§ 29. Принципы радиосвязи и телевидения

Определения и обозначения

Радиопередатчик — устройство, которое превращает сообщение в электрический сигнал, переносит его на высокочастотные электромагнитные колебания и излучает их антенной. Благодаря передатчику голос можно отправить далеко от места, где он прозвучал. В состав передающего устройства входят, в частности, генератор и модулятор.

Модуляция — изменение одного из параметров высокочастотных колебаний по закону передаваемого сигнала. Проще говоря, сообщение как бы «накладывают» на колебания, удобные для передачи. Без этого приёмнику было бы трудно извлечь из волны исходный звук или другой сигнал.

Радиоприёмник — устройство, которое принимает электромагнитные волны антенной, выделяет из них сигнал сообщения и преобразует его в звук или изображение. Он нужен, чтобы восстановить информацию, отправленную передатчиком. Для этого приёмник не просто улавливает волну, но и обрабатывает её.

Детектирование — выделение низкочастотного сигнала сообщения из модулированных высокочастотных колебаний. Так приёмник отделяет полезную информацию от колебаний, которые помогли её перенести. После детектирования сигнал можно усилить и подать на громкоговоритель.

Как это устроено

Звук заставляет воздух колебаться, а микрофон преобразует изменения звукового давления в соответствующие электрические колебания. Полученный сигнал меняется с частотой, связанной со звуком, и обычно имеет невысокую частоту. Непосредственно излучать его антенной на большие расстояния неэффективно: для передачи нужны подходящие высокочастотные колебания. Поэтому микрофон не посылает звук в пространство сам, а создаёт электрический сигнал для передатчика.

Генератор в передатчике создаёт высокочастотные колебания, которые называют несущими: они служат основой для передачи сообщения. Модулятор изменяет один из параметров этих колебаний в соответствии с сигналом микрофона. Изменения несущей повторяют изменения сообщения, поэтому на стороне приёма их можно распознать. Такой способ позволяет передать информацию электромагнитной волной, не отправляя по воздуху сами звуковые колебания.

Переменный ток в передающей антенне создаёт электромагнитные волны, которые распространяются в пространстве. Волну можно принять вдали от передатчика: падающее на принимающую антенну электромагнитное поле вызывает в ней переменный ток. Этот ток содержит переданный сигнал, хотя сам звук до антенны не доходит. Так электрические колебания становятся связующим звеном между сообщением у передатчика и информацией у приёмника.

В эфире могут одновременно распространяться сигналы разных радиостанций, поэтому приёмнику нужно выбрать нужный. Для этого служит колебательный контур — цепь, которую настраивают на частоту выбранной станции. Контур выделяет соответствующие колебания, но не усиливает их: усиление выполняет отдельный усилитель. После настройки сигнал поступает к детектору, который отделяет сообщение от несущих колебаний, а усилитель подаёт его на громкоговоритель.

Телевизионная камера последовательно преобразует изображение в электрический сигнал: оно сканируется строка за строкой. Передатчик отправляет этот сигнал вместе со звуковым, чтобы зритель получил и картинку, и звук. Телевизор восстанавливает изображение на экране, тоже последовательно сканируя его. Развертки должны быть согласованы по времени и порядку, иначе строки окажутся смещены и изображение исказится.

Этапы передачи и приёма радиосигнала

Читайте таблицу сверху вниз: так прослеживается путь сообщения от микрофона до громкоговорителя. На каждом этапе меняется либо форма сигнала, либо устройство, которое с ним работает. Для телевидения последний этап включает восстановление изображения на экране, а передача звука происходит одновременно.

Разбор задач

Задача 1. Объясните путь голосового сообщения от говорящего до громкоговорителя радиоприёмника. Проследим, как сообщение меняет форму, но сохраняет информацию о голосе. Важно не пропустить этапы между микрофоном и антенной, а также обработку сигнала в приёмнике.

1. Голос создаёт звуковые колебания воздуха, которые микрофон превращает в электрический сигнал.
2. Генератор создаёт высокочастотную несущую, а модулятор изменяет её параметр по закону сигнала микрофона.
3. Ток в передающей антенне излучает модулированные электромагнитные волны. Они распространяются в пространстве и вызывают переменный ток в принимающей антенне.
4. Колебательный контур выбирает нужную частоту, детектор выделяет сигнал сообщения, а усилитель подаёт его на громкоговоритель.

