Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 29. Принципи радіозв'язку, телебачення та стільникового зв'язку

Радіозв’язок — передача та прийом інформації за допомогою радіохвиль, які поширюються в просторі без проводів.

Принцип радіозв’язку такий: змінний електричний струм високої частоти, створений у передавальній антені, спричиняє в навколишньому просторі швидко змінюване електромагнітне поле, що поширюється у вигляді електромагнітної хвилі. Досягаючи приймальної антени, електромагнітна хвиля спричиняє в ній змінний струм тієї самої частоти, на якій працює передавач.

Для здійснення радіотелефонного зв’язку потрібно використовувати високочастотні коливання, інтенсивно випромінювані антеною. Для передачі звуку ці високочастотні коливання змінюють за допомогою електричних коливань низької частоти (цей процес називають модуляцією).

У приймачі з модульованих коливань високої частоти виділяються низькочастотні коливання (цей процес називають детектуванням). Добутий у результаті детектування сигнал відповідає тому звуковому сигналу, який діяв на мікрофон передавача. Після підсилення коливання низької частоти можуть бути перетворені на звук.

Найпростіша система радіотелеграфного зв’язку, яку запропонували Гульєльмо Марконі (1874-1937) і Олександр Попов (1859-1905), широко застосовувалася понад 20 років. Полягала вона у відправці серій згасаючих електромагнітних коливань, добутих у коливальному контурі з іскровим розрядником. Цю систему істотно поліпшили після винайдення генератора незатухаючих електромагнітних коливань. Увімкнувши в коло генератора телеграфний ключ, можна було передавати сигнали з коротких і більш тривалих імпульсів електромагнітних хвиль.

Здійснити передачу мови і музики, тобто радіотелефонний зв’язок, виявилося значно важче. Річ у тім, що коливання звукової частоти — це порівняно повільні коливання (від 100 Гц до кількох тисяч герц). А ми знаємо, що інтенсивність випромінювання електромагнітних хвиль низької частоти дуже мала. Виникає суперечність. З одного боку, високочастотні хвилі добре випромінюються, але не містять потрібної інформації (мова або музика) і в приймальній антені збуджують чисто гармонічні коливання, тобто дають інформацію лише про те, працює передавач чи ні. З іншого боку, електромагнітні коливання низької (звукової) частоти кола мікрофона містять потрібну інформацію, але дуже слабо випромінюються.

Ця суперечність була розв’язана так. Для передачі енергії електромагнітної хвилі використовують високочастотні коливання, а коливання низької частоти застосовують лише для зміни високочастотних коливань, або, як прийнято говорити, для їх модуляції. На приймальній станції з цих складних коливань за допомогою спеціальних методів знову виділяють коливання низької частоти, які після підсилення подають на гучномовець. Цей процес виділення інформації з прийнятих модульованих коливань отримав назву демодуляції, або детектування коливань.

Модуляцію коливань можна здійснювати, змінюючи їхню амплітуду, частоту або фазу. Розглянемо найпоширеніший вид модуляції — амплітудну. Амплітуду коливань електромагнітної хвилі змінюють відповідно до низькочастотного (звукового) коливального процесу, який передається разом з електромагнітною хвилею.

Для здійснення амплітудної модуляції електромагнітних коливань у радіотехніці опрацьовані різні способи. Одним з них є зміна напруги джерела енергії автогенератора. Для цього достатньо увімкнути послідовно з джерелом постійної напруги U₀ джерело, напруга якого U_n змінюється за певним законом (мал. 2.38).

Мал. 2.38

У місці приймання сигналів під впливом електромагнітної хвилі передавача в антені приймача збуджуються модульовані струми високої частоти, тотожні струмам в антені передавача, але слабші. Однак ці струми не придатні для безпосереднього одержання сигналу. Якщо, скажімо, під час радіотелефонної передачі ми направимо їх, навіть після попереднього підсилення, у гучномовець чи телефон, то не почуємо жодного звука. Це станеться, по-перше, тому, що телефонна мембрана має велику масу і не може здійснювати такі швидкі коливання з помітною амплітудою. По-друге, і це головне, коли б ми і скористалися малоінерційним телефоном (що можна зробити), то отримали б хвилі частотою 105-108 Гц, тоді як наше вухо розрізняє звуки лише за частоти, яка не перевищує 16 000-20 000 Гц.

