§ 17. Передача и приём радиоволн

Определения и обозначения

Радиоволна — электромагнитная волна радиодиапазона, распространяющаяся в пространстве и переносящая энергию и информацию. Она возникает при изменении электрического и магнитного полей и может достигать приёмника на расстоянии от источника. Радиоволны позволяют передавать сообщения без проводов.

Модуляция — изменение параметра высокочастотного несущего колебания по закону передаваемого сообщения. Параметром может быть амплитуда или частота колебания. Благодаря модуляции сообщение «встраивается» в сигнал, который удобно излучать и принимать.

Антенна — проводник или система проводников, предназначенная для излучения и приёма радиоволн. В передатчике она превращает электрические колебания в электромагнитную волну, а в приёмнике выполняет обратное преобразование. Поэтому антенна нужна на обоих концах радиосвязи.

Детектирование — выделение низкочастотного информационного сигнала из модулированного высокочастотного колебания. Детектор отделяет полезное сообщение от несущей, которая помогла передать его на расстояние. После этого сигнал можно усилить и воспроизвести.

Как это устроено

Сначала генератор создаёт высокочастотные электрические колебания. Высокая частота нужна, потому что переменный ток в антенне создаёт меняющиеся электрическое и магнитное поля, которые распространяются в пространстве как электромагнитная волна. Антенна связана с генератором и преобразует его колебания в излучение. Так появляется несущая — колебание, на котором будет передаваться сообщение.

Звук сначала превращается в электрический информационный сигнал, частота которого значительно ниже частоты несущей. Если просто подать этот сигнал на передающую антенну, излучение будет малоэффективным. Поэтому информационный сигнал изменяет параметр высокочастотной несущей. При амплитудной модуляции меняется её амплитуда, а при частотной — частота; изменения повторяют ход сообщения.

Передающая антенна излучает уже модулированный сигнал. Распространяясь, электромагнитная волна достигает приёмной антенны и вызывает в ней слабые электрические колебания. Их частота соответствует частоте принятого сигнала, а изменения несут сведения о переданном сообщении. Слабый сигнал затем нужно выделить и обработать.

На одной частоте могут работать разные источники, поэтому приёмнику нужен способ выбрать передачу. В его колебательном контуре меняют параметры, например ёмкость конденсатора, чтобы изменить собственную частоту контура. Когда она совпадает с частотой нужной станции, возникает резонанс: отклик на этот сигнал становится особенно заметным. Сигналы других частот контур выделяет слабее.

После настройки сигнал поступает на детектор, который отделяет низкочастотную информационную составляющую от высокочастотной несущей. Это необходимо, потому что несущая нужна для переноса сообщения, но не является самим звуком. Полученный информационный сигнал усиливают, так как он обычно слишком слаб для непосредственного воспроизведения. Громкоговоритель преобразует усиленные электрические колебания в звук.

Этапы передачи и приёма радиосигнала

Таблица показывает путь сигнала от источника сообщения до слушателя. Читайте строки по порядку: каждый этап подготавливает сигнал для следующего. Если нужно найти причину неполадки, сопоставьте ожидаемый результат этапа с тем, что происходит в действительности.

Разбор задач

Задача 1. Радиостанция работает на частоте 100 МГц. Определите длину радиоволны, считая, что в вакууме она распространяется со скоростью c = 3 · 10⁸ м/с. Сначала частоту нужно выразить в герцах, поскольку скорость задана в метрах в секунду. Затем используем связь длины волны и частоты: λ = c/ν.

1. Переведём частоту: 100 МГц = 100 · 10⁶ Гц = 1 · 10⁸ Гц. При переводе мегагерц в герцы важно умножить значение на миллион.
2. Подставим величины в формулу: λ = (3 · 10⁸ м/с)/(1 · 10⁸ Гц). Степени десяти сокращаются, остаётся 3 м.
3. Проверим смысл: чем выше частота при той же скорости распространения, тем меньше длина волны. Полученная длина в метрах соответствует заданной частоте.

