§ 51. Принципы радиосвязи и телевидения

Определения и обозначения

Радиосвязь — передача информации на расстояние с помощью электромагнитных волн. Передатчик превращает сообщение в сигнал и излучает его, среда распространения переносит волну, а приёмник принимает её и восстанавливает информацию. Такое разделение показывает, какие этапы нужны, чтобы сообщение дошло до получателя.

Модуляция — изменение параметров высокочастотных колебаний по закону передаваемого сигнала. Высокочастотные колебания называют несущей: на них «накладывают» информацию, чтобы сигнал можно было эффективно излучить и передать. Без модуляции несущая не сообщала бы приёмнику, какой именно звук нужно восстановить.

Амплитудная модуляция — изменение амплитуды несущих колебаний в соответствии с передаваемым сигналом при практически постоянных частоте и фазе. Амплитуда — наибольшее отклонение колебаний от среднего значения. Этот способ позволяет закодировать звук изменением высоты колебаний несущей.

Детектирование — выделение низкочастотного информационного сигнала из модулированных высокочастотных колебаний в приёмнике. Детектор нужен, чтобы отделить переданный звук от несущей и направить его на дальнейшее усиление и воспроизведение.

Как это устроено

Микрофон преобразует звуковые волны в электрические колебания, меняющиеся вместе со звуком. Но напрямую передать такой низкочастотный сигнал на большое расстояние сложно: антенна для эффективного излучения должна быть сопоставима с длиной электромагнитной волны. У низкой частоты длина волны велика, поэтому для практичной радиопередачи используют высокочастотную несущую.

В передатчике генератор создаёт высокочастотные несущие колебания, а модулятор изменяет их амплитуду по закону звукового сигнала. Так звуковая информация оказывается закодирована в изменениях несущей, которая подходит для излучения. Антенна превращает переменный ток в электромагнитную волну, распространяющуюся в пространстве.

Радиоволна, достигнув приёмной антенны, вызывает в ней переменный ток. Одновременно антенна может принимать волны от многих радиостанций, поэтому приёмнику нужно отделить одну из них. Настроенный колебательный контур выделяет колебания нужной частоты, а значит, позволяет выбрать сигнал нужной станции.

Выбранные колебания всё ещё высокочастотные и содержат несущую вместе с информацией о звуке. Детектор выделяет из них низкочастотную составляющую, которая повторяет переданный звуковой сигнал. Затем усилитель повышает её мощность: детектирование восстанавливает информацию, а усиление делает сигнал достаточным для работы громкоговорителя или наушников.

Телевидение передаёт не только звук, но и сведения об изображении. При съёмке кадр последовательно сканируют, то есть считывают его точки одну за другой, а яркость каждой точки превращают в электрический сигнал. Такой сигнал передают, а на приёмной стороне используют для последовательного восстановления изображения на экране; поэтому передаётся не весь кадр сразу, а информация о его точках в заданном порядке.

Сравнение этапов передачи радиосигнала и телевизионного изображения

Читайте таблицу сверху вниз: так видна последовательность превращений информации от источника до получателя. Сравнение показывает, что радиопередача звука и телевидение используют общие этапы, но телевизионный тракт должен передать ещё и сведения о яркости точек изображения. Проверяйте, что на каждом этапе сигнал принимает форму, подходящую для следующего устройства.

Разбор задач

Длина радиоволны

Радиостанция передаёт сигнал на частоте 100 МГц. Требуется найти длину волны в воздухе, если скорость распространения равна 3·10⁸ м/с. В условии даны скорость и частота, поэтому подходит связь λ = c/f. Перед подстановкой переведём частоту в герцы.

1. Запишем частоту в единицах СИ: 100 МГц = 100·10⁶ Гц = 1·10⁸ Гц.
2. Подставим данные в формулу: λ = 3·10⁸ м/с ÷ 1·10⁸ Гц.
3. Сократим степени десяти: λ = 3 м. Единица получается метрами, поскольку скорость, делённая на частоту, даёт длину.

Ответ: длина волны равна 3 м. Проверка здравого смысла: при частоте в сотни миллионов герц длина волны должна быть значительно меньше километра, поэтому результат разумен.

