Введение
Электронное устройство, излучающее радиоволны.
В электронике и телекоммуникациях радиопередатчик, или просто передатчик (часто сокращается как XMTR или TX в технической документации), – это электронное устройство, генерирующее радиоволны с помощью антенны для передачи сигнала до радиоприемника. Сам передатчик генерирует высокочастотный переменный ток, который подается на антенну. Под воздействием этого переменного тока антенна излучает радиоволны. Передатчики являются необходимыми компонентами всех электронных устройств, осуществляющих радиосвязь, таких как радио- и телевизионные вещательные станции, сотовые телефоны, портативные радиостанции, беспроводные компьютерные сети, устройства с поддержкой Bluetooth, автоматические открыватели ворот, двухсторонние радиостанции в самолетах, судах, космических аппаратах, радиолокационные станции и навигационные маяки. Термин "передатчик" обычно относится к оборудованию, генерирующему радиоволны для целей связи или радиолокации, например, радиолокационным и навигационным передатчикам. Генераторы радиоволн для нагрева или промышленных целей, такие как микроволновые печи или аппараты для диатермии, обычно не называют передатчиками, хотя они часто имеют схожие схемы. В обиходе этот термин чаще используется для обозначения вещательного передатчика, применяемого в радио- и телевещании, например, FM-радиопередатчика или телевизионного передатчика. В этом контексте обычно подразумеваются как сам передатчик, так и антенна, а часто – и здание, в котором он размещен.
Описание
Передатчик может быть отдельным устройством электронного оборудования или электрической схемой внутри другого электронного устройства. Передатчик и приемник, объединенные в одном устройстве, называются приемопередатчиком. Основная цель большинства передатчиков – радиосвязь для передачи информации на расстояние. Информация поступает на передатчик в виде электронного сигнала, называемого модулирующим сигналом, например, аудиосигнала (звука) от микрофона, видеосигнала (телевизионного сигнала) от видеокамеры или, в устройствах беспроводной сети, цифрового сигнала от компьютера. Передатчик генерирует радиочастотный сигнал, который, при подаче на антенну, создает радиоволны, называемые несущей частотой. Он объединяет несущую частоту с модулирующим сигналом, процесс, называемый модуляцией. Информация может быть добавлена к несущей частоте различными способами, в зависимости от типа передатчика. В передатчике с амплитудной модуляцией (AM) информация добавляется к радиосигналу путем изменения его амплитуды. В передатчике с частотной модуляцией (FM) она добавляется путем незначительного изменения частоты радиосигнала. Используются также многие другие типы модуляции. Радиосигнал от передатчика подается на антенну, которая излучает энергию в виде радиоволн. Антенна может быть расположена внутри корпуса или прикреплена к внешней стороне передатчика, как в портативных устройствах, таких как мобильные телефоны, рации и автоматические открыватели ворот. В более мощных передатчиках антенна может быть установлена на крыше здания или на отдельной башне и соединена с передатчиком посредством линии передачи, также известной как фидер.
Операция
Электромагнитные волны излучаются электрическими зарядами при их ускорении. Радиоволны, электромагнитные волны радиочастотного диапазона, генерируются переменными во времени электрическими токами, состоящими из электронов, движущихся по металлическому проводнику, называемому антенной, и изменяющих свою скорость, что приводит к их ускорению. Передатчик также кодирует информацию, например, аудио- или видеосигнал, в радиочастотный ток для передачи посредством радиоволн. При попадании на антенну радиоприемника волны вызывают в ней возникновение подобных (но менее мощных) радиочастотных токов. Радиоприемник извлекает информацию из принятых волн.
Регулирование
Два радиопередатчика, работающих в одном и том же районе и пытающихся передавать на одной и той же частоте, будут создавать взаимные помехи, приводя к искаженному приему, из-за чего ни одна из передач не будет принята четко. Помехи радиосвязи могут не только повлечь за собой значительные экономические потери, но и представлять угрозу для жизни (например, в случае помех в экстренной связи или управлении воздушным движением). По этой причине во многих странах использование передатчиков строго регулируется законом. Передатчики должны быть лицензированы государственными органами в соответствии с различными классами лицензий, в зависимости от области применения, такими как вещание, морская радиосвязь, авиационная полоса, любительская радиосвязь, и ограничены определенными частотами и уровнями мощности. Международный союз электросвязи (ITU) распределяет полосы частот радиочастотного спектра между различными категориями пользователей. В некоторых классах каждому передатчику присваивается уникальный позывной, состоящий из последовательности букв и цифр, который должен использоваться в качестве идентификатора во время передачи. Оператор передатчика, как правило, должен иметь государственную лицензию, например, лицензию общего радиотелефонного оператора, которую получают после успешной сдачи экзамена, демонстрирующего достаточные технические и юридические знания безопасной эксплуатации радиооборудования. Исключения из вышеуказанных правил допускают использование маломощных передатчиков ближнего действия без лицензии в потребительских товарах, таких как сотовые телефоны, беспроводные телефоны, беспроводные микрофоны, рации, устройства Wi-Fi и Bluetooth, автоматические открыватели ворот и радионяни. В США они регулируются частью 15 правил Федеральной комиссии по связи (FCC). Несмотря на то, что эти устройства могут эксплуатироваться без лицензии, они, как правило, должны пройти процедуру сертификации перед продажей.
