§ 40. Принципы радиосвязи и телевидения

Определения и обозначения

Модуляция — изменение одного из параметров высокочастотных колебаний по закону низкочастотного сигнала. Так информацию можно связать с колебаниями, которые пригодны для передачи радиоволнами на расстояние. Без модуляции несущая не сообщала бы приёмнику, какой звук или другое сообщение нужно восстановить.

Амплитудная модуляция — изменение амплитуды несущих колебаний в соответствии с передаваемым сигналом. Амплитуда — наибольшее отклонение колебания от среднего положения; при такой модуляции она повторяет изменения информационного сигнала. Этот способ позволяет передать, например, колебания, соответствующие звуку.

Детектирование — выделение низкочастотного сигнала из модулированных высокочастотных колебаний в приёмнике. После него остаётся информация, которую можно усилить и превратить в звук. Детектирование нужно потому, что громкоговоритель должен получать звуковой сигнал, а не колебания несущей радиочастоты.

Телевизионная развёртка — последовательное преобразование изображения в сигнал при передаче и восстановление изображения на экране. При передаче изображение считывают по строкам, а приёмник повторяет это движение синхронно. Благодаря такому порядку можно передать изображение как последовательность изменений сигнала, а затем собрать его на экране.

Как это устроено

Сначала микрофон преобразует звуковые колебания в электрический сигнал: колебания воздуха заставляют его создавать меняющееся напряжение. В этом напряжении содержится звуковая информация, но его частоты слишком низки для эффективного излучения обычной антенной. Поэтому сигнал микрофона используют не как готовую радиоволну, а как управляющий сигнал для передатчика. Это позволяет сохранить особенности звука и одновременно подготовить его к дальней передаче.

Генератор передатчика создаёт высокочастотные несущие колебания, а модулятор изменяет их амплитуду по закону звукового сигнала. Частота несущей задаёт радиочастотный диапазон, а изменения амплитуды несут информацию о звуке. Получается сигнал, в котором быстрые колебания несущей следуют за более медленными изменениями звука. Так низкочастотное сообщение переносится на высокочастотную основу, которую можно излучить антенной.

Передающая антенна создаёт переменное электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве в виде радиоволны. Когда волна достигает приёмной антенны, её поле вызывает в антенне электрические колебания. Принимается лишь часть энергии волны, поэтому сигнал может быть слабым. Далее эти колебания поступают в электрические цепи приёмника для отбора нужного сигнала и обработки.

В приёмнике есть колебательный контур, который настраивают на частоту выбранной станции. Например, изменяя ёмкость конденсатора, меняют собственную частоту контура и тем самым выбирают сигнал, частота которого близка к настройке. Это помогает отделить передачу нужной станции от сигналов других станций. Затем детектор выделяет из модулированных колебаний звуковой сигнал; его усиливают и подают на громкоговоритель, который превращает электрические колебания в звук.

При телевидении оптическое изображение последовательно сканируют по строкам и преобразуют в электрический видеосигнал. Такой способ нужен, чтобы передавать множество точек изображения не одновременно, а одну за другой в определённом порядке. Видеосигнал передают вместе со звуковым сигналом, причём каждый из них должен быть восстановлен своим устройством. На экране приёмника синхронная развёртка повторяет порядок строк, поэтому элементы изображения появляются на соответствующих местах и складываются в цельную картину.

Передача и приём информации по радио и телевидению

Таблица показывает общий маршрут информации от источника до зрителя или слушателя. Сравнивай этапы по строкам: так видно, что радио и телевидение используют сходные способы передачи волн, но работают с разными видами исходной информации. В последней строке проследи, каким образом приёмник возвращает сигналу его исходный смысл.

Разбор задач

Задача 1

Звуковой сигнал частотой 1 кГц модулирует несущие колебания частотой 1 МГц. Нужно указать, какой сигнал задаёт частоту несущей, а какой — изменение её амплитуды. Сначала разделим сигналы по их роли: один создаёт высокочастотные колебания для передачи, другой несёт информацию. Частоты помогают увидеть это различие: 1 МГц значительно выше 1 кГц.

1. Несущие колебания создаёт генератор передатчика; именно их частота определяет частоту несущей.
2. Звуковой сигнал с частотой 1 кГц медленнее несущей и содержит передаваемую информацию.
3. При амплитудной модуляции звуковой сигнал задаёт изменения амплитуды несущих колебаний, а не их основную частоту.

Ответ: частоту несущей задают колебания 1 МГц, а изменения её амплитуды — звуковой сигнал 1 кГц. Значит, высокая частота отвечает за перенос сигнала, а низкая сообщает, как именно должна меняться амплитуда.

