Основные принципы формирования электромагнитных колебаний. Электромагнитное поле и его основные характеристики

Переменный ток высокой частоты, протекающий в проводнике (антенне) возбуждает в пространстве вокруг этого проводника переменное электромагнитное поле, представляющие собой совокупность изменяющихся во времени и пространстве, взаимосвязанных, ориентированных перпендикулярно друг к другу электрического и магнитного полей. Переменное электромагнитное поле распространяется от проводника, которым оно излучается, во все стороны в виде электромагнитных волн с постоянной скоростью, близкой к скорости света c равной 300000 км/сек. Если ток в излучающем проводнике (антенне) изменяется во времени по гармоническому (синусоидальному или косинусоидальному) закону, график которого показан на рис. 1. с периодом изменения Т, то он может быть выражен формулой

i = Im sin jt;

где:

i – мгновенное значение тока;

Im – амплитуда, т. е. максимальное значение тока;

j -круговая частота колебаний тока, связаннаясчастотой колебаний f = 1/T соотношением j = 2pf.

Рис. 1.

Частота колебаний f, характеризующая число полных циклов изменения тока в единицу времени, измеряется в герцах (Гц). Величина j_o=j(t_o) носит название начальной фазы гармонического колебания и измеряется в долях периода колебаний Т. Таким образом, гармоническое колебание полностью характеризуется: амплитудой колебаний (I_m) круговой частотой (w) и начальной фазой (j_o).При гармоническом характере колебаний тока в проводнике электромагнитные волны, излученные им, также имеют гармонический характер изменения их электрического и магнитного полей. Расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна в пространстве за время одного периода колебаний, называется длиной волны. Длина волны (λ) связана с частотой колебаний переменного тока в излучающем проводнике соотношением: cT = c1/f

Современная наука установила, что вещество не является единственно возможной формой существования материи. Наряду с веществом материя существует и в форме полей: электрического, магнитного, электромагнитного, гравитационного, ядерного и т. д. Всякий электрический заряд или совокупность электрических зарядов создают в окружающем пространстве электрическое поле, которое характеризуется вектором напряженности электрического поля. Длина вектора в некотором масштабе выражает величину силы воздействия поля на единичный положительный заряд, а направление указывает направление действия этой силы. Напряженность электрического поля измеряется в В/м и обозначается буквой Е.

Электрическое поле графически изображают в виде совокупности электрических силовых линий, густота которых пропорциональна напряженности поля. Векторы напряженности электрического поля в любых точках поля касательны к электрическим силовым линиям, проходящим через эти точки.

Подобно тому, как вокруг электрических зарядов образуется Электрическое поле, вокруг магнитов, проводников с током (или свободных движущихся электрических зарядов) образуется магнитное поле. Для характеристики магнитного поля используют вектор напряженности магнитного поля. Этот вектор характеризует величину и направление силы, с которой поле действует в данной точке на проводник с током (магнит). Напряженность магнитного поля измеряется в Вб/м и обычно обозначается буквой Н. Магнитное поле также изображают в виде совокупности силовых линий, густота которых пропорциональна величине напряженности магнитного поля.

Электрические и магнитные поля могут существовать раздельно лишь в том случае, если эти поля являются постоянными. Быстропеременные электрические и магнитные поля раздельно существовать не могут. Связь между электрическими и магнитными полями характеризуется следующими законами.

1) Всякое изменение магнитного поля в какой-либо области пространства вызывает появление в этой области изменяющегося электрического поля. Напряженность электрического поля пропорциональна скорости изменения напряженности магнитного поля, силовые линии вызвавшего его переменного магнитного поля. В каждой точке рассматриваемого пространства вектор напряженности магнитного поля и вектор напряженности электрического поля взаимно перпендикулярны.

Направления силовых линий электрического поля при различных изменениях магнитного поля указаны на рис. 2а, на котором силовые линии магнитного поля изображены сплошными линиями, а характер их изменения - пунктирными.

2) Всякое изменение электрического поля в какой-либо области пространства вызывает появление в этой области изменяющегося магнитного поля. Напряженность магнитного поля пропорциональна скорости изменения напряженности электрического поля, а силовые линии магнитного поля охватывают силовые линии вызвавшего их переменного, электрического поля. В каждой точке рассматриваемого пространства вектор напряженности электрического поля и вектор напряженности магнитного поля взаимно перпендикулярны.

