5. Принципы радиосвязи

Определения и обозначения

Несущая электромагнитная волна — высокочастотная волна, которую используют для передачи радиосигнала на расстояние. Её частота значительно выше частоты звуковых колебаний. Благодаря этому волну можно эффективно излучать антенной и принимать на расстоянии.

Модуляция — изменение одного из параметров несущей волны по закону передаваемого звукового сигнала. Параметром может быть амплитуда, частота или фаза. Модуляция нужна, чтобы информация о звуке стала частью радиоволны.

Амплитудная модуляция — способ модуляции, при котором амплитуда несущей волны изменяется в соответствии со звуковым сигналом. Когда электрический сигнал от микрофона меняется, меняется и амплитуда колебаний несущей. Так её огибающая повторяет изменения звукового сигнала.

Детектирование — выделение низкочастотного сигнала из модулированной высокочастотной волны. Детектор отделяет изменения, несущие информацию, от быстрых колебаний самой несущей. Полученный сигнал можно подать на громкоговоритель и услышать переданный звук.

Как это устроено

Звуковая волна в воздухе сама по себе не может эффективно передаваться передающей антенной как радиосигнал. Её частота сравнительно низкая, поэтому для излучения пришлось бы использовать очень большую антенну. Кроме того, радиоприёмнику было бы трудно отделять один звуковой источник от другого по частоте. Поэтому звук сначала переносят на высокочастотную несущую волну.

В микрофоне колебания воздуха преобразуются в электрический сигнал: чем сильнее меняется звук, тем соответствующим образом меняется электрическое напряжение. Этот сигнал содержит информацию о громкости и изменениях звука, но его частота остаётся низкой. При амплитудной модуляции напряжение управляет амплитудой несущей. В результате быстрые колебания несущей сохраняются, а их огибающая повторяет форму звукового сигнала.

В передатчике модулированные электрические колебания поступают к антенне. В антенне заряды движутся с высокой частотой, создавая переменное электромагнитное поле. Оно распространяется от антенны в пространстве как радиоволна, перенося сведения, закодированные в изменениях её параметра. На расстоянии волну принимает антенна радиоприёмника.

В месте приёма могут одновременно присутствовать волны от множества радиостанций. Чтобы выбрать нужную, в приёмнике используют колебательный контур с катушкой индуктивности L и конденсатором ёмкости C. Изменяя параметры контура, настраивают его собственную частоту на частоту выбранной станции. При резонансе контур сильнее откликается на близкие по частоте колебания, а сигналы других станций выделяются хуже.

После настройки принятая волна всё ещё содержит высокочастотную несущую, поэтому непосредственно воспроизвести её как звук нельзя. Детектор выделяет низкочастотные изменения, соответствующие сигналу микрофона, и ослабляет быстрые колебания несущей. Полученный электрический сигнал усиливают и подают на громкоговоритель. В нём электрические изменения заставляют мембрану колебаться, создавая звук.

Этапы передачи и приёма радиосигнала

Таблица показывает путь информации от звука у передатчика до звука у слушателя. Проследи этапы сверху вниз: результат каждого этапа становится основой для следующего. Устройства указаны для типичной схемы радиосвязи.

Разбор задач

Задача 1. Радиостанция передаёт сигнал на частоте 100 МГц. Найдите длину волны в воздухе, считая скорость распространения равной 3·10⁸ м/с.

1. Для волны используем связь скорости, длины волны и частоты: c = λν. Искомую длину выразим как λ = c/ν.
2. Переведём частоту в единицы СИ: 100 МГц = 100·10⁶ Гц = 1·10⁸ Гц. Подставим значения: λ = (3·10⁸ м/с)/(1·10⁸ Гц).
3. Сокращая степени десяти, получаем λ = 3 м. Ответ: длина волны равна 3 м.

Задача 2. В колебательном контуре приёмника индуктивность равна 2,0 мкГн, а ёмкость — 50 пФ. Найдите частоту, на которую настроен контур.

1. Собственная частота контура определяется формулой f = 1/(2π√(LC)). Сначала переведём величины в единицы СИ: L = 2,0·10⁻⁶ Гн, C = 50·10⁻¹² Ф.
2. Перемножим L и C: LC = 1,0·10⁻¹⁶. Тогда √(LC) = 1,0·10⁻⁸ с. Подстановка даёт f = 1/(2π·10⁻⁸ с).
3. Вычисляем: f ≈ 1,59·10⁷ Гц = 15,9 МГц. Ответ: контур настроен примерно на 15,9 МГц.

Задача 3. Амплитуда несущей равна 8 В, а наибольшее отклонение огибающей от её среднего уровня — 3 В. Определите коэффициент амплитудной модуляции.

1. Коэффициент модуляции m показывает, какую долю от амплитуды несущей составляет амплитуда звукового сигнала. Отклонение огибающей от среднего уровня в данном случае и есть эта амплитуда.
2. Используем формулу m = Uₘ/U₀, где Uₘ = 3 В — амплитуда модулирующего сигнала, а U₀ = 8 В — амплитуда несущей. Получаем m = 3/8.
3. Вычисляем: m = 0,375, или 37,5 %. Ответ: коэффициент амплитудной модуляции равен 0,375 (37,5 %).

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что звук сам распространяется от передающей антенны как радиоволна. Так думают, потому что именно звук слышит слушатель, но антенна излучает электромагнитную волну, а не звуковую. Звук сначала превращается в электрический сигнал и модулирует несущую. Проверь себя: можешь ли ты назвать отдельно микрофон, передатчик и радиоволну?

Частоту несущей иногда путают с частотой звукового сигнала: предполагают, что радиоволна колеблется с частотой голоса. Это неверно, потому что несущая высокочастотная, а звуковой сигнал лишь задаёт изменения её параметра. При амплитудной модуляции меняется амплитуда, тогда как несущая сохраняет свою высокую частоту. Проверь себя, указав, какая частота задаёт радиоканал, а какая связана с передаваемым звуком.

Настройку контура можно принять за усиление всех волн, поступающих на антенну. Такое впечатление возникает потому, что после настройки выбранный сигнал становится заметнее, однако контур преимущественно выделяет колебания близкой ему частоты. Волны других радиостанций он не усиливает одинаково. Чтобы проверить себя, спроси, почему изменение настройки позволяет сменить принимаемую станцию.

Модуляцию путают с детектированием, поскольку оба процесса связаны с изменением сигнала. При модуляции информацию переносят на несущую в передатчике, а при детектировании низкочастотную информацию извлекают из принятой волны. Это противоположные этапы радиосвязи, а не два названия одной операции. Проверь себя: модулятор находится до излучения, а детектор — после приёма?

Связь с другими темами

Для понимания радиосвязи нужны знания об электромагнитных волнах: как они возникают и распространяются, как связаны скорость, частота и длина волны соотношением c = λν. Также пригодятся понятия периода и частоты колебаний. Настройка радиоприёмника опирается на тему свободных электромагнитных колебаний и резонанса в колебательном контуре. Те же принципы переноса и отбора сигналов применяются при изучении радиолокации, телевидения и беспроводной передачи информации.

Что запомнить

• Для передачи звукового сигнала используют высокочастотную несущую электромагнитную волну.
• Модуляция переносит информацию на несущую.
• При амплитудной модуляции по закону сигнала меняется амплитуда несущей.
• Передающая антенна излучает модулированную электромагнитную волну.
• Настроенный контур приёмника выделяет сигнал нужной частоты.
• Детектор выделяет низкочастотный сигнал, который затем преобразуется в звук.