в чем заключается принцип радиосвязи
Принципы радиосвязи
Для радиосвязи нужны два отдельных прибора: передатчик и приёмник электромагнитных волн. Для понимания принципов их работы рассмотрим простейшие приборы, созданные немецким учёным Г.Герцем в 1886 году.
Вы видите устройство передатчика. Проволоку разрезали пополам, присоединив получившиеся отрезки к высоковольтному трансформатору. Размер воздушного промежутка между концами проволок установили таким, чтобы в нём часто проскакивали искры.
Искры – это электрический ток в воздухе. Поэтому в момент их проскакивания электроны с отрицательно наэлектризованной части проволоки устремлялись к её положительно наэлектризованной части. Это значит, что в проволоке возникал пульсирующий (переменный) ток, а вокруг неё – пульсирующее (переменное) электромагнитное поле.
Таким образом, проволоки представляют собой и передатчик, и передающую антенну. Электромагнитное поле распространяется электромагнитными волнами, поэтому может быть уловлено на расстоянии. Для этого требуется приёмник: два таких же отрезка проволоки, располагаемые параллельно антенне передатчика. Поскольку энергия волн передатчика распространяется во все стороны, а приёмник улавливает только небольшую их часть, искры в воздушном промежутке приёмника очень малы. Однако их можно видеть невооружённым глазом в темноте.
Передатчик и приёмник Герца не могли быть использованы для дальней радиосвязи. Причина этого – небольшая мощность радиоволн из-за невысокой частоты переменного тока, создаваемого искрами. Поэтому нужно было создать такой генератор тока высокой частоты, мощности которого хватило бы для радиопередач на расстоянии десятков и сотен километров. Когда эта задача была решена, стала возможна не только радиотелеграфная связь, когда слова (по буквам) передаются посредством коротких и длинных импульсов азбуки Морзе, но и радиотелефонная связь, передающая человеческий голос.
Принципиальная схема радиотелефонной связи показана на рисунке ниже. Во-первых, передатчик содержит высокочастотный генератор для обеспечения нужной мощности излучения. Именно он формирует так называемую несущую частоту, на которую настраивается приёмник. Во-вторых, передатчик содержит модулятор – устройство, изменяющее амплитуду или частоту несущей волны «в такт» с передаваемым голосом или музыкой. В-третьих, передатчик имеет передающую антенну.
Наиболее проста для понимания амплитудная модуляция. Высокочастотные колебания, созданные генератором, сначала имеют постоянную амплитуду (см. на рисунке слева). Модулятор меняет амплитуду несущей частоты «по форме» низкочастотного сигнала, поступающего от микрофона. Модулированный сигнал достигает приёмной антенны в виде волн с меняющейся амплитудой (см. на рисунке в центре).
Обратный процесс называется демодуляцией. Приёмная антенна улавливает волны сразу от множества передатчиков, работающих на разных частотах. Поэтому нужно отделить сигнал только от определённого передатчика, работающего на выбираемой нами несущей частоте. Для этого служит приёмный настроечный контур. Выделенный им сигнал «нашего» передатчика направляется в демодулятор – устройство, отделяющее полезный для слушателя низкочастотный сигнал от несущих колебаний. Именно этот сигнал и поступает в наушники или громкоговорители.
Для различных потребителей услуг радиосвязи используются разные диапазоны волн. Различают сверхдлинные, длинные, средние, короткие и ультракороткие радиоволны (см. таблицу).
§ 52. Принципы радиосвязи
Принципы радиосвязи заключаются в следующем. Переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстроменяющееся электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны. Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.
Важнейшим этапом в развитии радиосвязи было создание в 1913 г. генератора незатухающих электромагнитных колебаний. Кроме передачи телеграфных сигналов, состоящих из коротких и более продолжительных импульсов («точки» и «тире») электромагнитных волн, стала возможной надежная и высококачественная радиотелефонная связь — передача речи и музыки с помощью электромагнитных волн.
Радиотелефонная связь. При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, если эти колебания усилить и подать в антенну, то можно будет передавать на расстояние речь и музыку с помощью электромагнитных волн.
Однако в действительности такой способ передачи неосуществим. Дело в том, что частота звуковых колебаний мала, а электромагнитные волны низкой (звуковой) частоты имеют малую интенсивность.
Модуляция. Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные колебания, интенсивно излучаемые антенной. Незатухающие гармонические колебания высокой частоты вырабатывает генератор, например генератор на транзисторе.
