Принцип радиосвязи и телевидения

«Радио: средство массовой информации,

слушая которое еще никто не испортил зрения»

Уолт Стритифф

В данной теме разговор пойдёт о принципах радиосвязи и телевидения.

Как известно, впервые электромагнитные волны экспериментально получил, передал на расстояние (правда, в пределах стола) и принял Генрих Герц. Напомним, что в качестве колебательных контуров он использовал так называемые диполи (или вибраторы) Герца: два стержня с шариками, между которыми был оставлен определенный зазор. К шарикам от индукционной катушки подводили достаточно высокое напряжение, и между ними проскакивала искра и в пространстве возникало электромагнитное поле, а, следовательно, и электромагнитная волна. Приемник был сделан аналогичным образом, только расстояние между шариками было уменьшено. Герц наблюдал электромагнитные колебания по искоркам, проскакивающим между проводниками приемного вибратора.

Опыты Герца показали, что с помощью электромагнитных волн можно отправлять и принимать сигналы, но все это делалось на малом расстоянии, в пределах стола лаборатории. Проведя важный для науки эксперимент, Герц не увидел практической ценности использования электромагнитных волн и даже сам отрицал возможность их применения.

Однако эти опыты заинтересовали физиков всего мира. В России одним из первых занялся изучением электромагнитных волн преподаватель высшего учебного заведения в Кронштадте Александр Степанович Попов, создавший в апреле 1895 года первый в мире радиоприемник, в котором прием сигналов регистрировался с помощью электрического звонка.

Схема передатчика Попова довольно проста — это колебательный контур, который состоит из индуктивности (вторичной обмотки катушки), питаемой батареи и емкости (искрового промежутка). Если нажать на ключ, то в искровом промежутке катушки проскакивает искра, вызывающая электромагнитные колебания в антенне.

Антенна является открытым вибратором и излучает электромагнитные волны, которые, достигнув антенны приемной станции, возбуждают в ней электрические колебания.

Для регистрации принятых волн, Александр СтепановичПопов применил специальный прибор — когерер (от латинского слова «когеренцио» — сцепление), состоящий из стеклянной трубки, в которой находятся металлические опилки.

В левый конец трубки введена металлическая пластина, в правый — провод, соприкасающийся с опилками. В обычных условиях сопротивление опилок велико, но под действием электрических колебаний между ними проскакивают искорки, опилки слипаются, и сопротивление когерера резко уменьшается.

Попов включил когерер в цепь, содержащую источник тока и звонок, молоточек которого при действии звонка мог ударяться по резиновой трубке. Когда сопротивление когерера велико, сила тока, постоянно идущего в цепи недостаточна для притяжения якоря в реле. С появлением электромагнитной волны сопротивление когерера падает, сила тока в цепи увеличивается, якорь реле замыкает цепь электромагнита, включенного параллельно цепи когерера, и молоточек звонка сигнализирует о приходе волны. При этом цепь электромагнита размыкается, и молоточек ударяет по когереру. Сопротивление его резко увеличивается, и реле размыкает цепь звонка.

В июне 1895 года Александр Степанович Попов усовершенствовал свой приемник, добавив к нему вертикальный провод — приемную антенну, а в марте 1896 —телеграфный аппарат для приема словесного текста, и получил возможность записывать сигналы на телеграфную ленту. 24 марта 1896 года были переданы первые слова с помощью азбуки Морзе — «Генрих Герц».

Уже в 1898 году Александр Степанович осуществил радиосвязь между двумя кораблями на расстояние 5 км.

В 1899 году его ученик Петр Николаевич Рыбкин обнаружил возможность приема радиотелеграфных сигналов на слух. Вскоре после этого Попов сконструировал первый специальный радиоприемник и тем самым положил начало развитию радиотелефонной связи.

Хотя современные радиоприемники очень мало напоминают приемник Попова, основные принципы их действия те же.

Вообще радиосвязь представляет собой довольно сложный процесс. Поэтому рассмотрим лишь наиболее общие принципы одного из ее видов — радиотелефонной связи, т.е. передачи звуковой информации с помощью электромагнитных волн.

Радиопередачи стали возможны после создания генератора незатухающих колебаний. При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне с помощью микрофона превращаются в электрические колебания той же формы. Трудность передачи звукового сигнала состоит в том, что для радиосвязи необходимы колебания высокой частоты, а колебания звукового диапазона — это низкочастотные колебания, для излучения которых невозможно построить эффективные антенны. Поэтому колебания звуковой частоты приходится тем или иным способом накладывать на колебания высокой частоты, которые уже переносят их на большие расстояния.

Радиопередающее устройство содержит следующие основные элементы:

Задающий генератор колебаний высокой частоты, преобразующий энергию источника постоянного напряжения в гармонические колебания высокой частоты. Частоту этих колебаний называют несущей. Она должна быть строго постоянной.