Задача 2

Приёмник принимает модулированные колебания нескольких радиостанций. Нужно объяснить, зачем изменяют ёмкость его колебательного контура и какую роль затем выполняет детектор. Здесь важно различать два действия: сначала отбирают нужную частоту среди сигналов, затем восстанавливают переданную информацию. Изменение ёмкости влияет на настройку контура, а не заменяет детектирование.

1. Изменение ёмкости меняет собственную частоту колебательного контура приёмника.
2. Контур настраивают так, чтобы его частота была близка к частоте несущей нужной станции; это помогает выделить её колебания среди других.
3. После отбора сигнала детектор выделяет из высокочастотных модулированных колебаний низкочастотную звуковую информацию.
4. Затем звуковой сигнал усиливают и направляют на громкоговоритель для воспроизведения.

Ответ: ёмкость изменяют, чтобы настроить контур на нужную станцию, а детектор извлекает из её модулированного сигнала звук. Контур выбирает колебания близкой частоты, но не выполняет функцию детектора.

Задача 3

Нужно описать путь изображения и звука от телестудии до зрителя: от преобразования в сигналы до восстановления на экране и громкоговорителе. Рассматривать эти части следует отдельно до этапа приёма, поскольку изображение и звук преобразуются разными устройствами. Затем их передают радиоволнами и восстанавливают в телевизоре.

1. В телестудии изображение последовательно сканируют по строкам и преобразуют в электрический видеосигнал; звук превращают в электрический сигнал микрофоном.
2. Сигналы подготавливают для передачи и связывают с высокочастотными несущими колебаниями посредством модуляции.
3. Передающая антенна излучает электромагнитные волны, а антенна телевизора принимает их и преобразует часть энергии в электрические колебания.
4. Приёмник выделяет телевизионные сигналы. Видеосигнал управляет восстановлением изображения, а звуковой сигнал после обработки направляется на громкоговоритель.
5. Синхронная развёртка на экране повторяет последовательность строк, в которой изображение передавалось из студии.

Ответ: изображение проходит путь от последовательного сканирования до видеосигнала и синхронного восстановления на экране, а звук — от микрофона до электрического сигнала и громкоговорителя. Радиоволны обеспечивают передачу обоих сигналов между передающей и приёмной антеннами.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что низкочастотный звуковой сигнал непосредственно излучается антенной как радиоволна. Так думают, потому что звук и принимаемый сигнал связаны, но антенна передатчика излучает высокочастотные электромагнитные колебания. Для проверки проследи, где появляется несущая: звуковой сигнал сначала модулирует её, и только затем сигнал подают к антенне.

Ошибка: путать модуляцию с детектированием. Оба процесса связаны с информационным сигналом, поэтому их названия легко смешать, однако они происходят на разных сторонах радиосвязи. Модулятор вводит информацию в сигнал перед передачей, а детектор выделяет её в приёмнике; проверяй себя вопросом, добавляется или извлекается информация.

Ошибка: считать, что настройка приёмника усиливает сигнал нужной станции. Изменение ёмкости контура действительно влияет на то, какой сигнал слышен, но его основная задача — частотный отбор, а усиление выполняют другие элементы приёмника. Проверь рассуждение так: настройка меняет частоту контура, а не амплитуду сигнала.

Ошибка: представлять, будто все точки телевизионного изображения передаются одновременно. Такое представление не учитывает, что изображение превращают в сигнал последовательно, иначе порядок передачи и восстановления было бы трудно согласовать. Для самопроверки вспомни, что развёртка идёт строка за строкой и приёмник должен синхронно повторять её.

Связь с другими темами

Для понимания радиосвязи нужны знания об электромагнитных волнах: они переносят энергию от излучающей антенны к приёмной и распространяются в пространстве. Также пригодятся вынужденные электромагнитные колебания, резонанс в колебательном контуре и преобразование звука в электрический сигнал. Эти идеи применяются в радиотехнике и беспроводной связи. Принципы переноса и обработки сигналов лежат и в основе цифровых систем связи, хотя способы кодирования в них могут отличаться.

Что запомнить

• Радиопередача использует высокочастотные несущие электромагнитные колебания.
• Модуляция связывает параметры несущих колебаний с передаваемой информацией.
• Передающая антенна излучает электромагнитную волну, а приёмная антенна принимает её.
• Настроенный колебательный контур помогает выбрать сигнал нужной станции.
• Детектор выделяет низкочастотную информацию из модулированных колебаний.
• Телевизионное изображение передают как последовательно сформированный видеосигнал.
• Для восстановления изображения приёмник синхронно повторяет телевизионную развёртку.