Принцип радиотелефонной связи. Простейший радиоприемник. Радиолокация. Понятие о телевидении. Развитие средств связи
Принцип радиотелефонной связи
Первую передачу информации на расстоянии осуществил русский ученый Александр Степанович Попов (рис. 1).
Рис. 1. Александр Степанович Попов
Для этой цели А.С. Попов использовал известную всем азбуку Морзе. Именно ему удалось осуществить радиосвязь, то есть передачу информации при помощи электромагнитных волн. Она заключалась в том, что при помощи точек и тире сообщалась некая информация.
Чем же отличается телефонная радиосвязь от радиосвязи?
Радиотелефонной связью мы называем передачу информации, речи, музыки на большие расстояния при помощи электромагнитных волн. Принцип радиотелефонной связи заключается в следующем: в передающей антенне создается высокочастотный переменный электрический ток, этот ток вокруг передающей антенны создает переменное электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитных волн. Такая волна, попадая на приемную антенну, возбуждает в приемной антенне ток той же частоты, что и был произведен при излучении, и таким образом осуществляется радиосвязь, то есть при помощи электромагнитных волн. Для того чтобы обеспечить такую связь, нужны специальные устройства. Во времена А.С. Попова и Генриха Герца, который впервые осуществил излучение электромагнитной волны и ее прием, источники электромагнитных колебаний были очень слабы, и поэтому на большие расстояния электромагнитная волна распространяться не могла. Тем не менее А.С. Попову удалось осуществить связь на расстоянии более 70 километров.
В наше время радиосвязь осуществляется по всему земному шару, даже за его пределами. Вопрос с производством высокочастотных колебаний был решен в 1913 году, когда был создан генератор незатухающих электромагнитных колебаний (рис. 2).
Рис. 2. Генератор незатухающих электромагнитных колебаний
Главной частью генератора является трехэлектродная лампа – триод, которая состоит из трех частей: анод, сетка и катод. Вот такая лампа является основной частью любого генератора незатухающих колебаний.
Рассмотрим схему устройства передатчика электромагнитных волн или передающего устройства (рис. 3):
Рис. 3. Передатчик электромагнитных волн
В первую очередь это генератор высокой частоты (ГВЧ), соединенный с модулятором (М), на который поступает звук от микрофона. В микрофоне механические колебания, звуковые колебания преобразуются в электрические колебания низкой частоты, и эти колебания от генератора высокой частоты и микрофона соединяются в модуляторе.
После усилителя (У) промодулированный сигнал поступает на передающую антенну, и уже этот сигнал выходит в эфир.
Слово «модуляция» означает «размеренность». Рассмотрим, как осуществляется модуляция в передающей части и из чего она состоит (рис. 4).
Рис. 4. Модуляция в передающей части
На первой части рисунка изображены высокочастотные колебания, по вертикали расположено напряжение (U1), которое изменяется синусоидально и за очень маленький промежуток времени проходит очень много колебаний.
Вторая часть рисунка соответствует электрическим сигналам, которые поступают на модулятор от микрофона, это низкочастотные сигналы.
Когда в модуляции происходит объединение этих сигналов, мы наблюдаем высокочастотную составляющую, которая меняется по амплитуде в соответствии сигналам низких частот.
Этот процесс называется амплитудная модуляция.
Сегодня амплитудная модуляция – хорошо изученный и отработанный элемент, поэтому очень часто используется в радиосвязи, то есть когда мы слушаем радио, мы используем амплитудно-модулированный сигнал.
Существуют и другие способы модуляции: частотная модуляция или фазовая модуляция, они тоже нашли свое применение.
Простейший радиоприемник
Сигнал, который мы создали, промодулировали, отправили в эфир, должен прийти к приемнику этого сигнала и, соответственно, получить звуковую частоту, которую можно было бы превратить в звук и послушать. Посмотрим, из каких же составляющих состоит приемная часть и какие преобразования происходят в этой части (рис. 5).
Рис. 5. Приемная часть
Приемная часть в первую очередь состоит из приемной антенны, далее детекторный приемник или детектор (Д). Сигнал, полученный антенной, поступает на детектор, где происходит процесс отделения высокочастотной составляющей от низкочастотной, в дальнейшем сигнал, соответствующий низкой частоте, усиливается в усилителе низкой частоты (УНЧ) и далее поступает на динамик, который воспроизводит звук.