Рис 2. Взаимодействие электрических и магнитных полей:

а – электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля; б – магнитное поле, возникающее при изменении электрического поля.

Направление силовых линий магнитного поля зависит от характера изменения электрического поля. Направление силовых линий магнитного поля при различных изменениях электрического поля указано на рис. 2б, на котором силовые линии электрического поля изображены сплошными линиями, а характер их изменения - пунктирными. При изменениях электрических и магнитных полей изменение поля одного вида вызывает изменение поля другого вида, что в свою очередь вызывает изменение поля первого вида. Благодаря этому оба переменных поля существуют одновременно в виде единого электромагнитного поля, которое может быть представлено в каждой точке пространства двумя взаимно перпендикулярными векторами Е и Н.

Важнейшей особенностью электромагнитного поля является то, что изменяющееся во времени единое электромагнитное поле перемещается в пространстве во все стороны от точки, в которой возникло первоначальное изменение поля (возмущение). Направление перемещения электромагнитного поля зависит от взаимной ориентации векторов электрического и магнитного полей и может быть определено по правилу буравчика. Направление перемещения электромагнитного поля совпадает с направлением перемещения буравчика, размещенного перпендикулярно к плоскости, в которой находятся векторы Е и Н, если рукоятку буравчика поворачивать от вектора Е к вектору Н по кратчайшему пути.

Радиоволна и ее основные характеристики
Принцип формирования радиосигналов. Модуляция

Радиоволна и её характеристики

Электромагнитной волной называется распространяющаяся в пространстве совокупность переменных взаимосвязанных электрических и магнитных полей.

Электромагнитное излучение возникает при изменениях уровня энергии элементарных частиц и при изменении скорости движения электрических зарядов. Последний; способ особенно часто используется в радиотехнике. Ускорениям различных: знаков подвергаются свободные электроны какого-либо проводника, для чего его подключают к источнику переменной э. д.

Рис 3. Возбуждение электромагнитного излучения в свободном пространстве, окружающем провод, в котором протекает переменный ток

Рассмотрим возбуждение электромагнитного излучения в свободном пространстве, окружающем прямой провод, в котором протекает переменный ток (рис. 3). На отдельных участках провода будут возникать переменные заряды и между этими участками появится переменное электрическое поле E₁ направленно вдоль провода. Переменный ток создает вокруг провода переменное магнитное поле Н₁ имеющее в плоскости, перпендикулярно к проводу, вид концентрических окружностей.

Для простоты рассмотрим физическую картину распространения электромагнитного поля в направлениях, перпендикулярны к проводу.

Изменение магнитного поля H₁ например, в точке А вызовет появление переменного электрического поля Е₂ в точке Б. В свою очередь наличие переменного электрического поля в точке Б вызовет появление переменного магнитного поля Н₂ в точке В и т.д.

Таким образом, электрическое и магнитное поля возникают не одновременно во всём пространстве вокруг провода, а передаются от точки к точке, будучи все время взаимно связанными.

Экспериментально установлено, что скорость распространения, электромагнитной волны в свободном пространстве равна скорости света:

ν_o = с≈3*10⁸ м/сек.

Определим, при каких условиях процесс создания переменны током провода энергии в форме взаимосвязанных электрического и магнитного полей протекает достаточно эффективно.

Выше указывалось, что чем больше скорость изменения электрического и магнитного полей, тем больше напряженность вызванных ими магнитного и электрического полей. Из этого следует, что необходимым условием образования интенсивных электромагнитных волн является высокая частота, изменений тока в проводе, однако этого недостаточно. Действительно, пусть энергия высокочастотных колебаний подводится к обычному колебательному контуру (размеры которого малы по сравнению с длиной волны), состоящему из катушки индуктивности L и конденсатора С. Рассмотрим один из витков катушки индуктивности. В любых двух диаметрально противоположных участках витка в каждый момент времени токи направлены в разные стороны. Поэтому в любой достаточно удаленной от витка точке пространства электрические, а также магнитные поля, обусловленные токами рассматриваемых участков витка, будут противофазны и, следовательно, будут взаимно компенсироваться. Так как весь виток, можно считать состоящим из таких пар диаметрально расположенных участков, весь виток, а значит, и вся катушка индуктивности почти не излучает электромагнитную энергию. Если учесть, что заряды обкладок конденсатора в любой момент времени равны и противоположны по знаку, а размеры конденсатора во много раз меньше длины волны, то ясно, что и конденсатор контура энергию тоже почти не излучает.