История
Первые примитивные радиопередатчики (называемые передатчиками искрового разряда) были построены немецким физиком Генрихом Герцем в 1887 году в ходе его новаторских исследований радиоволн. Они генерировали радиоволны посредством искры высокого напряжения между двумя проводниками. Начиная с 1895 года, Гульельмо Маркони разработал первые практические системы радиосвязи, используя эти передатчики, и радио начало применяться в коммерческих целях примерно с 1900 года. Искровые передатчики не могли передавать звук и вместо этого передавали информацию радиотелеграфным способом: оператор нажимал на телеграфный ключ, который включал и выключал передатчик, создавая импульсы радиоволн, формирующие текстовые сообщения в телеграфном коде, обычно коде Морзе. На приемной стороне эти импульсы иногда непосредственно записывались на бумажные ленты, но более распространенным был звуковой прием. Импульсы воспринимались как щелчки в наушниках приемника, которые оператор, знающий морзе, преобразовывал обратно в текст. Эти искровые передатчики использовались в течение первых трех десятилетий развития радио (1887–1917), период назывался эпохой беспроводной телеграфии или «искры». Поскольку они генерировали затухающие волны, искровые передатчики были электрически «шумными». Их энергия распределялась по широкой полосе частот, создавая радиопомехи, которые влияли на работу других передатчиков. Выбросы затухающих волн были запрещены международным законодательством в 1934 году. После начала века появились две конкурирующие, но недолговечные технологии передатчиков – первые генераторы непрерывных волн: дуговой преобразователь (дуга Пулсена) в 1904 году и генератор Александерсона около 1910 года, которые использовались до 1920-х годов. Все эти ранние технологии были заменены вакуумными передатчиками в 1920-х годах, которые использовали колебатель обратной связи, изобретенный Эдвином Армстронгом и Александром Мейснером около 1912 года, основанный на вакуумной лампе Audion (триоде), изобретенной Ли де Форестом в 1906 году. Вакуумные передатчики были недорогими, генерировали непрерывные волны и могли быть легко модулированы для передачи звука с использованием амплитудной модуляции (AM). Это сделало возможным AM-радиовещание, которое началось примерно в 1920 году. Практическая частотная модуляция (FM) была изобретена Эдвином Армстронгом в 1933 году, который показал, что она менее подвержена воздействию шумов и помех, чем AM. Первая FM-радиостанция получила лицензию в 1937 году. Экспериментальная телевизионная передача осуществлялась радиостанциями с конца 1920-х годов, но практическое телевизионное вещание началось только в конце 1930-х годов. Разработка радара во время Второй мировой войны стимулировала развитие высокочастотных передатчиков в диапазонах УВЧ и СВЧ, с использованием новых активных устройств, таких как магнетрон, клистрон и бегущая волновая трубка. Изобретение транзистора позволило в 1960-х годах разработать небольшие портативные передатчики, такие как беспроводные микрофоны, устройства для автоматического открытия ворот гаражей и рации. Развитие интегральной схемы (ИС) в 1970-х годах способствовало нынешнему распространению беспроводных устройств, таких как мобильные телефоны и сети Wi-Fi, в которых интегрированные цифровые передатчики и приемники (беспроводные модемы) в портативных устройствах работают автоматически в фоновом режиме для обмена данными с беспроводными сетями. Необходимость экономии полосы пропускания в перегруженном радиоспектре стимулирует разработку новых типов передатчиков, таких как широкополосная связь, транковые радиосистемы и когнитивное радио. Связанной тенденцией является продолжающийся переход от аналоговых к цифровым методам радиопередачи. Цифровая модуляция может обладать большей спектральной эффективностью, чем аналоговая; то есть она часто может передавать больше информации (скорость передачи данных) в заданной полосе пропускания, чем аналоговая, используя алгоритмы сжатия данных. Другими преимуществами цифровой передачи являются повышенная помехоустойчивость, а также большая гибкость и вычислительная мощность цифровых интегральных схем обработки сигналов.