Доказал, что электромагнитная энергия может быть отправлена в космос в виде радиоволн, которые проходят через атмосферу примерно со скоростью света. Это открытие помогло разработать принципы радиосвязи, которыми пользуются и сегодня. Кроме того, ученый доказал, что радиоволны имеют электромагнитную природу, а главная их характеристика - это частота, при которой энергия колеблется между электрическими и магнитными полями. Частота в герцах (Гц) связана с длиной волны λ, представляющей собой расстояние, которое радиоволна проходит в течение одного колебания. Таким образом, получается следующая формула: λ = C/F (где C равна скорости света).
Принципы радиосвязи основаны на передаче несущих информацию радиоволн. Они могут передавать голос или цифровые данные. Для этого радиостанция должна иметь:
Устройство для сбора информации в электрический сигнал (например, микрофон). Этот сигнал называется основной полосой частот в обычном звуковом диапазоне.
Модулятор внесения информации в полосу частот сигнала на выбранной
Передатчик, сигнала, который посылает его на антенну.
Антенну из проводящего электричество стержня определенной длины, которая будет излучать электромагнитную радиоволну.
Усилитель сигнала на стороне приемника.
Демодулятор, который будет способен восстановить первоначальную информацию из принимаемого радиосигнала.
Наконец, устройство для воспроизведения переданной информации (например, громкоговоритель).
Современный принцип радиосвязи был задуман еще в начале прошлого века. В то время радио разработали в основном для передачи голоса и музыки. Но очень скоро появилась возможность использовать принципы радиосвязи для передачи более сложной информации. Например, такой как текст. Это привело к изобретению телеграфа Морзе.
Общим для голоса, музыки или телеграфа является то, что основная информация зашифрована в которые характеризуются амплитудой и частотой (Гц). Люди могут слышать звуки в диапазоне от 30 Гц и примерно до 12 000 Гц. Этот диапазон называется звуковой спектр.
Радиочастотный спектр делится на различные Каждый из которых имеет конкретные характеристики в отношении излучения и затухания в атмосфере. Выделяют описанные в таблице ниже коммуникационные приложения, которые работают в том или ином диапазоне.
| LF-диапазон | от 30 кГц | до 300 кГц | В основном используется для воздушных судов, маяков, навигации, а также для передачи информации. |
| FM-диапазон | от 300 кГц | до 3000 кГц | Используется для цифрового вещания. |
| ВЧ-диапазон | от 3000 кГц | до 30000 кГц | Этот диапазон широко подходит для средней и дальней наземной радиосвязи. |
| УКВ-диапазон | от 30000 кГц | до 300000 кГц | УКВ обычно используется для наземного радиовещания и связи морских и воздушных судов |
| UHF-диапазон | от 300000 кГц | до 3000000 кГц | С помощью этого спектра работают спутниковые системы позиционирования, а также мобильные телефоны. |
Сегодня сложно представить, что делало бы человечество без радиосвязи, которая нашла свое применение во многих современных устройствах. Например, принципы радиосвязи и телевидения используются в мобильных телефонах, клавиатуре, GPRS, Wi-Fi, беспроводных компьютерных сетях и так далее.
4. Принцип работы передатчика
Сигнал с датчиков или любых других источников аналоговой информации поступает на быстродействующие аналоговые ключи. Работой, которых управляет схема временного разделения каналов, состоящая из дешифратора 1, счётчика 1 и генератора импульсов 1.Схема работает следующим образом:
Генератор импульсов 1 выдаёт короткие импульсы расстояния, между которыми равны времени преобразования А.Ц.П. Эти импульсы подсчитываются трёхразрядным асинхронным счётчиком импульсов граф которого имеет такой вид
Такой счётчик легко реализовать на трёх синхронных D-триггерах. Трёх разрядный двоичный код со счётчика 1 поступает на дешифратор 1, который в зависимости от кода подключает соответствующие каналы.
Таким образом, на вход А.Ц.П. поступают последовательно аналоговые сигналы с соответствующих аналоговых входов. А.Ц.П. синхронизируется побитовым генератором. Это генератор коротких импульсов, расстояние между которыми равно длительности элементарного символа в коде. А.Ц.П., как правило, содержит на выходе параллельный регистр, у которого выходы находятся в так называемом третьем состоянии (высокий импенданс) . Чтобы обеспечить вывод данных нужен сигнал разрешения он поступает от генератора импульсов 1. После вывода параллельного кода выводы этого регистра автоматически переходят обратно в третье состояние.
