Страница 154 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

1. Для чего нужна модуляция колебаний?

1. Модуляция колебаний — это процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного колебания (называемого несущим) в соответствии с передаваемым информационным сигналом (например, звуком, изображением или данными). Основные параметры, которые модулируются, — это амплитуда, частота и фаза несущего колебания.

Модуляция необходима по нескольким ключевым причинам:

Эффективная передача сигнала на большие расстояния. Низкочастотные сигналы (например, звуковые частоты в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц) не могут эффективно излучаться антенной в виде электромагнитных волн, так как их энергия быстро рассеивается и затухает в пространстве. Высокочастотные колебания, наоборот, хорошо излучаются и способны распространяться на значительные расстояния. Модуляция позволяет "вложить" низкочастотный информационный сигнал в высокочастотную несущую волну, которая и выполняет роль "транспорта" для информации.

Уменьшение размеров антенн. Размер эффективной антенны напрямую связан с длиной волны ($\lambda$) передаваемого сигнала. Оптимальный размер антенны обычно составляет долю от длины волны (например, $\lambda/4$ или $\lambda/2$). Длина волны обратно пропорциональна частоте ($f$): $\lambda = c/f$, где $c$ — скорость света. Для звуковой частоты, скажем, $f=3$ кГц, длина волны составляет $\lambda = (3 \cdot 10^8 \text{ м/с}) / (3 \cdot 10^3 \text{ Гц}) = 100$ км. Антенна размером в десятки километров нереализуема. Если же использовать несущую частоту, например, $f_c=100$ МГц (стандартный FM-диапазон), то длина волны будет $\lambda_c = (3 \cdot 10^8 \text{ м/с}) / (100 \cdot 10^6 \text{ Гц}) = 3$ м. Это позволяет использовать компактные и практичные антенны длиной менее одного метра.

Одновременная работа нескольких передатчиков (частотное разделение). Модуляция позволяет множеству различных источников (например, радиостанциям, телеканалам, сотовым операторам) передавать сигналы одновременно в одной среде, не создавая помех друг другу. Каждому источнику выделяется своя уникальная несущая частота. На приемной стороне можно настроиться на конкретную несущую частоту и с помощью фильтров выделить только нужный сигнал, проигнорировав все остальные. Этот принцип называется частотным разделением каналов (FDM — Frequency Division Multiplexing).

Повышение помехоустойчивости. Различные виды модуляции обладают разной степенью устойчивости к помехам. Например, частотная модуляция (FM) значительно менее восприимчива к атмосферным и индустриальным помехам, чем амплитудная модуляция (AM). Выбор подходящего типа модуляции позволяет повысить надежность и качество связи в зависимости от характеристик канала и требований к передаче данных.

Ответ: Модуляция колебаний нужна для того, чтобы "упаковать" низкочастотный информационный сигнал в высокочастотную несущую волну. Это позволяет эффективно передавать информацию на большие расстояния с помощью антенн практичных размеров, а также организовывать одновременную работу множества каналов связи (например, радиостанций или Wi-Fi сетей) в одном и том же физическом пространстве без взаимных помех.

2. Что называют детектированием колебаний?

2. Детектированием (или демодуляцией) колебаний называют процесс преобразования принятых модулированных колебаний высокой частоты с целью выделения из них низкочастотного сигнала, который несёт в себе полезную информацию (звук, изображение и т.д.). Этот процесс является обратным модуляции.

Для передачи информации на дальние расстояния используется высокочастотный сигнал, называемый несущей волной (с частотой $ \omega_c $). Параметры этой волны (амплитуда, частота или фаза) изменяются в соответствии с низкочастотным информационным сигналом (с частотой $ \Omega $, где $ \Omega \ll \omega_c $). Этот процесс называется модуляцией.

В приёмном устройстве (например, в радиоприёмнике) необходимо выполнить обратную операцию — извлечь исходный информационный сигнал из модулированной несущей волны. Эту задачу и выполняет устройство, называемое детектором.

Простейший амплитудный детектор состоит из двух основных частей:
1. Нелинейный элемент (например, полупроводниковый диод). Он пропускает ток преимущественно в одном направлении, осуществляя выпрямление высокочастотного сигнала. В результате на выходе диода получается последовательность однополярных импульсов высокой частоты, огибающая которых повторяет форму полезного низкочастотного сигнала.
2. Фильтр низких частот (например, RC-цепь). Этот фильтр сглаживает высокочастотные пульсации после диода, пропуская только медленно изменяющийся сигнал, который и является восстановленной информацией.

Таким образом, детектирование является ключевым процессом в радиосвязи, телевидении и других системах передачи информации, позволяющим "расшифровать" принятый сигнал.

Ответ: Детектированием называют процесс выделения низкочастотного информационного (модулирующего) сигнала из высокочастотных модулированных колебаний.

