3. Передача радиоволн

Определения и обозначения

Несущая электромагнитная волна — высокочастотная радиоволна, которую используют для переноса сигнала на расстояние. Сама она не несёт звук в привычном виде, но её параметры можно менять по закону сообщения. Благодаря высокой частоте волну удобно излучать антенной и принимать на расстоянии.

Модуляция — изменение одного из параметров несущей волны по закону передаваемого сигнала. Таким параметром может быть амплитуда, частота или фаза колебаний. Модуляция связывает низкочастотную информацию с радиоволной, которая способна распространяться от передатчика к приёмнику.

Амплитудная модуляция — изменение амплитуды несущей волны в соответствии с изменениями низкочастотного сигнала. Например, при усилении сигнала микрофона амплитуда колебаний несущей меняется вслед за ним. Этот способ позволяет передать изменения звука, сохранив частоту несущей.

Детектирование — выделение низкочастотного сигнала из модулированной радиоволны. Детектор отделяет изменения, связанные с передаваемой информацией, от быстрых колебаний несущей. Полученный электрический сигнал можно усилить и преобразовать в звук.

Как это устроено

Звук представляет собой сравнительно медленные колебания давления воздуха, поэтому микрофон превращает их в низкочастотные электрические колебания. Если подать их непосредственно на антенну, та будет излучать неэффективно: для хорошего излучения размеры антенны должны быть сопоставимы с длиной волны, а у звукового сигнала она огромна. Поэтому используют высокочастотные колебания, длина волны которых гораздо меньше.

Микрофон преобразует звуковые колебания в электрический сигнал, амплитуда которого меняется вместе со звуком. В передатчике этот сигнал воздействует на высокочастотный генератор и при амплитудной модуляции изменяет амплитуду его колебаний. Быстрая частота несущей при этом сохраняется, а медленные изменения амплитуды повторяют форму передаваемого сигнала.

Полученный модулированный сигнал подают в антенну передатчика. Переменный ток в антенне создаёт изменяющееся электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве как радиоволна. Излучается именно высокочастотная волна с изменяющейся амплитудой, поэтому она переносит сведения о звуке.

В месте приёма антенна улавливает волны от многих передатчиков, и среди них нужно выбрать нужную станцию. Для этого используют колебательный контур, частоту которого меняют настройкой. Когда собственная частота контура совпадает с частотой несущей выбранной станции, возникает резонанс и её сигнал выделяется значительно сильнее сигналов на других частотах.

Настроенный контур отделяет нужную радиостанцию, но в его колебаниях ещё остаётся высокочастотная несущая. Детектор преобразует модулированные колебания так, чтобы выделить их низкочастотную составляющую, повторяющую сигнал микрофона. Затем сигнал усиливают и подают на громкоговоритель: его колебания создают звук в воздухе.

Этапы передачи и приёма радиосигнала

Таблица показывает путь сообщения от источника звука до слушателя и назначение основных устройств на каждом этапе. Проследите, что меняется с сигналом: сначала звук становится электрическим, затем переносится несущей и снова превращается в звук. Настройка на частоту станции и детектирование выполняют разные задачи.

Разбор задач

Задача 1. Передатчик излучает несущую частотой 1 МГц, амплитуда которой изменяется с частотой звукового сигнала 1 кГц. Указать частоты, соответствующие несущей и передаваемому сигналу.

1. Разделим данные по их роли: несущая задаёт быстрые колебания радиоволны, а звуковой сигнал задаёт более медленные изменения. В условии прямо указано, что амплитуда меняется с частотой звука.

2. Частота несущей равна 1 МГц, то есть 1 000 000 Гц. Частота передаваемого звукового сигнала равна 1 кГц, то есть 1000 Гц.

Ответ: несущая имеет частоту 1 МГц, звуковой сигнал — 1 кГц.

Задача 2. На изображении модулированной волны амплитуда периодически меняется, а расстояние между соседними колебаниями несущей остаётся постоянным. Определить, какой параметр волны модулирован и какова роль огибающей.

1. Постоянное расстояние между соседними колебаниями означает, что период, а значит и частота несущей, не меняются. Зато меняется высота колебаний, то есть их амплитуда.

2. Следовательно, это амплитудная модуляция. Огибающая — линия, которая соединяет вершины быстрых колебаний; её изменения показывают, как менялся передаваемый низкочастотный сигнал.

Ответ: модулируется амплитуда; огибающая отображает изменения информационного сигнала.

Задача 3. Приёмник принимает сигналы двух станций с разными несущими частотами. Объяснить, как настроить приёмник на одну станцию и как затем получить из её сигнала звук.

1. Сначала изменяют параметры колебательного контура приёмника, чтобы его собственная частота совпала с несущей выбранной станции. Резонанс выделяет её сигнал среди сигналов другой станции.

2. Затем выбранный сигнал подают на детектор, который извлекает низкочастотные колебания. Их усиливают и передают на громкоговоритель, превращающий электрический сигнал в звук.

Ответ: нужную станцию выбирают резонансной настройкой контура, а звук получают после детектирования, усиления и воспроизведения громкоговорителем.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что звук передаётся радиоволной напрямую. Так можно подумать, потому что сообщение начинается со звуковых колебаний. Но радиопередатчик переносит информацию на высокочастотной несущей, параметры которой изменяет звук. Проверьте себя: назовите отдельно частоту несущей и частоту звукового сигнала.

Ошибка: путать частоту несущей с частотой звука. Обе величины называются частотами, но относятся к разным колебаниям и различаются на многие порядки. Несущая задаёт быстрые радиоколебания, а сигнал — медленные изменения их параметров. Проверка проста: укажите, какие колебания создают радиоволну, а какие несут информацию.

Ошибка: считать, что настройка приёмного контура сама восстанавливает звук. Контур выбирает сигнал по несущей частоте, но низкочастотная информация всё ещё скрыта в модулированной волне. Для её извлечения нужен детектор. Проверьте последовательность: сначала настройка станции, затем детектирование.

Ошибка: полагать, что антенна излучает только низкочастотный сигнал микрофона. Эта мысль возникает, если забыть о модуляции и роли генератора. Антенна передатчика излучает высокочастотную электромагнитную волну, амплитуда которой меняется по закону сигнала. Чтобы проверить себя, проследите путь сигнала от микрофона до антенны.

Связь с другими темами

Для понимания радиопередачи нужны знания о том, как возникают электромагнитные волны: передающая антенна создаёт поле, распространяющееся в пространстве. Также полезно знать устройство колебательного контура, задающего частоту электромагнитных колебаний. Эти понятия объясняют, что излучает передатчик и как работает приёмная часть.

Частота и резонанс помогают понять настройку радиоприёмника. Контур выделяет станцию, когда его собственная частота совпадает с частотой её несущей. Различие частот несущей и звукового сигнала показывает, как низкочастотное сообщение переносится высокочастотной волной.

Передача радиоволн — основа радиосвязи и радиовещания: передатчик отправляет информацию, а приёмник выделяет и восстанавливает её. Те же идеи применяют в разных способах беспроводной связи, хотя параметры волны могут изменяться иначе. Изучение модуляции помогает понять, как информацию кодируют для передачи.

Что запомнить

• Радиосвязь использует электромагнитные волны для передачи сигнала на расстояние.
• Высокочастотная несущая переносит информацию, заданную низкочастотным сигналом.
• При амплитудной модуляции по закону сигнала изменяется амплитуда несущей.
• Антенна передатчика излучает модулированную электромагнитную волну.
• Колебательный контур приёмника выделяет сигнал нужной частоты.
• Детектор извлекает низкочастотный сигнал из модулированной волны.