С А.Ц.П. выходит 9 разрядный параллельный код командного слова, который поступает на преобразователь кода из параллельного в последовательный. Такой преобразователь может быть выполнен на параллельно-последовательном регистре, который синхронизируется также от побитового генератора.
В качестве синхрослова используется 63 разрядная М-последовательность. Синхрослово должно быть в начале кадра. Схема формирования синхрослова может быть выполнена на основе формирователя М-последовательности и на основе П.З.У. Первый вариант схемы (рис.1) работает таким образом:
Имеется формирователь М-последовательности (Ф.М.П.), который легко реализуется с помощью линейных переключательных схем на основе сдвигающих регистров. Принцип формирования в данном проекте рассматривать не будем, он очень подробно рассмотрен в литературе . В качестве синхросигнала для Ф.М.П. используется побитовый генератор импульсов. Генерация последовательности начинается, когда приходит сигнал высокого уровня со схемы сравнения (сигнал пуск). Такой сигнал возможен только в том случае если подключен первый канал и начат вывод из А.Ц.П. первого кодового слова. Для формирования 63 разрядной М-последовательности необходимо 64 импульса. Схема подсчёта этих импульсов выполнена на счётчике 2 и дешифраторе 2. Как только счётчик насчитывает 64 импульса на соответствующем выходе дешифратора появляется сигнал высокого уровня (сигнал останов.), который останавливает Ф.М.П. Так как счётчик 2 будет постоянно считать импульсы с побитового генератора импульсов, то в момент начала формирования М-последовательности его надо вернуть в исходное состояние (сбросить). Для этого сигнал пуск со схемы сравнения подаётся на ключ, который подключает сигнал высокого уровня на небольшое время к входу сброса счётчика. Сигнал останов. также переводит регистр-преобразователь кода из третьего состояния в рабочее и с его выхода начинает выходить М-последовательность в последовательном двоичном коде. Как только все 63 разряда синхрослова выйдут из регистра, он автоматически переходит в третье состояние.
Второй вариант схемы (рис.2) формирования М-последовательности основан на использовании П.З.У. Принцип работы такой:
Аналогично схеме с генератором М-последовательности имеется сигнал пуск. Он поступает на П.З.У. и переводит его в режим считывания. В П.З.У. заранее запрограммирована нужная 63 разрядная М-последовательность. Также на П.З.У. поступает сигнал синхронизации от битового генератора, как и в предыдущей схеме. Синхрослово выходит в параллельном коде из П.З.У. и поступает на преобразователь кода в виде регистра. После вывода П.З.У. выходит из режима считывания и ждёт сигнал пуск. Сигнал пуск также переводит преобразователь кода в рабочее состояние, и начинается вывод синхрослова в последовательном коде под действием сигнала синхронизации, поступающего от битового генератора. Эта схема наиболее простая так как требуется меньше сигналов управления по сравнению со схемой на формирователе. Также малогабаритнее, дешевле и надёжнее так как используется меньше радиоэлементов и микросхемы П.З.У. такой малой емкости очень дёшевы. В работе я рассмотрел простейший вариант схемы. Вообще, как правило, такие схемы формирования делаются на микропроцессорном комплекте или микроконтроллерах, тогда всё управление можно осуществлять программным путём через порты ввода-вывода.
Синхрослово поступает на сумматор, где суммируется с кодовыми словами. Чтобы не было наложения синхрослова на кодовые слова необходимо задержать кодовые слова на время равное длительности синхрослова. Это делается с помощью цифровой линии задержки или блока памяти.
В результате образуется кадр, состоящий из синхрослова и 7кодовых слов, разделённых по времени. Далее,сигнал поступает на в.ч. каскад (рис.3) где он поступает на фазовый манипулятор, с помощью которого манипулируется поднесущая. Сформированным фазоманипулированным сигналом на поднесущей осуществляется фазовая модуляция несущего колебания.
На в.ч. каскад
На в.ч. каскад
С обратной связью наиболее характерно для управления бортовой аппаратурой космических аппаратов. 4. Разработка функциональной схемы радиолинии 4.1 Спектр сигнала КИМ-ЧМ-ФМ Сигнал КИМ-ЧМ-ФМ является одним из наиболее часто применяемых сигналов при организации цифровой связи по радиоканалам большой длительности. Символы сигнала КИМ заполняются прямоугольными колебаниями (меандром) разной...
... : 2.4 Расчет энергетического потенциала Энергетическим потенциалом радиолинии называется отношение средней мощности сигнала к спектральной плотности шума, пересчитанное ко входу приемника. В задании курсового проектирования задана линия с расстоянием между приемником и передатчиком 200 км. Зададимся, что это линия Земля - управляемый объект. Линия связи подобного типа предназначена для...
