11 класс
§ 40. Принципы радиосвязи и телевидения
Изобретение радио.
Опыты Герца, описание которых появилось в 1888 г., заинтересовали физиков всего мира. Мысль о практическом использовании электромагнитных волн возникла сразу же у многих учёных. Однако из-за невысокой чувствительности приёмника Герца и неудобного способа наблюдения принимаемых сигналов осуществление приёма было возможно только на расстояниях 8—10 м от передатчика.
В России одним из первых занялся изучением передачи электромагнитных волн преподаватель офицерских минных курсов в Кронштадте Александр Степанович Попов (1859 — 1906).
Для того чтобы обеспечить автоматический приём электромагнитных волн, он использовал звонковое устройство для встряхивания когерера 1 после приёма сигнала.
1 Когерер представляет собой стеклянную трубку с двумя электродами, в которой находятся мелкие металлические опилки. В обычных условиях когерер обладает большим сопротивлением, так как опилки имеют плохой контакт друг с другом. Пришедшая электромагнитная волна создаёт в когерере переменный ток высокой частоты. Между опилками проскакивают мельчайшие искорки, которые «спекают» их. В результате сопротивление когерера резко падает.
Цепь электрического звонка замыкалась с помощью специального электромагнитного реле. Это реле было включено в цепь когерера и срабатывало в момент прихода электромагнитной волны. C окончанием приёма сигнала работа звонка сразу же прекращалась, так как молоточек звонка ударял не только по звонковой чашке, но и по когереру. C последним встряхиванием когерера электромагнитное реле отключало звонок, и аппарат был готов к приёму следующей волны. Схема приёмника Попова приведена на рисунке 6.50.
Для того чтобы увеличить чувствительность аппарата, Попов один из выводов когерера заземлил, а другой присоединил к высоко поднятому куску проволоки, создав тем самым приёмную антенну. Заземление превращает проводящую поверхность земли в часть открытого колебательного контура, что увеличивает дальность приёма.
7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества Попов выступил с докладом «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям» и продемонстрировал созданный им первый в мире радиоприёмник (рис. 6.51).
Этот день вошёл в историю мировой науки и техники как день рождения радио. 24 марта 1896 г. Попов с помощью сконструированных им передатчика и приёмника радиосигналов смог передать первую в мире радиограмму на расстояние в 250 м. Летом следующего года дальность беспроволочной связи была увеличена до 5 км.
Наряду с Поповым весьма схожее приёмное устройство в сочетании с искровым излучателем Герца применил итальянский изобретатель Гульельмо Маркони (1874—1937) в системе передачи на расстояние сигналов Морзе посредством электромагнитных волн. В устройствах, разработанных Маркони, были использованы антенны в виде высоко поднятого вертикального провода и заземления.
Особенно важным было включение длинной антенны в передатчик. 12 декабря 1901 г. Маркони осуществил одностороннюю радиосвязь через Атлантический океан, а в 1907 г. была открыта первая трансатлантическая служба беспроволочной связи.
Принципы радиосвязи.
Радиосвязь — это передача и приём информации посредством электромагнитных волн в широком диапазоне частот — от 3 ∙ 104 до 3 ∙ 1011 Гц. Схема радиосвязи представлена на рисунке 6.52.
На передающей станции генератор высокочастотных колебаний возбуждает в антенне вынужденные колебания (рис. 6.52, а). Излучаемые передающей антенной электромагнитные волны распространяются во все стороны и достигают антенны приёмной станции (рис. 6.52, б). Под действием переменного электромагнитного поля волны электроны в приёмной антенне приходят в движение. В антенне возникает переменный ток высокой частоты. Приёмный контур выделяет из всех частот, возбуждённых в антенне, только колебания, частота которых равна собственной частоте контура.
При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне преобразуются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, достаточно усилить эти колебания, подать в антенну, и передача на расстояние речи и музыки с помощью электромагнитных волн будет осуществлена. Однако в действительности такой простой способ передачи неосуществим.
Частота звуковых колебаний мала, а электромагнитные волны низкой (звуковой) частоты имеют малую интенсивность. Поэтому для передачи используются высокочастотные колебания 2, вырабатываемые генератором (рис. 6.53, а).
2 Можно показать, что интенсивность излучения электромагнитной волны прямо пропорциональна четвёртой степени её частоты. При увеличении частоты колебаний всего лишь в 2 раза излучаемая энергия возрастает в 16 раз. Поэтому при колебаниях низкой частоты излучения практически не происходит.
Колебания же низкой (звуковой) частоты (рис. 6.53, б) применяют лишь для изменения высокочастотных колебаний, или, как говорят, для их модуляции.
Модуляцией электромагнитной волны называют изменение её характеристик (амплитуды, частоты или фазы) при помощи колебаний с частотами, значительно меньшими частоты самой электромагнитной волны.
