Принципы радиосвязи
Принципы радиосвязи
На прошлых уроках мы изучили понятия электромагнитного поля и электромагнитных волн. Изменяющееся электрическое поле всегда порождает переменное магнитное поле, а изменяющееся магнитное — переменное электрическое. Источником этих полей являются ускоренно движущиеся заряженные частицы — например, совершающие колебания. Они могут распространяться как в упругих средах, так и в вакууме в виде электромагнитных волн.
На практике получить электромагнитные колебания можно с помощью колебательного контура. В простейшем виде он представляет собой электрическую цепь, состоящую из катушки с индуктивностью $L$ и конденсатора с емкостью $C$ (рисунок 1). Если частота таких колебаний достаточна высока ($\nu > 0.1 \space МГц$), то мы можем говорить об их передаче на большие расстояния.
Впервые электромагнитные волны экспериментально были получены и зарегистрированы Генрихом Герцем в 1888 году. Практическое применение результаты его исследований получили в 1896 году, когда русский ученый Александр Попов построил первый радиоприемник. Он был способен улавливать электромагнитные волны и превращать их в электрический сигнал. Это изобретение стало отправной точкой для развития радиосвязи и, в дальнейшем, телевидения, беспроводных сетей и др.
Радиосвязь — это передача и прием информации посредством электромагнитных волн.
Радиосвязь представляет собой сложный процесс, поэтому на данном уроке мы рассмотрим общие принципы более простых ее видов — радиотелефонной связи и радиовещания. Мы узнаем, как происходит передача звуковой информации и ее прием, рассмотрим принципы, лежащие в основе этих процессов.
Виды радиосвязи
Понятие радиосвязи объединяет в себе технологии передачи информации с помощью радиоволн. Можно выделить несколько основных видов радиосвязи (рисунок 2).
Радиотелеграфная связь
Представляет собой передачу информации в виде кодированных сигналов (например, используется азбука Морзе):
- морская и авиационная связь,
- военные телеграфные системы.
Радиотелефонная связь
Передача звуковой информации (голоса) осуществляется по радиоканалу:
- рации, диспетчерская связь (такси, авиация),
- радиотелефоны (городские телефоны с радиотрубкой),
- сотовая связь (мобильные сети GSM, 3G, 4G, 5G),
- спутниковая телефонная связь.
Радиовещание
Здесь происходит передача звуковой информации на широкую аудиторию:
- AM и FM радио,
- Интернет-радио.
Телевидение
Передача звука и изображения происходит по радиоканалу:
- аналоговое и цифровое ТВ (DVB-T, спутниковое ТВ),
- потоковое телевидение через радиочастоты.
Радиолокация
Распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны частично отражаются от различных объектов, что фиксируется принимающим устройством. Это позволяет определять местоположение этих объектов. К примерам использования радиолокации относятся:
- военные и гражданские радиолокационные станции,
- авиационные системы наведения,
- автомобильные радары (например, адаптивный круиз-контроль).
Использование радиоволн разных диапазонов
Используемые радиоволны классифицируются по длине волны $\lambda$ и частоте $\nu$. Они делятся на диапазоны и используются для разных целей (таблица 1).
