§ 52. Принципы радиосвязи

Определения и обозначения

Радиосвязь — передача информации на расстояние с помощью электромагнитных волн. В качестве информации могут передаваться речь, музыка или данные. Это понятие объединяет работу передатчика, канала распространения и приёмника.

Радиопередатчик — устройство, которое создаёт высокочастотные колебания, переносит на них информационный сигнал и излучает его в пространство. Высокая частота нужна для эффективного излучения антенной. Поэтому передатчик не просто «посылает звук», а формирует радиоволну со звуковой информацией.

Амплитудная модуляция — изменение амплитуды высокочастотных колебаний по закону низкочастотного информационного сигнала. Несущая частота при этом остаётся практически постоянной. Такой способ позволяет закодировать речь в параметрах радиоволны.

Детектирование — выделение низкочастотного информационного сигнала из модулированных высокочастотных колебаний. Оно происходит уже в радиоприёмнике. После детектирования сигнал можно усилить и превратить в звук.

Как это устроено

Звуковой сигнал от микрофона имеет частоты примерно от десятков герц до десятков килогерц. Если попытаться излучать его непосредственно, антенна должна иметь размеры, сопоставимые с длиной такой волны, а излучение окажется неэффективным. Высокочастотная несущая имеет меньшую длину волны, хорошо излучается антенной и служит переносчиком информации.

Генератор передатчика создаёт электрические колебания высокой частоты. Обычно их частота определяется параметрами колебательного контура, состоящего из катушки индуктивности и конденсатора: f = 1/(2π√LC). Изменяя индуктивность L или ёмкость C, можно изменить частоту генератора и выбрать нужный диапазон радиосвязи.

Микрофон преобразует звуковые колебания в изменяющийся электрический сигнал. Модулятор соединяет этот низкочастотный сигнал с несущей так, что амплитуда высокочастотных колебаний всё время меняется по закону речи или музыки. Поэтому форма огибающей модулированной волны повторяет форму исходного звукового сигнала, хотя сами быстрые колебания имеют гораздо большую частоту.

Модулированные колебания подаются в передающую антенну. Переменный ток в антенне создаёт изменяющиеся электрическое и магнитное поля, которые распространяются в пространстве в виде электромагнитной волны. Энергия и информация удаляются от передатчика, поэтому приёмник может находиться на значительном расстоянии.

Приёмная антенна возбуждается радиоволнами многих станций одновременно. Настроенный колебательный контур благодаря резонансу сильнее реагирует на частоту выбранной станции и ослабляет колебания других частот. Затем детектор удаляет высокочастотную несущую и оставляет звуковой сигнал, а усилитель повышает его мощность до уровня, необходимого для работы громкоговорителя.

Этапы радиосвязи и преобразование сигнала

Таблицу следует читать слева направо: каждый этап изменяет форму или энергию сигнала. Первые три строки относятся к передаче, средняя часть — к распространению и выбору станции, последние строки — к приёму и воспроизведению. Вид сигнала показывает, на каком уровне находится информация в данный момент.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему звуковые колебания от микрофона нельзя эффективно передать на большое расстояние без высокочастотной несущей. Нужно сопоставить свойства звукового сигнала и радиоволны, а затем определить роль несущих колебаний.

1. Звук является низкочастотным механическим колебанием, а электрический сигнал микрофона сохраняет сравнительно низкую частоту.
2. Для эффективного излучения антенна должна иметь подходящие размеры относительно длины волны. У низкочастотного сигнала длина волны велика, поэтому обычная антенна излучает его плохо.
3. Высокочастотная несущая хорошо излучается, а модуляция переносит на неё изменения звука.

Ответ: без несущей звуковой сигнал плохо излучается антенной и не может эффективно распространяться как радиоволна; несущая переносит его информацию.

Задача 2. Несущая частота радиопередатчика равна 1,0 МГц. Найдите период колебаний. Сначала нужно перевести частоту в единицы СИ, затем применить связь периода и частоты.

1. Переведём частоту: f = 1,0 МГц = 1,0 · 10⁶ Гц.
2. Используем формулу T = 1/f.
3. Получаем T = 1/(1,0 · 10⁶) с = 1,0 · 10⁻⁶ с.

Ответ: период несущих колебаний равен 1,0 мкс, или 0,000001 с.

Задача 3. Передатчик излучает модулированную волну, а приёмник настроен на частоту другой станции. Объясните, почему нужный сигнал не будет принят, и назовите этапы при правильной настройке. Здесь важно отделить выбор станции от восстановления звука.

1. Контур приёмника настроен на другую частоту, поэтому он находится в резонансе не с нужной волной и сильно ослабляет её.
2. При правильной настройке антенна и контур выбирают модулированный сигнал нужной станции.
3. Детектор выделяет из него низкочастотный сигнал, усилитель увеличивает его мощность, а громкоговоритель воспроизводит звук.

Ответ: сигнал не будет принят из-за несовпадения частоты настройки с частотой станции; правильная цепочка такова: настройка контура, детектирование, усиление и воспроизведение.

Типичные ошибки

Считать, что в антенну передатчика подают непосредственно звук. Так думают, потому что источником сигнала является микрофон. На самом деле звук сначала превращается в низкочастотный электрический сигнал и модулирует несущую; проверить себя можно, назвав сигнал перед антенной высокочастотным.

Путать модуляцию с детектированием. Оба процесса связаны с изменением сигнала, поэтому их иногда меняют местами. Модуляция переносит информацию на несущую в передатчике, а детектирование извлекает её в приёмнике.

Полагать, что настроенный контур сам восстанавливает звук. Контур выбирает частоту станции, но не удаляет несущую и не выделяет речь. После настройки обязательно должен следовать детектор, а затем усилитель.

Смешивать несущую частоту с частотой звукового сигнала. Они различаются на многие порядки и выполняют разные функции. Если частота описывает быстрые колебания радиоволны, это несущая; если медленные изменения речи — информационный сигнал.

Связь с другими темами

Для понимания радиосвязи нужны знания о том, что электромагнитные волны переносят энергию и распространяются в пространстве, а колебательный контур создаёт и принимает электромагнитные колебания. Вынужденные колебания и резонанс объясняют, почему приёмник выбирает одну станцию среди других. Эти принципы применяются в радиосвязи, радиолокации и современных системах передачи информации.

Что запомнить

• В радиосвязи информацию переносят электромагнитные волны.
• Высокочастотные колебания служат несущими для информационного сигнала.
• При амплитудной модуляции амплитуда несущей меняется по закону сигнала.
• Настроенный контур приёмника выделяет колебания нужной станции.
• Детектор выделяет низкочастотный сигнал из модулированных колебаний.
• Для воспроизведения звука принятый сигнал усиливают и подают на громкоговоритель.