Применяется посимвольный прием. Рисунок 1. Функциональная схема радиолинии КИМ-ФМ Необходимо знать - скорость передачи информации R (двоичных единиц в секунду), энергетический потенциал радиолинии, закон изменения несущей частоты из-за нестабильности передатчика и движения передающего и принимающего пунктов. Предполагается также, что символы в КИМ сигнале могут считаться независимыми, а...
Российские летательные аппараты, совершившие посадку на Венеру в 1982 г., послали на Землю цветные фотографии с изображением острых скал. Благодаря парниковому эффекту, на Венере стоит ужасная жара. Атмосфера, представляющая собой плотное одеяло из углекислого газа, удерживает тепло, пришедшее от Солнца. В результате скапливается большое количество тепловой энергии. Цифровая радиолиния с...
Радио (в переводе с лат. «radio» означает «излучаю», «испускаю лучи») - это вид беспроводного соединения, который предназначен для передачи и приема информации. При этом сигнал свободно распределяется в пространстве с помощью электромагнитных волн, которые еще называют «радиоволнами».
Как работает радио?
Принцип работы состоит в следующем: для того, чтобы информация была передана, сторона-отправитель моделирует необходимый сигнал, который характеризуется определенной амплитудой и частотой. На следующем этапе, сигнал формирует несущее (высокочастотное) колебание. После чего происходит излучение преобразованного сигнала в пространство с помощью антенны. В то время как приёмная сторона производит обратные действия: антенна улавливает модулированный сигнал и преобразовывает его с помощью фильтра низких частот (ФНЧ). Данное действие производится для того, чтобы избавиться от несущей (высокочастотной составляющей). Таким образом, приемная сторона извлекает из полученного высокочастотного колебания полезный сигнал. Однако, в некоторых случаях, из-за помех и наводок может происходить искажение передачи, вследствие чего полученный сигнал будет отличаться от переданного.
Виды радиоволн и частотные диапазоны
Международным союзом связи была принята следующая классификация частотных диапазонов:
1. Мириаметровые волны (очень низкие частоты) - 3-30 кГц, длина волны - 10-100 км;
2. Километровые волны (низкие частоты) - 3-300 кГц; длина волны - 1-10 км;
3. Гектометровые волны (средние частоты) - 0,3-3 МГц, длина волны - 0,1-1 км;
4. Декаметровые волны (высокие частоты) - 3-30 МГц, длина волны - 10-100 м;
5. Метровые волны (очень высокие частоты) - 30-300 МГц, длина волны - 1-10 м;
6. Дециметровые волны (ультравысокие частоты) - 0,3-3 ГГц, длина волны - 10-100 см;
7. Сантиметровые волны (сверхвысокие частоты) - 3-30 ГГц, длина волны - 1-10 см;
8. Миллиметровые волны (крайне высокие частоты) - 30-300 ГГц, длина волны - 0,1-1 см.
В сфере радиовещания и используют только несколько типов радиоволн: сверхдлинные (мириаметровые), длинные (километровые), средние (гектометровые), короткие (декаметровые) и ультракороткие (высокочастотные).
Законы распространения радиоволн
В зависимости от излучаемых источником частот, каждый тип радиоволн имеет свои особенности и законы распределения в пространстве.
Для длинных волн характерна повышенная степень поглощения ионосферой. Особую роль играют приземные радиоволны, которые распространяются, «окутывая» землю. Если говорить о мощности сигнала, то при отдалении от источника передачи, он уменьшается стремительными темпами.
Средние волны наиболее уловимы для ионосферы днем, причем радиус действия в это время суток определяется приземной волной. Вечером ситуация кардинально меняется: средние радиоволны хорошо отражаются от ионосферы, а район распространения определяется отраженной волной.
Так как способ распространения коротких волн - это отражение ионосферой, то вокруг передатчика сигнала образуется зона радиомолчания (в ней прием сигнала практически невозможен). Причем, в дневное время лучше распространяются короткие волны, а в ночное - более длинные. При условии уменьшения мощности радиопередатчика, радиоволны этого типа могут распространяться на значительные расстояния.
Высокочастотные (ультракороткие) волны не отражаются ионосферой и распространяются, как правило, прямолинейно. Однако, в некоторых условиях, а именно из-за отличия плотностей в разных слоях атмосферы, радиоволны способны «огибать» земной шар. Для данного типа волн характерна высокая проникающая способность.
