Для передачи данных без проводов используют частоты от 3 кГц до 300 ГГц. Чем выше частота, тем короче длина волны – это определяет дальность и устойчивость к помехам. Например, FM-диапазон (88–108 МГц) обеспечивает качественный звук, но требует мощных передатчиков, а Wi-Fi (2,4 ГГц или 5 ГГц) передает больше информации, но хуже проникает через стены.
Модуляция – ключевой процесс. Амплитудная (AM) изменяет силу колебаний, частотная (FM) – их плотность. Цифровые системы применяют фазовые сдвиги (QPSK, QAM), упаковывая в одну волну несколько бит. GSM использует GMSK, а LTE – OFDM с 64-QAM, что позволяет достичь скорости до 100 Мбит/с.
Приемник выделяет нужный диапазон, отсекая шумы. Антенна улавливает колебания, усилитель повышает их амплитуду, а демодулятор восстанавливает исходные данные. Для точной настройки применяют гетеродин – он смешивает входящий сигнал с эталонной частотой, выделяя разницу.
Поляризация влияет на качество. Вертикальные волны лучше распространяются вдоль земли, горизонтальные – меньше искажаются в атмосфере. В спутниковой связи используют круговую поляризацию, чтобы избежать потерь при изменении ориентации антенны.
Физические основы распространения электромагнитных колебаний
Генерация и распространение
Передатчик создает переменный ток высокой частоты, который подается на антенну. Колебания зарядов в проводнике формируют переменное электромагнитное поле, распространяющееся со скоростью света (299 792 км/с). Дальность зависит от мощности (1-1000 кВт для вещательных станций) и частоты: длинные волны (30-300 кГц) огибают рельеф, ультракороткие (30-300 МГц) требуют прямой видимости.
Детектирование и усиление
Приемная антенна улавливает изменяющееся поле, преобразуя его в слабый электрический ток. Супергетеродинный приемник (стандарт с 1918 года) смешивает входящие колебания с сигналом локального генератора, понижая частоту до 455 кГц для стабильного усиления. Чувствительность современных устройств достигает 0.1-1 мкВ при соотношении сигнал/шум 20 дБ.
Модуляция несущей определяет тип информации: AM изменяет амплитуду (±10% для голоса), FM – частоту (±75 кГц в FM-диапазоне). Цифровые методы (QAM, OFDM) кодируют данные в фазовых сдвигах, обеспечивая скорость до 100 Мбит/с в стандарте 4G LTE.
Преобразование звука в электромагнитные колебания
Звуковой сигнал поступает на микрофон, где акустические колебания превращаются в переменное напряжение. Типичный динамический микрофон генерирует сигнал амплитудой 1–10 мВ, конденсаторный – до 50 мВ.
Усилитель низкой частоты поднимает уровень до 0,5–2 В. В схемах с транзисторными каскадами коэффициент усиления достигает 100–1000 раз. Для минимизации искажений применяют отрицательную обратную связь.
Модулятор смешивает звуковой сигнал с несущей частотой. В AM-передатчиках амплитуда несущей изменяется пропорционально звуковому напряжению. При частотной модуляции (FM) отклонение составляет ±75 кГц для вещательного диапазона.
Генератор высокой частоты формирует стабильные колебания. Кварцевые резонаторы обеспечивают точность ±50 Гц на 100 МГц. Выходная мощность усиливается до 0,1–50 Вт для бытовых устройств.
Антенна излучает модулированные колебания. Для эффективного преобразования длина вибратора должна составлять 1/4 или 1/2 длины волны. На частоте 100 МГц оптимальный размер – 75 см для четвертьволнового излучателя.
Фильтры подавляют гармоники, снижая внеполосное излучение. LC-цепи с добротностью Q>100 уменьшают паразитные составляющие на 40–60 дБ.
Как радиоприемник выделяет нужный сигнал из множества частот
Приемник использует резонансный контур для фильтрации частот. Катушка индуктивности и конденсатор настраиваются на конкретную длину волны, подавляя посторонние колебания.
Настройка частоты гетеродином
Смеситель комбинирует входной сигнал с волной от гетеродина, создавая промежуточную частоту (ПЧ). Например, в УКВ-диапазоне ПЧ составляет 10.7 МГц, что упрощает дальнейшую обработку.
Фильтры с высокой добротностью (Q>100) отсекают соседние каналы. В цифровых моделях применяют алгоритмы БПФ для спектрального анализа.
Подавление помех
АЧХ усилителя корректируется под форму полезного сигнала. Для ЧМ-вещания используют ограничитель амплитуды, устраняющий импульсные наводки.
В супергетеродинных схемах двойное преобразование снижает влияние зеркальных частот. Первая ПЧ выбирается выше 40 МГц, вторая – в диапазоне 455-500 кГц.
