COMUNICAŢII PRIN UNDE ELECTROMAGNETICE

19:09 0 Comments

Experienţele lui Hertz referitoare la emisia şi recepţia undelor electromagnetice au condus la ideea despre posibilitatea folosirii lor la codificarea şi transmiterea informaţiei. După aproximativ opt ani de la efectuarea acestor experimente cu ajutorul undelor electromagnetice au fost realizate primele comunicaţii la distanţă.
Astfel, în anul 1896, fizicianul şi inginerul italian Guglielmo Marconi (1874-1937) a obţinut brevetul de invenţie pentru metoda de semnalizare la distanţă cu ajutorul emiţătorului şi receptorului radio şi a realizat o comunicare la distanţa de 3 km. Perfec- ţionînd aparatele de emisie-recepţie în anul 1901, el a stabilit prima comunicare fără conductoare de conexiune peste oceanul Atlantic. Pentru activitatea sa în dezvoltarea tehnicii radio şi pentru propagarea radioului în calitate de mijloc de comunicare, în anul 1909 lui G. Marconi i s-a decernat Premiul Nobel.
în acelaşi timp, independent de Marconi, aparate de emisie-recepţie au fost inventate şi de fizicianul şi inginerul rus Al. Popov (1859-1906). Cu regret însă, prima transmisiune radio la o distanţă de 250 m demonstrată de Popov nu a fost înregistrată documentar, iar afirmaţiile martorilor oculari despre acest eveniment erau contradictorii.
a. Principiile radiocomunicaţiei
în funcţie de procedeul folosit la codificarea semnalului transmis, se deosebesc cîteva tipuri de comunicaţii radio: radiotelegrafia, radiotelefonia şi radiodifuziunea, televiziunea, radiolocaţia.
50
4. Cum se împarte domeniul radiaţiilor vizibile şi care sînt limitele de lungimi de undă ce corespund anumitor culori?
5. Care sînt sursele radiaţiilor ultraviolete, Rontgen şi y? Caracterizaţi acţiunea acestora asupra ţesuturilor vii.
Primele aparate de emisie-recepţie funcţionau în regim telegrafic. Codificarea semnalului în acest caz este foarte simplă: emiţătorul, prin conectare şi deconectare, transmite semnale de durată diferită corespunzătoare alfabetului Morse (fiecare literă sau cifră reprezintă o combinaţie de puncte şi liniuţe, adică semnale scurte şi lungi).
Următoarea etapă în dezvoltarea radiocomunicaţiei a fost transmiterea semnalelor audio (radiotelefonia şi radiodifuziunea) şi video (televiziunea). Întrucît aceste semnale reprezintă oscilaţii de frecvenţă joasă, iar puterea de emisie a undelor electromagnetice depinde de frecvenţă, ele practic nu se propagă. De aceea este nevoie de un semnal de frecvenţă înaltă (din domeniul undelor radio), numit semnal purtător, care se compune cu cel de frecvenţă joasă ce trebuie transmis. Acest proces este numit modulare şi reprezintă modificarea codificată a unuia din parametrii semnalului purtător.
Cele mai simple tipuri de modulare sînt: modularea în amplitudine (AM - din engleză amplitude moău- lation) şi modularea în frecvenţă (FM -frequency modulation). Ele reprezintă modificarea codificată a amplitudinii şi, respectiv, a frecvenţei semnalului purtător în funcţie de legea de variaţie a celui transmis. în figura 3.9 sînt reprezentate semnalele: purtător (o); de frecvenţă sonoră (b); AM (c) şi FM (d). Principiile de transmitere atît a semnalelor audio, cit şi a celor video sînt aceleaşi. Diferă doar dispozitivele electronice de transformare a acestor semnale în oscilaţii electrice de joasă frecvenţă.
Pentru recepţionarea informaţiei transmise de emiţător, aceasta trebuie mai întîi decodificată, adică este nevoie de extragerea semnalului sonor din cel modulat.