Особенностью высоких частот (ВЧ) является их распространение в рамках прямой видимости. Такие волны используются для беспроводной передачи данных (WiFi) и мобильной связи. Крайне высокие частоты (КВЧ), подобно высоким частотам, не огибают преград и используются в технологиях спутниковой связи. Гипервысокие частоты имеют свойство отражения (подобно световым лучам), радиус действия определяется пределами видимости. Использование подобных электромагнитных волн крайне ограничено.
Человечеству известны следующие условия распределения радиоволн. Сигнал может распространяться в атмосфере и пустоте, в то время как через воду и твердые предметы он проникнуть не может. Однако, вот что парадоксально. Благодаря таким явлениям как дифракция волн и преломление, связь между точками, находящимися вне прямой видимости, все-таки возможна.
Волна, исходящая от источника передачи, может следовать сразу несколькими путями. Такое явление называется многолучевостью. По причине изменения параметров среды происходит перемена уровня принимаемого сигнала относительно времени. Его замирание приводит к тому, что электромагнитное поле в точке приема представляет собой сумму всех смещенных во времени радиоволн.
Особые эффекты, возникающие при передаче радиоволн
1. принцип антиподов говорит о том, что радиоволна хорошо воспринимается в той точке земной поверхности, которая приблизительно противоположна точке передачи сигнала.
2. эффект фиксированной задержки - эхо от радиоволны, которая обошла Землю.
3. эффект эхо с большой задержкой (LDE).
4. принцип Доплера - зависимость длины радиоволны от скорости приближения и удаления от источника передачи (в случае приближения - частота увеличивается, удаления - уменьшается).
5. Люксембург-Горьковский эффект - изменение высокочастотных колебаний вследствие неленейных эффектов в результате распределения волн в ионосфере.
Условно, радиосвязь по длинам волн можно подразделить на два вида:
- связь без применения ретрансляторов (СДВ-связь, ДВ-связь, СВ-связь и т.д.)
- связь с применением ретрансляторов (спутниковая, радиорелейная, сотовая).
Ретранслятором называют специальное «посредническое» оборудование для связи, которое объединяет несколько радиопередатчиков, удаленных друг от друга на некоторое расстояние.
Частоты гражданской радиосвязи
По решению Российской Государственной комиссии по радиочастотам, для обеспечения гражданской связи физических и юридических лиц, было выделено три группы допустимых частот:
- «Citizen’s Band» - 27 МГц, с мощностью источника передачи до 10 Вт.
- «Low Power Device» - 433 МГц, с допустимой мощностью раций до 0,01 Вт.
- «Personal Mobile Radio» - 436 МГц, с выходной мощностью передачи до 0,5 Вт.
Что такое «радиолюбительская связь»?
Под понятием «радиолюбительская связь» подразумевается многостороннее техническое увлечение, которое выражается в проведении радиосвязи в допустимых диапазонах частот. Хобби радиолюбителя имеет несколько направлений:
- конструирование аппаратуры по приему и передаче радиосигнала;
- радиотехнический спорт (участие в соревнованиях среди радиолюбителей);
- составление коллекции карточек-квитанций и свидетельств о проведенных радиосвязях;
- проведение поисковой работы и организация связи с удаленными любительскими радиостанциями;
- работа с различными видами излучений;
- проведение связи на ультракоротких волнах, используя принцип отражения сигнала (от Луны, метеорных потоков и т.д.);
- работа с источниками передачи небольшой мощности;
- участие в различных радиоэкспедициях.
Изобретатели первых устройств для радиопередачи информации
Основателем первой действующей системы приема-передачи информации с помощью радиотелеграфии принято считать инженера из Гульельмо Маркони. В России же изобретателем радиопередачи считают А. С. Попова. Однако, как выяснилось позже, никто из этих не придумал устройство приема-передачи информации самостоятельно. Маркони соединил в одно устройство технологические разработки приёмника А. С. Попова и передатчика Генриха Герца.
Однако, после того как американский Никола Тесла запатентовал устройство радиосвязи, он отсудил право основателя разработки у Маркони. Такое решение было вызвано примитивизмом изобретения итальянского инженера в сравнении с достаточно совершенным устройством американца. Система Теслы позволяла преобразовывать акустический звук в сигнал, осуществлять его передачу на расстояние и модулировать радиоволну приемников обратно в акустический звук. Все современные радиоустройства имеют подобную конструкцию, к основе которой лежит технология колебательного контура.
Популярность запроса "радио" в поисковой системе
Самыми популярными в России являются следующие радиостанции:
- Радио Premium
-Love radio
- Радио «Кабриолет»
- Радио Автомат и гитара
- Радио ВАНЯ
- Ретро FM
- Радио ДАЧА
-
- Русское радио. Золотой граммофон.