| Частотный диапазон радиоволн | Частота $\nu$ | Длина волны $\lambda$ | Применение |
|---|---|---|---|
| Низкочастотные (ELF, SLF, ULF) | Менее $3 \space кГц$ | Более $100 \space км$ | Связь с подводными лодками, геофизические исследования |
| Очень низкие (VLF) | От $3$ до $30 \space кГц$ | От $10$ до $100 \space км$ | Радионавигация, военная связь, системы точного времени |
| Низкие (LF) | От $30$ до $300 \space кГц$ | От $1$ до $10 \space км$ | Длинноволновое радио, авиационная и морская навигация |
| Средние (MF) | От $300 \space кГц$ до $3 \space МГц$ | От $100 \space м$ до $1 \space км$ | AM-радио, морская и авиационная связь |
| Высокие (HF) | От $3$ до $30 \space МГц$ | От $10$ до $100 \space м$ | Коротковолновое радио, радиолюбительская связь, военная связь |
| Очень высокие (VNF) | От $30$ до $300 \space МГц$ | От $1$ до $10 \space м$ | FM-радио, телевидение, авиационная и полицейская связь |
| Ультравысокие (UNF) | От $300 \space МГц$ до $3 \space ГГц$ | От $10 \space см$ до $1 \space м$ | Телевидение, мобильная связь, Wi-Fi, радары |
| Сверхвысокие (SNF) | От $3$ до $30 \space ГГц$ | От $1$ до $10\space см$ | Спутниковая связь, Wi-Fi ($5 \space ГГц$), радары, 5G |
| Экстравысокие (ENF) | От $30$ до $300 \space ГГц$ | От $1 \space мм$ до $1 \space см$ | 5G (mmWave), радиотелескопы, медицинские исследования |
| Терагерцовые (TNF) | Более $300 \space ГГц$ | Менее $1 \space мм$ | Новые технологии связи, сканеры безопасности, научные исследования |
Так, для основных видов радиосвязи чаще всего используются электромагнитные волны следующих частот:
- радиотелеграфная связь — LF, MF, HF (военные, морские системы),
- радиотелефонная связь — VNF, UNF, SNF (рации, мобильные сети),
- радиовещание — MF (AF), VNF (FM),
- телевидение — VNF, UNF (аналоговое и цифровое ТВ),
- радиолокация — SNF, ENF (авиационные и военные радары).
Принципы радиосвязи
Любой прибор, работающий на принципе радиосвязи, всегда состоит из двух основных частей: передающего и приемного устройств. Рассмотрим их простейшую модель для радиотелефонной связи и радиовещания.
Передающее устройство
На рисунке 3 показана схема передающего устройства. Его основными элементами являются:
- генератор высокочастотных колебаний;
- микрофон
- модулирующее устройство
- передающая антенна.
Изначально в микрофон поступают звуковые колебания (речь, музыка или другие звуки). Самые простые микрофоны имеют мембрану, которая начинает колебаться при воздействии звуковых волн (рисунок 4). Мембрана соединена с катушкой, которая находится в магнитном поле. При колебаниях изменяется магнитный поток, что приводит к возникновению в витках катушки переменного тока. В результате изменение напряжения этого тока точно отражает изменение плотности воздуха при распространении звуковой волны.
Переменный электрический ток, который появляется на выходе микрофона, называется аналоговым сигналом. Этот означает, что сигнал непрерывен по времени и амплитуде.
На рисунке 4 звуковая волна представляет собой идеальную синусоиду, что в повседневной жизни практически не встречается. Более вероятно, что звуковая волна будет иметь более сложную форму, как на рисунке 5. После преобразования звуковых колебаний в электрические той же формы они поступают с микрофона в модулирующее устройство.
Но звуковые колебания имеют слишком низкую частоту для передачи на большие расстояния: до $20 \space 000 \space Гц$. Соответственно, они обладают малой мощностью и быстро затухают, не достигая приемника. Поэтому для увеличения мощности колебаний, их успешной передачи и приема необходимо увеличить их частоту.
Для этого на модулятор также поступают высокочастотные колебания с генератора. Эти колебания имеют постоянную амплитуду (рисунок 6).
Таким образом в модуляторе соединяются низкочастотные электрические колебания с микрофона и высокочастотные колебания с генератора.
Модуляция колебаний
В моделирующем устройстве происходит изменение амплитуды высокочастотных колебаний. Частота таких колебаний называется несущей. Амплитуда перестает быть постоянной, какой была у высокочастотных колебаний с генератора. Она становится переменной — в точности как у электрических колебаний, поступающих с микрофона. На выходе с модулятора мы получаем высокочастотные модулированные по амплитуде колебания (рисунок 7).
Амплитудная модуляция — это процесс изменения амплитуды высокочастотных колебаний с частотой, равной частоте звукового сигнала.
Существуют и другие способы модуляции колебаний: частотная, фазовая, цифровая.
В настоящее время для радиотелефонной связи чаще всего используется частотная модуляция (рисунок 8). По сравнению с амплитудной модуляцией она позволяет улучшить качество передаваемого звука, так как сигнал становится менее чувствителен к помехам и шумам.