Для передачи звука эти высокочастотные колебания изменяют, или, как говорят, модулируют, с помощью электрических колебаний низкой (звуковой) частоты. Можно, например, изменять со звуковой частотой амплитуду высокочастотных колебаний. Этот способ называют амплитудной модуляцией.
На рисунке 7.8 приведены три графика: а) график колебаний высокой частоты, которую называют несущей частотой; б) график колебаний звуковой частоты, т. е. модулирующих колебаний; в) график модулированных по амплитуде колебаний.
Без модуляции мы в лучшем случае можем контролировать лишь, работает станция или молчит. Без модуляции нет ни телефонной, ни телевизионной передачи.
Модуляция — медленный процесс. Это такие изменения в высокочастотной колебательной системе, при которых она успевает совершить очень много высокочастотных колебаний, прежде чем их амплитуда изменится заметным образом.
Детектирование. В приемнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания. Такой процесс преобразования сигнала называют детектированием.
Полученный в результате детектирования сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления колебания низкой частоты могут быть превращены в звук.
Основные принципы радиосвязи представлены в виде блок-схемы на рисунке 7.9.
В чем заключается принцип радиосвязи
Радиосвязь – передача и прием информации с помощью радиоволн, распространяющихся в пространстве без проводов.
Источник – переменный ток частоты от 2 · 10 4 Гц до 10 9 Гц ( λ =0,3 м – 1,5 · 10 4 м)
Вида радиосвязи (отличаются типом кодирования передаваемого сигнала):
радиотелеграфная связь ( осуществляется путем передачи сочетания точек и тире, кодирующего букву алфавита в азбуке Морзе) ; радиотелефонная связь ( передача подобной информации только для приема конкретным абонентом. При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические
колебания той же формы ); радиовещание ( передача в эфир речи, музыки, звуковых
Отличаются типом кодирования передаваемого сигнала.
Переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстро меняющееся электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны. Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.
Важнейшим этапом в развитии радиосвязи было создание в 1913 г. генератора незатухающих электромагнитных колебаний. Кроме передачи телеграфных сигналов, состоящих из коротких и более продолжительных импульсов («точки» и «тире») электромагнитных волн, стала возможной надежная и высококачественная радиотелефонная связь — передача речи и музыки с помощью электромагнитных волн.
Частота звуковых колебаний мала, а электромагнитные волны низкой (звуковой) частоты имеют малую интенсивность.
З адающий генератор вырабатывает гармонические колебания высокой
частоты (несущая частота более 100 тыс.Гц).
Микрофон преобразует механические звуковые колебания в электрические
Модулятор изменяет по частоте или амплитуде высокочастотные колебания с
помощью электрических колебаний низкой частоты.
Усилители высокой и низкой частоты усиливают по мощность высокочастотные
и звуковые (низкочастотные) колебания.
Передающая антенна излуч ает м одулированные электромагнитные волны.
Изобретение радио. Принципы радиосвязи
Урок 23. Физика 11 класс ФГОС
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Изобретение радио. Принципы радиосвязи»
Эксперименты Герца показали, что с помощью электромагнитных волн можно подавать и принимать сигналы. Но сам Герц не видел практического применения открытых им электромагнитных волн, так как все удачные эксперименты проводились в очень малой области пространства — в пределах лабораторного стола. Однако его опыты послужили толчком для исследования новых возможностей приёма и передачи электромагнитных волн.
Одним из первых, кто высказал мысль о применении электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние был Александр Степанович Попов. 7 мая 1895 года на заседании Русского физико-химического общества учёный продемонстрировал прибор, способный улавливать и регистрировать грозовые разряды на расстоянии до 30 километров.
А уже менее чем через год (24 марта 1896 года) Попов передал первую в мире беспроводную радиограмму на расстояние 250 метров. Но обо всём по порядку. Итак, в 1890 году французский физик Эдуард Бранли для регистрации электромагнитных волн изобрёл прибор, позже названный когерером.
Он представлял собой стеклянную трубку, в которой находились металлические опилки с выведенными наружу контактами. При нормальных условиях сопротивление опилок очень большое. Но под действием электромагнитных колебаний между ними проскакивают искорки, опилки слипаются и сопротивление когерера резко уменьшается в несколько сот раз. Чтобы вернуть прибор в исходное состояние его нужно было встряхнуть.
В 1894 году произошла первая в мире публичная демонстрация опытов по беспроводной телеграфии британским физиком Оливером Лоджем в Оксфордском университете. При демонстрации сигнал был отправлен из лаборатории в соседнем корпусе и принят прибором в театре на расстоянии 40 метров.
