«Радиоволны» передают музыку, разговоры, фотографии и данные незримо через воздух, часто более чем миллионы миль — это происходит каждый день тысячами различных способов! Даже при том, что радиоволны невидимы и абсолютно необнаружимы людьми, они полностью изменили общество. Говорим ли мы о сотовом телефоне, радионяне, беспроводном телефоне или о ком-либо из тысяч других беспроводных технологий, все они используют радиоволны для осуществления коммуникации.
Вот всего несколько повседневных технологий, которые значительным образом зависят от радиоволн:
- Радиопередачи AM и FM
- Беспроводные телефоны
- Беспроводные сети
- Радиоуправляемые игрушки
- Телевизионные передачи
- Сотовые телефоны
- GPS-приёмники
- Любительские радио
- Спутниковая связь
- Полицейское радио
- Беспроводные часы
Данный список можно продолжать и продолжать… Даже такие вещи, как радиолокационные и микроволновые печи зависят от радиоволн. Также такие вещи, как связь и навигационные спутники не функционировали бы без радиоволн, равно как и современная авиация — самолёт сегодня зависит от десятка различных систем радиосвязи. Нынешняя тенденция к беспроводному доступу в Интернет использует радио, и это означает, что в будущем нас ждёт намного больше удобства.
Шутка-минутка
Самое смешное, что, по своей сути, радио является невероятно простой технологией. С помощью всего лишь нескольких электронных компонентов, которые стоят не более одного или двух долларов, вы можете создавать простые радиопередатчики и приёмники. История того, как что-то настолько простое стало основной технологией современного мира является захватывающей. В сегодняшней статье мы рассмотрим технологию под названием «радио», так что вы сможете полностью понять, как невидимые радиоволны делают столько много вещей, и нашу жизнь проще.
Простейшее радио
Радио может быть невероятно простым, и на рубеже веков эта простота сделала раннее экспериментирование возможным для примерно любого человека. Как просто получить радио? Один из примеров описывается далее:
- Возьмите свежую 9-вольтовую батарейку и монету
- Найдите AM-радио и настройте его на область дисков, где будет слышна статика
- Теперь держите батарейку вблизи антенны и быстро нажмите на два контакта аккумулятора монетой (так, чтобы вы соединили их вместе на мгновение)
- Вы услышите потрескивание в радио, которое вызвано связью и разъединением монеты
Да, простая батарейка и не менее простая монета являются радиопередатчиком. Данная комбинация не передаёт ничего полезного (только статика), и передача не будет производиться на далёкие расстояния (всего несколько дюймов, потому что нет оптимизации для расстояния). Но если вы используете статику, чтобы вытряхнуть Азбуку Морзе, вы можете фактически сообщить о чём-то не более чем на расстояние нескольких дюймов с этим непродуманным устройством.
Более сложное радио
Если вы хотите получить немного более сложное радио, используйте металлический файл и два куска проволоки. Соедините ручку файла к одному контакту 9-вольтовой батарейки, затем соедините второй кусок проволоки ко второму контакту и запустите конструкцию проводя вверх и вниз по файлу. Если вы сделаете это в темноте, вы сможете увидеть, как очень маленькие 9-вольтовые искры бегут вдоль файла, поскольку наконечник проволоки производит соединение и разъединение. Держите файл около AM-радио и тогда услышите много статики.
В первые дни радиопередатчики были названы искровыми катушками, и, кроме того, они создавали непрерывный поток искр при гораздо более высоких напряжениях (например, 20000 вольт). Высокое напряжение, соответственно, поспособствовало созданию больших искр, таких, какие вы видите в свече зажигания, например. Сегодня такой передатчик, как этот, незаконен, потому что спамит весь спектр радиочастот, но в первые дни он работал отлично и был очень распространён потому, что было не много людей, использующих радиоволны.
