Конспект урока: Электромагнитные волны. Принципы радиосвязи и телевидения

Модуляция и детектирование

Первый прибор, осуществляющий беспроводную связь, регистрирующий электромагнитные волны от удалённого источника, был продемонстрирован Александром Степановичем Поповым (1859–1906) на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге 7 мая 1895 г. С тех пор 7 мая считают днём рождения радио.

Рис. 1. Модуляция сигнала

Эффективность излучения электромагнитных волн возрастает с увеличением частоты, поэтому для радиосвязи используют волны достаточно большой частоты (обычно более $100 кГц$). Частоту колебаний в волне, передающей информацию, называют несущей частотой.

 

Для передачи информации с помощью волны параметры этой волны изменяют с течением времени по закону, соответствующему этой информации. Такой процесс называют модуляцией волны. После приёма модулированной волны с помощью специального устройства детектора информацию, приносимую волной, выделяют и преобразуют в удобный для использования вид (звук, изображение и т. п.).

 

Простейшим видом модуляции является амплитудная модуляция, при которой по заданному закону изменяют амплитуду высокочастотных колебаний. Более совершённой, но и более сложной является частотная модуляция, при которой по заданному закону изменяют несущую частоты волны. По сравнению с амплитудной, частотная модуляция обеспечивает большую помехозащищённость передаваемой информации. Это обусловлено тем, что при распространении радиоволн окружающая среда оказывает значительно большее влияние на их амплитуды, вызывая их изменение, чем на частоты радиоволн. Отметим, что существуют и другие виды модуляции.

Пример использования амплитудной модуляции для передачи звукового сигнала

Рассмотрим пример использования амплитудной модуляции для передачи звукового сигнала, частота которого много меньше несущей частоты электромагнитных колебаний. На рис. 2 приведена схема принципов радиосвязи.

Рис. 2. Принципы радиосвязи

Микрофон преобразует звуковые колебания частотой ${\nu }_{зв}$ в электрические колебания такой же частоты. Эти колебания поступают в модулятор, куда также поступают высокочастотные электрические колебания с несущей частотой $\nu$ от генератора высокой частоты. В результате модуляции на передающую антенну приходит сигнал, представляющий собой высокочастотные электрические колебания частотой $\nu$, амплитуда которых изменяется со звуковой частотой ${\nu }_{зв}$. Эти колебания и порождают излучаемую антенной электромагнитную волну.

Передающая и приёмная антенна были впервые изобретены А. С. Поповым. В своих экспериментах по передаче информации он установил, что после подсоединения к колебательным контурам передатчика и приёмника длинных проводов эффективность передачи и приёма радиосигналов существенно увеличивается. Разработка и производство современных антенн представляют собой весьма сложные научно-технические задачи.

В приёмной антенне под действием волн от многих радиостанций возникает множество электромагнитных колебаний. Для выделения нужного сигнала из множества других подключённый к антенне приёмный колебательный контур настраивают на несущую частоту этого сигнала. Эту задачу решают, изменяя индуктивность и электроёмкость контура. В результате в приёмном контуре раскачиваются высокочастотные колебания, соответствующие нужному радиосигналу. С колебательного контура сигнал подаётся на детектор. Детектор из модулированных высокочастотных колебаний выделяет колебания амплитуды сигнала, соответствующие звуковой частоте. После усиления электрические колебания звуковой частоты в динамике преобразуются в звук.

Передача радиосигналов и изображения на большие расстояния

Передачу радиосигналов можно осуществлять на большие расстояния, значительно превышающие зону прямой видимости. Это обусловлено тем, что электромагнитные волны отражаются ионосферой — слоем атмосферы, содержащим большое количество заряжённых частиц: свободных электронов и ионов. Этот слой, расположенный на высоте $50–100 км$, особенно хорошо отражает так называемые короткие радиоволны ($10 м \le \lambda \le 100 м$). Именно в таком диапазоне длин волн работают радиостанции, вещающие на большие расстояния.

Чтобы передать изображение, его преобразуют в серию электрических сигналов. С этой целью изображение разбивают на отдельные ячейки. Амплитуда электрического сигнала, соответствующего каждой ячейке, пропорциональна её освещённости. Для передачи цветного изображения каждой ячейке обычно сопоставляют три сигнала, соответствующие трём основным цветам (красному, зелёному, синему). Этими сигналами модулируют высокочастотные электрические колебания, которые подаются на антенну, излучающую соответствующие электромагнитные волны.

В телевизионном приёмнике эти волны после преобразования в электрические колебания детектируются в соответствующие видеосигналы. Они преобразуются в видимое изображение на экране монитора или телевизора.

Для передачи изменяющихся изображений, как и в кино, используют покадровый способ, при котором каждый кадр представляет собой изображение, полученное через $1/25$ секунды после предыдущего. При такой частоте повторения кадров человек воспринимает изменение изображения как непрерывное. Это обусловлено физиологическими особенностями нашего зрения.

Заметим, что период колебаний модулирующего сигнала должен быть значительно больше периода колебаний излучаемой антенной электромагнитной волны, иначе воспроизведение модулирующего сигнала при детектировании с необходимой точностью будет невозможным. Объём информации, передаваемой за единицу времени, при телевизионной трансляции во много раз превышает объём информации при радиопередаче. Поэтому несущие частоты телевизионных сигналов лежат в диапазоне ультракоротких волн (частоты более $50 МГц$). Такие волны распространяются лишь в пределах прямой видимости передающей антенны. По этой причине для охвата телевещанием больших территорий приходится использовать большое число ретрансляционных станций или осуществлять вещание с помощью геостационарных спутников. Часто через эти же спутники осуществляют мобильную телефонную связь и передачу информации в интернете.