- Авторадио
-
- Дорожное радио
- Натали
- Русское радио
- Радио Ди-ФМ
- Русский Хит
- Мега Радио
- Радио "Relax FM"
- Europa Flus
- Радио Русский шансон.
Как видим, запрос "радио" является достаточно популярным среди русскоговорящих пользователей, его вводили за месяц 8 915 477 раза.
В и информационных агентствах сети, данное слово "радио" упоминалось за месяц 1050 раз.
Как устроен передатчик
Вожделенная тема многих: передатчики. Каждый человек, мало-мальски умеющий обращаться с паяльником, просто мечтает собрать какой-нибудь "жучок", или передатчик, чтобы выйти в эфир… Жажда славы портит людей… =)))
В этом параграфе мы рассмотрим, из каких блоков состоит любой передатчик. В последующих параграфах мы разберем каждый блок на мелкие детальки =). Поехали!
Итак, задача передатчика - послать в эфир электромагнитные волны. Чтобы появились электромагнитные волны - должны быть колебания, которые их порождают. То есть - колебания тока в передающей антенне. Чтобы появились колебания тока - нужно какое-то устройство, которое преобразовало бы постоянный ток источника питания (батарейки) в переменный ток. Это устройство называется генератор высокой частоты (ГВЧ). Почему высокой? Потому что радиовещание ведется на сравнительно высоких частотах (ВЧ), от 100 кГц и выше. Для сравнения: частоты звукового диапазона считаются низкими (НЧ), потому что их частота не превышает 20 кГц. Поэтому, все блоки схемы, работающие с радиосигналом - высокочастотные. Генератор - в том числе. А блоки, работающие со звуковым сигналом - низкочастотные. О них мы поговорим чуть дальше.
Если подсоединить к выходу ГВЧ антенну - на антенне появится переменный ВЧ ток, который преобразуется в электромагнитные волны. Всё! Мы в эфире!
Вот как выглядит схема нашего передатчика:
На этой схеме почти нет привычных нам элементов: транзисторов, резисторов, конденсаторов и т.д. Есть только какая-то кисточка и страшный большой ящик. Не пугайтесь. Просто - это структурная схема. В структурной схеме обозначаются лишь некоторые электрические элементы. Остальные же элементы "прячут" в "ящик". Иными словами, отдельные части схемы показываются как прямоугольники. Такие схемы рисуются для сложных устройств, чтобы наглядно показать связи между его отдельными частями.
На данной структурной схеме - один блок (ГВЧ) и один электрический элемент - антенна. Да, кстати, познакомьтесь! Такая симпатичная кисточка - это как раз она.
Но не все так просто! Задача генератора - сгенерировать. Однако, мощность сигнала на выходе генератора не велика, и ее может не хватить для того, чтобы передать сигнал на нужное расстояние. Чтобы увеличить мощность, отдаваемую в антенну, нужен усилитель. Причем, не какой-нибудь, а усилитель мощности высокой частоты (УМВЧ). Схема усложняется:
Ну, вроде бы все здорово. Но… А что мы, собственно, передаем? Просто ВЧ колебания? На фиг они кому нужны! Мы то ведь, на самом деле, хотим передать Арию Ивана и Лягушки из сказки Сектора Газа! (Надо же народ просвещать… =)) Что же для этого делать?
А вот что! Надо каким-то образом запрятать звук в излучаемый ВЧ сигнал. Иначе говоря, нужно промодулировать высокочастотный радиосигнал низкочастотным звуковым сигналом. Промодулировать - это значит так хитро, по-особому, смешать эти сигналы, чтобы передавая ВЧ-радиосигнал, передавать вместе с ним и полезный звуковой НЧ-сигнал. Дело в том, что сам по себе, звуковой сигнал далеко не "улетит". Для того, чтобы преодолеть большие расстояния, ему нужен "помощник" - сигнал высокой частоты. Вот он то, как раз, с легкостью преодолевает большие расстояния, и не против помочь в этом другим. Ну, не против - получай! Вот тебе на шею наш звук - неси его куда подальше, через все невзгоды и радости…
Кстати, этот ВЧ сигнал так и называют - "несущая". Подразумевается "несущая частота". Она носит на себе модулирующий сигнал, то есть, в нашем случае - звуковой.
Модуляция - это есть процесс усаживания на шею бедной несущей толстого и ленивого модулирующего звукового сигнала. =) Этим занимается специальное устройство - модулятор.
