§ 27. Принцип радиотелефонной связи

Определения и обозначения

Радиотелефонная связь — передача речи на расстояние с помощью модулированных электромагнитных волн. Слово «модулированных» означает, что параметры волны изменены в соответствии с передаваемой речью. Благодаря этому информация может распространяться от передающей антенны к приёмной, даже если между ними нет проводов.

Несущая частота — высокая частота электромагнитного колебания, используемого для переноса сообщения. Само колебание не содержит речь в привычном виде, но его можно изменить так, чтобы оно передавало сведения о звуке. Высокую частоту выбирают, в частности, потому, что соответствующую волну можно эффективно излучить антенной.

Амплитудная модуляция — изменение амплитуды несущего колебания по закону передаваемого звукового сигнала. Амплитуда — наибольшее отклонение колебания от его среднего значения. При такой модуляции изменяется именно высота колебаний несущей, а их частота остаётся высокой.

Детектирование — выделение звукового сигнала из модулированного высокочастотного колебания в приёмнике. Детектор позволяет получить медленно меняющийся сигнал, соответствующий исходному звуку. Затем этот сигнал можно усилить и подать на громкоговоритель для воспроизведения речи.

Как это устроено

Сначала человек произносит речь, и звуковые волны заставляют колебаться мембрану микрофона. Микрофон преобразует её движение в электрическое колебание, которое меняется с той же частотой и по сходному закону, что и звук. Такой сигнал сравнительно медленный, поэтому сам по себе он не подходит для эффективной радиопередачи.

Высокочастотное несущее колебание создаёт генератор. Его выбирают не потому, что оно само по себе несёт речь, а потому, что высокая частота позволяет получить электромагнитную волну, пригодную для излучения антенной. Несущая служит своеобразной основой, на которой можно разместить информацию о звуковом сигнале.

При амплитудной модуляции электрический сигнал от микрофона управляет амплитудой несущего колебания. Когда звуковой сигнал усиливается или ослабевает, амплитуда несущей соответственно возрастает или уменьшается. Поэтому внешняя граница быстрых колебаний, называемая огибающей, повторяет форму звукового сигнала.

Полученное модулированное колебание передатчик усиливает и подаёт на антенну. В антенне возникают переменные электрические токи, которые создают электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве в виде радиоволны. Усиление нужно, чтобы передаваемая волна могла достичь приёмника на расстоянии.

Антенна приёмника преобразует энергию пришедшей волны в электрические колебания. Настройка помогает выделить нужную несущую частоту, после чего сигнал усиливают и направляют на детектор. Детектор восстанавливает медленно меняющееся звуковое колебание, а громкоговоритель преобразует его в слышимый звук.

Этапы радиотелефонной связи

Таблица показывает путь сообщения от речи до звука в приёмнике и связывает каждый этап с выполняющим его элементом. Читая строки по порядку, можно проследить, как меняется форма сигнала. Разделение на этапы помогает понять, где именно возникают модуляция, излучение и восстановление звука.

Разбор задач

Длина волны радиопередатчика

Передатчик работает на частоте 75 МГц. Требуется определить длину электромагнитной волны. Для этого используем связь длины волны и частоты: λ = c/ν, где скорость электромагнитной волны в воздухе приблизительно равна скорости света.

1. Переведём частоту в герцы: 75 МГц = 75 · 10⁶ Гц.
2. Подставим скорость света c ≈ 3 · 10⁸ м/с: λ = (3 · 10⁸)/(75 · 10⁶) м.
3. Вычислим отношение: λ = 4 м. При увеличении частоты длина волны уменьшается, что согласуется с формулой.

Ответ: длина электромагнитной волны равна 4 м.

Параметры амплитудно-модулированного колебания

Дано колебание u = 4(1 + 0,3 cos(2π·1000t)) cos(2π·10⁶t). Нужно найти амплитуду несущего колебания, частоту звукового сигнала и глубину модуляции. Сопоставим выражение с общей формой u = A(1 + m cos(2πfзвt)) cos(2πfнесt).

1. Число перед скобками задаёт амплитуду несущей, поэтому A = 4 в единицах напряжения, если u измеряется в вольтах.
2. В первом косинусе стоит множитель 2π·1000t, значит частота звукового сигнала fзв = 1000 Гц.
3. Коэффициент при косинусе внутри скобок равен глубине модуляции: m = 0,3, или 30%. Частота несущей при этом равна 10⁶ Гц, то есть 1 МГц.

Ответ: амплитуда несущей — 4, частота звукового сигнала — 1000 Гц, глубина модуляции — 0,3 (30%).

Запись сигнала и назначение детектора

Приёмник настроен на несущую частоту 1,2 МГц, а звуковая частота изменяется от 300 до 3000 Гц. Требуется записать модулированный сигнал в общем виде и объяснить работу детектора. Для амплитудной модуляции используем формулу, в которой медленная составляющая изменяет амплитуду быстрой несущей.

1. Общая запись имеет вид u(t) = A[1 + m cos(2πfзвt)]cos(2πfнесt), где A — амплитуда несущей, m — глубина модуляции.
2. Подставим несущую частоту: fнес = 1,2 МГц = 1,2 · 10⁶ Гц. Звуковую частоту fзв выбирают в диапазоне от 300 до 3000 Гц, поэтому запись можно представить как u(t) = A[1 + m cos(2πfзвt)]cos(2π·1,2·10⁶t).
3. Детектор выделяет медленно меняющуюся огибающую этого сигнала. После детектирования получают электрический сигнал, соответствующий звуку, а не просто увеличенное высокочастотное колебание.

Ответ: выражение записано в общем виде; детектор выделяет звуковую составляющую для последующего воспроизведения.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать, что по радиоволне передаётся сама звуковая частота. Так думают, потому что именно звук является исходным сообщением, но радиоволна несёт информацию в изменениях высокочастотного колебания. Проверьте себя: найдите в описании отдельно звуковую частоту и несущую — они относятся к разным составляющим.

• Ошибка — путать частоту несущего колебания с частотой звукового сигнала. Их обозначения и значения различаются: несущая намного выше звуковой частоты, хотя обе участвуют в передаче. Проверьте, какой именно множитель стоит при t в каждом косинусе формулы.

• Ошибка — считать детектирование усилением сигнала. Такое представление возникает из-за того, что приёмник часто усиливает колебания, но задача детектора другая: выделить огибающую, повторяющую звуковой сигнал. Для проверки спросите себя, восстановился ли низкочастотный сигнал, а не только выросла ли амплитуда.

• Ошибка — считать, что антенны передатчика и приёмника выполняют одну и ту же операцию. Передающая антенна излучает электромагнитную волну, а приёмная преобразует её энергию в электрические колебания. Проверьте направление передачи энергии: от передатчика в пространство и от волны к приёмнику.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в радиотелефонной связи, нужно знать характеристики гармонических колебаний и связь частоты с периодом: T = 1/ν. Также необходима формула λ = c/ν и понимание того, как возникают и распространяются электромагнитные волны. Работа антенн связывает колебания в цепи с излучением и приёмом волн. Эти знания становятся основой для изучения радиосвязи, телевидения, радиолокации и современных беспроводных систем.

Что запомнить

• Речь сначала преобразуется в электрический сигнал.
• Для передачи используют высокочастотное несущее колебание.
• При амплитудной модуляции изменяется амплитуда несущего колебания.
• Передатчик усиливает модулированный сигнал и излучает его антенной.
• Приёмник настраивается на нужную несущую частоту.
• Детектор выделяет звуковой сигнал из модулированного колебания.
• Громкоговоритель преобразует восстановленный электрический сигнал в звук.