§15. Передача информации с помощью электромагнитных волн

Определения и обозначения

Модуляция — изменение параметра высокочастотной несущей электромагнитной волны по закону передаваемого сообщения. Несущая переносит информацию, а модуляция «записывает» её изменения в свойства волны. Без этого приёмнику было бы сложнее выделить сигнал и передать его на расстояние.

Амплитудная модуляция — модуляция, при которой амплитуда несущей изменяется в соответствии с информационным сигналом. Чем больше мгновенное значение сигнала, тем больше или меньше амплитуда несущей в этот момент. Этот способ позволяет передать форму сообщения, сохраняя высокую частоту радиоволны.

Детектирование — выделение информационного сигнала из модулированной электромагнитной волны. Приёмник после этой операции получает колебания, соответствующие исходному сообщению, а не высокочастотную несущую. Благодаря детектированию можно воспроизвести звук или обработать данные.

Радиосвязь — передача информации с помощью электромагнитных волн от передатчика к приёмнику. Передатчик формирует и излучает сигнал, а приёмник принимает его и восстанавливает сообщение. Так можно обмениваться информацией без проводов.

Как это устроено

Звуковой сигнал сам по себе не подходит для эффективной передачи на большое расстояние: его частота сравнительно мала, а длина соответствующей волны велика. Чтобы излучить такую волну, понадобилась бы очень большая антенна, а передача от одного источника во все стороны плохо направляла бы энергию. Поэтому сообщение сначала переносят на высокочастотную волну, которую антенна может эффективно излучать.

Микрофон преобразует колебания воздуха в электрический сигнал: изменения давления звука становятся изменениями напряжения или тока. Для изображения или измеряемой величины используют подходящий датчик, выполняющий такое же преобразование. Отдельный генератор создаёт высокочастотные электрические колебания, которые в антенне превращаются в электромагнитную волну — несущую.

При амплитудной модуляции информационный сигнал управляет амплитудой несущей: её огибающая повторяет форму сообщения. Если звуковой сигнал меняется с частотой fсигн, а несущая имеет частоту fнес, в спектре появляются боковые составляющие fнес − fсигн и fнес + fсигн. Они возникают потому, что сочетание двух колебаний создаёт компоненты по обе стороны от несущей частоты.

Передатчик усиливает модулированный сигнал и подаёт его на передающую антенну. Антенна излучает электромагнитную волну, которая распространяется через пространство или другую среду; условия распространения влияют на дальность и качество связи. Приёмная антенна улавливает часть волны и создаёт на входе приёмника слабый электрический сигнал.

В радиоприёмнике колебательный контур настраивают на частоту нужной станции: его свойства обеспечивают преимущественный отклик на выбранную частоту и ослабляют соседние. Затем сигнал обычно усиливают, чтобы он был достаточным для обработки. Детектор извлекает информационную составляющую, а громкоговоритель превращает электрические колебания в звук; в телевизионной системе сигнал далее используют для получения изображения и звука.

Этапы передачи информации с помощью электромагнитных волн

Таблица показывает путь сообщения от источника до воспроизведения и помогает увидеть, как меняется вид сигнала. Проследи по строкам, какой элемент выполняет очередное преобразование. Так проще отличить передающую часть системы от приёмной.

Разбор задач

Задача 1. Радиостанция передаёт сигнал на частоте 100 МГц. Определим длину волны, если скорость радиоволн равна 3·10⁸ м/с.

1. Запишем связь длины волны, скорости и частоты: λ = c/f. Это следует из того, что за период волна проходит расстояние, равное одной длине волны.
2. Переведём частоту: 100 МГц = 100·10⁶ Гц = 10⁸ Гц. Подставим данные: λ = (3·10⁸ м/с)/(10⁸ Гц).
3. Сократим степени десяти и получим λ = 3 м. Единица получается в метрах, поскольку м/с, делённое на 1/с, даёт метры.