Тому з модульованих високочастотних коливань у приймачі потрібно виділити низькочастотні звукові коливання. Це роблять так. Модульовані коливання спочатку пропускають через вакуумний чи напівпровідниковий діод — випрямляють їх. Графік коливань сили струму в колі діода матиме вигляд, як на малюнку 2.39, а. Цей струм є сумою випрямлених струмів: високочастотного (мал. 2.39, б) і струму звукової частоти (мал. 2.39, в).

Мал. 2.39

Оскільки ці струми сильно відрізняються за частотою, їх можна легко відокремити один від одного. Для цього досить увімкнути в коло діода таке розгалуження, щоб одна гілка становила великий опір для високочастотних струмів і малий для низькочастотних, а друга — навпаки, малий опір для високочастотних і великий для струмів звукової частоти. Таким розгалуженням є паралельне з’єднання конденсатора й навантаження (телефона) (мал. 2.40).

Мал. 2.40

Струми високої частоти пройдуть переважно через конденсатор, а низької — через телефон. Отже, найпростіший демодулятор складається з діода, телефона і конденсатора. Мембрана телефона коливатиметься так само, як мембрана мікрофона, і ми почуємо звук, виголошений перед мікрофоном. Невеликі пульсації струмів високої частоти помітно не впливають на коливання мембрани і не сприймаються на слух.

Процес модуляції полягає в зміні одного або кількох параметрів високочастотного (ВЧ) коливання за законом, переданого повідомлення (низькочастотного коливання). На цьому ґрунтуються два різних види радіомовлення: передані з амплітудною модуляцією та передані із частотною модуляцією. У разі амплітудної модуляції змінюється амплітуда високочастотних коливань (ВЧ) відповідно до зміни сигналу, який модулюється. У разі частотної модуляції — частота ВЧ коливань.

Детектування — процес виділення низькочастотних (звукових) коливань із прийнятих модульованих коливань високої частоти.

У найпростішому приймачі детектування здійснюється так: спочатку ВЧ коливання випрямляються, а потім виділяється низькочастотна обвідна високочастотних імпульсів.

Для телебачення, як і для радіозв’язку, також потрібні передавач і приймач, принцип дії яких такий самий, як і радіопередавачів і приймачів, але замість мікрофона і гучномовця використовують відеокамеру і відеомонітор. У XX ст. ці пристрої були вакуумними (електронно-променевими), а зараз — напівпровідникові.

В електронно-променевій відеокамері (мал. 2.41) мозаїчний екран 1 утворений декількома мільйонами ізольованих одне від одного зерен срібла, покритих цезієм. Вони розміщуються на слюдяній пластинці 2, приклеєній до металевої пластинки 3. Падаюче на зерна світло 5 здатне «вибивати» з них електрони, які «стікають» по колектору 4.

Мал. 2.41

Залежно від яскравості світла кожне зерно набуває більшого або меншого позитивного заряду. Заряди всіх зерен мозаїки «описують» зображення. Елементи зліва внизу відеокамери створюють скануючий електронний промінь. Послідовно попадаючи на зерна, промінь віддає свої електрони на місце вибитих світлом. Відбувається «перезарядка» — зерна змінюють заряди з «+» на «-». Зауважимо, що зерна разом з металевою пластинкою 3 утворюють велику кількість мікроскопічних конденсаторів. При їхній послідовній перезарядці в зовнішньому колі між металевою пластинкою 3 і колектором 4 виникає змінний струм — відеосигнал.

В електронно-променевому відеомоніторі для перетворення відеосигналу в зображення також використовують електронний промінь. Його інтенсивність (потік електронів) змінюється відповідно до відеосигналу. Потрапляючи на мозаїчний екран, який складається із зерен речовини люмінофора, електрони спричиняють їхнє свічення. Воно продовжується деякий час, доки промінь «оббігає» інші зерна на екрані, що ми і сприймаємо як відеозображення.

У цих приладах електронні промені сканують екрани синхронно із частотою 25 Гц, тобто пробігають їх одночасно 25 разів за секунду (рядок за рядком, подібно до читання книжки). Це дає змогу передавати і приймати швидко змінюване зображення.

У напівпровідниковій відеокамері мозаїчний екран (матриця) утворений кількома мільйонами «електронних карманів» у кремнієвій пластині p-типу, над якою розміщені керуючі електроди. Якщо на них подати позитивний заряд, то в кремнієвій пластині під електродом карман «відкривається», і в ньому накопичуються звільнені під дією світла електрони. Відповідно, дірки, утворені на місцях звільнення електронів, відтісняються електричним полем у товщину пластини. Кількість електронів, які накопичилися в кармані, залежить від яскравості падаючого на нього фрагмента зображення. Заряди всіх карманів у сукупності «описують» зображення.