Ответ: длина волны равна 3 м.

Задача 2. На графике показан модулированный сигнал: быстрые колебания заключены в медленно меняющуюся огибающую, которая повторяет форму звукового сигнала. Нужно описать, как звук влияет на амплитуду несущего колебания. Не следует принимать каждый быстрый максимум за отдельный звуковой импульс. Информацию показывает изменение общей огибающей.

1. Найдём на графике быстрые колебания: они соответствуют высокочастотной несущей. Их период мал по сравнению с периодом изменения звукового сигнала.
2. Проследим за максимальными отклонениями несущей. Если они постепенно увеличиваются и уменьшаются, амплитуда изменяется под действием информационного сигнала.
3. Сравним форму огибающей с формой звукового сигнала. Их сходство показывает, что именно изменение амплитуды несёт сведения о звуке.

Ответ: при амплитудной модуляции амплитуда несущей меняется по закону информационного сигнала, а сама несущая колеблется гораздо быстрее.

Задача 3. Объясните, почему обычный радиоприёмник не воспроизводит одновременно передачи нескольких станций и что требуется сделать для выбора другой станции. В пространстве приёмник может принимать сигналы многих передатчиков сразу. Их разделяют по частотам, а контур выбирает сигнал благодаря резонансу.

1. Каждая станция передаёт сигнал на определённой частоте несущей. Убедимся, что разные станции можно различать именно по этой частоте, а не по частоте звука.
2. Настроим колебательный контур на частоту выбранной станции. При совпадении собственной частоты контура с частотой сигнала резонанс усиливает отклик на него.
3. Чтобы выбрать другую станцию, изменим параметры контура и тем самым его собственную частоту. После перестройки резонанс будет соответствовать частоте другой передачи.

Ответ: приёмник выделяет одну станцию благодаря резонансной настройке контура; для выбора другой станции контур нужно перестроить.

Типичные ошибки

Считать, что радиоволна переносит звук непосредственно. Так думают, потому что в итоге из громкоговорителя слышен звук. На самом деле волна переносит модулированный высокочастотный сигнал, а звуковую составляющую выделяют в приёмнике. Проверка: проследите, где именно в цепочке появляется детектор.

Путать частоту несущей с частотой звука. Обе частоты относятся к колебаниям, поэтому их легко смешать. Несущая обычно значительно выше по частоте и нужна для радиопередачи, а низкочастотный сигнал задаёт сообщение. Проверка: уточните, какой параметр меняется при модуляции и какой сигнал будет слышен после детектирования.

Утверждать, что антенна только излучает сигнал. Такое представление возникает, если рассматривать только передатчик. Приёмная антенна тоже важна: в ней радиоволна вызывает электрические колебания. Проверка: найдите антенну и на передающей, и на приёмной стороне схемы радиосвязи.

Смешивать модуляцию и детектирование. В обоих случаях взаимодействуют информационный и высокочастотный сигналы, но процессы противоположны по назначению. Модуляция соединяет их перед передачей, а детектирование выделяет сообщение в приёмнике. Проверка: определите, на каком конце линии связи выполняется операция.

Связь с другими темами

Для понимания радиосвязи нужны свойства электромагнитных волн и формула λ = c/ν, связывающая скорость, длину волны и частоту. Резонанс объясняет, как приёмник выделяет сигнал нужной станции. Эти знания применяются при изучении телевидения, мобильной связи, радиолокации и беспроводных сетей. Далее они помогают разбираться в цифровой связи, частотных диапазонах и кодировании информации.

Что запомнить

• Радиоволны являются электромагнитными волнами.
• Для передачи сообщения используют высокочастотное несущие колебание.
• Модуляция связывает информационный сигнал с несущей волной.
• Антенна преобразует электрические колебания в радиоволну и радиоволну — в электрический сигнал.
• Резонансный контур выбирает радиосигнал нужной частоты.
• Детектирование выделяет информационный сигнал из модулированной радиоволны.
• После усиления информационный сигнал преобразуется громкоговорителем в звук.