Procesul de separare a oscilaţiilor de joasă frecvenţă din oscilaţiile modulate de înaltă frecvenţă se numeşte demodulare sau detectare, iar dispozitivul ce realizează acest proces - demodulator sau detector.
Radioreceptoarele contemporane sînt construite după acelaşi principiu, însă pentru recepţionarea unui număr mai mare de staţii cu o calitate mai înaltă a sunetului, ele sînt înzestrate cu diferite amplificatoare.
în funcţie de particularităţile circuitelor electronice folosite pentru emisie-recepţie şi ale propagării undelor radio, ele se împart convenţional în cîteva benzi: unde lungi (X> 1 km); medii (100 m< A.< 1 km); scurte (10 m < Â,< 100 m) şi ultrascurte (X < 10 m).
b. Radiolocatia
s
Proprietatea de reflexie a undelor electromagnetice este folosită pe larg la determinarea existenţei şi poziţiei în spaţiu a diferitor obiecte.
Localizarea în spaţiu a unui obiect cu ajutorul undelor electromagnetice se numeşte radiolocaţie, iar dispozitivul electronic folosit în acest scop - radar sau radiolocator.
Orice dispozitiv de tip radar constă dintr-un emiţător de unde electromagnetice, un receptor al acestora şi o antenă direcţională. Emiţătorul emite în spaţiu grupuri de unde separate prin pauze şi concentrate în fascicule cît mai înguste. Din această cauză antena de emisie este aşezată în focarul unei oglinzi metalice concave, care asigură propagarea undei electromagnetice într-o singură direcţie. în timpul pauzelor dispozitivul radar este trecut la funcţionarea în regim de recepţie, înregistrînd undele reflectate de obiectul întîlnit eventual în calea lor. Cunoscînd intervalul de timp t de la momentul trimiterii semnalului pînă la momentul recepţionării celui reflectat şi viteza de propagare a undei electromagnetice egală cu cea de propagare a luminii în vid c, se determină uşor distanţa, d pînă la obiect. îrAr-adevăr, deoarece semnalele emis şi recepţionat parcurg drumul de la staţia radar pînă la obiect şi înapoi pînă .a staţie, avem 2d=ct, de unde obţinem:
Întrucît undele electromagnetice de frecvenţe mari cot fi uşor direcţionate şi în acelaşi timp sînt bine reflectate şi de obiectele mici, în radiolocaţie se folosesc ti precădere undele ultrascurte v e[l08, IO11] Hz.
Elementul principal al oricărui demodulator este dioda semiconductoare sau alt element de conducţie unilaterală (dioda cu vid sau trioda). Să analizăm funcţionarea demodulatorului în baza celui mai simplu radioreceptor, a cărui schemă electrică de principiu este reprezentată în figura 3.10, a. Semnalul modulatîn amplitudine de înaltă frecvenţă {fig. 3.9, c) este captat de antena de recepţie cu ajutorul circuitului oscilant LC acordat în regim de rezonanţă la frecvenţa purtătoare a staţiei de emisie. La trecerea semnalului recepţionat prin dioda D are loc redresarea lui, obţinîndu-se un curent alcătuit doar din pulsaţii pozitive (fig. 3.10, b). Aceste pulsaţii sînt însă tot de înaltă frecvenţă şi de aceea următoarea etapă în realizarea demodulării este ondularea sau netezirea lor cu ajutorul unui filtru. Cel mai simplu filtru este condensatorul conectat în paralel cu sarcina inductivă (căştile audio). în intervalele de timp cînd dioda este deschisă impulsurile de curent se ramifică astfel, încît tensiunea la bornele condensatorului C, şi ale căştilor audio este aceeaşi (i,XL=i2Xcsau /jtoL =/2/u)C). Rezultă că prin condensator circulă un curent de frecvenţă înaltă, iar prin căşti - de frecvenţă joasă. Ramificarea curentului în /, şi /2 conduce pe de o parte la micşorarea intensităţii lui prin căştile audio, însă pe de altă parte în intervalele de timp dintre impulsuri, cînd dioda este blocată, condensatorul se descarcă dînd naştere unui curent /'3 ce trece prin căşti în acelaşi sens cu /,
{fig. 3.10, a). Astfel, prin căştile audio trece un curent de frecvenţă sonoră, ale cărui oscilaţii au forma aproape identică cu cea a semnalului de joasă frecvenţă transmis de emiţător [fig. 3.10, c). Întrucît în căştile audio sunetul provine de la vibraţiile membranelor care oscilează cu frecvenţa curentului ce trece prin bobinele lor, pulsaţiile mici rămase după filtru practic nu influenţează asupra auzului.