Частотная модуляция — это процесс изменения частоты несущих колебаний в соответствии с изменением амплитуды звукового сигнала, при котором амплитуда несущего колебания остается неизменной.
Радиостанции преимущественно используют амплитудную (AM) и частотную (FM) модуляции (рисунок 9).
Цифровая модуляция является наиболее сложной. Она используется в современных мобильных и беспроводных сетях. С помощью цифровой модуляции осуществляется передача большого количества данных с хорошей устойчивостью к помехам.
Передача колебаний
Итак, на выходе с модулятора мы имеем модулированные высокочастотные колебания, готовые к передаче. Они воздействуют на передающую антенну. В ней возникает переменный ток высокой частоты. В итоге вокруг антенны возникает электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн — модулированных радиоволн. Благодаря высокой несущей частоте они преодолевают большие расстояния и при этом несут в себе информацию о форме передаваемых звуковых сигналов.
Приемное устройство
Преодолев необходимое расстояние, модулированные радиоволны попадают на приемное устройство (рисунок 10). Его основными элементами являются:
- приемная антенна,
- приемный резонирующий колебательный контур,
- детектор,
- динамик.
Радиоволны достигают антенны. Обратите внимание, что на антенну поступает и множество других электромагнитных волн, а не только нужные нам.
Электромагнитные волны создают в приемной антенне переменный электрический ток. Он вызывает колебания в резонирующем колебательном контуре, который имеет определенную собственную частоту. Для успешной работы приемника эта частота должна быть равна несущей частоте передаваемого сигнала.
Например, настраивая радиоприемник на частоту нужной радиостанции, мы изменяем собственную частоту колебательного контура в приемнике так, чтобы она стала равна несущей частоте радиостанции. Когда эти частоты совпадут, контур будет настроен в резонанс с поступающими с радиостанции колебаниями:
- если частота входящего сигнала с радиостанции совпадает с собственной частотой контура, то происходит электромагнитный резонанс и ток в цепи приемника усиливается;
- если частота другая, то ток затухает — подавляется сигнал от других радиостанций.
Таким образом резонансный контур фильтрует сигнал и ослабляет ненужные частоты.
Детектирование колебаний
Далее полученный сигнал усиливается и попадает на детектор.
Детектор — это элемент, пропускающий переменный ток только в одном направлении.
Теперь необходимо преобразовать высокочастотные модулированные колебания в звуковые. Для этого начинается процесс детектирования (демодуляции) колебаний, происходящий в два этапа.
- Первый этап:
при прохождении через детектор высокочастотные модулированные колебания превращаются в высокочастотный пульсирующий ток (рисунок 11).
- Второй этап:
сигнал поступает на фильтрующую емкость детектора. Здесь происходит сглаживание сигнала, устраняется остаточная несущая частота — получается сигнал низкой частоты, который впоследствии выводится на преобразователь сигнала в звук (динамик).
После детектора ток поступает на динамик. Он сглаживается и преобразуется в колебания звуковых частот. Теперь мы слышим звук из динамика приемного устройства.
Роль радиосвязи в современном мире
В настоящее время радиосвязь получила очень широкое применение и не перестает развиваться. Например, современное телевидение использует цифровые технологии (в уроке мы рассматривали более простые — аналоговые) и спутниковое вещание. Благодаря этому мы можем смотреть HD-каналы с четким изображением и качественным звуком.
Радиосвязь, осуществляемая через спутники, также делает возможной работу навигационных систем. Автомобилисты и пилоты ежедневно полагаются на GPS и ГЛОНАСС, чтобы отслеживать свое местоположение и строить маршруты.
В океане радиосигналы помогают поддерживать связь между кораблями и наземными службами, обеспечивая безопасность.
Использование радиоволн также лежит в основе беспроводного интернета. Сети Wi-Fi позволяют подключать смартфоны, ноутбуки и бытовую технику, а мобильные сети 4G и 5G обеспечивают нам быстрый интернет в любом месте, где есть сотовые вышки.
Благодаря технологии Bluetooth мы можем пользоваться беспроводными наушниками, подключать умные часы к телефону или совершать бесконтактные платежи через NFC.
