§ 5.9. Принципы радиосвязи

Определения и обозначения

Радиосвязь — передача информации на расстояние с помощью радиоволн без проводного соединения. Информация может быть звуком, изображением или цифровыми данными. Это понятие нужно, чтобы отличать беспроводную передачу от связи по кабелю.

Амплитудная модуляция — изменение амплитуды высокочастотного несущего колебания по закону передаваемого сигнала. Амплитуда показывает размах колебаний, поэтому огибающая модулированной волны повторяет форму информационного сигнала. Такой способ позволяет передать звук, не излучая его непосредственно.

Радиопередатчик — устройство, которое формирует, модулирует и излучает радиосигнал через антенну. В нём электрический сигнал от источника соединяется с несущим колебанием. Передатчик нужен для превращения сообщения в волну, способную распространяться в пространстве.

Радиоприёмник — устройство, которое принимает радиосигнал, выделяет из него полезную информацию и преобразует её в звук или другой сигнал. Он включает антенну, настроенные цепи, детектор и усилитель. Благодаря приёмнику слабая волна становится слышимым сообщением.

Как это устроено

Звуковой сигнал нельзя эффективно передать непосредственно антенной, потому что звуковые частоты невелики, а соответствующие длины волн велики. Для эффективного излучения размеры антенны должны быть заметной долей длины волны, что сделало бы её непрактично большой. Поэтому звук переносят на высокочастотное колебание, которое излучается гораздо удобнее.

Генератор электрических колебаний создаёт почти гармоническое напряжение высокой частоты. Когда такое переменное напряжение подают на передающую антенну, в ней движутся ускоряющиеся заряды. Они создают переменные электрическое и магнитное поля, распространяющиеся от антенны в виде электромагнитной волны.

Сначала микрофон преобразует изменения давления воздуха в изменяющийся электрический сигнал. Модулятор использует этот сигнал для изменения амплитуды несущего колебания: при большем значении звукового сигнала амплитуда несущей увеличивается, а при меньшем уменьшается. Поэтому медленная огибающая высокочастотных колебаний несёт форму звука.

Приёмная антенна улавливает электромагнитные волны разных станций и создаёт в цепи слабые электрические колебания. Настроенный колебательный контур имеет резонанс на частоте выбранной станции, поэтому именно её сигнал проходит наиболее эффективно. Остальные частоты контур ослабляет, не позволяя им заметно смешиваться с полезным сообщением.

Детектор преобразует модулированное высокочастотное колебание в низкочастотный сигнал, соответствующий исходному звуку. Затем усилитель увеличивает напряжение и мощность этого сигнала до уровня, необходимого для работы громкоговорителя. Громкоговоритель заставляет диффузор колебаться и создаёт в воздухе звуковую волну.

Этапы передачи и приёма радиосигнала

Таблица показывает путь сообщения от источника до слушателя. Для каждого участка полезно спрашивать: как изменяется сигнал и какую задачу выполняет устройство.

Разбор задач

Длина радиоволны

Условие. Радиостанция работает на частоте 1 МГц. Скорость распространения радиоволны равна 3·10⁸ м/с. Нужно найти длину волны.

1. Запишем частоту в единицах СИ: ν = 1 МГц = 10⁶ Гц.
2. Используем связь скорости, длины волны и частоты: λ = c/ν.
3. Подставим значения: λ = 3·10⁸ м/с / 10⁶ с⁻¹ = 3·10² м.

Ответ: длина радиоволны равна 300 м. Большая длина связана с относительно невысокой частотой 1 МГц.

Коэффициент амплитудной модуляции

Условие. Максимальная и минимальная амплитуды модулированного сигнала равны 8 В и 2 В. Требуется определить коэффициент модуляции.

1. Берём формулу m = (Umax − Umin)/(Umax + Umin), где разность характеризует глубину изменения амплитуды.
2. Подставляем данные: m = (8 − 2)/(8 + 2) = 6/10.
3. Получаем m = 0,6, или 60%, если выразить коэффициент в процентах.

Ответ: коэффициент амплитудной модуляции равен 0,6. Чем он больше, тем сильнее информационный сигнал изменяет амплитуду несущей.

Боковые составляющие спектра

Условие. Несущая частота равна 800 кГц, а частота звукового сигнала — 5 кГц. Найдём частоты двух боковых составляющих.

1. При амплитудной модуляции возникают частоты νнес − νзв и νнес + νзв.
2. Нижняя составляющая: 800 кГц − 5 кГц = 795 кГц.
3. Верхняя составляющая: 800 кГц + 5 кГц = 805 кГц.

Ответ: боковые частоты равны 795 кГц и 805 кГц. Они располагаются по обе стороны от несущей и связаны со спектром передаваемого звука.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что радиоволна передаёт звук в неизменном виде. Так думают, потому что слушатель в итоге слышит исходную речь, но сначала звук превращается в электрический сигнал и модулирует несущую. Проверка: проследите цепочку от микрофона до детектора.

Ошибка: путать звуковую частоту с частотой несущей. Звуковая частота определяет свойства передаваемой информации, а несущая обеспечивает излучение и настройку станции. Проверка: в формуле для боковых частот обе величины имеют разные роли.

Ошибка: считать, что приёмник одинаково усиливает весь эфир. До усиления настроенный контур выбирает нужную частоту, иначе сигналы станций смешались бы. Проверка: сначала найдите в схеме участок настройки, а уже потом усилитель.

Ошибка: называть детектированием простое усиление сигнала. Усилитель увеличивает амплитуду, тогда как детектор извлекает низкочастотную огибающую из высокочастотного колебания. Проверка: после детектора должна появиться форма исходного информационного сигнала.

Связь с другими темами

До изучения радиосвязи нужно знать свойства электромагнитных волн, смысл частоты и длины волны. Также потребуется понимание колебательного контура, который способен избирательно реагировать на разные частоты.

Вынужденные электромагнитные колебания и резонанс объясняют, почему настроенный контур выделяет одну радиостанцию. Частота внешнего сигнала совпадает с собственной частотой контура, и амплитуда отклика становится наибольшей.

Принципы радиосвязи используются при изучении телевидения, мобильной связи и радиолокации. Современные цифровые системы меняют способ кодирования информации, но сохраняют общую идею передачи сигнала электромагнитной волной.

Что запомнить

• Радиосвязь передаёт информацию с помощью электромагнитных волн.
• Для эффективного излучения используют высокочастотную несущую волну.
• Модуляция изменяет параметр несущего колебания в соответствии с передаваемым сигналом.
• При амплитудной модуляции изменяется амплитуда несущей волны.
• Настроенный контур выделяет сигнал нужной радиостанции.
• Детектор восстанавливает низкочастотный информационный сигнал.
• Громкоговоритель преобразует восстановленный электрический сигнал в звук.