Для того чтобы электрическая цепь достаточно эффективно излучала энергию в виде электромагнитных волн, необходимо чтобы в ней не было участков с токами противоположных направлений либо расстояния между такими участками были сравнимы с длинной волны.

Полная мощность, излучаемая антенной, может быть получена, если учесть взаимное влияние всех элементов антенны и просуммировать мощности, затрачиваемые источником на всех элементах антенны. Эта полная мощность обозначается через P_s и называется мощностью излучения.

Если длина провода больше λ/2, аналогичное рассмотрение показывает, что излучение будет периодически нарастать и убывать в зависимости от длины провода.

Данные рассуждения являются упрощенными и не позволяют установить точную структуру электромагнитного поля, так как они базируются лишь на качественную формулировку основных законов электромагнитного поля, приведенную выше.

Полную картину электромагнитного поля антенны можно получить на основе решения уравнений Максвелла, описывающих в математической форме электромагнитное поле.

В каждой точке пространства векторы напряженности полей Е и Н взаимно перпендикулярны. Кроме того, они перпендикулярны к направлению распространения электромагнитной волны. Такие волны называются поперечными электромагнитными волнами и обозначаются символом ТЕМ. Магнитное и электрическое поля волны совпадают по фазе, а их напряженности убывают обратно пропорционально первой степени расстояния от излучателя. Энергия электромагнитного поля распределена поровну между электрическим и магнитным полями, т.е.

, (9)

откуда следует, что

,

отношение Е/Н называют волновым сопротивлением среды и обозначают буквой р:

р = . (10)

Волновое сопротивление среды имеет размерность сопротивления. Для вакуума и воздуха р≈371 Ом.

Структура полей электромагнитной волны может быть представлена в виде совпадающих по фазе бегущих волн электрического и магнитного полей, векторы напряженности которых ориентированы в пространстве перпендикулярно друг к другу и лежат в плоскостях, перпендикулярных к направлению распространения волны (рис. 4).

Рис.4. Структура электромагнитной волны.

В некоторых случаях электромагнитные волны удобно изображать в виде лучей, роль которых выполняют линии, вдоль которых распространяется волна, В любой точке пространства луч перпендикулярен к фронту волны.

Рассмотрим теперь вопрос о типах волн, возбуждаемых в пространстве. Различают три основных типа волн: сферические, цилиндрические, плоские.

Сферической называется волна, фронт которой имеет вид сферы. Сферическая волна (рис. 5.а) может быть получена в однородной и изотропной среде при использовании точечного излучателя, т. е. излучателя, размерами которого можно пренебречь по сравнению с длиной волны. При сферической волне напряженность поля убывает обратно пропорционально расстоянию от излучателя и не зависит от направления.

Рис.5. Основные типы волн: а – сферическая; б – цилиндрическая; в - плоская.

Сферическая волна характеризует равномерное излучение энергии во все стороны пространства. Все реальные антенны излучают энергию по разным направлениям различно. Поэтому в реальных условиях электромагнитную волну можно рассматривать как сферическую лишь в некоторых условиях и с определенной степенью приближения.

Цилиндрической называется волна, фронт которой имеет вид цилиндра. Цилиндрическая волна (рис. 5.б) может быть получена с помощью прямолинейного излучателя большой длины (по сравнению с длиной волны) или в случае распространения волны в пространстве, ограниченном двумя параллельными плоскостями. При цилиндрической волне напряженность поля в направлении её распространения убывает обратно пропорционально корню квадратному из расстояния от излучателя.

С известным приближением в качестве цилиндрических могут рассматриваться волны, распространяющиеся между поверхностью земли и верхними слоями земной атмосферы.

Плоской называется волна, фронт которой имеет вид плоскости. С известной степенью приближения в качестве плоской волны могут рассматриваться сферическая и цилиндрическая волны на больших расстояниях от излучателя. При этом, чем больше расстояние от излучателя, тем меньше отличается фронт волны от плоскости в рассматриваемой области (рис. 5.в). При плоской волне напряженность поля не зависит от расстояния до излучателя.

Строение атмосферы и распространение радиоволн

Атмосфера Земли, представляющая собой неоднородную по высоте газообразную оболочку, распространяется до высот 1000—2000 км.

