Принципы радиосвязи и телевидения

Первое экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн принадлежит Генриху Рудольфу Герцу. Напомним, что вибратор Герца представлял собой два стержня с шариками на концах. Шарам сообщались большие разноимённые заряды, в результате чего между ними происходил электрический разряд. При этом в самих стержнях возникали электромагнитные колебания. Приёмное устройство состояло из проволочного витка с двумя шарами на концах. Приём электромагнитной волны наблюдался в виде маленькой искры, которая проскакивала между шарами.

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. Впервые мысль о применении электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние высказал Александр Степанович Попов. В 1894 году он собрал радиоприёмник, регистрирующий электромагнитные волны, возникающие при грозовых разрядах.

А уже в апреле 1895 года Попов при помощи созданных им генератора и приёмника передал первую в мире беспроводную радиограмму на расстояние в двести пятьдесят метров. Она содержала всего два слова: «Генрих Герц».

Схема передатчика Попова достаточно проста. Он представлял собой колебательный контур, питаемый от батареи. Индуктивностью в контуре выступала вторичная обмотка катушки, а ёмкостью — искровой промежуток. При нажимании на ключ в искровом промежутке проскакивает искра, вызывающая электромагнитные колебания в антенне. Антенна — это открытый вибратор, излучающий электромагнитные волны.

Для регистрации принятых волн, Попов использовал специальный прибор — когерер, изобретённый французским физиком Эдуардом Бранли в 1890 году. Когерер представляет собой стеклянную трубку, в которой находятся металлические опилки. В один конец трубки вставлена металлическая пластина, а в другой — провод, соприкасающийся с опилками.

При нормальных условиях сопротивление опилок очень большое, но под действием электромагнитных колебаний между ними проскакивают искорки, опилки слипаются, и сопротивление когерера уменьшается в несколько сот раз.

Итак, Александр Степанович включил когерер в цепь из источника тока, звонка и молоточка, который мог ударять по трубке когерера.

Изначально сопротивление когерера таково, что силы тока, протекающего по цепи, недостаточно для притяжения якоря в реле. Но 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 коге́реру, 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 1896 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».

Почти одновременно с Поповым итальянец Гульельмо Маркони создал свою радиотелеграфную установку и в 1897 году получил на неё патент, чего не сделал в своё время Попов.

Поэтому во многих странах официально именно Маркони считается изобретателем радио, хотя Попов и был первым. В 1901 году Маркони потряс мировую общественность, осуществив первую в историю передачу радиосигналов через Атлантический океан на расстояние в 1800 километров.

Итак, 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.

Передача и приём информации посредством электромагнитных волн называется радиосвязью.

Благодаря радиовещанию мы можем передавать и принимать звуковую информацию без помощи проводов. Но радиосвязь представляет собой достаточно сложный процесс. Дело в том, что звуковые колебания имеют сравнительно низкие частоты. А электромагнитные колебания, имеющие такие же частоты, как и звуковые, практически невозможно передать на расстояние. Поэтому для передачи звука на большие расстояния используют колебания высокой частоты́, но изменяют их амплитуду со звуковой частотой.

Давайте посмотрим, как это происходит. Итак, электромагнитные волны излучаются передающей антенной, в которой высокочастотные колебания возбуждаются с помощью специального 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.

Модулированный сигнал при помощи антенны излучается в пространство. Приёмник, настроенный на частоту передающей станции, улавливает модулированные высокочастотные колебания и выделяет из них колебания низкой частоты. Такой процесс называется детектированием.

Детектирование осуществляется с помощью специального прибора — детектора, который проводит ток только в одном направлении. В цепи детектора из высокочастотных модулированных колебаний получают пульсирующий ток, амплитуда которого меняется со звуковой частотой.

Чтобы полностью разделить высокочастотные колебания и колебания звуковой частоты, в цепи детектора ставят параллельно соединённые конденсатор и громкоговоритель. Через конденсатор проходят токи высокой частоты, а для токов низкой частоты он представляет большое сопротивление. Поэтому токи низкой частоты идут через громкоговоритель, в котором будут воспроизводиться звуковые колебания, частота которых соответствует колебаниям низкой частоты 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.

При помощи радиоволн можно предавать не только звук, но и движущееся изображение. Эта возможность реализована в телевидении. При передачи телевизионных программ, высокочастотные колебания модулируются не только звуком, но и видеосигналом.

Но телевизионные радиосигналы могут быть переданы только в диапазоне ультракоротких (метровых) волн. Такие волны распространяются лишь в пределах прямой видимости антенны. Поэтому для охвата телевизионным вещанием большой территории необходимо размещать телепередатчики чаще и поднимать их антенны выше. Так, например, Останкинская башня в Москве высотой пятьсот сорок метров обеспечивает уверенный приём телевизионных радиосигналов в радиусе ста двадцати километров.

В настоящее время различные средства связи развиваются и совершенствуются в уже освоенных областях, а также находят и новые области применения. Ещё совсем недавно междугородняя телефонная связь осуществлялась только по воздушным линиям связи. На её надёжность влияли грозы и возможность обледенения проводов. В настоящее же время широко применяется мобильная и спутниковая связь. Для передачи звуковых сигналов при помощи мобильных телефонов используются радиоволны высокой частоты, называемые ультракороткими, которые распространяются прямолинейно. В сеть мобильной телефонной связи входит множество антенн для передачи и приёма сигналов. Зоны их работы образуют шестиугольники, похожие на соты. Именно поэтому мобильные телефоны называют также сотовыми. При звонке с помощью мобильного телефона сигнал на ультракоротких волнах улавливается ближайшей антенной, поступает в сеть и благодаря центральному компьютеру направляется по назначению.