Далее, преобразователь сообщений в электрический сигнал, используемый для модуляции колебаний несущей частоты. Вид преобразователя зависит от физической природы передаваемого сигнала: при звуковом сигнале преобразователем является микрофон, при передаче изображений — передающая телевизионная трубка.

Модулятор, в котором происходит модуляция высокочастотного сигнала в соответствии с частотой звукового сигнала, несущего информацию, подлежащую передаче. Модуляция — это процесс изменение амплитуды высокочастотных колебаний с частотой, равной частоте звукового сигнала.

Обычно еще имеется один или два каскада усилителя мощности модулированного сигнала.

 Излучающая антенна, предназначенная для излучения электромагнитных волн в окружающее пространство.

Под воздействием модулированных высокочастотных колебаний в передающей антенне возникает переменный ток высокой частоты. Этот ток порождает в пространстве вокруг антенны электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн и достигает антенн радиоприемников.

Радиоприемное устройство предназначено для приема информации, передаваемой с помощью электромагнитных волн, излучаемых передающей антенной радиопередатчика.

Радиоприемное устройство содержит следующие основные элементы:

Это приемная антенна, которая служит для улавливания электромагнитных колебаний.

Резонансный контур, настраиваемый на определенную частоту, который из множества принятых антенной сигналов выделяет полезный сигнал;

В резонансном контуре в результате резонанса происходит увеличение амплитуды напряжения принятых колебаний. Однако при этом дополнительная высокочастотная энергия не создается и мощность принятого сигнала не возрастает. Более того, она даже несколько уменьшается из-за неизбежных потерь энергии на активном сопротивлении входной цепи. Мощность принятого сигнала исключительно мала. Поэтому в усилителе высокой частоты повышается напряжение принятого сигнала и увеличивается его мощность.

Детекторный каскад, в котором усиленный модулированный высокочастотный сигнал преобразуется и из него выделяется модулирующий сигнал, несущий передаваемую информацию. Следовательно, детектирование — это процесс, обратный модуляции. В качестве детектора используют приборы с нелинейной характеристикой — электронные лампы и полупроводниковые приборы.

Выделенное в детекторном каскаде модулирующее напряжение низкой частоты мало и его усиливают в усилителе низкой частоты.

После усиления низкочастотный сигнал поступает на громкоговоритель.

В телевидении используются более высокие (порядка миллиарда герц) несущие частоты.

Телевизионные радиосигналы могут быть переданы только в диапазоне ультракоротких (метровых) волн. Такие волны распространяются обычно 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 телевизионная башня в Москве высотой 540 метров обеспечивает уверенный прием телепередач в радиусе 120 километров.

Зона уверенного приема телевидения непрерывно увеличивается в связи с появлением и использованием ретрансляционных спутников.

Получение цветного изображения осуществляется за счет передачи видеосигналов, несущих компоненты изображения, соответствующие основным цветам спектра красному, зеленому и синему.

В настоящее время различные средства связи развиваются и совершенствуются в уже освоенных областях, а также находят и новые области применения.

Еще совсем недавно междугородняя телефонная связь осуществлялась только по воздушным линиям связи. На ее надежность влияли грозы и возможность обледенения проводов. В настоящее же время широко применяются кабельные и радиорелейные линии, сотовая мобильная связь, повышается уровень автоматизации связи.

Успехи в области космической радиосвязи позволили создать систему связи, названную "Орбита". В этой системе используются ретрансляционные спутники связи.

Спутники связи серии "Молния" запускаются на сильно вытянутые орбиты. Период их обращения составляет около 12 часов. Созданы мощные и надежные системы, обеспечивающие телевизионным вещанием районы Сибири и Дальнего Востока и позволяющие осуществить телефонно-телеграфную связь с отдаленными районами страны.

Новые спутники связи серии "Радуга" запускаются на орбиту радиусом около 36000 км. На этой орбите период обращения спутника равен 24 часам, поэтому спутник все время находится над одной и той же точкой поверхности Земли. Совершенствуются и находят новые применения и такие сравнительно старые средства связи, как телеграф и фототелеграф. О размахе, который получила передача неподвижных изображений по фототелеграфу, можно судить по таким цифрам: в год по фототелеграфу передается до 70 тысяч газетных полос, с которых печатается свыше 3 миллиардов экземпляров газет.

Основные выводы:

– Радиосвязь — это процесс передачи и приема информации с помощью электромагнитных волн.

– Амплитудная модуляция — это процесс изменения амплитуды высокочастотных колебаний с частотой, равной частоте звукового сигнала.

– Процесс, обратный модуляции называется детектированием.