«Радиоволны» передают музыку, разговоры, фотографии и данные незримо через воздух, часто более чем миллионы миль - это происходит каждый день тысячами различных способов! Даже при том, что радиоволны невидимы и абсолютно необнаружимы людьми, они полностью изменили общество. Говорим ли мы о сотовом телефоне, радионяне, беспроводном телефоне или о ком-либо из тысяч других беспроводных технологий, все они используют радиоволны для осуществления коммуникации.
Вот всего несколько повседневных технологий, которые значительным образом зависят от радиоволн:
- Радиопередачи AM и FM
- Беспроводные телефоны
- Беспроводные сети
- Радиоуправляемые игрушки
- Телевизионные передачи
- Сотовые телефоны
- GPS-приёмники
- Любительские радио
- Спутниковая связь
- Полицейское радио
- Беспроводные часы
Шутка-минутка
Самое смешное, что, по своей сути, радио является невероятно простой технологией. С помощью всего лишь нескольких электронных компонентов, которые стоят не более одного или двух долларов, вы можете создавать простые радиопередатчики и приёмники. История того, как что-то настолько простое стало основной технологией современного мира является захватывающей. В сегодняшней статье мы рассмотрим технологию под названием «радио», так что вы сможете полностью понять, как невидимые радиоволны делают столько много вещей, и нашу жизнь проще.
Простейшее радио
Радио может быть невероятно простым, и на рубеже веков эта простота сделала раннее экспериментирование возможным для примерно любого человека. Как просто получить радио? Один из примеров описывается далее:
- Возьмите свежую 9-вольтовую батарейку и монету
- Найдите AM-радио и настройте его на область дисков, где будет слышна статика
- Теперь держите батарейку вблизи антенны и быстро нажмите на два контакта аккумулятора монетой (так, чтобы вы соединили их вместе на мгновение)
- Вы услышите потрескивание в радио, которое вызвано связью и разъединением монеты
Более сложное радио
Если вы хотите получить немного более сложное радио, используйте металлический файл и два куска проволоки. Соедините ручку файла к одному контакту 9-вольтовой батарейки, затем соедините второй кусок проволоки ко второму контакту и запустите конструкцию проводя вверх и вниз по файлу. Если вы сделаете это в темноте, вы сможете увидеть, как очень маленькие 9-вольтовые искры бегут вдоль файла, поскольку наконечник проволоки производит соединение и разъединение. Держите файл около AM-радио и тогда услышите много статики.В первые дни радиопередатчики были названы искровыми катушками, и, кроме того, они создавали непрерывный поток искр при гораздо более высоких напряжениях (например, 20000 вольт). Высокое напряжение, соответственно, поспособствовало созданию больших искр, таких, какие вы видите в свече зажигания, например. Сегодня такой передатчик, как этот, незаконен, потому что спамит весь спектр радиочастот, но в первые дни он работал отлично и был очень распространён потому, что было не много людей, использующих радиоволны.
Основы радио: части
Как вы могли заметить из предыдущего раздела, создавать статику невероятно легко. Однако все радиостанции сегодня используют непрерывные волны синуса для передачи информации (аудио, видео, различные данные). Причина, по которой мы используемые непрерывные волны синуса сегодня - потому что есть много различных людей и устройств, которые в то же время хотят использовать радиоволны. Если бы у вас был какой-либо способ видеть их, то вы нашли бы, что есть буквально тысячи различных радиоволн (в форме волн синуса) вокруг вас прямо сейчас - телепередачи, радиопередачи AM и FM, полицейские и пожарные радио, спутниковые телевизионные передачи, разговоры сотовых телефонов, GPS-сигналы и так далее. Также удивительно, как много применений существует для радиоволн сегодня. Каждый отличающийся радиосигнал использует различную частоту волны синуса, и именно так они все разделены.
У любой радио-установки есть две части: передатчик (трансмиттер) и приёмник (ресивер). Передатчик перехватывает своего рода сообщение (это может быть звук чьего-либо голоса, изображение экрана телевизора, данные для радиомодема или любое другое что-то), кодирует его на волну синуса и передаёт с радиоволнами. Приёмник же, понятное дело, принимает радиоволны и расшифровывает сообщение от волны синуса, которую оно получает. И трансмиттер и ресивер используют антенны, чтобы излучить и захватить радиосигнал.
