Модуляция и детектирование сигнала, принцип радиосвязи, диапазоны электромагнитного спектра и их применение
Принцип радиосвязи
Радиосвязью называют передачу информации на расстояние с помощью электромагнитных волн. Основная сложность прямой передачи звукового (низкочастотного) сигнала электромагнитной волной заключается в том, что антенна эффективно излучает волны лишь при достаточно высокой частоте колебаний тока (сравнимой с размерами антенны, соотнесёнными с длиной волны) — а частоты звуковых колебаний (десятки-тысячи герц) слишком малы для эффективного излучения. Поэтому передача информации по радио всегда осуществляется на высокой несущей частоте, а полезный (звуковой) сигнал определённым образом «встраивается» в эту высокочастотную волну — этот процесс называют модуляцией.
Амплитудная модуляция
При амплитудной модуляции (АМ) амплитуда высокочастотного несущего колебания изменяется в соответствии с формой передаваемого низкочастотного сигнала (например, звукового), при этом частота несущей волны остаётся неизменной. Полученный модулированный сигнал излучается передающей антенной, распространяется в виде электромагнитной волны и принимается приёмной антенной.
Частотная модуляция
При частотной модуляции (ЧМ), напротив, амплитуда несущего колебания остаётся постоянной, а изменяется его частота — в соответствии с формой передаваемого сигнала. Частотная модуляция обеспечивает более высокое качество звука и большую помехоустойчивость по сравнению с амплитудной (поскольку случайные помехи чаще изменяют именно амплитуду сигнала, а не его частоту), поэтому именно ЧМ используется в современном FM-радиовещании (от английского frequency modulation).
Детектирование (демодуляция)
На приёмной стороне необходимо выделить из принятого высокочастотного модулированного сигнала исходный низкочастотный полезный сигнал — этот процесс, обратный модуляции, называют детектированием (или демодуляцией). Простейший амплитудный детектор состоит из полупроводникового диода (пропускающего ток только в одном направлении) и сглаживающего конденсатора, «вырезающих» огибающую высокочастотного сигнала, которая и представляет собой восстановленный низкочастотный полезный сигнал.
Общая схема радиосвязи
Полная схема радиосвязи включает: 1) источник информации (микрофон, преобразующий звук в электрический сигнал низкой частоты); 2) генератор высокочастотных колебаний (несущей частоты), обычно на основе колебательного контура; 3) модулятор, «накладывающий» низкочастотный сигнал на высокочастотную несущую; 4) передающую антенну, излучающую модулированную электромагнитную волну; 5) приёмную антенну, улавливающую волну; 6) колебательный контур приёмника, настроенный (резонансом) на нужную несущую частоту среди множества других частот; 7) детектор, выделяющий низкочастотный сигнал; 8) устройство воспроизведения (громкоговоритель, преобразующий электрический сигнал обратно в звук).
Роль резонанса в настройке приёмника
Настройка радиоприёмника на нужную станцию осуществляется изменением ёмкости конденсатора во входном колебательном контуре приёмника, что изменяет его собственную частоту по формуле Томсона ω₀=1/√(LC), рассмотренной в одной из предыдущих статей. Когда собственная частота контура приёмника совпадает с несущей частотой нужной радиостанции, наступает резонанс — амплитуда колебаний, вызванных именно этой станцией, резко возрастает по сравнению с сигналами других станций, что и позволяет выделить нужный сигнал среди множества одновременно принимаемых антенной волн различных частот.
Шкала электромагнитных волн
Все известные электромагнитные волны — от самых длинных радиоволн до самого коротковолнового гамма-излучения — имеют единую физическую природу (согласно теории Максвелла) и отличаются друг от друга только частотой (или, что то же самое, длиной волны). Условно шкалу электромагнитных волн разделяют на несколько диапазонов, границы между которыми довольно условны и частично перекрываются.
Радиоволны
Радиоволны (от долей миллиметра до нескольких километров) получают с помощью колебательных контуров и излучающих антенн; применяются для радио- и телевещания, мобильной связи, радиолокации и навигации (GPS/ГЛОНАСС). Диапазон радиоволн сам делится на поддиапазоны (длинные, средние, короткие, ультракороткие волны), каждый из которых обладает своими особенностями распространения (например, короткие волны способны многократно отражаться от ионосферы Земли, что обеспечивает связь на очень большие расстояния).
Инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучение
Инфракрасное излучение испускается любым нагретым телом и широко используется в тепловидении, пультах дистанционного управления, оптоволоконной связи. Видимый свет — узкий диапазон длин волн (примерно от 380 до 760 нм), непосредственно воспринимаемый человеческим глазом, — будет подробно изучаться в разделах геометрической и волновой оптики. Ультрафиолетовое излучение испускается достаточно горячими телами (в частности, Солнцем) и обладает выраженным биологическим и химическим действием (вызывает загар, но в больших дозах опасно для здоровья).
Рентгеновское и гамма-излучение
Рентгеновское излучение, обладающее высокой проникающей способностью, возникает при резком торможении быстрых электронов (в рентгеновских трубках) и широко применяется в медицинской диагностике и дефектоскопии материалов. Гамма-излучение — самое коротковолновое и наиболее энергичное электромагнитное излучение, возникающее при ядерных процессах (радиоактивном распаде, ядерных реакциях), рассматриваемых подробно в разделе ядерной физики этого цикла.
Пример 1: определение диапазона по длине волны
Условие. Определите, к какому диапазону электромагнитных волн относится излучение с длиной волны 500 нм.
Решение. Длина волны 500 нм = 5·10⁻⁷ м попадает в диапазон примерно от 380 до 760 нм, то есть это излучение относится к видимому свету (соответствует зелёной части спектра).
Пример 2: частота рентгеновского излучения
Условие. Длина волны рентгеновского излучения равна 1 нм. Найдите его частоту.
Решение.
Типичные ошибки
Частая ошибка — считать амплитудную и частотную модуляцию принципиально разными физическими явлениями, тогда как это лишь два разных способа «встраивания» одного и того же низкочастотного сигнала в высокочастотную несущую волну. Другая ошибка — путать роль модуляции и детектирования: модуляция происходит на передающей стороне (формирование сигнала для излучения), детектирование — на приёмной (извлечение полезного сигнала из принятой волны). Также распространена ошибка — считать границы диапазонов шкалы электромагнитных волн строго фиксированными; в действительности эти границы условны, и соседние диапазоны плавно переходят друг в друга.
Краткий словарь терминов
Модуляция — процесс изменения параметра (амплитуды или частоты) высокочастотного несущего колебания в соответствии с передаваемым сигналом.
Детектирование — процесс выделения низкочастотного сигнала из модулированного высокочастотного колебания.
Несущая частота — высокая частота колебаний, на которую «накладывается» передаваемый сигнал при модуляции.
Шкала электромагнитных волн — непрерывный диапазон частот (длин волн) всех электромагнитных излучений — от радиоволн до гамма-излучения.
Заключение
Радиосвязь основана на модуляции высокочастотного несущего колебания низкочастотным полезным сигналом, его излучении в виде электромагнитной волны, приёме с использованием резонансной настройки контура и последующем детектировании — извлечении исходного сигнала. Все виды электромагнитных волн — от радиоволн до гамма-излучения — образуют единую шкалу, различаясь лишь частотой и длиной волны, и на этом разделе завершается изучение электромагнитных волн; следующий раздел цикла посвящён геометрической оптике — разделу физики, изучающему видимый свет как частный случай электромагнитного излучения.