Під дією керуючих сигналів особливого мікропроцесора здійснюється послідовне «зчитування» заряду карманів. Як показано на малюнку, у момент «захоплення» зображення заряд змінюється тільки на першому електроді. Потім цей заряд переключається на наступний електрод, і електрони переміщуються в сусідній карман.

І так далі, до краю екрана, де розміщуються додаткові електроди, на які й «перетікає» відеосигнал.

У напівпровідниковому відеомоніторі (мал. 2.42) для перетворення відеосигналу в світлове зображення застосовують шар «рідких кристалів». Він розміщений між особливими напівпрозорими плівками з мозаїчною сіткою з керуючих електродів. Мікропроцесор почергово розподіляє відеосигнал на всі елементи мозаїки. Електричні поля, що виникають між електродами, змушують кристали кожного фрагмента мозаїки по-різному повертатися в шарові рідини. Залежно від цього змінюється кількість світла, яке пропускається кожним елементом мозаїки. У результаті ми бачимо зображення, яке складається з окремих точок — пікселів.

Мал. 2.42

До кінця XX ст. на заміну чорно-білому телебаченню прийшло кольорове. Його основні принципи залишилися попередніми: мозаїчний екран у передавачі і приймачі, послідовне сканування електронним променем або мікропроцесором елементів мозаїки для формування відеосигналу або світлового зображення, передача відеосигналу радіохвилями. Ускладнилася лише мозаїка екранів: кожний її елемент було замінено на червоно-зелено-синю тріаду елементів, здатну передавати всі відтінки кольорів.

З розвитком системи радіотелефонного зв’язку виникла проблема — обмеженість частотного ресурсу. Тобто телефони з близькими робочими каналами стали створювати перешкоди один одному.

У середині 1940-х років дослідний центр Bell Laboratories запропонував ідею розбиття всієї обслуговуючої території на невеликі ділянки, які стали називатися стільниками (від англ. cell — «комірка», «стільник») (мал. 2.43). Кожний стільник повинен обслуговуватися передавачем з обмеженим радіусом дії і фіксованою частотою. Це дало б змогу без взаємних перешкод використовувати ту саму частоту повторно в іншому стільнику.

Мал. 2.43

Для оптимального розділення території на стільники можуть бути використані тільки три геометричні фігури: трикутник, квадрат і шестикутник. Найбільше підходить у цьому випадку шестикутник, тому що якщо антену з круговою діаграмою направленості встановити в його центрі, то буде забезпечено доступ майже до всього стільника.

Кожний стільник, якому виділяється своя смуга частот, обслуговується базовою станцією, яка складається з передавача, приймача і модуля управління. Суміжні стільники використовують різні частоти, щоб уникнути інтерференції або перехресних перешкод. У той самий час стільники, що розміщені на великій відстані один від одного, можуть використовувати однакові смуги частот. Отже, основний принцип стільникового зв’язку — повторне використання частот у несуміжних стільниках.

Коли телефон перебуває в режимі очікування, його прийомне налаштування постійно сканує всі канали системи. Для виклику абонента всіма базовими станціями передається сигнал виклику. Стільниковий телефон абонента, який здійснює виклик, при отриманні цього сигналу відповідає по вільному каналу управління. Базові станції, що прийняли сигнал відповіді, передають інформацію про його параметри в центр комутації, який переключає розмову на ту базову станцію, де зафіксовано максимальний рівень сигналу стільникового радіотелефона абонента, що здійснює виклик.

Під час набору номера стільниковий телефон займає один з вільних каналів, рівень сигналу базової станції у якому на цей момент максимальний. З віддаленням абонента від базової станції або у зв’язку з погіршенням умов поширення радіохвиль рівень сигналу зменшується, що веде до погіршення якості зв’язку. Поліпшення якості зв’язку досягається шляхом автоматичного переключення абонента на інший канал зв’язку.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Поясніть, як здійснюється радіозв’язок.
• 2. Які принципи роботи телебачення?
• 3. Як здійснюється стільниковий зв’язок?

Дослідіть, як працює супутникове та кабельне телебачення.

РОЗВ’ЯЗУЄМО РАЗОМ

1. Коливальний контур, що складається з повітряного конденсатора з двома пластинами по 200 см² кожна і котушки індуктивністю 10^-6 Гн, резонує на довжині хвилі 40 м. Визначте відстань між пластинами конденсатора.

Розв’язання

Розв’язання