Нижний слой атмосферы, простирающийся до высот 10— 12 км, называют тропосферой. Для тропосферы характерно уменьшение температуры и давления с увеличением высоты, за исключением локальных (местных) слоев температурной инверсии, в которых при этом температура растет.

Выше тропосферы, до высот примерно 60 км, располагается стратосфера, состоящая из слабо ионизированных разреженных газов. Далее следует ионосфера, представляющая собой слои газов, постоянно ионизированных под действием ультрафиолетового, рентгеновского и корпускулярного излучений Солнца, а также космических лучей.

Степень ионизации и высоты, на которых располагаются ионизированные слои, зависят от географической широты, времени суток и года, а также от активности процессов на Солнце, которые достигают максимума раз в 11 лет. В период наибольшей солнечной активности степень ионизации слоев ионосферы увеличивается.

Различают три области ионосферы — D, Е и F. Область D располагается между 50 и 90 км над поверхностью Земли, область Е — между 90 и 150 км, а область F — выше 150 км.

В областях D, Е и F находятся ионизированные слои тех же названий: D, Е и F-слои. Днем, в период наибольшей солнечной радиации, слой F распадается на два слоя — нижний F ₁и верхний F₂. Летом ионизация всех слоев ионосферы больше, чем зимой, а слоя F₂ — меньше, чем зимой.

Примерное распределение концентрации электронов в ионосфере днем(1) и ночью(2) показано на рис. 6.

Рис. 6. Распределение концентрации электронов по высоте.

Кроме сравнительно стабильных слоев ионосферы в атмосфере наблюдается так называемая спорадическая ионизация - ненормально интенсивная ионизация, которая возникает случайно во времени. Это явление проявляется в виде ионосферных бурь, нарушающих радиосвязь, а в особенно интенсивных случаях и прерывающих ее.

Распространение радиоволн сопровождается такими общими для всех них явлениями, как отражение, рассеяние, поглощение, преломление, дифракция и интерференция.

При встрече радиоволны с препятствием происходит ее частичное отражение, что приводит к появлению новых направлений распространения - рассеянию радиоволны. Рассеяние бывает прямое и обратное: падающая и рассеянная радиоволны соответственно распространяются в одну или в противоположные стороны.

В результате взаимодействия со средой, в которой распространяется радиоволна, происходит ее частичное или полное поглощение. При этом энергия радиоизлучения превращается в тепловую энергию. Поглощение радиоволны в среде распространения уменьшает дальность связи. Принцип поглощения энергии радиоволн положен в основу методов радиочастотной обработки материалов (высокочастотная закалка, приготовление пищи в полях СВЧ и др.).

При прохождении радиоволны через неоднородную среду наблюдается изменение направления ее распространения, вызываемое изменением скорости, - преломление, или рефракция. Одновременно наблюдается частичное или полное отражение радиоволны от границы раздела двух сред, причем, чем выше электропроводность отражающей среды, тем большая часть энергии радиоволны будет отражена. Для явления отражения радиоволн справедлив закон оптики: угол падения волны равен углу ее отражения.

При встрече с препятствием изменяется структура полей радиоволны, вследствие чего она огибает препятствие. Это явление называют дифракцией. Дифракция особенно проявляется при длине волны, значительно большей размеров препятствия. Так, мириаметровые волны огибают Землю и все препятствия на ее поверхности.

Вследствие неоднородности среды распространения и широкой диаграммы направленности антенн некоторые радиоволны (например, длинные) приходят в точку приема несколькими путями. Следовательно, на вход приемника поступает несколько сигналов одного и того же передатчика, преодолевших неодинаковые расстояния и поэтому имеющих неодинаковое запаздывание. При этом два сигнала, поступившие на вход приемника, суммируются, и общий сигнал увеличивается. Через некоторое время из-за изменения условий распространения фазовые соотношения между этими сигналами изменяются на противоположные, и общий сигнал определяется их разностью, в результате чего сигнал на выходе приемника уменьшается. Это явление называют интерференционным замиранием радиоволн, или интерференцией.

Рассмотрим особенности распространения радиоволн различных диапазонов и основные области их применения.

Мириаметровые волны проникают в глубь почвы и воды, очень мало ими поглощаются, легко огибают Землю, отражаются от ионосферы днем и ночью и огибают препятствия на поверхности Земли, не отражаясь. Антенны сложны и громоздки. Мириаметровые волны используют для создания устойчивой и не зависящей от условий распространения радиосвязи с низкой скоростью передачи.