Радиоприёмник Лоджа представлял собой антенну, гальванометр, электрический звонок и радио-кондуктор Бранли, который Лодж и назвал когерером. Однако при регистрации радиоволн цепь приёмника оставалось замкнутой и по прекращении действия волн. Для разрыва контакта и приведения приёмника в состояние готовности к приёму следующего сигнала требовалось вмешательство человека….
В том же году преподаватель Минного офицерского класса в Кронштадте, выпускник петербургского университета Александр Степанович Попов собрал радиоприёмник, регистрирующий электромагнитные волны, возникающие при грозовых разрядах.
7 мая 1895 года Попов доложил Русскому физико-химическому обществу об изобретённом им приборе. Свой доклад он закончил следующими словами: «В заключение могу выразить надежду, что мой прибор при дальнейшем усовершенствовании его может быть применён к передаче сигналов на расстояние при помощи быстрых электрических колебаний, как только будет найден источник таких колебаний, обладающий достаточной энергией».
Примерно тогда же Попов заинтересовался опытами Лоджа и попытался воспроизвести их, построив собственную модификацию приёмника.
Главное отличие приёмника Попова от прибора Лоджа состояла в следующем. Для приёма нового радиосигнала когерер нужно встряхнуть, чтобы нарушить контакт между опилками. Попов ввёл в схему автоматическую обратную связь. Как только появляется электромагнитная волна, в опилках проскакиваю искорки и сопротивление когерера падает. Это влечёт увеличение силы тока в цепи и якорь реле замыкает цепь электромагнита, включённого параллельно цепи когерера. А молоточек звонка сигнализирует о приходе волны. При этом цепь размыкается и молоточек ударяет по когереру, встряхивая опилки и, тем самым, увеличивая их сопротивление — реле размыкает цепь звонка.
Летом 1895 года Попов усовершенствовал свой прибор, добавив к нему приёмную антенну. А в марте 189) года — телеграфный аппарат для приёма текста.
Как мы уже упоминали, 24 марта 1896 года были переданы первые в мире слова с помощью азбуки Морзе — «Генрих Герц». Гениальность Александра Степановича проявилась и в том, что он понял какое практическое значение имеет его изобретение и предложил использовать беспроводную связь для оперативной связи с кораблями в Балтийском море и Финском заливе. Правоту Попова подтвердили события, произошедшие несколько лет спустя. Так в ноябре 1899 года сел на мель броненосец «Генерал-Адмирал Апраксин». Команда крейсера «Адмирал Нахимов» заметила терпящий бедствие корабль и по радио сообщило о происшествии в Санкт-Петербург. В итоге корабль был спасён.
Но вернёмся в девяносто пятый год. Летом сообщение о работах Попова дошло до Италии в университет города Болонья (эти документы до сих пор хранятся там в библиотеке) и с ними познакомился профессор Аугусто Риге. В конце 1895 года он знакомит с ними молодого студента Гульельмо Маркони, который используя чертежи Попова создаёт свой радиоприёмник и в июне 1896 года подаёт предварительную заявку на патент. Несмотря на то, что предлагаемая итальянцем схема повторяла приёмник Попова заявку утвердили и 2 июля следующего года выдали патент.
12 декабря 1901 года Маркони потряс мировую общественность, осуществив первый сеанс трансатлантической радиосвязи между Англией и Ньюфаундлендом. Он передал букву S азбуки Морзе на расстояние в 3200 километров, что до этого считалось принципиально невозможным.
Передача и приём информации посредством электромагнитных волн называется радиосвязью.
Основные принципы радиосвязи заключаются в следующем:
· в передающей антенне создаётся переменный ток высокой частоты;
· ток вызывает переменное электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны;
· электромагнитная волна вызывает в приёмной антенне переменный ток той же частоты, что и частота передатчика.
В 1906 году американцами Реджинальдом Фессендом и Ли де Форестом было обнаружено возможность амплитудной модуляции радиосигнала низкочастотным сигналом, что позволило передавать в эфире человеческую речь. Давайте посмотрим, как это происходит.
Итак, электромагнитные волны излучаются передающей антенной, в которой колебания возбуждаются с помощью специального высокочастотного генератора. Такие колебания получили название несущих, а их частота остаётся строго постоянной.
Если в цепь передающей антенны включить микрофон и произносить перед ним звуки, то колебания мембраны микрофона будут преобразовывать звуковые волны в электрические сигналы в виде переменного тока, частота которого совпадает с частотой звуковых колебаний. Этот ток будет изменять амплитуду несущих высокочастотных колебаний в соответствии с амплитудой звуковых колебаний. Такое преобразование называют амплитудной модуляцией.