Ответ: голос проходит путь «звук — электрический сигнал — модулированные колебания — принятый сигнал — звук». Громкоговоритель превращает усиленный электрический сигнал обратно в звук.

Задача 2. В приёмнике нужно выделить передачу одной радиостанции среди сигналов других станций. Какую роль играет настройка колебательного контура? Рассуждаем по порядку: разные станции передают сигналы на разных частотах, а контур можно настроить на нужную частоту. Само выделение частоты ещё не возвращает звук — для этого требуется следующий этап.

1. Настроить колебательный контур на частоту выбранной радиостанции.
2. Контур выделяет соответствующие колебания среди сигналов других частот.
3. Подать выбранный сигнал на детектор, чтобы он выделил сообщение из модулированных колебаний.

Ответ: колебательный контур выбирает сигнал нужной частоты, а детектор затем выделяет из него сообщение. Контур не следует путать с усилителем: его основная задача — настройка и отбор частоты.

Задача 3. Радиостанция работает на частоте 100 МГц. Найдите длину волны, если скорость электромагнитных волн равна 3·10⁸ м/с. Связь частоты и длины волны описывает формула λ = c/ν: при одной и той же скорости более высокая частота соответствует более короткой волне. Сначала переведём частоту в герцы, чтобы единицы в формуле совпадали.

1. Запишем данные: c = 3·10⁸ м/с, ν = 100 МГц.
2. Переведём мегагерцы в герцы: 100 МГц = 100·10⁶ Гц = 10⁸ Гц.
3. Подставим значения: λ = c/ν = (3·10⁸ м/с)/(10⁸ Гц) = 3 м.

Ответ: длина волны равна 3 м. При проверке единиц учтите, что 1 Гц = 1/с, поэтому результат формулы выражается в метрах.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что от передающей антенны к приёмной распространяется звук. Такое впечатление возникает потому, что в итоге мы слышим голос, но антенна излучает электромагнитную волну, несущую сигнал. Проверь себя: между антеннами распространяется волна, а звук появляется снова только в громкоговорителе.

Модуляцию иногда путают с детектированием, потому что оба процесса связаны с высокочастотными колебаниями. При модуляции передатчик подготавливает сигнал к отправке, а при детектировании приёмник выделяет из него сообщение. Проверь себя по направлению передачи: модуляция происходит до излучения волны, детектирование — после её приёма.

Неверно считать, что колебательный контур усиливает сигнал. Путаница возникает из-за того, что после настройки сигнал становится удобнее использовать, но отбор частоты и увеличение силы сигнала — разные задачи. Контур выделяет нужную частоту, а для усиления в приёмнике есть усилитель.

Телевизор не получает всё изображение сразу: оно передаётся последовательно, строка за строкой. Если забыть об этом, можно не понять, почему важна синхронизация развертки. Проверь себя: телевизор должен воспроизводить строки в согласованном с передатчиком порядке и темпе, иначе картинка исказится.

Связь с другими темами

Для понимания радиосвязи нужно знать, что переменный ток создаёт электромагнитные волны и что эти волны распространяются в пространстве. Эти знания объясняют, как сигнал может попасть от передающей антенны к принимающей без провода.

Частота и длина волны связаны формулой λ = c/ν, где c — скорость распространения волны, а ν — её частота. Эта зависимость пригодится при изучении распространения волн и радиотехники, например при расчёте длины волны радиостанции.

Преобразование сообщений в электрические сигналы показывает, как физические процессы помогают передавать информацию. Эта идея встречается при изучении связи, цифровых устройств и разных способов обмена данными.

Что запомнить

• Микрофон преобразует звук в электрический сигнал.
• Модуляция переносит сообщение на высокочастотные колебания.
• Передающая антенна излучает электромагнитные волны.
• Приёмная антенна превращает падающую волну в электрические колебания.
• Колебательный контур выделяет сигнал нужной частоты.
• Детектор выделяет сообщение, которое затем усиливают и воспроизводят.
• Телевизионное изображение передают и восстанавливают последовательно, согласуя развертки.