§ 27. Радиопередача

Определения и обозначения

Радиопередача — передача информации на расстояние с помощью электромагнитных волн радиочастотного диапазона. Информацией может быть звук, изображение или данные. Это понятие нужно, чтобы отличать способ передачи сообщения от самого сообщения.

Модуляция — изменение параметра высокочастотных колебаний в соответствии с передаваемым звуковым сигналом. При амплитудной модуляции изменяется амплитуда, то есть размах колебаний. Благодаря модуляции звук можно передать радиоволной.

Несущая частота — частота высокочастотных колебаний, которые переносят информацию. Она значительно больше частоты звука и задаётся генератором передатчика. По несущей частоте различают радиостанции и отдельные программы.

Радиопередающая станция — устройство, преобразующее информацию в модулированные электромагнитные колебания и излучающее их антенной. В её состав входят микрофон, генератор, модулятор, усилитель и антенна. Поэтому станция выполняет не одну операцию, а всю последовательность подготовки и излучения сигнала.

Как это устроено

Источник звука, например голос, создаёт колебания воздуха. Микрофон преобразует их в колебания электрического тока или напряжения, причём форма электрического сигнала повторяет форму звуковой волны. Это происходит потому, что звуковое давление перемещает чувствительную часть микрофона, а её движение изменяет электрический сигнал.

Полученный сигнал имеет сравнительно низкую частоту и обычно невеликую мощность. Его усиливают, чтобы последующая аппаратура могла надёжно изменить колебания несущей, а передатчик получил достаточно энергии для излучения. Однако одного усиления недостаточно: низкочастотный сигнал неудобен для эффективной передачи антенной.

Генератор создаёт устойчивые высокочастотные колебания. На них накладывают звуковой сигнал, потому что высокочастотная волна хорошо излучается антенной и может переносить информацию на большое расстояние. При амплитудной модуляции амплитуда несущих колебаний изменяется по закону звукового сигнала, а их высокая частота сохраняется.

После модулятора сигнал усиливается усилителем высокой частоты. Затем он поступает в передающую антенну, где переменный ток создаёт изменяющиеся электрическое и магнитное поля. Эти поля распространяются в пространстве и образуют электромагнитную радиоволну, уносящую информацию от станции.

Несколько программ нельзя передавать на одной и той же несущей частоте: их колебания наложились бы друг на друга. Поэтому каждой станции или программе выделяют свою частоту. Приёмник настраивается на нужную несущую и выделяет сигнал именно этой станции, что предотвращает смешивание передач.

Основные этапы радиопередачи

Таблицу удобно читать слева направо: каждый элемент выполняет следующий этап обработки сигнала. В последнем столбце указано, к чему приводит работа соответствующей части станции.

Разбор задач

Задача 1. Звуковой сигнал с частотой 1 кГц модулирует несущие колебания частотой 1 МГц. Какая частота переносит информацию и почему?

1. Информационный сигнал имеет частоту 1 кГц. Она связана со звуком и определяет, как изменяется параметр несущего колебания.
2. Несущая имеет частоту 1 МГц, то есть 1000 кГц. Она нужна для эффективного излучения и переноса сигнала радиоволной.
3. Следовательно, информацию переносит несущая частота 1 МГц, а частота 1 кГц задаёт закон её модуляции.

Ответ: информацию переносит радиоволна с несущей частотой 1 МГц; частота звука 1 кГц определяет изменения этой волны.

Задача 2. Амплитуда несущих колебаний изменяется от 2 В до 6 В. Найдём глубину амплитудной модуляции.

1. Запишем максимальную и минимальную амплитуды: Amax = 6 В, Amin = 2 В.
2. Подставим их в формулу m = (Amax − Amin) / (Amax + Amin).
3. Получим m = (6 − 2) / (6 + 2) = 4 / 8 = 0,5.

Ответ: глубина модуляции m = 0,5, или 50 %. Это означает, что амплитуда несущей заметно изменяется под действием звукового сигнала.

Задача 3. Передатчик работает на частоте 1,5 МГц. Найдём длину радиоволны, если c = 3 · 10⁸ м/с.

1. Переведём частоту в герцы: ν = 1,5 МГц = 1,5 · 10⁶ Гц.
2. Используем связь длины волны и частоты: λ = c / ν.
3. Подставим значения: λ = (3 · 10⁸) / (1,5 · 10⁶) м = 200 м.

Ответ: длина излучаемой радиоволны равна 200 м. В этой формуле нужно брать частоту передатчика, а не частоту звукового сигнала.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что в антенну передают непосредственно звук. Так думают, потому что передача начинается с голоса, но антенна получает усиленные модулированные высокочастотные колебания. Проверь себя по цепочке: звук — микрофон — модулятор — усилитель — антенна.

Ошибка 2. Путать частоту звука с несущей частотой. Их смешивают, поскольку обе измеряются в герцах, хотя первая содержит информацию, а вторая переносит её. Проверь, какая частота задаёт тон, а какая принадлежит генератору передатчика.

Ошибка 3. Называть модуляцией простое усиление сигнала. Усилитель увеличивает амплитуду колебаний, а при модуляции параметр несущей меняется по закону информационного сигнала. Для проверки спроси себя, появился ли новый закон изменения несущей.

Ошибка 4. При вычислении длины волны брать частоту звука вместо частоты передатчика. Такая ошибка возникает из-за смешения информационного и несущего сигналов. Сначала найди частоту радиопередатчика в герцах, затем примени λ = c / ν.

Связь с другими темами

Для понимания радиопередачи нужны знания о механических и электромагнитных колебаниях, волне, частоте, периоде и длине волны. Эти величины помогают описывать и звук, и радиосигнал.

Тема связана с работой микрофона, генератора переменного тока, колебательного контура и антенны. Каждый из них участвует в создании, изменении или излучении сигнала.

Полученные знания пригодятся при изучении радиоприёма, телевидения и мобильной связи. Те же принципы помогают понять работу современных средств передачи информации.

Что запомнить

• Радиопередача основана на излучении электромагнитных волн.
• Звук сначала преобразуется микрофоном в электрический сигнал.
• Информационный сигнал накладывается на высокочастотную несущую волну.
• При амплитудной модуляции изменяется амплитуда несущих колебаний.
• Модулированный сигнал усиливается и подаётся в передающую антенну.
• Разные радиостанции используют разные несущие частоты.
• Длина радиоволны определяется формулой λ = c / ν.