§ 46 Принципы радиосвязи и телевидения

Определения и обозначения

Радиосвязь — передача информации на расстояние с помощью электромагнитных волн. Звуковой сигнал имеет низкую частоту и сам по себе плохо излучается антенной, поэтому его связывают с высокочастотными колебаниями. Такая несущая позволяет эффективно передавать информацию на большие расстояния.

Модуляция — изменение одного из параметров высокочастотных колебаний по закону передаваемого сигнала. Например, при изменении амплитуды колебаний её значения следуют за изменениями звукового сигнала. Так информация о звуке оказывается «вложена» в волну, которую может излучить антенна.

Детектирование — выделение низкочастотного сигнала из модулированных высокочастотных колебаний в приёмнике. Детектор нужен потому, что принятая волна ещё содержит высокочастотную несущую. После её обработки можно получить сигнал, соответствующий исходному звуку.

Телевидение — передача и воспроизведение движущегося изображения и звука. Изображение камера превращает в последовательность электрических сигналов, передаваемых строка за строкой при построчной развёртке. Последовательная передача позволяет передать детали изображения, а приёмнику — восстановить их на экране в правильном порядке.

Как это устроено

Сначала говорящий произносит звук, а микрофон преобразует колебания воздуха в электрические колебания низкой частоты. Их форма меняется вслед за звуком, поэтому такой сигнал несёт нужную информацию. Однако напрямую излучить его на большое расстояние трудно: низкочастотные колебания не обеспечивают эффективную работу передающей антенны. Поэтому в передатчике используют высокочастотный генератор.

Генератор создаёт высокочастотные колебания, а модулятор изменяет их амплитуду в соответствии со звуковым сигналом. Когда звук меняется, меняется и амплитуда несущих колебаний. Получается модулированная волна: её высокая частота подходит для передачи антенной, а изменения амплитуды сохраняют сведения о звуке. Без модуляции приёмник получил бы несущие колебания, но не получил бы в них нужную звуковую информацию.

Модулированные колебания поступают на передающую антенну, которая создаёт электромагнитную волну. Эта волна распространяется в пространстве и достигает приёмной антенны. В ней возникают электрические колебания, связанные с принятой волной, но антенна принимает одновременно сигналы многих передатчиков. Поэтому одного факта приёма недостаточно, чтобы услышать конкретную передачу.

Колебательный контур радиоприёмника настраивают на частоту нужной станции: он выделяет её сигнал среди других. Затем детектор отделяет низкочастотную составляющую, соответствующую звуку. Поскольку после детектирования сигнал может быть слабым, его усиливает усилитель. Громкоговоритель преобразует усиленные электрические колебания обратно в звук, который слышит слушатель.

При передаче телевизионного изображения камера преобразует его детали в изменяющийся электрический сигнал. Чтобы передать всё изображение, его последовательно считывают строка за строкой; вместе с видеосигналом передают и звуковую информацию. Телевизор принимает сигналы и преобразует их в изображение на экране и звук в громкоговорителе. Согласованная последовательность передачи и восстановления нужна, чтобы строки изображения отображались в верном порядке и движение выглядело непрерывным.

Этапы передачи и приёма радиосигнала и телевизионного сигнала

Таблица помогает проследить путь информации от источника до слушателя или зрителя. Сравните этапы: в обоих случаях информацию сначала преобразуют в электрический сигнал и передают волной, а затем восстанавливают. Конкретные устройства отличаются, потому что телевидению нужно передать ещё и изображение.

Разбор задач

Назовите последовательность устройств, через которые проходит голос от говорящего до слушателя при радиопередаче. Чтобы ответить, проследим не только за электромагнитной волной, но и за преобразованиями звукового сигнала на каждом конце пути.

1. Микрофон преобразует голос в электрические колебания низкой частоты.
2. Модулятор изменяет амплитуду высокочастотных колебаний по закону этого сигнала.
3. Передающая антенна излучает модулированную электромагнитную волну, а приёмная антенна принимает её.
4. Колебательный контур выделяет сигнал нужной станции, детектор отделяет звуковой сигнал.
5. Усилитель увеличивает сигнал, а громкоговоритель превращает его в звук.