Соответственно различают амплитудную (рис. 6.53, в), частотную (рис. 6.53, г) и фазовую (рис. 6.53, д) модуляции колебаний. Частота исходной (немодулированной) волны называется несущей частотой, а частота изменения характеристик волны при модуляции — частотой модуляции. В радиоприёмнике из модулированных колебаний высокой частоты после их усиления получают низкочастотные колебания. Такой процесс преобразования называется детектированием или демодуляцией. Полученный в результате детектирования низкочастотный сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления электрические колебания низкой частоты могут быть преобразованы в звуковые колебания или использованы для других целей. Блок-схема радиовещательного тракта приведена на рисунке 6.54.
Понятие о телевидении.
C помощью радиоволн можно осуществлять передачу не только звуковых сигналов, но и изображений.
Общая схема телевизионного вещания подобна схеме обычного радиовещания (см. рис. 6.54). Однако в телевизионном передатчике наряду с сигналом звукового сопровождения создаётся ещё видеосигнал (сигнал изображения) со своей несущей частотой. Колебания с этой несущей частотой модулируются сигналом изображения, поступающим от особых передающих электронно-лучевых трубок (иконоскопов, видиконов или суперотиконов). В модулированный видеосигнал входят также сигналы для синхронизации развёртки электронного луча в приёмной электроннолучевой трубке (кинескопе), на экране которой возникает изображение.
Телевизионная схема включает в себя следующие устройства:
1) Телевизионная передающая камера (предназначена для преобразования изображения, получаемого при помощи объектива на мишени передающей трубки или полупроводниковой матрице, в телевизионный видеосигнал).
2) Телекинопроектор (преобразует изображение и звук на киноплёнке в телевизионный сигнал и позволяет демонстрировать кинофильмы по телевидению).
3) Видеомагнитофон (записывает и в нужный момент воспроизводит видеосигнал, сформированный передающей камерой или телекинопроектором).
4) Видеомикшер (позволяет переключаться между несколькими источниками изображения: камерами, видеомагнитофонами и др.).
5) Передатчик (несущий сигнал высокой частоты модулируется телевизионным сигналом и передаётся по радио или проводам).
6) Приёмник — телевизор (с помощью синхроимпульсов, содержащихся в видеосигнале, телевизионное изображение воспроизводится на экран приёмника — кинескоп, ЖК-дисплей, плазменную панель).
В цветном телевидении применяют три видеосигнала, соответствующие трём основным цветам — красному, зелёному и синему. Для передачи изменяющихся изображений используют покадровый способ. Кадры представляют собой изображения, сменяющие друг друга с частотой 1/25 с. Физиологическая особенность нашего зрения состоит в том, что такая смена кадров воспринимается человеческим глазом как непрерывное движение.
Существуют различные системы передачи телевидения.
Наземное телевидение — система передачи телевизионного сигнала к потребителю при помощи телевизионных вышек и передатчиков, работающих в диапазоне частот 47 - 862 МГц. Для приёма сигнала используется внутрикомнатная или наружная антенна.
Спутниковое телевидение — система передачи телевизионного сигнала от передающего центра к потребителю, использующая в качестве ретранслятора искусственные спутники Земли, расположенные в космосе на геостационарной околоземной орбите над экватором и оснащённые приёмопередающим оборудованием. Спутниковое телевидение обеспечивает покрытие качественным телевизионным сигналом больших территорий, труднодоступных для ретрансляции обычным способом.
Аналоговое телевидение — телевизионная система, использующая для получения, вывода и передачи изображения и звука аналоговый электрический сигнал.
Цифровое телевидение — технология передачи телевизионного изображения и звука при помощи цифрового кодирования видеосигнала и звукового сигнала.
Вопросы:
1. Опишите схему приемника Попова, представленную на рисунке 6.50.
2. Какой вклад в развитие радиосвязи внесли Попов и Маркони?
3. Какие устройства входят в систему радиосвязи?
4. В чём заключается процесс:
а) модуляции;
б) детектирования электромагнитных волн?
5. Как осуществляется передача изображений с помощью радиоволн?
Вопросы для обсуждения:
1. Опишите схему радиовещательного тракта, показанную на рисунке 6.54.
2. Почему, когда автомобиль проезжает под эстакадой или мостом, радиоприёмник в нём плохо работает?
Упражнения:
1. Радиолокатор работает на волне длиной 15 см и испускает 4000 импульсов в 1 с. Длительность каждого импульса составляет 2 мкс. Сколько электромагнитных колебаний содержится в каждом импульсе? Определите глубину разведки локатора.
2. Радиолокатор посылает 5000 импульсов в секунду. Определите дальность действия, на которую рассчитан данный радиолокатор. Сколько электромагнитных колебаний содержится в каждом импульсе, если радиолокатор работает на длине волны 12 см, а продолжительность каждого импульса равна 2 • 10 -5 с?
3. Колебательный контур радиоприёмника настроен на частоту 12 МГц. Во сколько раз нужно изменить ёмкость конденсатора контура, чтобы настроиться на частоту, соответствующую длине волны 50 м?
