§ 58. Развитие средств связи

Определения и обозначения

Радиосвязь — передача информации на расстояние с помощью электромагнитных волн. Передатчик формирует сигнал и подаёт его к антенне, среда распространения — пространство, через которое идёт волна, а приёмник принимает её и извлекает сообщение. Это определение описывает весь путь информации от источника к слушателю.

Несущая волна — высокочастотное электромагнитное колебание, параметры которого изменяют для передачи сообщения. Её высокая частота позволяет эффективно излучать сигнал антенной и передавать его на расстояние. Сама несущая без изменения параметров не сообщает слушателю, какой звук был передан.

Модуляция — изменение амплитуды или частоты несущей волны по закону передаваемого сигнала. Например, при амплитудной модуляции амплитуда растёт и уменьшается вслед за информационным сигналом. Благодаря этому сообщение оказывается закодировано в колебаниях, которые можно излучить.

Детектирование — выделение низкочастотного информационного сигнала из модулированных колебаний в приёмнике. Детектор отделяет изменения, связанные с сообщением, от высокочастотной несущей. Без этого этапа приёмник не смог бы передать восстановленный сигнал на усилитель и громкоговоритель.

Как это устроено

Звуковые колебания распространяются в воздухе, но сами по себе плохо подходят для дальней радиопередачи. Поэтому микрофон сначала преобразует звук в изменяющийся электрический сигнал. Этот сигнал управляет колебаниями высокой частоты, поскольку именно их удобно излучать антенной как электромагнитную волну. Так речь превращается в форму, пригодную для передачи по радио.

При амплитудной модуляции амплитуда несущей меняется в соответствии с электрическим сигналом от микрофона. Если звук становится сильнее, меняется и амплитуда колебаний несущей; если звук слабее — меняется иначе. В результате ток в передающей антенне тоже становится модулированным. Он создаёт электромагнитную волну, несущую информацию о звуке.

Передающая антенна излучает волну, и та распространяется в пространстве. Когда волна достигает приёмной антенны, её электромагнитное поле вызывает в антенне слабые электрические колебания. Они повторяют особенности принятого сигнала, но могут содержать сигналы множества станций одновременно. Поэтому приёмнику необходимо выбрать нужную частоту.

Настроенный колебательный контур выделяет колебания, частота которых близка к его собственной частоте. Контур обладает резонансом: на близкой частоте его отклик особенно заметен, тогда как другие частоты подавляются сильнее. Собственную частоту можно изменить, например, изменив ёмкость конденсатора. Поэтому настройка контура помогает выбрать одну станцию среди сигналов, пришедших на антенну.

После настройки детектор отделяет низкочастотные колебания, соответствующие переданному звуку, от высокочастотной несущей. Полученный электрический сигнал обычно слаб, поэтому усилитель увеличивает его мощность. Затем громкоговоритель преобразует электрические колебания обратно в звуковые. Так последовательно восстанавливается речь, которую передали в начале цепочки.

Этапы передачи и приёма радиосигнала

Читайте таблицу слева направо как последовательность преобразований: каждый этап передаёт результат следующему. Чтобы объяснить работу конкретного устройства, найдите его строку и проследите, что поступает на вход и что получается на выходе. Так легче не перепутать функции антенны, детектора и громкоговорителя.

Разбор задач

Порядок преобразований при передаче речи

Условие. Перечислите, в каком порядке проходят преобразования сигнала при передаче речи от диктора к слушателю. Нужно проследить не только распространение волны, но и превращения звука в электрический сигнал и обратно. Двигайтесь от источника сообщения к устройству, которое воспроизводит его у слушателя.

1. Микрофон преобразует звук диктора в электрический сигнал. Этот сигнал содержит изменения, соответствующие речи, но не является радиоволной. Поэтому далее им изменяют параметры высокочастотной несущей.
2. Модулированный ток в передающей антенне создаёт электромагнитную волну. Она распространяется в пространстве и достигает приёмной антенны. Там волна вызывает слабые электрические колебания.
3. Контур приёмника выделяет частоту нужной станции, а детектор извлекает информационный сигнал. Усилитель повышает его мощность, после чего громкоговоритель превращает сигнал в звук. Получается полный путь от речи диктора до речи, услышанной слушателем.

Ответ: звук → электрический сигнал → модулированная несущая → радиоволна → электрический сигнал → звук.