Основы радио: реальные примеры
Радионяня примерно так же проста, как и получаемая технология радиосвязи. Существует передатчик, который «сидит» в комнате ребёнка и приёмник, что родители используют, чтобы слушать своё чадо. Вот некоторые из важных характеристик типичной радионяни:
- Модуляция : Амплитудная Модуляция (Amplitude Modulation, AM)
- Диапазон частот : 49 МГц
- Количество частот : 1 или 2
- : 0.25 Вт
Типичная радионяня с передатчиком слева и приёмником справа. Передатчик находится, непосредственно, в комнате ребёнка и служит некой мини-радиостанцией. Родители же берут с собой приёмник и с помощью него слушают деяния ребёнка. Дальность связи ограничивается до 200 футов (61 метр)
Не волнуйтесь, если такие термины, как «модуляция» и «частота» не имеют смысла для вас сейчас - мы доберёмся до них через некоторое время и я объясню, что они значат.
Мобильный телефон содержит в себе как приёмник, так и передатчик, и оба работают одновременно на разных частотах. Сотовый телефон взаимодействует с сотовой вышкой и способен передавать сигналы на расстояние 2 или 3 мили (3-5 километров)
Сотовый телефон также радио и является гораздо более сложным устройством. Сотовый телефон содержит как передатчик, так и приёмник, и вы можете использовать одновременно их оба - так вы будете использовать сотни различных частот и сможете автоматически переключаться между ними. Вот некоторые из важных характеристик типичного аналогового сотового телефона:
- Модуляция : Частотная Модуляция (Frequency Modulation, FM)
- Диапазон частот : 800 МГц
- Количество частот : 1.664
- Мощность передатчика (трансмиттера) : 3 Вт
Простые передатчики (трансмиттеры)
Вы можете получить представление о том, как работает радиопередатчик, начиная с батарейки и куска проволоки. Как известно, батарея посылает электричество (поток электронов) через провод при подключении его между двумя контактами. Движущиеся электроны создают магнитное поле, окружающее провод, и поле достаточно сильное, чтобы повлиять на компас.
Давайте предположим, что вы берёте ещё один провод и помещаете его параллельно провода аккумулятора на несколько дюймов (5 сантиметров). При подключении очень чувствительного вольтметра к проводу произойдёт следующее: каждый раз, когда вы подключаете или отключаете первый провод от батареи, вы ощутите очень маленькое напряжение и ток во втором проводе; любое изменение магнитного поля может вызвать электрическое поле в проводнике - это основной принцип, лежащий в любом электрическом генераторе. Итак:
- Батарея создаёт поток электронов в первом проводе
- Подвижные электроны создают магнитное поле вокруг провода
- Магнитное поле простирается до второго провода
- Электроны начинают течь во втором проводе каждый раз, когда магнитное поле в первом проводе изменяется
Одна важная вещь, заметьте, состоит в том, что поток электронов во втором проводе только тогда, когда вы соединяете или разъединяете батарею. Магнитное поле не вызывает электроны течь в проводе, если магнитное поле не меняется. Подключение и отключение батарейки меняет магнитное поле (подключение аккумулятора к проводу создаёт магнитное поле, в то время как отключение разрушает его). Таким образом протекает поток электронов во втором проводе в те два момента.
Передача информации
Если у вас есть волна синуса и передатчик, который передаёт волну синуса в космос с антенной, у вас есть радиостанция. Единственная проблема заключается в том, что волна синуса не содержит никакой информации. Вы должны смодулировать волну в некотором роде, чтобы закодировать информацию на ней. Есть три распространённых способа смодулировать волну синуса:
Импульсная Модуляция - в PM вы просто включаете волну синуса и отключаете. Это простой способ отправить код Азбуки Морзе. PM не настолько распространана, но один хороший пример её - система радиосвязи, которая посылает сигналы в радиоуправляемые часы в Соединённых Штатах Америки. Один передатчик PM в состоянии покрыть все Соединённые Штаты Америки!
Частота
Одна особенность волны синуса - своя частота. Частота волны синуса - количество раз, сколько колеблется она вверх и вниз в секунду. Когда вы слушаете радиопередачу AM, ваше радио настраивается на волну синуса с частотой приблизительно 1000000 циклов в секунду (циклы в секунду известны также как герцы). Например, 680 на дайле AM - это 680000 циклов в секунду. Радиосигналы FM работают в диапазоне 100000000 герц. Таким образом, 101.5 в дайле FM будет значится как 101500000 циклов в секунду.
Приём сигнала AM
Вот пример реального мира. При настройке вашего автомобильного AM-радио на станции, например, 680 на циферблате AM - значит, что волна синуса передатчика передаёт 680000 герц (волна синуса повторяет 680000 раз в секунду). Голос диджеев модулируется на этой несущей волне путём изменения амплитуды волны синуса передатчика. Усилитель усиливает сигнал на что-то вроде 50000 Вт для большой AM-станции. Тогда антенна передаёт радиоволны в космос.
