6.0 Aplikace analogové elektroniky

V této kapitole si vysvětlíme některé aplikace elektroniky, se kterými se denně setkáváme. Je to rozhlas a televize, v jejichž základech leží metoda přenosu informace na dálku pomocí tzv. modulace. Modulací míníme metodu zakódování požadované informace do elektromagnetické vlny o frekvenci vyšší než je obsažena v přenášené informaci.

Proč se nedá vzduchem na dálku pomocí antény přenášet např. zvuková informace? Je to proto, že k tomu, aby se elektromagnetická energie z antény účinně vyzařovala je třeba, aby rozměr antény byl srovnatelný s vlnovou délkou. Abychom pochopili, proč tomu tak je, přestavme si jednoduchou smyčku vodiče, tzv. magnetický dipól. Průřez a materiál vodiče budeme volit tak, aby stejnosměrný odpor smyčky byl zcela zanedbatelný, avšak indukčnost smyčky bude nenulová. Připojíme-li nyní smyčku na zdroj střídavého proudu vhodným způsobem, např. tak, že ji v jednom místě rozřízneme a na vzniklé dva konce připojíme výstup našeho zdroje. Pro nízké kmitočty, pro které bude odpovídající vlnová délka mnohem větší, než rozměry smyčky, bude na koncích smyčky napětí odpovídající našim představám o obvodu s indukčností, U_L=jωL⋅I_L. Používám, jak je v řešení střídavých obvodů obvyklé, označení proudů a napětí symbolickými amplitudami, fázory. Napětí tedy předbíhá proud o π/2 a výkon ztracený na smyčce bude nulový. Bude-li však kmitočet proudu, kterým smyčku budíme tak vysoký, že proud bude podél smyčky měnit svoji fázi (tj. vlnová délka bude srovnatelná s rozměry smyčky), bude v určitém místě smyčky napětí s proudem ve fázi a to bude z hlediska budicího zdroje znamenat, že bude muset dodávat do smyčky reálný výkon, bude se tedy zdát, že původně nulový stejnosměrný odpor smyčky se zvětšil a je nenulový. Tomuto odporu se říká radiační odpor a reálný elektrický výkon na něm ztracený smyčka vyzařuje do prostoru okolo sebe. (Obdobnou úvahu bychom mohli provést s tzv. elektrickým dipólem tj. dvěma vodiči, které mají vůči sobě určitou počáteční kapacitu.) Smyčce nebo vodiči, který vyzařuje elektromagnetickou energii, pak říkáme anténa. Obvyklý rozměr antény je polovina nebo čtvrtina vlnové délky, tyto antény se pak nazývají rezonanční. Pro nízké frekvence, tzv. dlouhé vlny (frekvence okolo 100 kHz, odpovídající vlnová délka je 3 km), se délka antény nemůže rovnat ani čtvrtině vlnové délky, radiace je proto neefektivní, nicméně je možné radiace dosáhnout a proto některé rozhlasové vysílače ještě na dlouhých vlnách vysílají.

Anténa vyzařuje energii buď rovnoměrně do všech směrů (např. prutová anténa kolmá k povrchu země), v tom případě intenzita elektrického a magnetického pole ubývá se čtvercem vzdálenosti, nebo preferuje určitý směr, ve kterém pak intenzita elektrického a magnetického pole ubývá mnohem pomaleji, typickým příkladem jsou parabolické antény pro kmitočty v řádu jednotek GHz.

Abychom tedy mohli informaci mohli přenést bezdrátově na dálku, musíme ji zakódovat do elektromagnetické vlny o dostatečně vysoké frekvenci, která se anténou vyzařuje snadno. Metodou, jak požadovanou informaci do vlny zakódovat, jsou různé druhy modulace. Vysvětlíme si zde dva základní druhy analogové modulace, tzv. amplitudovou (amplitude modulation, AM) a kmitočtovou (frekvenční, frequency modulation, FM), a jeden druh tzv. impulsní modulace, impulsně kódovou modulaci (pulse code modulation, PCM).

Proces inverzní k modulaci, tedy proces při kterém z modulované vlny získáváme opět zakódovanou informaci, nazýváme demodulací nebo detekcí. Jednoduché metody demodulace všech zmíněných druhů modulace budou rovněž obsahem této kapitoly.

Amplitudová modulace