§ 17. Передача и приём радиоволн

Определения и обозначения

Радиоволна — электромагнитная волна радиочастотного диапазона, используемая для передачи сигналов на расстояние. Она переносит энергию и информацию через пространство без проводов. Именно радиоволна связывает передающую и приёмную антенны.

Несущая волна — высокочастотное гармоническое колебание, параметры которого изменяют в соответствии с передаваемой информацией. Само по себе оно не содержит сообщения, но удобно излучается антенной. Несущая «перевозит» низкочастотный сигнал на большое расстояние.

Модуляция — изменение параметра несущей волны под воздействием информационного сигнала. Можно изменять амплитуду, частоту или фазу колебания. Благодаря модуляции свойства несущей начинают воспроизводить передаваемое сообщение.

Детектирование — выделение информационного сигнала из модулированной радиоволны в приёмнике. Детектор отделяет медленные изменения, связанные со звуком, от быстрых колебаний несущей. После этого сигнал можно усилить и подать на громкоговоритель.

Как это устроено

Звуковой сигнал нельзя эффективно излучить непосредственно антенной, потому что его частота невелика, а длина волны велика. Для хорошего излучения размеры антенны должны быть заметной долей длины волны, поэтому антенна для звука получилась бы практически непригодной. Кроме того, сигналы разных источников было бы трудно разделять в эфире.

Микрофон преобразует колебания воздуха в изменяющееся электрическое напряжение. Генератор создаёт высокочастотную несущую, а модулятор изменяет её амплитуду или частоту согласно сигналу микрофона. Так низкочастотная информация переносится на частоту, удобную для излучения и выбора станции.

При амплитудной модуляции сигнал можно записать так: u = Uм(1 + m cos Ωt) cos ωt. Быстрые колебания с частотой ω образуют несущую, а медленное изменение множителя задаёт её огибающую. В спектре появляются несущая частота f, а также боковые частоты f − F и f + F, где F — частота информационного сигнала.

Переменный ток высокой частоты в передающей антенне создаёт изменяющееся электрическое и магнитное поля, которые распространяются в пространстве как электромагнитная волна. Достигнув приёмной антенны, поле вызывает в ней вынужденные электрические колебания. Их напряжение мало, поэтому дальнейшая обработка выполняется электронными схемами.

Чтобы выбрать нужную станцию, приёмник настраивает колебательный контур на частоту её несущей. Резонанс усиливает колебания выбранной частоты и ослабляет соседние. Затем детектор выделяет информационный сигнал, усилитель увеличивает его мощность, а громкоговоритель превращает электрические колебания в звук.

Этапы передачи и приёма радиосигнала

Таблицу удобно читать слева направо: каждая строка показывает превращение сигнала на очередном этапе. При решении задач сначала определяйте, какой узел выполняет нужное действие, а затем называйте получающийся сигнал. Так легче не путать модуляцию, настройку и детектирование.

Разбор задач

Задача 1

Условие: передатчик работает на частоте 1,0 МГц. Определить длину излучаемой радиоволны.

1. Используем связь длины волны и частоты: λ = c/f.
2. Скорость электромагнитных волн в вакууме принимаем равной c = 3,0 · 10⁸ м/с, а частоту переводим: f = 1,0 · 10⁶ Гц.
3. Подставляем значения: λ = 3,0 · 10⁸ / 1,0 · 10⁶ = 3,0 · 10² м.

Ответ: λ = 300 м. Чем выше частота, тем меньше длина радиоволны.

Задача 2

Условие: амплитуда несущей изменяется по закону Uм(1 + 0,6 cos Ωt). Найти коэффициент модуляции, максимальную и минимальную амплитуды.

1. Сравниваем выражение с общей формой огибающей Uм(1 + m cos Ωt). Отсюда коэффициент амплитудной модуляции m = 0,6.
2. Максимум достигается при cos Ωt = 1: Umax = Uм(1 + 0,6) = 1,6Uм.
3. Минимум достигается при cos Ωt = −1: Umin = Uм(1 − 0,6) = 0,4Uм.

Ответ: m = 0,6; Umax = 1,6Uм; Umin = 0,4Uм. Коэффициент показывает, насколько сильно меняется амплитуда несущей.

Задача 3

Условие: радиоприёмник принимает станцию на частоте 广播 100 МГц. Объяснить, какие узлы выбирают эту станцию и восстанавливают звук.

1. Приёмная антенна принимает множество радиоволн, а колебательный контур настраивают на частоту 100 МГц.
2. Резонанс выделяет сигнал этой станции, после чего детектор извлекает из него низкочастотное информационное колебание.
3. Усилитель увеличивает его мощность, а громкоговоритель преобразует электрический сигнал в звук.

Ответ: выбор станции обеспечивают антенна и настроенный колебательный контур, а восстановление звука — детектор, усилитель и громкоговоритель.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что радиоволна передаёт звук непосредственно. Так думают из-за того, что слушатель слышит исходное сообщение, но в эфир излучается модулированная высокочастотная несущая. Проверка: назовите отдельно несущую и информационный сигнал.

Ошибка: путать частоту несущей с частотой сообщения. Несущая намного выше по частоте, иначе её было бы трудно излучать и разделять по станциям. Проверка: в формуле модуляции обозначайте их разными символами, например ω и Ω.

Ошибка: называть модуляцией любое усиление сигнала. Усилитель меняет величину сигнала, а модулятор изменяет параметр несущей по закону информации. Проверка: спросите себя, появилась ли зависимость амплитуды или частоты от сообщения.

Ошибка: считать, что детектор создаёт звуковой сигнал из ничего. Он лишь выделяет информацию, уже записанную в модулированной волне. Проверка: до детектора должен существовать принятый модулированный радиосигнал.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны свойства электромагнитных волн, понятия частоты и длины волны. Также используются колебательный контур и резонанс, благодаря которому приёмник выбирает станцию.

Передача радиосигнала связана с переменным током и генерацией высокочастотных колебаний. Распространение волны объясняет, каким образом энергия доходит от передатчика до приёмника.

Эти знания применяются при изучении радиосвязи, телевидения, мобильных сетей и радиолокации. Те же идеи лежат в основе более сложных цифровых способов передачи информации.

Что запомнить

• Для радиопередачи низкочастотный информационный сигнал переносят высокочастотной несущей волной.
• Модуляция — изменение параметра несущей по закону информационного сигнала.
• При амплитудной модуляции изменяется амплитуда несущей, а её частота остаётся постоянной.
• Антенна передатчика превращает электрические колебания в электромагнитную волну.
• Приёмная антенна преобразует электромагнитную волну в электрические колебания.
• Детектор выделяет информационный сигнал из модулированной несущей.
• Длина волны связана с частотой соотношением λ = c/f.