Километровые волны мало поглощаются почвой и водой, огибают Землю и объекты на ее поверхности, не отражаясь, и отражаются от ионосферы ночью. Антенны сложны и громоздки. Километровые волны используются в системах дальней радионавигации.

Гектометровые волны поглощаются почвой и водой, отражаются от ионосферы только ночью, а днем почти полностью поглощаются сильно ионизированным слоем Е, огибают, не отражаясь, объекты на поверхности Земли. Антенны имеют средние размеры. Гектометровые волны используются для радионавигации средней дальности и радиовещания.

Декаметровые волны сильно поглощаются почвой и водой, слабо отражаются от объектов на поверхности Земли и интенсивно с малыми потерями — от ионосферы, распространяются в виде поверхностных тропосферных и пространственных волн. Поверхностные волны ПВ быстро затухают, поглощенные Землей, а пространственные распространяются на большие расстояния, многократно отражаясь от ионосферы и Земли. Поэтому на декаметровых волнах осуществима дальняя связь при малой мощности передатчика, однако из-за постоянно меняющихся условий распространения она нестабильна.

Кроме того, на этих волнах образуется зона молчания (рис. 7). Сигнал от передатчика, расположенного в точке А земной поверхности, излучается в виде поверхностной волны ПВ и, достигая освещенной области (точка В), лежащей на расстоянии прямой видимости, уходит в ионосферу. При этом пространственная волна ПрВ при некотором угле α отражается от ионосферы и возвращается на Землю в точке Б. Между точками В и Б образуется область тени - зона молчания, в пределах которой приема нет. Антенны имеют небольшие размеры. На этих волнах осуществляется радиосвязь на большие расстояния и радиовещание.

Рис 7. Образование зоны молчания

Метровые волны очень сильно поглощаются почвой и водой и не отражаются от ионосферы, интенсивно отражаются от подвижных и неподвижных объектов на поверхности Земли. Антенны компактны и обладают острой направленностью излучения. Метровые волны используются для связи с подвижными объектами, расположенными на небольших расстояниях, в радиорелейных линиях и спутниковых системах. В диапазоне метровых волн работает телевидение, радиолокационные станции дальнего обнаружения, а также системы ближней навигации, управления полетом и посадкой самолетов.

Дециметровые волны распространяются только в пределах прямой видимости и избирательно поглощаются атмосферой, интенсивно отражаются от подвижных и неподвижных объектов. Антенны малогабаритны и обладают острой направленностью излучения. Дециметровые волны используются в радиорелейных и спутниковых системах связи, высокоточных наземных системах радиолокации и радиоуправления.

Сантиметровые волны распространяются только в пределах прямой видимости, избирательно поглощаются атмосферой и интенсивно отражаются от различных объектов. Антенны малогабаритны и обладают острой направленностью излучения. Сантиметровые волны используются в радиорелейных и спутниковых системах связи, бортовых радиолокационных станциях кораблей, самолетов и ракет, а также системах радиоуправления.

Миллиметровые волны сильно поглощаются атмосферой. Антенны компактны и остронаправлены. Миллиметровые волны используются в бортовых радиолокационных системах самолетов и ракет.

В радиотехнических устройствах используются электромагнитные колебания (радиоволны), занимающие сравнительно широкий диапазон общей шкалы электромагнитных волн. Вся область радиоволн условно разбивается на ряд поддиапазонов с учетом особенностей распространения их в пространстве. Приводимая ниже таблица дает представление о частотах и длинах волн различных поддиапазонов радиоволн и основные области их применения.

Диапазоны радиоволн	Граница диапазона волн	Граница диапазона частот	Основные области применения
Сверхдлинные	10—100км	30—3кГц	Радионавигация, радиосвязь
Длинные	1—10км	300—30кГц	Радиосвязь, радиовещание
Средние	100—1000м	3—0,3МГц	Радиовещание, радиосвязь
Короткие	10—100м	30—3МГц	Радиосвязь, радиовещание
Метровые	1—10м	300—30МГц	Радиосвязь, телевидение
Дециметровые	1—10дм	3—0,3ГГц	Радиолокация, радиорелейная связь, радионавигация, телевидение
Сантиметровые	1—10см	30—3ГГц	Радиолокация, радиорелейная связь
Миллиметровые	1—10мм	300—30ГГц	Специальные применения
Децимиллиметровые	Меньше 1мм	Больше 300ГГц	Освоение для специальных применений

