§ 16. Передача информации с помощью электромагнитных волн

Определения и обозначения

Информационный сигнал — электрический сигнал, изменения которого кодируют передаваемое сообщение. Например, микрофон создаёт напряжение, изменяющееся вместе со звуковой волной. Такой сигнал нужен, чтобы представить звук, изображение или данные в форме, удобной для дальнейшей обработки.

Несущая волна — высокочастотная электромагнитная волна, параметры которой изменяют для передачи информации. Обычно её описывают частотой, амплитудой и фазой. Она переносит сообщение на расстояние, хотя сама по себе не содержит его смысла.

Модуляция — изменение амплитуды, частоты или фазы несущей волны под действием информационного сигнала. Выбор изменяемого параметра определяет вид модуляции: амплитудную, частотную или фазовую. Благодаря модуляции медленно меняющееся сообщение связывается с высокочастотной волной.

Демодуляция — выделение информационного сигнала из принятой модулированной волны. Приёмник восстанавливает изменения, внесённые передатчиком, и преобразует их в исходную форму. Без демодуляции антенна дала бы лишь сложный высокочастотный сигнал, непригодный для непосредственного прослушивания.

Как это устроено

Низкочастотный звуковой сигнал плохо подходит для прямого излучения: длина волны λ = c/ν при малой частоте получается очень большой, а эффективная антенна должна иметь сравнимые размеры. Кроме того, прямые сигналы разных источников было бы трудно разделить. Высокочастотные несущие позволяют применять антенны разумных размеров и выделять каналы по частоте.

Микрофон преобразует колебания воздуха в изменяющийся электрический ток или сигнал напряжения. Для изображения используют, например, светочувствительный преобразователь, который создаёт сигнал, связанный с яркостью отдельных участков. Так сообщение получает электрическую форму, пригодную для усиления, кодирования и модуляции.

При амплитудной модуляции меняется амплитуда несущей: чем больше мгновенное значение информационного сигнала, тем выше или ниже огибающая волны. При частотной модуляции изменяется мгновенная частота, а при фазовой — положение колебаний относительно выбранного отсчёта. Во всех случаях медленное изменение сообщения переносится быстрыми колебаниями несущей.

Передатчик подаёт модулированный электрический сигнал на антенну. Переменный ток в антенне создаёт изменяющееся электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве и переносит энергию. Приёмная антенна взаимодействует с этим полем, поэтому в ней возникает слабый электрический сигнал с теми же модуляциями.

Сначала радиоприёмник выбирает нужный канал с помощью колебательного контура или электронного фильтра. Затем демодулятор отделяет информационные изменения от высокочастотной несущей, а усилитель увеличивает полученный сигнал. Динамик превращает его в звук, экран — в изображение, а цифровая схема — в последовательность данных.

Этапы передачи информации с помощью электромагнитных волн

Таблицу удобно читать слева направо: каждый этап передаёт результат следующему устройству. Если связь нарушена, ищут, на каком шаге сигнал потерялся или исказился. Особенно важно различать электрический сигнал внутри аппаратуры и электромагнитную волну, распространяющуюся между антеннами.

Разбор задач

Задача 1. Длина волны радиопередатчика

Радиопередатчик работает на частоте ν = 100 МГц. Скорость электромагнитных волн в воздухе можно считать равной c = 3 · 10⁸ м/с. Требуется найти длину волны.

1. Используем связь между скоростью, частотой и длиной волны: λ = c/ν.
2. Переведём частоту: 100 МГц = 100 · 10⁶ Гц = 10⁸ Гц.
3. Подставим значения: λ = (3 · 10⁸ м/с)/(10⁸ Гц) = 3 м.

Ответ: длина волны равна 3 м. При увеличении частоты в несколько раз длина волны во столько же раз уменьшается.

Задача 2. Амплитудная модуляция по графику сигнала

Информационный сигнал сначала имеет нулевое значение, затем возрастает до положительного максимума и возвращается к нулю. Как изменяется амплитуда несущей при амплитудной модуляции?

1. При амплитудной модуляции ориентируемся не на отдельные быстрые колебания, а на их огибающую.
2. В момент нулевого информационного сигнала амплитуда несущей принимает исходное, или среднее, значение.
3. Во время положительного роста сигнала огибающая увеличивается, достигая максимума одновременно с информационным сигналом.
4. После этого огибающая уменьшается до исходного уровня.

Ответ: амплитуда несущей повторяет форму информационного сигнала в виде медленно меняющейся огибающей. Частота быстрых колебаний при этом остаётся равной частоте несущей.

Задача 3. Боковые частоты и биения

Несущая имеет частоту νн = 1 МГц, а информационный сигнал — частоту νс = 10 кГц. Определите частоты боковых составляющих при амплитудной модуляции и частоту изменений огибающей.

1. Для амплитудной модуляции боковые частоты равны νн − νс и νн + νс.
2. Нижняя боковая частота: 1 000 кГц − 10 кГц = 990 кГц.
3. Верхняя боковая частота: 1 000 кГц + 10 кГц = 1 010 кГц.
4. Разность между несущей и каждой боковой составляющей равна 10 кГц, поэтому огибающая меняется с частотой информационного сигнала.

Ответ: боковые частоты равны 990 кГц и 1 010 кГц, а частота изменений огибающей — 10 кГц. Спектр состоит из несущей и двух симметричных боковых составляющих.

Типичные ошибки

Изменение скорости при модуляции. Модуляция не означает, что волна начинает распространяться быстрее или медленнее: меняется её амплитуда, частота или фаза. Ошибка возникает из-за смешения параметров волны. Проверьте себя: скорость в заданной среде обычно считают постоянной, а используемый для передачи параметр назван отдельно.

Путаница частот. Информационный сигнал обычно низкочастотный, а несущая — высокочастотная. Их смешивают, когда смотрят на модулированную волну как на одно колебание. Сначала подпишите, что описывает сообщение, а что задаёт радиоканал.

Антенна как кодировщик. Антенна не придумывает способ передачи и не восстанавливает смысл сообщения: она излучает или принимает электромагнитную волну. Ошибку легко заметить по схеме: модулятор находится до передающей антенны, демодулятор — после приёмной.

Пропуск настройки и демодуляции. Приёмник не может просто усилить весь принятый спектр: вместе с полезным сигналом он усилил бы и помехи. Нужно выбрать нужную несущую частоту, а затем выделить информационный сигнал. Проверяйте последовательность действий: настройка, демодуляция, усиление, воспроизведение.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны характеристики гармонической электромагнитной волны: частота, период, длина волны и скорость распространения. Основная связь между ними — λ = c/ν.

Передача радиосигналов связана с электрическими колебаниями, переменным током, колебательным контуром и резонансом. Резонанс помогает выделить из множества сигналов колебания нужной частоты.

Эти принципы используются в радиосвязи, телевидении, мобильных сетях, радиолокации, беспроводных сетях и цифровой передаче данных. В каждой системе выбираются свои частоты, способы модуляции и методы защиты от помех.

Что запомнить

• Информация передаётся изменением параметров электромагнитной несущей волны.
• Несущая волна имеет значительно большую частоту, чем информационный сигнал.
• Модуляция выполняется передатчиком, а демодуляция — приёмником.
• Модулировать можно амплитуду, частоту или фазу несущей.
• Антенна преобразует электрический сигнал в электромагнитную волну и наоборот.
• Для выбора нужной станции приёмник настраивают на соответствующую несущую частоту.
• Дальность и качество связи зависят от частоты, мощности, свойств среды и наличия помех.