2. Принципы радиосвязи

Определения и обозначения

Радиосвязь — передача информации на расстояние с помощью электромагнитных радиоволн. Информацией может быть речь, музыка, изображение или цифровые данные. Это понятие нужно, чтобы описывать общий способ обмена сообщениями без соединительного провода.

Модуляция — изменение параметров высокочастотной несущей волны по закону передаваемого сигнала. Меняться может амплитуда или частота волны. Благодаря модуляции электрический сигнал со звуковой информацией становится частью радиосигнала.

Радиопередатчик — устройство, которое формирует, модулирует и излучает радиосигнал. В его состав входят источник высокочастотных колебаний, модулятор, усилитель и передающая антенна. Передатчик нужен для подготовки сообщения к отправке в пространство.

Радиоприёмник — устройство, которое принимает радиосигнал, выделяет из него информацию и преобразует её в звук или другой сигнал. Он использует антенну, настроенный контур, детектор, усилитель и громкоговоритель. Так радиоволна превращается в понятное человеку сообщение.

Как это устроено

Звуковые колебания сами по себе не подходят для дальней радиопередачи: они имеют сравнительно низкую частоту и плохо излучаются антенной. Если пытаться передавать их непосредственно, сигналы разных источников было бы трудно разделить. Высокочастотная несущая лучше излучается и позволяет каждой радиостанции работать на своей частоте.

Микрофон преобразует колебания воздуха в изменяющийся электрический сигнал. Чем сильнее звук в данный момент, тем соответственно изменяется напряжение или сила тока этого сигнала. Затем модулятор переносит информацию на несущую: при амплитудной модуляции меняется её амплитуда, а при частотной — частота.

После модуляции сигнал может быть ещё слишком слабым для эффективного излучения. Усилитель увеличивает его мощность, сохраняя изменения, содержащие информацию. Передающая антенна создаёт переменное электромагнитное поле, и радиоволна распространяется от неё в пространстве.

Антенна радиоприёмника улавливает колебания электрического поля и создаёт в цепи слабый электрический сигнал. В одном месте могут одновременно присутствовать волны множества радиостанций. Настроенный колебательный контур выбирает нужную частоту, потому что сильнее всего реагирует на колебания, близкие к его собственной частоте.

После настройки сигнал остаётся модулированной несущей, поэтому его нельзя сразу подать на громкоговоритель. Детектор отделяет изменения, связанные с информацией, и восстанавливает исходный электрический сигнал звука. Усилитель увеличивает его мощность, а громкоговоритель заставляет диффузор колебаться и создаёт слышимые звуковые волны.

Этапы передачи и приёма радиосигнала

Таблицу удобно читать слева направо, прослеживая превращение сигнала. Первые три этапа относятся к передатчику, а последние три — к приёмнику; антенны связывают эти части радиосвязи.

Разбор задач

Задача 1

Условие: расположите этапы в правильной последовательности: детектирование, излучение антенной, преобразование звука в электрический сигнал, модуляция, усиление и воспроизведение звука.

1. Сначала источник сообщения, например голос, должен попасть на микрофон и превратиться в электрический сигнал.
2. Затем информационный сигнал изменяет параметр несущей, то есть происходит модуляция.
3. Модулированный сигнал усиливается и излучается передающей антенной.
4. В приёмнике из сигнала выполняется детектирование, после чего усилитель и громкоговоритель воспроизводят звук.

Ответ: преобразование звука в электрический сигнал → модуляция → излучение антенной → детектирование → усиление и воспроизведение звука.

Задача 2

Условие: несущая волна имеет частоту 1 МГц. Определите её длину в вакууме, если скорость электромагнитных волн равна 3 · 10⁸ м/с.

1. Используем связь длины волны, скорости и частоты: λ = c/ν.
2. Переведём частоту: 1 МГц = 1 · 10⁶ Гц.
3. Подставим значения: λ = (3 · 10⁸)/(1 · 10⁶) м.
4. Сократим степени десяти и получим λ = 3 · 10² м = 300 м.

Ответ: длина несущей волны равна 300 м.

Задача 3

Условие: объясните, почему при неисправном детекторе радиоприёмник может принимать радиоволну, но не воспроизводить передаваемый звук.

1. Антенна и настроенный контур могут принять и выделить модулированную волну нужной радиостанции.
2. Однако в этой волне звук скрыт в изменениях параметра несущей, а не существует как готовый звуковой сигнал.
3. Детектор должен выделить эти изменения и восстановить электрический сигнал звука.
4. Если детектор неисправен, на громкоговоритель не поступает правильный информационный сигнал.

Ответ: приём радиоволны возможен, но без детектирования звук из модулированной несущей не выделяется.

Типичные ошибки

Радиоволна — это звук. Так считают, потому что радиоприёмник в итоге воспроизводит речь или музыку. На самом деле радиоволна переносит электромагнитный сигнал, а звук создаёт только громкоговоритель; проверка проста: вспомните, что радиоволны могут распространяться в вакууме, где звуку нужна была бы среда.

Несущая и информация — одно и то же. Ошибка возникает из-за того, что обе части присутствуют в одном радиосигнале. Несущая имеет высокую частоту, а информация задаёт изменения её параметров; спросите себя, что именно выделяет детектор.

Антенна сразу создаёт слышимый звук. Антенна лишь принимает электромагнитные колебания и превращает их в слабый электрический сигнал. Между ней и громкоговорителем работают настроенный контур, детектор и усилитель, поэтому отсутствие этих этапов нельзя заменить одной антенной.

Модуляция и детектирование перепутаны. Модуляция выполняется перед передачей и «записывает» информацию на несущей, а детектирование выполняется после приёма и извлекает её. Проверить себя можно по направлению сигнала: модулятор находится в передатчике, детектор — в приёмнике.

Связь с другими темами

Для понимания радиосвязи нужны знания о колебаниях, электромагнитных волнах, частоте и длине волны. Используется формула λ = v/ν, связывающая длину волны, скорость распространения и частоту.

Тема связана с электрическим током и переменным током. Работа генератора, усилителя, антенны и настроенного контура объясняет, как электрическая цепь формирует и обрабатывает радиосигнал.

Эти принципы применяются в телевидении, мобильной и спутниковой связи, радиолокации. В цифровой связи похожая цепочка передаёт не непрерывный звук, а последовательность кодов.

Что запомнить

• Радиосвязь передаёт информацию электромагнитными волнами.
• Для дальней передачи используют высокочастотную несущую волну.
• Модуляция изменяет параметр несущей волны в соответствии с информационным сигналом.
• Радиопередатчик формирует, усиливает, модулирует и излучает сигнал.
• Радиоприёмник выбирает нужный сигнал и принимает его антенной.
• Детектирование выделяет информационный сигнал из модулированной несущей.
• Громкоговоритель преобразует восстановленный электрический сигнал в звук.