"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Чаругин В.М.
Радиосвязь позволяет передавать сообщения на расстояние с помощью электромагнитных волн. Звук сначала превращают в электрический сигнал, затем с его помощью изменяют параметры высокочастотной несущей волны. Антенна передатчика излучает эту волну, а приёмник выделяет из неё сигнал и превращает его обратно в звук или изображение. Главные процессы такой передачи — модуляция, приём и детектирование.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Радиосвязь — передача информации на расстояние с помощью электромагнитных волн. Она включает передачу сообщения, распространение волны и её приём. Такое определение помогает отличать радиосвязь от непосредственного распространения звука в воздухе.
Несущая электромагнитная волна — высокочастотная волна, параметры которой изменяют в соответствии с передаваемым сообщением. Она служит «носителем» информации и позволяет эффективно излучать сигнал антенной. Без неё низкочастотный звуковой сигнал было бы трудно передать на большое расстояние.
Модуляция — изменение параметра несущей волны по закону передаваемого сигнала. При амплитудной модуляции меняется амплитуда несущей: её колебания становятся сильнее или слабее вслед за звуковым сигналом. Благодаря этому сообщение оказывается закодировано в форме волны.
Детектирование — выделение исходного низкочастотного сигнала из модулированной волны в приёмнике. Детектор отделяет сообщение от высокочастотной несущей, чтобы его можно было дальше усилить и воспроизвести. Это один из этапов восстановления исходной информации.
Звуковой сигнал сам по себе плохо подходит для передачи на большие расстояния. Его частота невелика, поэтому для эффективного излучения нужна антенна неудобно больших размеров. Использование высокочастотной электромагнитной волны решает эту задачу: её можно излучать антенной практичных размеров.
В передатчике создают высокочастотные электрические колебания, из которых формируется несущая волна. Одновременно микрофон преобразует звук в электрический сигнал: например, громкий звук соответствует более сильному сигналу. Этот сигнал подают на модулятор, который изменяет параметр несущей в соответствии со звуком.
После модуляции антенна передатчика излучает электромагнитную волну в окружающее пространство. Электромагнитные волны распространяются и за пределами антенны, поэтому сообщение может достичь удалённого приёмника. Его антенна принимает волну и создаёт в цепи слабые электрические колебания, связанные с принятым сигналом.
Приёмник сначала выделяет сигнал нужной радиостанции: настройка позволяет выбрать её частоту и уменьшить влияние других передатчиков. Затем детектор отделяет от модулированной высокочастотной волны низкочастотный сигнал сообщения. После детектирования сигнал усиливают, потому что принятые колебания обычно слишком слабы для непосредственного воспроизведения.
Завершающий этап зависит от вида сообщения: громкоговоритель преобразует электрический сигнал в звук, а экран телевизора формирует изображение. Тот же общий принцип применяют в телевидении, мобильной и спутниковой связи, хотя конкретные способы кодирования и обработки могут различаться. Во всех этих случаях информацию переносит электромагнитная волна, а не исходная звуковая волна.
| Этап | Что происходит | Устройство или явление |
|---|---|---|
| Преобразование сообщения в сигнал | Звук превращается в изменяющийся электрический сигнал | Микрофон |
| Создание несущих колебаний | Возникают высокочастотные электрические колебания | Генератор колебаний |
| Модуляция и излучение волны | Параметр несущей меняется по сигналу, волна излучается | Модулятор и антенна передатчика |
| Приём и выделение нужного сигнала | Принимается волна и выбирается сигнал нужной станции | Антенна и настроенный приёмник |
| Детектирование и воспроизведение сообщения | Выделяется исходный сигнал, который превращается в звук или изображение | Детектор, усилитель, громкоговоритель или экран |
Читайте таблицу сверху вниз: так видно, как сообщение проходит путь от источника до слушателя или зрителя. У каждого этапа своя задача, поэтому антенну, модулятор и детектор нельзя считать одним и тем же устройством. Для передачи изображения вместо микрофона и громкоговорителя используются другие преобразователи.