Fig. 3.10
51
Pentru a mări cîmpul de observaţie a staţiei radar, antena ei se roteşte atît în plan orizontal, cît şi în cel vertical. Raza de acţiune a staţiilor radar este de ordinul sutelor de kilometri.
Odată cu perfecţionarea dispozitivelor radar, aria de utilizare a lor devine tot mai variată. Cu ajutorul radarelor moderne se poate determina viteza, dimensiunile şi forma obiectelor. Radarul este folosit în navigaţie la stabilirea poziţiei şi vitezei navelor maritime şi aeronavelor, în aeroporturi la dirijarea decolării şi aterizării avioanelor în condiţii de vizibilitate redusă, în securitatea rutieră la verificarea vitezei automobilelor. Navele maritime şi aeronavele de asemenea sînt înzestrate cu dispozitive radar pentru asigurarea securităţii de navigaţie.
Radarele se folosesc pe larg şi în meteorologie. Cu ajutorul lor se obţin informaţii atît despre poziţia maselor de nori, cît şi despre viteza acestora, ceea ce este foarte important pentru precizarea prognozelor meteo.
Un capitol aparte în dezvoltarea radiolocaţiei îl constituie extinderea în astronomie. Radioastrono- mia studiază corpurile cereşti cu ajutorul undelor radio şi milimetrice emise de acestea, folosind receptori de tip radar. Astfel, au fost localizate corpuri cereşti aflate la distanţe inaccesibile pentru telescoa- pele optice. Instalaţiile moderne folosite în acest scop sînt numite radiotelescoape. Informaţiile obţinute cu ajutorul lor oferă posibilităţi excepţionale pentru studiul structurii şi evoluţiei Universului.
Verificaţi-vă cunoştinţele
1. Care sînt tipurile de comunicaţii radio? Ce reprezintă radiotelegrafia?
2. în ce constă procesul de modulare a semnalelor şi care este deosebirea dintre modulările AM şi FM?
3. Ce se numeşte demodulare şi cum se realizează acest proces?
3.6. EVOLUŢIA CONCEPŢIILOR DESPRE NATURA LUMINII
Primele concepţii despre natura luminii au apărut în Antichitate. în secolul VI î.Hr., Pitagora şi discipolii săi considerau că din ochii omului porneşte o emanaţie invizibilă care „pipăie” obiectul cercetat, astfel acesta fiind văzut. Democrit (sec. IV î.Hr.) însă considera că senzaţia vizuală este determinată de acţiunea atomilor emişi de corpurile luminoase care nimeresc pe retina ochiului. Aristotel în sec. IV î.Hr. susţinea că lumina reprezintă nişte raze, numite „raze vizuale”, care ies din ochi. Abia spre sfîrşitul sec. al XVII-lea s-au conturat două concepţii referitoare la natura luminii, determinate, în mare măsură, de realizările în studiul legilor mecanicii: corpuscu- lară, elaborată de către Newton, şi ondulatorie, formulată de către Huygens.
Concepţia corpusculară are la bază proprietatea de propagare rectilinie a luminii în mediile omogene, stabilită experimental. Conform acesteia, lumina reprezintă un flux de particule (corpusculi
4. Ce se numeşte radiolocaţie şi, ce reprezintă radarul?
5. Cum se determină distanţa pînă la un obiect cu ajutorul radarului?
6. Unde sînt folosite radarele? Ce reprezintă radioastro- nomia?