Ответ: говорящий → микрофон → модулятор и высокочастотный генератор → передающая антенна → приёмная антенна → колебательный контур → детектор → усилитель → громкоговоритель → слушатель. Генератор указан вместе с модулятором, поскольку для модуляции нужны высокочастотные колебания.

Почему в радиоприёмнике недостаточно одной антенны, чтобы услышать передачу? Антенна принимает электромагнитные волны и создаёт соответствующие электрические колебания, но не воспроизводит звук. В этих колебаниях сигнал станции ещё модулирован высокочастотной несущей, поэтому его нужно обработать.

1. Колебательный контур настраивают на частоту нужной станции.
2. Детектор выделяет низкочастотный сигнал, несущий информацию о звуке.
3. Усилитель делает его достаточно сильным для громкоговорителя.
4. Громкоговоритель преобразует электрические колебания в слышимый звук.

Ответ: одной антенны недостаточно; нужны контур, детектор, усилитель и громкоговоритель. Антенна принимает сигнал, а остальные части приёмника выделяют и воспроизводят информацию.

Радиостанция передаёт сигнал несущей частоты 100 МГц. Найдите длину волны, считая скорость распространения равной 3 · 10⁸ м/с. Используем связь скорости, длины волны и частоты: λ = c/ν. Перед подстановкой переведём мегагерцы в герцы, чтобы единицы в формуле совпадали.

1. Переводим частоту: 100 МГц = 100 · 10⁶ Гц = 1 · 10⁸ Гц.
2. Подставляем значения: λ = (3 · 10⁸ м/с)/(1 · 10⁸ Гц).
3. Сокращаем степени десяти и делим числа: λ = 3 м.

Ответ: длина волны равна 3 м. Проверка единиц даёт тот же вывод: (м/с)/Гц = (м/с) · с = м, значит, получена именно длина.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что от радиостанции к приёмнику непосредственно распространяется звуковая волна. Так можно подумать, потому что передают именно голос, но микрофон сначала превращает его в электрический сигнал, а антенна излучает электромагнитную волну. Проверьте себя вопросом: какая волна способна прийти к приёмной антенне? Это электромагнитная волна, несущая информацию о звуке.

Модуляцию иногда путают с детектированием, поскольку обе операции связаны с изменением сигнала. При модуляции информацию накладывают на высокочастотные колебания перед передачей, а при детектировании полезный сигнал выделяют уже в приёмнике. Проверка простая: если сигнал готовят к излучению — это модуляция, если извлекают звук из принятой волны — детектирование.

Неверно считать, что антенна сама воспроизводит звук. Она принимает электромагнитную волну, но не превращает её в слышимые колебания воздуха; для этого необходимы дальнейшая обработка и громкоговоритель. Спросите себя, какое устройство физически колеблет воздух: это громкоговоритель, которому нужен усиленный звуковой сигнал.

Изображение ошибочно представляют как один сигнал, который передаётся целиком. Такое представление упускает, что детали считывают и передают последовательно, строка за строкой. Проверить себя можно так: если описание не учитывает порядок строк и их восстановление на экране, в нём пропущен принцип построчной развёртки.

Связь с другими темами

Для понимания радиосвязи нужно знать, что электромагнитные волны распространяются в пространстве и связаны частотой и длиной волны. Также пригодятся представления о превращении звуковых колебаний в электрический сигнал и о работе колебательного контура: он помогает выбрать нужную частоту. Эти знания соединяются в работе передатчика и приёмника. Тема служит основой для дальнейшего изучения электромагнитных волн, радиотехники и современных способов передачи информации.

Что запомнить

• Радиосвязь передаёт информацию с помощью электромагнитных волн.
• Низкочастотный информационный сигнал накладывают на высокочастотные колебания посредством модуляции.
• Передающая антенна излучает волну, а приёмная антенна принимает её.
• Колебательный контур приёмника выделяет сигнал нужной станции.
• Детектор выделяет из модулированных колебаний сигнал звуковой частоты.
• Телевизионное изображение передают как последовательность сигналов при построчной развёртке.