Принцип передачи информации по радиоволнам

В данной статье постараемся разобраться в принципах передачи информации по радиоканалу

1) Что такое радиоволны и откуда они берутся
Радиоволны представляют собой электромагнитные колебания переносящие через пространство энергию излучаемую генератором электромагнитных колебаний, электромагнитные колебания в свою очередь возникают при изменении полярности электрического поля, например, когда в проводнике проходит переменный электрический ток. Скорость распространения радиоволн в вакууме равна со скорости света 299 792 458 м/с или 300 000 км/c или 1080 миллионов километров в час. Чтобы примерно представить эту скорость приведем некоторые сравнения, так радиоволна может преодолеть длину экватора Земли за 134 мс, от Земли до Луны радиоволна доберется за 1,225 секунды а от Земли до Солнца за 8,3 минуты.
Для того чтобы понять как возникают радиоволны в генераторе электромагнитных колебаний рассмотрим схему простейшего идеального колебательного контура.
Рисунок ниже показывает простейшийзамкнутый колебательный контур состоящий из заряженного конденсатора и катушки индуктивности (1), заряженный конденсатор начинает разряжаться через индуктивность, в которой возникает электромагнитная индукция и накапливается энергия (2), в этот момент обкладки конденсатора полностью разряжены, далее ток течет через индуктивность и перетекает на обратные обкладки конденсатора полностью заряжая их энергией (3), зарядившись конденсатор вновь обратно начинает разряжаться через индуктивность (4)  и так далее в обратном порядке (5) каждый раз заряжаясь и перезаряжаясь с определенной частотой колебаний.

Для того, чтобы получить открытый колебательный контур,необходимо раздвинуть обкладки конденсатора, в этом случае мы получаем открытый контур излучающий электромагнитные волны в пространство (А), раздвинув обкладки конденсатора в разные стороны (B) получим открытый колебательный контур в котором электромагнитные - радиоволны излучаются в пространство. Если индуктивность заменим на обычный генератор электрического сигнала (С) получим антенну постоянно излучающую радиоволны в пространство с частотой колебаний генератора. На рисунке (D) показано схематичное изображение антенны.

Основной характеристикой радиоволн является частота, которая показывает, как часто в генераторе электромагнитных колебаний меняется направления электрического тока, а значит частота излучаемых радиоволн.
Если представить процесс изменения электромагнитного поля в виде графика изменения, получим картину представленную на рисунке ниже, видно изменение поля в течении времени – постоянный перезаряд обкладок конденсатора с переходными процессами.
Основные параметры радиоволн это амплитуда и длина волны, длина волны в свою очередь связана с частотой.
Амплитуда– соответствует величине напряженности электрического и магнитного поля.
Длина волны– соответствует расстоянию между двумя гребнями волны, двумя точками волны находящихся в одной фазе, связана со скоростью изменения напряженности электромагнитного поля.
Частота- количество волн за определенный период времени, измеряется в герцах [Гц]. Один герц, равен одному колебанию электрического сигнала, за 1 секунду времени[формула расчета частоты f=c/λ f - частота в герцах, с - скорость света, равная 300 000 000 м/сек., λ - длина волны в метрах]

2) После того как мы разобрались, что из себя представляют радиоволны, давайте разберемся, как можно передавать информацию по радиоволнам,представим что перед нами стоит задача передать некоторую последовательность бит 010101, логическую единицу можно пометить отличным уровнем амлпитуды или отличной частотой или сдвигом фазы. Поэтому основные из некоторых методов представления информации это амплитудная модуляция, частотная модуляция, фазовая модуляция.
Изменение амплитуды– называется амплитудной модуляцией, AM modulation
Основной принцип – изменение уровня напряженности электромагнитного поля передающей стороной.
Для обозначения нуля берем уровень амплитуды на базовом значении, а для обозначения единицы будем увеличивать амплитуду на небольшое значение. На графике видно как меняется амплитуда радиоволны в зависимости от битовой последовательности, нулю соответствует базовая амплитуда, а единицы более высокое значение. Амплитудная модуляция получила меньшее распространение в виду технической сложности реализации и малой устойчивостью к помехам, так например источник электромагнитного  излучения не связанный с принимающей и передающей стороной может внести помехи в передачу, например разряд молнии кратковременно поднимет амплитуду и на выходе появится ложный сигнал в виде шума.
Изменение частоты– называется частотной модуляцией, FMmodulation
Основной принцип – изменение частоты радиоизлучения.
Для обозначения нуля берем базовое значение частоты, а для обозначения единицы будем изменять значение частоты в большую сторону. На графике видно как меняется частота в зависимости от битовой последовательности, нулю соответствует базовое значение частоты, а единице более высокая частота отличная от базовой. Частотная модуляция получила большее распространение в виду простоты реализации – необходимо только увеличивать частоту путем изменения частотных характеристик колебательного контура. Так же данная модуляция более помехозащищенная, внешние шумы могут увеличит амплитуду сигнала, но частота при этом останется той же, после прохождения через ряд фильтров мы получим исходную последовательность.

Изменение фазы– называется фазовой модуляцией Phase-shift keying (PSK)
Основной принцип  - скачкообразное изменение сдвига фазы несущей волны
Для обозначения нуля берем отсутствие сдвига по фазе а для обозначения логической единицы, в исходной цифровой последовательности, меняем фазу гармонической посылки на 180°. На графике видно как происходит сдвиг фазы при передачи логической единицы. Фазовая модуляция так же получила широкое распространение в виду хорошей помехозащищенности и простоты реализации. Излучаемая мощность передатчика с фазовой модуляцией всегда находиться на одном уровне, в отличие от амплитудной и частотной модуляции, что уменьшает основные требования к компонентам микроэлектроники.

3) После того как мы разобрались что такое радиоволны и как по ним можно передавать информацию, давайте разберемся с аппаратной реализацией передачи и приема информации.В качестве примера возьмем передачу голоса от передатчика к приемнику, информацию будем передавать используя частотную модуляцию.

Передатчик - трансмиттер - transmitter
Состоит из генератора колебаний, так же называемым осциллятором и из модулятора, который изменяет базовую частоту радиоволны. Работает следующим образом:
- Для генерации базовой частоты радиоволны используем LC колебательный контур состоящий из конденсатора С2 и индуктивности L1, этим мы создаем базовую частоту на выходе антенны.
- Голос оказывая давления на микрофон и создает в нем незначительные электрические колебания которые поступая на Базутранзистора приоткрывает в нем переход Коллектор-Эмиттер. Чем больше громкость, тем больше уровень электрических колебаний создается на выходе микрофона и тем больше открывается переход транзистора.
- Открытый переход транзистора изменяет частотные характеристики колебательного контура в связи с чем на выходе антенны будет меняться частота в зависимости от поступающего сигнала, в данном случае происходит частотная модуляция голосового сигнала

Приемник - ресивер - receiver
Состоит из принимающего устройства и демодулятора.  Для получения голосового сигнала переданного нашим передатчиком нам необходимо демодулировать сигнал, работает это  следующим образом:
- Подстроечным конденсатором С2 настраиваем колебательный контур состоящий из конденсатора С2 и индуктивности L1, так что бы в нем возникла частота колебаний равная базовой частоте передающего сигнала.
- Принятое антенной изменение частоты отличное от базовой вызывает в контуре резонанс, который незначительно повышает напряжение на базе транзистора, приоткрывая переход Коллектор-Эмиттер, чем больше уровень резонанса тем больше открыт транзистор, открытый транзистор в свою очередь меняет характеристики принимающего контура после транзистора и на выходе микрофона появляется звук переданный нашим передатчиком