2. Принципы радиосвязи

Определения и обозначения

Радиосвязь — передача информации на расстояние с помощью радиоволн, без проводного соединения передатчика с приёмником. Радиоволны являются электромагнитными волнами и могут распространяться в пространстве. Благодаря этому сообщение можно передавать между удалёнными устройствами, даже если между ними нет кабеля.

Несущая электромагнитная волна — высокочастотное колебание, параметры которого изменяют в соответствии с передаваемым сигналом. Её задача — перенести сообщение на частоте, подходящей для эффективного излучения антенной. Без изменения параметров несущая не передавала бы конкретную информацию.

Модуляция — изменение амплитуды, частоты или фазы несущей под воздействием информационного сигнала. Например, при амплитудной модуляции меняется амплитуда высокочастотных колебаний, а их огибающая повторяет сообщение. Так информация становится частью радиосигнала и может быть передана на расстояние.

Детектирование — выделение исходного низкочастотного информационного сигнала из модулированного высокочастотного колебания. Оно необходимо, потому что динамик не должен воспроизводить быстрые колебания несущей. После детектирования остаётся сигнал, по которому можно восстановить звук или другое сообщение.

Как это устроено

Звуковой сигнал нельзя эффективно передавать радиоволной напрямую: его частота мала по сравнению с частотой, нужной для работы компактной передающей антенны. Для эффективного излучения длина антенны должна быть сопоставима с длиной волны, а у низкочастотного звука она получилась бы очень большой. Поэтому информацию сначала переносят на высокочастотную несущую, длина волны которой гораздо меньше.

Передача речи начинается с микрофона. Звуковые волны заставляют его мембрану колебаться, а микрофон преобразует эти колебания в изменяющийся электрический сигнал той же звуковой частоты. Отдельный генератор создаёт высокочастотные электрические колебания — несущую; она нужна как основа для переноса сообщения, а не как само сообщение.

При амплитудной модуляции электрический сигнал от микрофона управляет амплитудой несущей: громким звукам соответствуют большие изменения амплитуды, тихим — меньшие. Быстрые колебания несущей при этом сохраняются, но их внешняя граница, или огибающая, повторяет форму информационного сигнала. Именно поэтому по огибающей можно восстановить исходные изменения звука.

Модулированный сигнал усиливают, чтобы он мог вызвать в антенне достаточно сильные электрические колебания. Антенна передатчика создаёт переменное электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве в виде радиоволны. На приёмной антенне эта волна вызывает слабые электрические колебания, поэтому принятый сигнал обычно приходится усиливать.

Приёмник сначала настраивают на частоту нужной станции: колебательный контур выделяет сигнал, частота которого близка к его собственной резонансной частоте. Затем сигнал усиливают и подают на детектор. Детектор выделяет низкочастотную составляющую, соответствующую огибающей; выходное устройство преобразует электрические колебания в звук, который слышит слушатель.

Этапы передачи и приёма радиосигнала

Таблица показывает последовательность пути сигнала от сообщения до его воспроизведения. Проследи, как на каждом этапе меняется форма сигнала и какой элемент устройства выполняет это преобразование. Так проще определить, где именно происходит излучение, выбор станции и восстановление информации.

Разбор задач

Задача 1. Нужно объяснить, какие преобразования проходит речевое сообщение от микрофона передатчика до динамика приёмника. Известно, что передатчик и приёмник соединены не проводом, а радиоволной. Проследим за сообщением по порядку и укажем назначение основных устройств.

1. Микрофон преобразует звук речи в электрический сигнал низкой частоты, форма которого соответствует изменениям звука.
2. Генератор создаёт высокочастотную несущую, а модулятор изменяет её параметр в соответствии с сигналом микрофона.
3. Усиленный модулированный сигнал поступает в антенну передатчика, которая излучает радиоволну.
4. Приёмная антенна принимает волну, контур выбирает частоту нужной станции, а усилитель повышает уровень сигнала.
5. Детектор выделяет информационный сигнал, который поступает на динамик и снова превращается в звук.