Так как же AM-радио вашего автомобиля - приёмник - получает 680000-герцевый сигнал, который послан передатчиком и извлекает информацию (голос диджея) из него? Далее я перечислю вам шаги данного процесса:
- Если вы не сидите прямо рядом с передатчиком, ваш радиоприёмник нуждается в антенне, чтобы помочь подобрать радиоволны передатчика из воздуха. AM-антенна представляет собой просто провод или металлическую палку, которая увеличивает количество металла, с которым могут взаимодействовать волны передатчика.
- Также ваш радиоприёмник нуждается в тюнере. Антенна будет получать тысячи волн синуса. Работа тюнера заключается в отделении одной волны синуса от тысяч различных радиосигналов, которые получает антенна. В этом случае приёмник настроен на получение сигнала 680000 герц. Тюнеры работают используя принцип, называющийся резонанс, то есть тюнеры резонируют и усиливают одну особую частоту, в то время как все другие частоты игнорируются в воздухе. Резонатор, к слову, легко создать с помощью конденсатора и катушки индуктивности.
- Тюнер заставляет радио получать всего одну частоту волны синуса (в нашем случае 680000 герц). Теперь радио должно извлечь голос диджея из этой волны синуса - это делается посредством одной из частей радио под названием детектор или демодулятор. В случае с AM-радио, детектор выполнен так, что имеет электронные компоненты, называемые диодами. Диод позволяет току течь в одном направлении и только через него.
- Радио затем усиливает обрезанный сигнал и посылает его спикерам (или наушникам). Усилитель выполнен из одного или нескольких транзисторов (чем больше транзисторов, тем больше усиление и поэтому большая мощность приходится на динамики).
Основы антенны
Вы, наверное, заметили, что почти каждое радио, будь то мобильный телефон, радио в автомобиле и многое другое, имеет антенну. Антенны бывают всех форм и размеров, в зависимости от частоты, которую антенна пытается получать. Радиопередатчики также используют чрезвычайно высокие башни-антенны для передачи их сигналов.
Идея антенны в радиопередатчике подразумевает под собой запуск радиоволны в космос. В приёмнике идея состоит в том, чтобы взять как можно больше данных передатчика и поставлять её тюнеру. Для спутников, которые находятся от нас в миллионах миль, NASA использует огромные спутниковые антенны до 200 футов (60 метров) в диаметре - только представьте себе подобную картинку маслом.
Размер оптимальной радиоантенны связан с частотой сигнала, который антенна пытается передавать или принимать. Причина этой взаимосвязи имеет отношение к скорости света, в результате чего на далёкие расстояния могут отправляться электроны. Скорость света составляет 186000 миль в секунду (300000 километров в секунду).
Антенны: реальные примеры
Давайте предположим, что вы пытаетесь построить радиовышку для радиостанции 680 AM. Она передаёт волну синуса с частотой 680000 герц. В одном цикле волны синуса передатчик будет перемещать электроны в антенну в одном направлении, переключиться и задержит их, снова переключиться и выставит их, а потом переключиться ещё раз и вернёт их обратно. Другими словами, электроны будут изменять направление четыре раза в течение одного цикла волны синуса. Если передатчик работает на 680000 герц, это означает, что каждый цикл завершается в (1/680000) 0.00000147 секунды. Одна четверть этого составляет 0.0000003675 секунды. Со скоростью света электроны могут пролететь 0.0684 мили (0.11 километра) через 0.0000003675 секунды. Это значит, что оптимальный размер антенны для передатчика на 680000 герц равен 361 футу (110 метрам). Таким образом, радиостанции AM нуждаются в очень высоких башнях. Для мобильного телефона, работающего на частоте 900000000 (900 МГц), с другой стороны, оптимальный размер антенны составляет около 8.3 сантиметра или 3 дюймов - именно поэтому мобильные телефоны могут иметь такие короткие антенны.
Вы могли бы задаться вопросом, почему когда радиопередатчик передаёт что-то, радиоволны хотят размножиться через пространство далеко от антенны со скоростью света. Почему радиоволны могут преодолевать миллионы миль? Оказывается, что в пространстве магнитное поле, создаваемое антенной, индуцирует электрическое поле в пространстве. Это электрическое поле, в свою очередь, вызывает ещё магнитное поле в пространстве, которое индуцирует другое магнитное поле, которое индуцирует другое магнитное поле, и так далее. Эти электрические и магнитные поля (электромагнитные поля) вызывают друг друга в пространстве со скоростью света, путешествуя таким образом далеко от антенны. Вот и всё на сегодня. Надеюсь, что статья была очень интересной, познавательной, полезной и вы узнали много нового о повседневной технологии.
