈ 3·10⁸ м/с и λ = 300 м: ν = 3·10⁸/300 = 1·10⁶ Гц.
3. Переведём результат в мегагерцы: 1·10⁶ Гц = 1 МГц. Для приёма этой станции контур настраивают на несущую частоту около 1 МГц.

Ответ: частота несущего колебания равна 1 МГц. Приёмник выбирает эту частоту, потому что она соответствует длине волны передатчика; скорость в формуле берут в метрах в секунду, а длину волны — в метрах.

Два радиоприёмника рядом могут одновременно принимать разные станции, потому что каждый из них настраивается на собственную несущую частоту. Разберём, какие узлы обеспечивают выбор и последующее получение звука. Важно отличать выделение станции от восстановления переданного сообщения.

1. Настраивают колебательный контур первого приёмника на несущую частоту первой станции, а контур второго — на частоту другой станции.
2. Каждый контур лучше откликается на сигнал около своей частоты и ослабляет сигналы других частот, поэтому нужная передача выделяется среди одновременно принимаемых волн.
3. В каждом приёмнике детектор выделяет информационный сигнал выбранной станции. Затем усилитель повышает его уровень, и громкоговоритель воспроизводит звук.

Ответ: разные станции выбираются настройкой колебательного контура на разные несущие частоты; детектор выделяет сообщение, а усилитель обеспечивает его воспроизведение. Если бы оба приёмника были настроены на одну станцию, они принимали бы одну и ту же передачу.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что радиоволна переносит звук непосредственно. Так думают, потому что в быту говорят о передаче звука по радио, но в действительности волна несёт модулированный высокочастотный сигнал. Проверь себя: вспомни, что звук в приёмнике появляется после детектирования и преобразования громкоговорителем.

Частоту несущей иногда путают с частотой передаваемого звука, поскольку обе величины называют частотами. Несущая обычно имеет намного большую частоту, чем звуковое колебание, и определяет настройку станции. Проверка простая: сравни порядки величин и не подменяй частоту сообщения частотой радиоканала.

Неверно считать, что приёмник одинаково усиливает все поступающие радиосигналы. На его вход могут приходить волны многих станций, но настроенный контур выделяет нужную полосу частот ещё до дальнейшей обработки. Чтобы проверить ответ, назови узел, отвечающий за выбор станции: это контур, а не усилитель.

Модуляцию часто смешивают с детектированием, потому что обе операции связаны с изменением сложного сигнала. Модулятор передатчика помещает информацию на несущую, а детектор приёмника извлекает её обратно. Самопроверка: модуляция выполняется до излучения, детектирование — после приёма радиоволны.

Связь с другими темами

Для понимания радиосвязи нужны свойства электромагнитных волн и связь скорости, длины волны и частоты: c = λν. Также пригодятся знания о колебательном контуре, поскольку он настраивает приёмник на нужную частоту. Работа передатчика связана с переменным током и вынужденными электромагнитными колебаниями, а микрофон и громкоговоритель показывают, как звук преобразуется в электрический сигнал и обратно.

Принципы передачи сигнала используются в радиосвязи, телевидении, мобильной связи и радиолокации. В цифровых системах сообщение кодируется иначе, но по-прежнему передаётся электромагнитной волной и требует способов разделения и приёма сигналов. Поэтому изучение радиоволн помогает понять устройство современных средств связи.

Что запомнить

• Радиосвязь передаёт информацию с помощью электромагнитных волн.
• Для дальней передачи низкочастотный информационный сигнал модулирует высокочастотную несущую.
• При амплитудной модуляции изменяется амплитуда несущего колебания.
• Антенна передатчика излучает электромагнитную волну, а антенна приёмника принимает её.
• Настроенный контур выделяет сигнал нужной несущей частоты.
• Детектор отделяет информационный сигнал от несущего колебания.
• После усиления восстановленный сигнал превращается в звук или другое сообщение.