Определение вида модуляции

На графике показаны быстрые высокочастотные колебания, амплитуда которых меняется со временем. Нужно найти, где представлен передаваемый звуковой сигнал, и назвать вид модуляции. Чтобы не спутать сигналы, сравним скорость их изменения: несущая колеблется часто, а звуковой сигнал меняется медленнее.

1. Найдём огибающую — плавную линию, проходящую через вершины быстрых колебаний.
2. Сопоставим форму огибающей с формой низкочастотного сигнала: именно она повторяет изменения звукового сигнала.
3. Определим, какой параметр несущей меняется. Если меняется высота колебаний, а частота остаётся практически постоянной, это амплитудная модуляция.

Ответ: звуковой сигнал закодирован в огибающей, а изображённая модуляция — амплитудная. Такой вывод следует из изменения амплитуды несущей, а не из изменения самой частоты быстрых колебаний.

Путь телевизионного изображения

Нужно описать путь изображения от съёмки до показа на экране. Главная особенность телевизионной передачи — изображение не отправляют целиком одним мгновенным сигналом. Его последовательно считывают, передают сведения о точках, а затем восстанавливают на стороне приёмника.

1. Съёмочное устройство преобразует свет от объекта в электрический сигнал, связанный с яркостью изображения.
2. Кадр сканируется: точки считываются одна за другой, и их яркость превращается в последовательность изменений электрического сигнала.
3. Передатчик модулирует высокочастотные колебания сигналом изображения и излучает радиоволну с помощью антенны.
4. Приёмная антенна принимает сигнал, а телевизионный приёмник выделяет и обрабатывает сведения о кадре.
5. Экран последовательно отображает точки с нужной яркостью, воссоздавая изображение; отдельная часть тракта воспроизводит переданный звук.

Ответ: изображение превращается в электрический сигнал при сканировании, передаётся радиоволнами и восстанавливается приёмником на экране. Последовательность операций позволяет передавать информацию о каждой точке кадра.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что антенна напрямую излучает звуковые колебания. Это возникает из-за того, что звук и правда является исходной информацией передачи. Но низкочастотные колебания плохо подходят для эффективного излучения антенной; проверьте себя вопросом, есть ли в системе высокочастотная несущая, которая переносит звук.

Ошибка: путать несущую с информационным сигналом. Несущая сама по себе не является передаваемым звуком, хотя именно её излучает антенна. Информацию кодирует изменение её параметра; чтобы проверить ответ, назовите отдельно сигнал-сообщение и колебания, которые его переносят.

Ошибка: считать детектирование усилением. Их легко смешать, потому что оба процесса происходят в приёмнике и помогают получить слышимый звук. Детектор выделяет низкочастотную составляющую, а усилитель увеличивает её мощность; проверка проста: спросите, изменяется ли состав сигнала или только его мощность.

Ошибка: представлять передачу всего телевизионного кадра одновременно. Такое представление кажется естественным, если думать об изображении как о едином объекте. На деле точки считывают последовательно при сканировании, поэтому проверьте себя: можете ли вы указать порядок преобразования яркости точек в сигнал и последующего восстановления кадра?

Связь с другими темами

Для понимания радиосвязи нужны знания о переменном токе, электромагнитных колебаниях и волнах, а также соотношение скорости, частоты и длины волны. Эта тема опирается на превращение звука и света в электрический сигнал и на работу колебательного контура. Позднее те же идеи встречаются при изучении беспроводной связи, радиолокации и цифровой передачи информации. Во всех этих случаях важно различать сообщение и физический сигнал, который его переносит.

Что запомнить

• Радиосвязь передаёт информацию электромагнитными волнами.
• Высокочастотная несущая нужна для эффективного излучения и переноса сигнала.
• При амплитудной модуляции амплитуда несущей меняется по закону информационного сигнала.
• Настроенный контур приёмника выделяет сигнал нужной частоты.
• Детектор восстанавливает низкочастотный сигнал из модулированных колебаний.
• Для передачи телевизионного изображения его последовательно сканируют и преобразуют в электрический сигнал.