Ответ: цепочка преобразований имеет вид: звук → электрический сигнал → модуляция несущей → излучение и приём радиоволны → детектирование → звук.

Задача 2. Частота несущей равна 1 МГц, а частота звукового сигнала — 1 кГц. Во сколько раз частота несущей больше частоты сообщения и почему это помогает передаче? Сначала важно привести частоты к одинаковым единицам, а затем сравнить их.

1. Переведём мегагерцы и килогерцы в герцы: 1 МГц = 1 000 000 Гц, 1 кГц = 1000 Гц.
2. Найдём отношение частот: 1 000 000 / 1000 = 1000. Значит, частота несущей в тысячу раз больше частоты звукового сигнала.
3. Большой частоте соответствует меньшая длина электромагнитной волны, поэтому эффективную антенну можно сделать значительно короче.

Ответ: несущая в 1000 раз выше по частоте; это облегчает эффективное излучение сигнала антенной разумных размеров.

Задача 3. На графике видны быстрые высокочастотные колебания, амплитуда которых медленно меняется: внешняя граница колебаний сначала растёт, затем уменьшается. Нужно определить, что сообщает огибающая, и объяснить восстановление сигнала приёмником. Рассматриваем случай амплитудной модуляции.

1. Быстрые колебания соответствуют несущей, а медленное изменение их амплитуды вызвано действием информационного сигнала.
2. Форма огибающей показывает, как менялся низкочастотный сигнал сообщения во времени. Для речевой передачи она связана с изменениями звука, преобразованного микрофоном.
3. Детектор подавляет высокочастотные колебания и выделяет изменение амплитуды, то есть низкочастотную составляющую.
4. После усиления этот сигнал можно подать на динамик, который воспроизведёт звук.

Ответ: форма сообщения читается по огибающей; детектор выделяет её низкочастотные изменения из быстрых колебаний несущей.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что модуляция полностью заменяет информационный сигнал несущей. Это впечатление возникает потому, что после модуляции наблюдают быстрые колебания, но в них изменён параметр несущей согласно сообщению. Проверь себя: если бы параметр не зависел от информации, сигнал не позволил бы восстановить переданное сообщение.

Несущую иногда принимают за уже готовый радиосигнал с информацией. Однако немодулированная несущая сама по себе не содержит сообщения: информацию в неё вносит именно изменение параметра. Для проверки сравни, есть ли на сигнале изменения, связанные с передаваемым звуком.

Другая ошибка — полагать, что приёмник одинаково усиливает любую пришедшую радиоволну. В действительности рядом могут действовать многие станции, поэтому контур настраивают на нужную частоту; настройка основана на резонансе. Если меняется частота настройки, должна выделяться другая станция — это простой способ проверить понимание.

Детектирование также не следует путать с усилением или считать только другим названием всей демодуляции. Усилитель повышает уровень сигнала, а детектор извлекает из высокочастотных колебаний низкочастотную информацию. Проверь себя вопросом: после какого устройства сигнал уже соответствует сообщению и может поступить на выходное устройство?

Связь с другими темами

Для понимания радиосвязи нужны свойства электромагнитных волн, представления о колебательном контуре и резонансе, а также понятия частоты и длины волны. Генератор создаёт высокочастотные электрические колебания, поэтому тема связана с переменным током и колебаниями. Настройка приёмника использует резонанс: контур выделяет сигнал подходящей частоты. Эти принципы применяются в телевидении, мобильной связи, радиолокации и цифровой передаче данных.

Что запомнить

• Радиосвязь передаёт информацию электромагнитными волнами.
• Информационный сигнал переносят на высокочастотной несущей волне.
• Изменение параметров несущей под действием сообщения называется модуляцией.
• Антенна передатчика преобразует электрические колебания в электромагнитную волну.
• Приёмник выделяет сигнал нужной станции с помощью настройки на частоту.
• Детектирование восстанавливает исходный информационный сигнал.
• Динамик или другое выходное устройство преобразует электрический сигнал обратно в сообщение.