Чтобы обеспечить получение звука в радиоприёмной установке, необходимо преобразовать высокочастотные модулированные колебания в колебания звуковой частоты, с помощью которых была осуществлена модуляция. Процесс преобразования модулированных колебаний в колебания звуковой частоты называют детектированием.
Детектирование осуществляется путём использования полупроводников или специальных устройств, обладающих односторонней проводимостью, которые носят название детекторов. Таким элементом может быть, например, полупроводниковый диод.
Ток, текущий в цепи детектора, представляет собой пульсирующий ток переменной величины, который можно рассматривать как сочетание высокочастотных пульсаций и колебаний звуковой частоты. Для того чтобы полностью осуществить разделение высокочастотных пульсаций и тока звуковой частоты, достаточно в цепи детектора создать разветвление, причём такое, в котором одна из ветвей была бы легкопроходимой для высокочастотных токов, другая же представляла для таких токов большое сопротивление, а для токов звуковой частоты обладала бы незначительным сопротивлением. Таким разветвлением являются, например, параллельно соединённые конденсатор и громкоговоритель, являющийся нагрузкой.
Фильтр работает так. В те моменты времени, когда диод пропускает ток, часть его проходит через нагрузку, а другая часть тока ответвляется в конденсатор, заряжая его. Разветвление тока уменьшает пульсации тока, проходящего через нагрузку. Зато в промежутке между импульсами, когда диод заперт, конденсатор частично разряжается через нагрузку. Поэтому в интервале между импульсами ток через нагрузку идёт в ту же сторону. Каждый новый импульс подзаряжает конденсатор. В результате этого через нагрузку идёт ток звуковой частоты, форма колебаний которого почти точно воспроизводит форму низкочастотного сигнала на передающей станции.
Конечно же в приёмную антенну поступают волны огромного количества радиостанций, которые осуществляют вещание только на строго отведённой ей несущей частоте. Поэтому в приёмное устройство добавляется резонансный контур с конденсатором переменной ёмкости. Меняя ёмкость конденсатора можно изменять частоту колебаний в контуре. Когда эта частота совпадает с частотой, на которой работает передающая радиостанция, наступает резонанс и амплитуда колебаний выбранной радиостанции в контуре приёмника будет максимальной по сравнению с амплитудами колебаний, поступивших от радиостанций, вещающих на других несущих частотах.
Для примера давайте с вами определим во сколько раз необходимо изменить ёмкость приёмного колебательного контура радиоприёмника, чтобы настроить его на длину волны в 31 м, если радиостанция вещает на волне в 25 м.
В заключение отметим, что к началу двадцатых годов двадцатого века во многих странах были созданы необходимые технические предпосылки для регулярного радиовещания. Так самые первые регулярные передачи вышли в радиоэфир 20 мая 1920 года в Монреале (Канада). В том же году 22 ноября вышла в эфир самая мощная радиостанция Европы, находящаяся в Германии. В России первые концерты по радио транслировались из знаменитой нижегородской радио лаборатории 27 и 27 мая 1922 года. Слышимость их простиралась на расстоянии до трёх тысяч километров. В Москве 17 сентября того же года московская радиотелефонная станция передала музыкальный концерт по радио. А первый живой оперативный радиорепортаж с Красной Площади был осуществлён в октябре 1925 года во время похорон председатель революционного военного совета Михаила Васильевича Фрунзе.
Основные виды и принципы работы радиосвязи
Радиосигналы происходят в результате направленного перемещения радиоволн. Подобно волнам на пруду, радиоволна представляет собой серию повторяющихся пиков и впадин. Радиоволна генерируется передатчиком, а затем обнаруживается приёмником.
Основные разновидности радиосвязи и их применение
Для передачи радиосигнала применяются антенны. Конструкция любой антенны предусматривает концентрацию радиоволн, которые содержатся в луче, с увеличением степени такой концентрации КПД антенного устройства увеличивается. Конструктивные особенности передатчика и антенны определяют разновидности радиосвязи.
Радиорелейная связь
Функции радиорелейной линии заключаются в приёме и ретрансляции сигналов, которые принимаются либо от другой радиостанции, либо от провода, оптоволоконного, микроволнового, коаксиального кабеля или другого канала интегрированной наземной линии. Радиорелейная связь – важная, хотя уже и постепенно устаревающая технология системы радиосвязи.