Ответ: длина радиоволны равна 3 м.

Задача 2. Несущая частота равна 1 МГц, а частота звукового сигнала — 5 кГц. Найдём частоты двух боковых составляющих амплитудно-модулированного сигнала.

1. При AM боковые частоты находятся по формулам fниж = fнес − fсигн и fверх = fнес + fсигн. Обе частоты сигнала располагаются рядом с несущей.
2. Переведём единицы: 1 МГц = 1000 кГц. Тогда fниж = 1000 кГц − 5 кГц = 995 кГц.
3. Для верхней составляющей получим fверх = 1000 кГц + 5 кГц = 1005 кГц. Запись в килогерцах допустима, потому что обе величины выражены в этих единицах.

Ответ: боковые составляющие имеют частоты 995 кГц и 1005 кГц.

Задача 3. В приёмнике последовательно выполняются настройка, усиление, детектирование и преобразование сигнала в звук. Объясним назначение этапов и укажем, где выделяется информация.

1. Настройка выделяет частоту нужной станции, чтобы принимать её передачу, а усиление делает слабый сигнал пригодным для дальнейшей обработки.
2. Детектирование отделяет информационный сигнал от высокочастотной несущей. Именно на этом этапе из модулированной волны выделяется сообщение.
3. Затем громкоговоритель преобразует электрический информационный сигнал в звуковые колебания воздуха. Так исходное сообщение становится слышимым.

Ответ: настройка выбирает станцию, усиление увеличивает амплитуду, детектирование выделяет информацию, а громкоговоритель воспроизводит звук.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что передаётся сама звуковая волна. Звук в воздухе преобразуется микрофоном в электрический сигнал, а переносит сообщение модулированная электромагнитная волна. Путаница возникает из-за того, что в конце передачи мы снова слышим звук. Проверь себя: спроси, что распространяется между антеннами — воздух с колебаниями звука или радиоволна.

Ошибка: путать несущую частоту с частотой сообщения. Несущая задаёт радиоканал, а информационная частота связана с изменением параметра несущей. Их значения могут сильно различаться, поскольку несущая высокочастотная. Для проверки подпиши каждую частоту: «частота радиоволны» или «частота сигнала».

Ошибка: называть детектирование усилением. Усиление увеличивает амплитуду колебаний, но не извлекает сообщение; это делает детектор. Их путают, потому что оба действия происходят в приёмнике и помогают обработать слабый сигнал. Проверь себя по результату: после детектирования должна появиться информационная составляющая.

Ошибка: оставлять мегагерцы и килогерцы без перевода. В формуле λ = c/f скорость обычно задана в м/с, поэтому частоту нужно выразить в герцах; при сложении боковых частот единицы тоже должны совпадать. Ошибка в приставке меняет результат в тысячу или миллион раз. Перед вычислением приведи все величины к одинаковым единицам и оцени порядок ответа.

Связь с другими темами

Для понимания радиосвязи нужны знания о гармонических колебаниях, частоте и длине волны, свойствах электромагнитных волн, колебательном контуре и антенне. Генератор несущей создаёт высокочастотные электрические колебания, связанные с темами переменного тока и электрических колебаний. Принципы модуляции и обработки сигналов применяются в радиовещании, телевидении, мобильной связи, Wi-Fi и цифровой передаче данных.

Что запомнить

• Информация передаётся не низкочастотным сообщением непосредственно, а с помощью модулированной несущей электромагнитной волны.
• Несущая волна имеет высокую частоту и эффективно излучается антенной.
• При амплитудной модуляции изменяется амплитуда несущей, а её частота в идеальном случае остаётся постоянной.
• Передатчик формирует и излучает модулированную волну, а приёмник принимает и обрабатывает её.
• Детектирование — извлечение информационного сигнала из модулированной волны.
• Дальность и качество связи зависят от частоты, мощности передатчика, свойств среды и конструкции антенн.