Основы радио: части
Как вы могли заметить из предыдущего раздела, создавать статику невероятно легко. Однако все радиостанции сегодня используют непрерывные волны синуса для передачи информации (аудио, видео, различные данные). Причина, по которой мы используемые непрерывные волны синуса сегодня — потому что есть много различных людей и устройств, которые в то же время хотят использовать радиоволны. Если бы у вас был какой-либо способ видеть их, то вы нашли бы, что есть буквально тысячи различных радиоволн (в форме волн синуса) вокруг вас прямо сейчас — телепередачи, радиопередачи AM и FM, полицейские и пожарные радио, спутниковые телевизионные передачи, разговоры сотовых телефонов, GPS-сигналы и так далее. Также удивительно, как много применений существует для радиоволн сегодня. Каждый отличающийся радиосигнал использует различную частоту волны синуса, и именно так они все разделены.
У любой радио-установки есть две части: передатчик (трансмиттер) и приёмник (ресивер). Передатчик перехватывает своего рода сообщение (это может быть звук чьего-либо голоса, изображение экрана телевизора, данные для радиомодема или любое другое что-то), кодирует его на волну синуса и передаёт с радиоволнами. Приёмник же, понятное дело, принимает радиоволны и расшифровывает сообщение от волны синуса, которую оно получает. И трансмиттер и ресивер используют антенны, чтобы излучить и захватить радиосигнал.
Основы радио: реальные примеры
Радионяня примерно так же проста, как и получаемая технология радиосвязи. Существует передатчик, который «сидит» в комнате ребёнка и приёмник, что родители используют, чтобы слушать своё чадо. Вот некоторые из важных характеристик типичной радионяни:
- Модуляция: Амплитудная Модуляция (Amplitude Modulation, AM)
- Диапазон частот: 49 МГц
- Количество частот: 1 или 2
- Мощность передатчика (трансмиттера): 0.25 Вт
Типичная радионяня с передатчиком слева и приёмником справа. Передатчик находится, непосредственно, в комнате ребёнка и служит некой мини-радиостанцией. Родители же берут с собой приёмник и с помощью него слушают деяния ребёнка. Дальность связи ограничивается до 200 футов (61 метр)
Не волнуйтесь, если такие термины, как «модуляция» и «частота» не имеют смысла для вас сейчас — мы доберёмся до них через некоторое время и я объясню, что они значат.
Мобильный телефон содержит в себе как приёмник, так и передатчик, и оба работают одновременно на разных частотах. Сотовый телефон взаимодействует с сотовой вышкой и способен передавать сигналы на расстояние 2 или 3 мили (3-5 километров)
Сотовый телефон также радио и является гораздо более сложным устройством. Сотовый телефон содержит как передатчик, так и приёмник, и вы можете использовать одновременно их оба — так вы будете использовать сотни различных частот и сможете автоматически переключаться между ними. Вот некоторые из важных характеристик типичного аналогового сотового телефона:
- Модуляция: Частотная Модуляция (Frequency Modulation, FM)
- Диапазон частот: 800 МГц
- Количество частот: 1.664
- Мощность передатчика (трансмиттера): 3 Вт
Простые передатчики (трансмиттеры)
Вы можете получить представление о том, как работает радиопередатчик, начиная с батарейки и куска проволоки. Как известно, батарея посылает электричество (поток электронов) через провод при подключении его между двумя контактами. Движущиеся электроны создают магнитное поле, окружающее провод, и поле достаточно сильное, чтобы повлиять на компас.
Давайте предположим, что вы берёте ещё один провод и помещаете его параллельно провода аккумулятора на несколько дюймов (5 сантиметров). При подключении очень чувствительного вольтметра к проводу произойдёт следующее: каждый раз, когда вы подключаете или отключаете первый провод от батареи, вы ощутите очень маленькое напряжение и ток во втором проводе; любое изменение магнитного поля может вызвать электрическое поле в проводнике — это основной принцип, лежащий в любом электрическом генераторе. Итак:
- Батарея создаёт поток электронов в первом проводе
- Подвижные электроны создают магнитное поле вокруг провода
- Магнитное поле простирается до второго провода
- Электроны начинают течь во втором проводе каждый раз, когда магнитное поле в первом проводе изменяется
Одна важная вещь, заметьте, состоит в том, что поток электронов во втором проводе только тогда, когда вы соединяете или разъединяете батарею. Магнитное поле не вызывает электроны течь в проводе, если магнитное поле не меняется. Подключение и отключение батарейки меняет магнитное поле (подключение аккумулятора к проводу создаёт магнитное поле, в то время как отключение разрушает его). Таким образом протекает поток электронов во втором проводе в те два момента.