Расположение радиорелейных станций и диаграммы направленности антенн должны быть установлены так, чтобы обеспечивать минимальные помехи для наземных спутниковых станций. Аналоговые и цифровые схемы основной полосы частот радиорелейной связи аналогичны спутниковым системам, однако процесс обмена и передачи сигналов происходит в атмосфере. Радиорелейные линии могут быть частью соединения между земной станцией и центром коммутации сигнала.
Передача сигналов через спутник
Теперь рассмотрим, как работает радио на примере телекоммуникационного сообщения через спутники. Для передачи сигналов антеннам на Земле используются все те же радиоволны. Информация может включать:
Спутниковая передача сигналов происходит по пути их распространения в прямой видимости от наземной станции к спутнику связи (восходящая линия связи) и обратно к земной станции (нисходящая линия связи). Спутник обычно размещается на геостационарной орбите, на высоте около 18…20 тыс. км над Землей, так что он кажется неподвижным из любой точки, откуда виден. Оттуда спутник действует как ретранслятор в небе. Наземная станция включает в себя антенны, здания и электронику, необходимые для передачи, приёма и последующей обработки сигналов.
Используемый частотный спектр аналогичен тому, который применяется для наземного микроволнового радио. Антенна наземной станции обычно является остронаправленной, в то время как спутниковая антенна имеет увеличенную ширину луча, чтобы покрывать большую часть земной поверхности и иметь возможность одновременно связываться со многими удаленными друг от друга земными станциями.
Сотовая связь
Общим элементом всех технологий сотовой связи является использование определенных радиочастот, а также повторное использование частот. Это позволяет предоставлять услугу большому количеству абонентов при уменьшении количества каналов (ширины полосы). Можно создавать широкие сети связи за счет полной интеграции передовых возможностей мобильного телефона.
Как осуществляется радиосвязь
Радиосвязь работает путём передачи и приема электромагнитных волн. Для распространения и перехвата радиоволн используются передатчик и приёмник. Передатчик излучает электромагнитное поле наружу через антенну; затем приемник улавливает это поле и преобразует его в звуки/изображения.
Генерация и приём радиоволн
Радиоволна действует как носитель информационных сигналов; информация кодируется непосредственно на волне – в виде звуков (голос и музыка) и/или изображений (телевидение). Звуки и изображения преобразуются в электрические сигналы (микрофоном или видеокамерой), усиливаются и используются для формирования несущей волны. Усиленный сигнал подаётся на антенну, которая преобразует электрические сигналы в электромагнитные волны для излучения в космос.
Такие волны излучаются со скоростью света и передаются не только по линии прямой видимости, но и за счет отклонения от ионосферы. Приёмные антенны перехватывают часть этого излучения, возвращая ему форму электрические сигналы, после чего подают сигнал на приёмник.
Кодирование информации в радиоволне
Основной принцип прост. С одной стороны, передатчик «кодирует» сообщения, изменяя амплитуду или частоту волны, наподобие кода Морзе. С другой стороны, приёмник, настроенный на ту же длину волны, улавливает сигнал и декодирует его обратно в желаемую форму: звуки, изображения, данные и пр.
Телеграфирование
Электрический телеграф в ХХ веке был распространённой формой цифровой передачи сигналов в основной полосе частот с использованием металлических носителей (открытый провод). Но, по сегодняшним меркам, скорость передачи информации при телеграфировании является низкой.
Радиотелефонная связь
Является дальнейшим развитием телеграфирования, и реализуется путём передачи речи по витым парам проводов. Из-за возможностей технических средств полоса пропускания речевых сигналов ограничена частотой 4 кГц, эта полоса сохраняется и до настоящего времени.
Голосовые модемы дополняются и вытесняются в сети доступа технологией цифровой абонентской линии, которая повышает скорость обмена информацией при одновременном снижении стоимости услуг. Кроме того, цифровые абонентские линии имеют постоянное подключение к данным.
Модуляция и детектирование
Виды радиосвязи зависят от типа модуляции сигнала. В радиоустройствах с амплитудной модуляцией (АМ) сила амплитуда сигнала изменяется в пределах от минимума до максимума производимых частот. В радио с частотной модуляцией сигнала (FM) изменяется скорость прохождения сигнала. Когда вы настраиваетесь на радио, номер набора показывает частоту в МГц, на которой транслируется сигнал.
FM-модуляция распространена в коммерческих, а АМ-модуляция – в производственных применениях.
Обратным модуляции процессом является детектирование, при котором из общего высокочастотного сигнала выделяется та его часть, которая содержит информационную составляющую. Первые радиоприёмники были именно детекторными.