Нельзя не отметить, что радиосвязь играет важную роль и в научных исследованиях. Так, в астрономии радиотелескопы, такие как знаменитый FAST в Китае, принимают радиосигналы из космоса, помогая изучать далекие галактики.
Таким образом, радиосвязь является неотъемлемой частью современного мира. От мобильных телефонов до спутникового интернета, от телевидения до систем безопасности — технологии, основанные на использовании радиоволн, объединяют людей и меняют жизнь общества.
Упражнения
Упражнение № 1
Период колебаний зарядов в антенне, излучающей радиоволны, равен $10^{−7} \space с$. Определите частоту этих радиоволн.
Дано:
$T = 10^{−7} \space с$
$\nu — ?$
Посмотреть решение и ответ
Скрыть
Решение:
Период и частота связаны отношением $\nu = \frac{1}{T}$.
$\nu = \frac{1}{10^{−7} \space с} = 10^7 \frac{1}{с} = 10^7 \space Гц$.
Ответ: $\nu = 10^7 \space Гц$.
Упражнение № 2
Во сколько раз необходимо изменить емкость приемного колебательного контура радиоприемника, чтобы настроить его на длину волны, равную $31 \space м$, если изначально он был настроен на радиостанцию, которая вещает на волне в $25 \space м$?
Дано:
$\lambda_1 = 25 \space м$
$\lambda_2 = 31 \space м$
$\frac{C_2}{C_1} — ?$
Посмотреть решение и ответ
Скрыть
Решение:
Для того, чтобы изменить чувствительность приемника на другую длину волны, нужно изменить емкость приемного колебательного контура.
Длина волны по определению:
$\lambda = \upsilon T$.
Период электромагнитных колебаний:
$T = 2 \pi \sqrt{LC}$.
Подставим это выражение в формулу для длины волны:
$\lambda = 2 \pi \upsilon \sqrt{LC}$.
Тогда изначально приемник был настроен на длину волны $\lambda_1$:
$\lambda_1 = 2 \pi \upsilon \sqrt{LC_1}$.
Его нужно настроить на длину волны $\lambda_2$:
$\lambda_2 = 2 \pi \upsilon \sqrt{LC_2}$.
Посмотрим на соотношение этих длин волн:
$\frac{\lambda_1}{\lambda_2} = \frac{2 \pi \upsilon \sqrt{LC_1}}{2 \pi \upsilon \sqrt{LC_2}} = \sqrt{\frac{C_1}{C_2}}$.
Тогда $\frac{C_2}{C_1} = (\frac{\lambda_2}{\lambda_1})^2$.
Рассчитаем, во сколько раз нужно изменить емкость конденсатора:
$\frac{C_2}{C_1} = (\frac{31 \space м}{25 \space м})^2 = 1.24^2 \approx 1.5$.
Ответ: емкость колебательного контура приемника нужно увеличить в $1.5$ раза.
Часто задаваемые вопросы
Радиосвязь — это передача и прием информации посредством электромагнитных волн.
Линии радиосвязи используют для осуществления радиотелефонной связи, телевидения, радиовещания, факсов, мобильной связи, радиолокации.
Поступающие на микрофон звуковые колебания преобразуются в электрические. Они поступают на модулятор вместе с высокочастотными колебаниями постоянной амплитуды с генератора. После модуляции высокочастотные колебания, несущие в себе информацию о форме звукового сигнала, вызывают в передающей антенне переменный электрический ток. Он создает электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве в виде радиоволн, которые достигают приемника.
Поступившие на антенну приемника колебания усиливаются и происходит детектирование: высокочастотные модулированные колебания преобразуются в высокочастотный ток, который далее сглаживается и преобразуется в звуковые колебания в динамике.
Несущая частота — это частота высокочастотных колебаний, поступающих с генератора.
В ходе амплитудной модуляции происходит изменение амплитуды высокочастотных колебаний с помощью электрических колебаний. Амплитуда становится переменной: изменяется так же, как и в электрических колебаниях.
В радиосвязи не используются электромагнитные волны звуковых частот, потому что они имеют малую мощность и быстро затухают.
Процесс детектирования колебаний заключается в преобразовании высокочастотных модулированных колебаний в высокочастотный пульсирующий ток.
5
5
1
5
Хотите оставить комментарий?
Войти