Изменение ёмкости конденсатора приёмника

Условие. В колебательном контуре приёмника изменили ёмкость конденсатора. Объясните, почему приёмник может настроиться на другую радиостанцию. Нужно связать изменение параметра цепи с частотой, которую контур выделяет сильнее всего.

1. У колебательного контура есть собственная частота, связанная с параметрами конденсатора и катушки. При изменении ёмкости изменяется и собственная частота контура. Следовательно, прежняя настройка уже не сохраняется.
2. Контур сильнее откликается на колебания, частота которых близка к его собственной частоте. Изменив ёмкость, мы сдвигаем область наибольшего отклика. Поэтому приёмник может выделить сигнал другой станции.
3. Проверка рассуждения проста: если бы ёмкость менялась, а собственная частота оставалась прежней, настройка не зависела бы от изменения контура. Но частота зависит от параметров контура, поэтому меняется и выбираемый сигнал. Точный результат зависит от величины изменения ёмкости.

Ответ: изменение ёмкости меняет собственную частоту контура, и он начинает преимущественно выделять сигнал другой частоты.

Периоды несущей и звукового сигнала

Условие. Несущая волна имеет частоту 1 МГц, а частота передаваемого звукового сигнала — 1 кГц. Сравните их периоды и объясните, почему сигнал можно передавать модуляцией. Период связан с частотой формулой T = 1/f.

1. Переведём частоты в герцы: 1 МГц = 1 000 000 Гц, а 1 кГц = 1000 Гц. Используем формулу периода: для несущей T = 1/1 000 000 с = 1 мкс, для звука T = 1/1000 с = 1 мс. Значит, звуковой период в тысячу раз больше периода несущей.
2. Несущая совершает колебания намного быстрее, чем меняется информационный сигнал. Поэтому её амплитуда или частота может изменяться вслед за звуковым сигналом, сохраняя высокую частоту самих колебаний. Такое изменение и называется модуляцией.
3. Сравнение периодов показывает, что быстрые колебания несущей и более медленные изменения звука относятся к разным временным масштабам. Это позволяет передать особенности звукового сигнала в изменениях несущей. Приёмник затем выделяет эти изменения детектором.

Ответ: период несущей равен 1 мкс, период звукового сигнала — 1 мс; период звука в тысячу раз больше. Медленный информационный сигнал может изменять параметры гораздо более быстрой несущей.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что радиоволна переносит звук в неизменном виде. Такое представление возникает из-за того, что слушатель в итоге слышит звук, однако до передатчика звук преобразуется микрофоном в электрический сигнал и кодируется изменением несущей. Проверьте себя: можете ли вы назвать, в какой момент цепочки возникает радиоволна и в какой восстанавливается звук?

Ошибка: путать модуляцию и детектирование. Оба процесса связаны с изменением сигнала, поэтому их названия легко смешать, но выполняются они в разных частях системы. Модуляция наносит информацию на несущую в передатчике, а детектирование извлекает её в приёмнике; проверьте, какой этап происходит до излучения, а какой — после приёма.

Ошибка: полагать, что настройка контура усиливает все станции сразу. Антенна действительно может принимать сигналы разных станций, но настроенный контур преимущественно выделяет колебания около собственной частоты. Если контур выбран правильно, одна частота получает заметный отклик; проверьте, меняется ли эта частота при изменении ёмкости конденсатора.

Ошибка: считать, что приёмная антенна сама восстанавливает звук. Антенна лишь преобразует воздействие радиоволны в электрические колебания, а информационный сигнал ещё нужно отделить от несущей и усилить. Проверьте себя: назовите устройства между антенной и звучанием громкоговорителя — это контур, детектор и усилитель.

Связь с другими темами

Для понимания радиосвязи нужно знать, что электромагнитные колебания и волны распространяются в пространстве и переносят энергию. Настройка приёмника опирается на резонанс в колебательном контуре: он объясняет, почему контур выделяет частоту, близкую к собственной. Эти знания применяются и в радиолокации, и в беспроводной связи, где информация передаётся без проводов. Разобрав радиоприём, легче понять общие принципы кодирования и передачи информации.

Что запомнить

• Радиосвязь передаёт информацию с помощью электромагнитных волн.
• Звуковой сигнал преобразуется в электрический, прежде чем попасть в передатчик.
• Модуляция связывает информацию с высокочастотной несущей.
• Антенна передатчика излучает радиоволну, а антенна приёмника преобразует её в электрические колебания.
• Настроенный контур помогает выделить сигнал нужной частоты.
• Детектор извлекает информационный сигнал, а громкоговоритель преобразует его в звук.