Различные по своей природе полезнее сигналы или сообщения (речь, музыка, телеграфные и телевизионные сигналы), передаваемые на расстояние, предварительно преобразуются в соответствующие электрические сигналы, представляющие собой сравнительно медленно изменяющиеся колебания напряжения или тока, В проводной телефонии и телеграфии такие сигналы передаются по проводам. Радиотехнические же средства осуществляют их передачу с помощью электромагнитных волн (радиоволн), свободно распространяющихся в пространстве без проводов. Однако непосредственное возбуждение электромагнитных волн в пространстве колебаниями рассмотренных сигналов практически невозможно, поскольку эффективность излучения электромагнитной энергии антенной на низких частотах весьма мала. Передача таких сигналов на расстояние становится возможной в результате преобразования их в электромагнитные колебания высокой частоты - радиосигналы. При этом полезный электрический сигнал (передаваемое сообщение) выступает в качестве, управляющего (модулирующего) сигнала, под воздействием которого из высокочастотных колебаний вырабатывается радиосигнал.

Таким образом, в процессе передачи сообщений по радио необходимо различать два вида сигналов; управляющие (модулирующие) и радиосигналы.

В практике передачи сообщений по радио используются разнообразные управляющие сигналы. Ниже приведены наиболее распространенные из них.

Телеграфный управляющий сигнал представляет собой комбинацию прямоугольных импульсов напряжения, состоящую из импульсов длительностью t_и («точка») и импульсов длительностью 3t_и («тире»), разделенных паузами (рис. 8.а). Такой сигнал вырабатывается на сопротивлении R в схеме путем замыкания и размыкания ключа К. Длительность импульса t_и имеет порядок единиц миллисекунд.

Рис.8

Телефонный управляющий сигнал (рис. 9.а) образуется на сопротивлении R, (рис. 3б) в результате преобразования звукового сигнала, воздействующего на микрофон М. Здесь напряжение на сопротивлении изменяется по тому же закону, по которому изменяется сопротивление микрофона, зависящие от давления на мембрану, оказываемого звуковым сигналом.

Рис. 9.

Импульсные управляющие сигналы (рис 10) представляют собой периодическою последовательность импульсов напряжения заданной формы, длительностью t_и с периодом повторения Т_и. Они широко применяются в радиосвязи, радиолокации, радионавигации,

Рис. 10.

радиотелеуправлении и других областях радиотехники.

Рассматриваемые сигналы характеризуются длительностями t_и, от долей микросекунд до единиц микросекунд и частотой повторения F_и=1/T_и порядка тысяч импульсов в секунду. Радиосигналы создаются передающим устройством. Преобразование управляющего сигнала, вырабатываемого модулятором, в радиосигнал происходит в модуляционном устройстве, на которое одно временно воздействуют колебания задающего генератора и управляющий сигнал. На выходе модуляционного устройства поддаются модулированные колебания, у которых амплитуда, частота или фаза высокочастотных колебаний изменяются в соответствии с управляющим сигналом. Модулированные колебания представляют собой радиосигнал.

В зависимости от того, какой из параметров высокочастотных колебаний изменяется по закону управляющего сигнала, различают амплитудную, частотную или фазовую модуляцию.

В качестве примера на рис. 11 показаны временные диаграммы звукового управляющего сигнала (а) и соответствующего ему радиосигнала (б), импульсного управляющего сигнала (в) и соответствующего ему радиосигнала (д). На рис. 11г показав гармонический управляющий сигнал низкой частоты, а на рис. 11е соответствующие ему радиосигнал при частотной модуляции.

Нагрузкой модуляционного устройства является передающая антенна, в которой протекает высокочастотный ток, содержащий передаваемое сообщение в виде изменения во времени амплитуды, частоты или фазы этого тока по закону изменения управляющего сигнала. По этому же закону изменяются соответственно амплитуда, частота или фаза излучаемых передающей антенной электромагнитных волн.

Рис. 11.

Электромагнитные волны, излученные передающей антенной, распространяясь в пространстве по различным направлениям и воздействия на приемную антенну, индуктируют в ней электродвижущую силу, повторяющую закон изменения тока в передающей антенне.

Радиоприемное устройство выделяет какой-либо один радиосигнал из всей совокупности радиосигналов, одновременно воздействующих на приемную антенну, усиливает его и преобразует в управляющий. Последний воспроизводится выходным устройством.