Задача 1. В радиоприёмнике несущая волна имеет частоту 100 МГц. Найдите её длину в вакууме, приняв скорость электромагнитной волны равной 3·10⁸ м/с. Нужно связать заданную частоту с длиной волны и не забыть перевести мегагерцы в герцы.
Задача 2. Объясните, зачем перед передачей звуковой сигнал накладывают на высокочастотную несущую волну. Начнём с того, что звук имеет сравнительно низкую частоту. Для его эффективного излучения потребовалась бы антенна неудобно больших размеров.
Задача 3. Опишите путь сообщения от произнесённого слова до звука, услышанного у радиоприёмника, и укажите роль модуляции и детектирования. Важно пройти этапы последовательно, не смешивая передачу радиоволны с восстановлением звука. На каждом шаге меняется вид сигнала или его назначение.
Ошибка: считать, что передатчик излучает непосредственно звуковую волну. Такое представление возникает потому, что в конце передачи слушатель снова слышит звук. Проверь себя: на расстояние сообщение переносит электромагнитная волна, а звук возникает у источника и воспроизводится у приёмника.
Ошибка: путать несущую волну с передаваемым сообщением. Несущая — это высокочастотная волна, а сообщение изменяет её параметры, но не заменяет её. Чтобы проверить себя, назови отдельно, что переносит информацию, а что содержит сам сигнал сообщения.
Ошибка: называть усиление детектированием. Их могут смешивать, потому что оба действия выполняет электроника приёмника и оба помогают получить слышимый звук. Детектирование выделяет низкочастотный сигнал из модулированной волны, а усиление увеличивает его амплитуду.
Ошибка: считать, что приёмная антенна сама превращает радиоволну в звук. Антенна принимает электромагнитные колебания и создаёт соответствующий электрический сигнал, но не воспроизводит сообщение. Проверь себя, разделив функции: антенна принимает, детектор выделяет сигнал, а громкоговоритель превращает его в звук.
Для понимания радиосвязи нужны знания об электромагнитной волне и связи её скорости, длины волны и частоты. Например, длину волны находят по формуле λ = c/ν. Эта зависимость помогает оценивать параметры несущей и разбирать задачи о радиоволнах.
Из темы колебаний и волн пригодятся понятия частоты и амплитуды: именно параметры колебаний могут меняться при модуляции. Знание электрических цепей и переменного тока помогает понять, как возникают и преобразуются электрические сигналы. Так сведения из нескольких разделов физики складываются в описание одного процесса.
Принципы передачи и приёма информации применяются в радио и телевидении, а также в мобильной и спутниковой связи. В этих системах различаются устройства и способы обработки сигнала, но электромагнитная волна по-прежнему переносит информацию. Поэтому изученная схема помогает понять работу современных средств связи.
Почему звук нельзя просто передать на большие расстояния без радиоволны?
Звук — это механическая волна, которая распространяется в среде, например в воздухе, и постепенно ослабевает. Для его прямого эффективного излучения на большие расстояния потребовалась бы антенна неудобно больших размеров. Радиоволна переносит информацию на расстояние гораздо практичнее.
Зачем нужна несущая волна?
Несущая — высокочастотная электромагнитная волна, которую удобно излучать антенной. Изменяя её параметры по закону сообщения, передатчик переносит информацию на расстояние. Без несущей низкочастотный звуковой сигнал плохо излучался бы антенной.
Что именно меняется при амплитудной модуляции?
При амплитудной модуляции меняется амплитуда несущей волны. Она изменяется в соответствии с передаваемым сигналом, например со звуком. Частота несущей при этом остаётся практически неизменной.
Как приёмник выделяет сигнал нужной радиостанции?
Настройка приёмника позволяет выбрать частоту несущей нужной станции и ослабить сигналы других станций. В результате на последующих этапах обрабатывается выбранная модулированная волна. Затем детектор выделяет из неё исходный низкочастотный сигнал.
Чем детектирование отличается от усиления?
Детектирование выделяет из модулированной высокочастотной волны исходный низкочастотный сигнал, несущий сообщение. Усиление увеличивает амплитуду сигнала, но само по себе не восстанавливает сообщение. В приёмнике обычно сначала детектируют сигнал, а затем усиливают его.
§ 40. Использование электромагнитных волн для передачи информации