Передача информации
Если у вас есть волна синуса и передатчик, который передаёт волну синуса в космос с антенной, у вас есть радиостанция. Единственная проблема заключается в том, что волна синуса не содержит никакой информации. Вы должны смодулировать волну в некотором роде, чтобы закодировать информацию на ней. Есть три распространённых способа смодулировать волну синуса:
Импульсная Модуляция — в PM вы просто включаете волну синуса и отключаете. Это простой способ отправить код Азбуки Морзе. PM не настолько распространана, но один хороший пример её — система радиосвязи, которая посылает сигналы в радиоуправляемые часы в Соединённых Штатах Америки. Один передатчик PM в состоянии покрыть все Соединённые Штаты Америки!
Амплитудная Модуляция — обе радиостанции AM и часть телевизионного сигнала сигнализируют амплитудную модуляцию для кодирования информации. В амплитудной модуляции амплитуда волны синуса (её напряжение от пика к пику) изменяется. Так, например, волна синуса, произведённая голосом человека, накладывается на волну синуса передатчика, чтобы изменить её амплитуду.
Частотная Модуляция — радионстанции FM и сотни других беспроводных технологий (включая звуковую часть телевизионного сигнала, беспроводные телефоны, сотовые телефоны и так далее) используют частотную модуляцию. Преимущество FM заключается в том, что она в значительной степени невосприимчива к статике. В FM изменение частоты волны синуса передатчика очень слабо основывается на информационном сигнале. После того, как вы смодулировали волну синуса с информацией, вы можете передать её!
Частота
Одна особенность волны синуса — своя частота. Частота волны синуса — количество раз, сколько колеблется она вверх и вниз в секунду. Когда вы слушаете радиопередачу AM, ваше радио настраивается на волну синуса с частотой приблизительно 1000000 циклов в секунду (циклы в секунду известны также как герцы). Например, 680 на дайле AM — это 680000 циклов в секунду. Радиосигналы FM работают в диапазоне 100000000 герц. Таким образом, 101.5 в дайле FM будет значится как 101500000 циклов в секунду.
Приём сигнала AM
Вот пример реального мира. При настройке вашего автомобильного AM-радио на станции, например, 680 на циферблате AM — значит, что волна синуса передатчика передаёт 680000 герц (волна синуса повторяет 680000 раз в секунду). Голос диджеев модулируется на этой несущей волне путём изменения амплитуды волны синуса передатчика. Усилитель усиливает сигнал на что-то вроде 50000 Вт для большой AM-станции. Тогда антенна передаёт радиоволны в космос.
Так как же AM-радио вашего автомобиля — приёмник — получает 680000-герцевый сигнал, который послан передатчиком и извлекает информацию (голос диджея) из него? Далее я перечислю вам шаги данного процесса:
- Если вы не сидите прямо рядом с передатчиком, ваш радиоприёмник нуждается в антенне, чтобы помочь подобрать радиоволны передатчика из воздуха. AM-антенна представляет собой просто провод или металлическую палку, которая увеличивает количество металла, с которым могут взаимодействовать волны передатчика.
- Также ваш радиоприёмник нуждается в тюнере. Антенна будет получать тысячи волн синуса. Работа тюнера заключается в отделении одной волны синуса от тысяч различных радиосигналов, которые получает антенна. В этом случае приёмник настроен на получение сигнала 680000 герц. Тюнеры работают используя принцип, называющийся резонанс, то есть тюнеры резонируют и усиливают одну особую частоту, в то время как все другие частоты игнорируются в воздухе. Резонатор, к слову, легко создать с помощью конденсатора и катушки индуктивности.