Модуляция

Для передачи информации на большие расстояния в радиоэлектронике используются высокочастотные гармонические колебания, которые могут эффективно излучаться антеннами и распространяться в виде радиоволн между передатчиком и приемником.

В общем случае колебание высокой частоты может быть представлено в виде

а(t) = A(t) cos u(t) = A(t) cos (ω_o+ ψ(t)). (1)

Если амплитуда, частота и фаза постоянны, т. е. A(t)=А_о=const; ψ(t)=ψ_o=const, то выражение (1) будет определять чисто гармоническое колебание, которое не содержит никакой информации. Частота f_o = ω_o/2π этого колебания называется несущей. Если хотя бы один из параметров высокочастотного колебания изменяется по закону передаваемого сообщения, то в колебании a(t) уже будет содержаться информация, и оно станет модулированным.

Процесс управления одним или несколькими параметрами высокочастотного колебания называется модуляцией. В зависимости от того, какой из параметров высокочастотного колебания изменяется, различают два основных вида модуляции, амплитудную и угловую. Последняя в свою очередь разделяется на частотную и фазовую. На практике из-за несовершенства радиоэлектронных схем часто встречаются смешанные виды модуляции, причем один вид модуляции является полезным, а другой - паразитным.

Изменение любого параметра высокочастотного колебания превращает простое гармоническое колебание в сложное, содержащее целый спектр частот. Структура спектра модулированного колебания зависит от характера передаваемого сообщения и вида модуляции.

Амплитудная модуляция

Наиболее простым и очень распространенным видом модуляции является амплитудная модуляция. При чисто амплитудной модуляции по закону передаваемого сообщения изменяется только амплитуда высокочастотного колебания, а частота и начальная фаза колебания остаются постоянными:

а_АМ (t) = A(t) cos (w₀t + j₀).

График амплитудно-модулированного колебания приведен на рис. 13.

Кривая, соответствующая изменение амплитуды высокочастотного колебания, называется огибающей.

Рис. 12.

Рассмотрим простейший случай амплитудно-модулированных колебаний, когда огибающая является чисто гармоническим колебанием. Такая модуляция носит название тональной, ее график показан на рис. 14. а.

Если для простоты выкладок принять, что начальные фазы высоко-частотного колебания и огибающей равны нулю, то выражение для тонального амплитудно-модулированного колебания можно записать следующим образом:

а (t) = A(t) cos w₀t = (A₀.+DA cos Wt) cos w₀t = A₀ (1+M cos Wt) cos w₀t,

где М = DA/A₀ – коэффициент глубины модуляции. (2)

Для неискаженной передачи сообщения коэффициент глубины амплитудной модуляции не должен быть больше единицы:

0 £ М £ 1 (3)

Спектр тонального амплитудно-модулированного колебания изображен на рис 14.б. Нетрудно показать, что при более сложном законе модуляции амплитудно-модулированное колебание снова будет содержать три составляющих, несущую, верхнюю и нижнюю боковые. Но боковые составляющие уже будут состоять не из одной частоты, а из полосы частот. Верхняя боковая полоса будет иметь спектр, который точно повторяет спектр управляющего сигнала, а нижняя боковая полоса будет симметричным по

Рис.14.

Рис. 13

Рис. 15

отношению к ω_о отображением верхней боковой полосы (рис. 15).

Рис.13.

Угловая модуляция

При чисто угловой модуляции амплитуда высокочастотных колебаний остается постоянной

(А_о =const), а по закону передаваемого сообщения изменяется угол υ(t):

a_ум(t) = A_o cos υ(t). (5)

График колебания, модулированного по углу, приведен на рис. 16.

Прежде чем исследовать свойства высокочастотных колебаний с угловой модуляцией, рассмотрим некоторые общие вопросы и найдем отличие между частотной и фазовой модуляцией.

Рис. 16.

Очевидно, что для характеристики угловой модуляции, так же как при амплитудной модуляции, необходимо сравнивать частоту или фазу промодулированного колебания с частотой или фазой немодулированного колебания. Но если при амплитудной модуляции постоянная амплитуда является горизонтальной линией, с которой легко сравнивать амплитуду промодулированных колебаний, то при угловой модуляции на одном графике должны быть два колебания: чисто гармоническое и промодулированное по углу. Только после этого можно проводить сравнение. Однако и такой способ оказывается мало наглядным.