Именно в детекторном радиоприемнике производятся отделения высокочастотной составляющей от низкочастотной, та самая высокая частота, которую мы получаем в генераторе, является несущей частотой. Именно на эту частоту должен быть настроен колебательный контур приемника.
Рассмотрим устройство детекторного радиоприемника (рис. 6):
Рис. 6. Детекторный радиоприемник
Основной частью любого радиоприемника является настроечный закрытый колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора с переменной емкостью, изменяя емкость конденсатора, мы настраиваемся на нужную нам волну. Непосредственно к самому контуру присоединяется приемная антенна. Роль детектора выполняет полупроводниковый диод, сигнал поступает с большими помехами, и поэтому необходим фильтр (в данном случае это конденсатор) который не только убирает помехи, но и производит сглаживание пульсирующего тока. Далее сигнал поступает через сопротивление на динамик. Схема детекторного радиоприемника очень часто связана с вопросом: а где же берется энергия для работы приемника? Детекторный радиоприемник работает от энергии принятых электромагнитных волн, для него не нужно никакого дополнительного источника. Если антенна будет слишком короткой, то никакого сигнала мы не услышим, потому как энергия, полученная приемной антенной, будет невелика. Поэтому для устойчивой работы приемника антенна должна быть достаточно длинной. Сегодня разработаны различные системы антенн внутри самого приемника.
Обратимся к процессам, происходящим внутри приемника (рис. 7).
Рис. 7. Процессы, происходящие внутри приемника
На приемную антенну поступает промодулированный сигнал, который, пройдя настроечный контур, попадает на детектор, образуется пульсирующий ток, диод пропускает ток только в одном направлении, поэтому образуется лишь верхняя часть от сигнала, который приходит. Фильтр (конденсатор), каждые полпериода заряжаясь и разряжаясь, приводит к тому, что образуется сглаживание и появляется линия, которая соответствует низкочастотной составляющей. После электрического сопротивления в схеме детекторного радиоприемника мы получаем электрический сигнал, соответствующий низкочастотной составляющей. Именно этот сигнал поступает в динамик, и уже непосредственно динамик преобразует сигнал в механическую волну, которую мы называем звуком.
Понятие о телевидении
В вопросах телевидения ситуация похожая, только возникают дополнительные трудности – на модулятор необходим еще один сигнал, который несет информацию об изображении. Если это все соединить и послать в эфир, то телеприемник, принимая такой сигнал, должен разделить его на три части: звук, изображение и управляющий сигнал, ведь должна происходить синхронизация звука, изображения и само изображение должно быть совершенно четким.
Радиолокация
Кроме телевидения и радиовещания, очень важное значение в нашей жизни имеет радиолокация. Радиолокация – это определение и обнаружение местоположения различных объектов при помощи радиоволн.
Радиолокация широко распространена в радиосвязи. Радиолокация осуществляется при помощи прибора – радиолокатора (радара) (рис. 8).
Рис. 8. Радар
В радарах антенны передающая и приемная соединены вместе, радиолокатор – это комбинация приемника и передающего устройства. Работает радиолокатор в импульсном режиме (рис. 9).
Рис. 9. Принцип работы радиолокатора
Импульсный режим составляет одну миллионную секунды. Посылается сигнал – и радар автоматически переключается на прием этого сигнала, свойства работы радара основаны на том, что электромагнитная волна способна отражаться от поверхности. Вот этот отраженный сигнал радар и принимает в тот момент времени, когда он работает на прием. Расстояние до цели при помощи радара определяются по формуле, которую используют
при расчетах:
S = с · Δt / 2
В этой формуле представлено расстояние до цели (S), скорость электромагнитной волны (с) – величина постоянная и соответствует скорости в 300 000 км/с, время от момента подачи сигнала до момента приема сигнала, деленное пополам, так как сигнал идет до цели и обратно. Радиолокация используется не только на земле, но и в астрономии для обеспечения взаимосвязи между различными космическими телами и Землей. Определение расстояния до Луны было осуществлено с помощью радиолокатора. Был послан сигнал, получен отраженный сигнал, в результате чего уточнили расстояние от Земли до Луны.
Сегодня в астрономии радиолокация занимает свое особое место, радиоастрономия – это один из видов очень серьезных, быстроразвивающихся частей науки.