1. При передаче электрических колебаний звуковой частоты $v_1$ от радиостанции до приёмника с использованием амплитудной модуляции необходимо, чтобы частота несущей волны $v_2$ была

1) равна $v_1$

2) много меньше $v_1$

3) меньше $v_1$

4) много больше $v_1$

1. Для передачи информации (в данном случае, электрических колебаний звуковой частоты) на большие расстояния с помощью радиоволн используется процесс, называемый модуляцией. Амплитудная модуляция (АМ), упомянутая в задаче, — это один из видов модуляции, при котором амплитуда высокочастотных колебаний (несущей волны) изменяется в соответствии с законом изменения низкочастотного сигнала (полезного сигнала, например, звука).

В этом процессе участвуют два типа колебаний:
- Полезный сигнал — это электрические колебания звуковой частоты $v_1$. Диапазон частот, воспринимаемых человеческим ухом, составляет примерно от 20 Гц до 20 кГц. Эти частоты являются относительно низкими.
- Несущая волна — это высокочастотные электромагнитные колебания с частотой $v_2$. Эта волна служит "транспортом" для полезного сигнала.

Существует несколько ключевых причин, по которым частота несущей волны $v_2$ должна быть значительно больше частоты звукового сигнала $v_1$ (то есть, должно выполняться условие $v_2 \gg v_1$):

1. Эффективность излучения антенны. Для эффективного излучения электромагнитных волн размер антенны должен быть сопоставим с длиной волны $\lambda$. Длина волны обратно пропорциональна частоте: $\lambda = c/v$, где $c$ — скорость света. Низкочастотные звуковые сигналы имеют огромную длину волны (например, для частоты 1 кГц длина волны составляет 300 км), что делает создание антенны таких размеров практически невозможным. Высокочастотные несущие волны (например, в диапазоне АМ-радиовещания это сотни кГц и единицы МГц) имеют гораздо меньшую и технически реализуемую длину волны.

2. Качественное детектирование (демодуляция). В приёмнике для выделения полезного низкочастотного сигнала из принятого модулированного сигнала необходимо "отфильтровать" несущую частоту. Чтобы огибающая высокочастотного сигнала точно повторяла форму низкочастотного, необходимо, чтобы за один период низкочастотного колебания укладывалось много периодов высокочастотного. Это условие выполняется только тогда, когда $v_2 \gg v_1$. Если частоты близки, то выделить исходный сигнал без искажений будет невозможно.

3. Разделение радиоканалов. Использование высоких несущих частот позволяет разместить в радиоэфире множество радиостанций, не создавая помех друг другу, так как каждой станции выделяется свой узкий диапазон частот вокруг её несущей частоты.

Таким образом, для качественной и эффективной передачи сигнала с использованием амплитудной модуляции необходимо, чтобы частота несущей волны была много больше частоты модулирующего сигнала.

Ответ: 4) много больше $v_1$.

2. Амплитудная модуляция высокочастотных электромагнитных колебаний в радиопередатчике используется для

1) увеличения мощности радиостанции

2) изменения амплитуды высокочастотных колебаний со звуковой частотой

3) изменения амплитуды колебаний звуковой частоты

4) задания определённой частоты излучения данной радиостанции

Амплитудная модуляция (АМ) — это процесс изменения амплитуды высокочастотного несущего колебания в соответствии с законом, задаваемым низкочастотным информационным сигналом (например, звуковым).

В радиопередатчике генерируется высокочастотное электромагнитное колебание, называемое несущим. Оно имеет постоянную частоту $\omega_c$ и (до модуляции) постоянную амплитуду $U_c$. Уравнение такого колебания можно записать как $u_c(t) = U_c \cos(\omega_c t)$.

Информационный сигнал, например, звук, представляет собой низкочастотное колебание $u_m(t)$. Чтобы передать этот сигнал на большое расстояние, его "накладывают" на несущее колебание. При амплитудной модуляции это означает, что амплитуда несущего колебания изменяется пропорционально информационному сигналу. Амплитуда результирующего сигнала становится функцией времени: $A(t) = U_c (1 + k \cdot u_m(t))$, где $k$ — коэффициент модуляции. Таким образом, огибающая высокочастотных колебаний повторяет форму низкочастотного информационного сигнала.

Проанализируем предложенные варианты ответа:

1) увеличения мощности радиостанции

Неверно. Цель модуляции — кодирование информации для передачи, а не увеличение мощности. Мощность сигнала увеличивается в усилителе мощности, который является отдельным блоком радиопередатчика.

2) изменения амплитуды высокочастотных колебаний со звуковой частотой

Верно. Это точное определение процесса амплитудной модуляции. Амплитуда высокочастотного несущего колебания изменяется в такт (т.е. с частотой) низкочастотного звукового сигнала.

3) изменения амплитуды колебаний звуковой частоты

Неверно. Изменяется амплитуда высокочастотного колебания, а не звукового. Звуковое колебание является управляющим сигналом, который вызывает эти изменения.

4) задания определённой частоты излучения данной радиостанции

Неверно. Частота излучения (несущая частота) при амплитудной модуляции остается постоянной. Задание этой частоты — функция задающего генератора. Если бы изменялась частота, это была бы частотная модуляция (ЧМ).

Ответ: 2.