Для наглядного представления колебания с угловой модуляцией лучше рассмотреть его векторное изображение. В векторном представлении модуляция гармонического колебания является процессом изменения одного из параметров вращающегося вектора, изображающего высокочастотное колебание. Таких изменений может быть всего два — меняется либо амплитуда вектора, либо скорость его вращения. В первом случае имеет место амплитудная модуляция, во втором — угловая модуляция. Для характеристики колебания, модулированного по углу, нужно иметь информацию о состоянии в данный момент двух векторов — промодулированного и немодулированного колебания. Информация может быть дана либо в виде угла между двумя векторами, либо в виде разницы мгновенных значений скоростей этих же векторов. В первом случае получается фазовая информация, т. е. можно говорить о фазовой модуляции, во втором случае — информация о мгновенном значении скорости, т. е. можно говорить о частотной модуляции. Между этими разновидностями угловой модуляции существует очевидная связь:

q (t) = , (6)

w(t) = (7)

где t₂ —t₁ — время, в течение которого наблюдается модуляция.

Из (6), (7) следует, что частотная и фазовая модуляция очень близки между собой. Частотную модуляцию можно рассматривать как разновидность фазовой, или наоборот. Более того, могут быть такие законы изменения частоты и фазы, когда высокочастотное колебание будет совершенно одинаковым независимо от того, какой вид модуляции (частотный или фазовый) используется.

Импульсная модуляция

Дискретизация сигналов по времени позволяет передавать информацию только в отдельные моменты времени, соответствующие отсчетам функции s (t). Иными словами, дискретизация сигналов по времени позволяет переходить от непрерывных сигналов к импульсным.

При этом информация о передаваемом сообщении закладывается в один из параметров импульсной последовательности. Так как идеальная импульсная последовательность характеризуется тремя параметрами: амплитудой А, длительностью t и периодом повторения Dt импульсов, можно изменять по закону передаваемого сообщения любой из параметров и получать различные виды импульсной модуляции (рис. 17).

Если по закону передаваемого сообщения изменяется амплитуда импульсов, то имеет место амплитудно-импульсная модуляция (АИМ); при этом

A(t) = A₀ + k₁ s (t),

где А_о - амплитуда немодулированных импульсов; k₁ - коэффициент пропорциональности между модулирующим напряжение и изменением амплитуды импульсов.

При широтно-импульсной модуляции (ШИМ) по закону передаваемого сообщения изменяется длительность импульса:

τ (t)= τ_о+ k₂ s(t),

где τ_о - длительности немодулированных импульсов; k₂ - коэффициент пропорциональности между модулирующим напряжением и изменением длительности импульса. Рис. 17.

Наконец, при, изменении по закону передаваемого сообщения частоты следования Δτ импульсов будет иметь место либо частотно-импульсная (ЧИМ), либо фазоимпульсная (ФИМ) модуляция:

Δτ (t) = Δτ_о+ k_з s(t),

где Δτ_о - частота следования немодулированной импульсной последовательности; k_з — коэффициент пропорциональности между модулирующим напряжением и изменением частоты следования импульсов.

Различие между ФИМ и ЧИМ аналогично различию между ФМ и ЧМ гармонических колебаний.

Если, кроме дискретизации по времени, провести еще и квантование, то появляется возможность создания еще одного вида импульсной модуляции — кодового. При кодоимпульсной модуляции в соответствии с тем передача сигнала заменяется передачей последовательности чисел. Через интервал времени А₀ передается не один импульс, как при АИМ, ШИМ, ЧИМ или ФИМ, а целая кодовая комбинация импульсов (см. рис. 17.а).

Спектр амплитуд такой импульсной последовательности приведен на рис. 17.б.

Как и при ФМ или ЧМ, ширина спектра получается безграничной, но на практике оказывается достаточным передавать лишь первый «лепесток», т. е. иметь полосу пропускания Δω_о = 2π/τ_о.

Спектр импульсно-модулированного колебания будет значительно сложнее спектра немодулированной импульсной последовательности. Около каждой спектральной составляющей, как около несущей частоты, появятся свои боковые составляющие. Однако общая ширина спектра, если снова передавать только первый «лепесток», расширится очень незначительно. Поэтому ширина полосы частот при импульсной модуляции практически не зависит от вида модуляции и определяется минимальной длительностью импульса.

Основные принципы приема и обработки радиосигналов.

Дата добавления: 2014-12-07