- Тюнер заставляет радио получать всего одну частоту волны синуса (в нашем случае 680000 герц). Теперь радио должно извлечь голос диджея из этой волны синуса — это делается посредством одной из частей радио под названием детектор или демодулятор. В случае с AM-радио, детектор выполнен так, что имеет электронные компоненты, называемые диодами. Диод позволяет току течь в одном направлении и только через него.
- Радио затем усиливает обрезанный сигнал и посылает его спикерам (или наушникам). Усилитель выполнен из одного или нескольких транзисторов (чем больше транзисторов, тем больше усиление и поэтому большая мощность приходится на динамики).
То, что вы слышите исходящее из динамиков — голос диджеев (привет, кэп). В FM-радио детектор отличается, но всё остальное то же самое. В FM-радио детектор изменяет частоту в звуке, но антенна, тюнер и усилитель — в основном то же самое.
Основы антенны
Вы, наверное, заметили, что почти каждое радио, будь то мобильный телефон, радио в автомобиле и многое другое, имеет антенну. Антенны бывают всех форм и размеров, в зависимости от частоты, которую антенна пытается получать. Радиопередатчики также используют чрезвычайно высокие башни-антенны для передачи их сигналов.
Идея антенны в радиопередатчике подразумевает под собой запуск радиоволны в космос. В приёмнике идея состоит в том, чтобы взять как можно больше данных передатчика и поставлять её тюнеру. Для спутников, которые находятся от нас в миллионах миль, NASA использует огромные спутниковые антенны до 200 футов (60 метров) в диаметре — только представьте себе подобную картинку маслом.
Размер оптимальной радиоантенны связан с частотой сигнала, который антенна пытается передавать или принимать. Причина этой взаимосвязи имеет отношение к скорости света, в результате чего на далёкие расстояния могут отправляться электроны. Скорость света составляет 186000 миль в секунду (300000 километров в секунду).
Антенны: реальные примеры
Давайте предположим, что вы пытаетесь построить радиовышку для радиостанции 680 AM. Она передаёт волну синуса с частотой 680000 герц. В одном цикле волны синуса передатчик будет перемещать электроны в антенну в одном направлении, переключиться и задержит их, снова переключиться и выставит их, а потом переключиться ещё раз и вернёт их обратно. Другими словами, электроны будут изменять направление четыре раза в течение одного цикла волны синуса. Если передатчик работает на 680000 герц, это означает, что каждый цикл завершается в (1/680000) 0.00000147 секунды. Одна четверть этого составляет 0.0000003675 секунды. Со скоростью света электроны могут пролететь 0.0684 мили (0.11 километра) через 0.0000003675 секунды. Это значит, что оптимальный размер антенны для передатчика на 680000 герц равен 361 футу (110 метрам). Таким образом, радиостанции AM нуждаются в очень высоких башнях. Для мобильного телефона, работающего на частоте 900000000 (900 МГц), с другой стороны, оптимальный размер антенны составляет около 8.3 сантиметра или 3 дюймов — именно поэтому мобильные телефоны могут иметь такие короткие антенны.
Вы могли бы задаться вопросом, почему когда радиопередатчик передаёт что-то, радиоволны хотят размножиться через пространство далеко от антенны со скоростью света. Почему радиоволны могут преодолевать миллионы миль? Оказывается, что в пространстве магнитное поле, создаваемое антенной, индуцирует электрическое поле в пространстве. Это электрическое поле, в свою очередь, вызывает ещё магнитное поле в пространстве, которое индуцирует другое магнитное поле, которое индуцирует другое магнитное поле, и так далее. Эти электрические и магнитные поля (электромагнитные поля) вызывают друг друга в пространстве со скоростью света, путешествуя таким образом далеко от антенны. Вот и всё на сегодня. Надеюсь, что статья была очень интересной, познавательной, полезной и вы узнали много нового о повседневной технологии.
