Как работает радио

Электромагнитные радиоволны являются одним из самых значительных открытий для технологий 20-го и 21-го века. Вы их не видите, но бесчисленные высокочастотные волны каждый день отражаются в воздухе вокруг вас. Они облегчают беспроводную связь для таких вещей, как автомобильные радиоприемники, смартфоны и Wi-Fi-интернет. Благодаря радио передача данных между людьми стала быстрее и удобнее, чем когда-либо.

Вот лишь некоторые из повседневных технологий, которые зависят от радиоволн:

• Открыватели гаражных ворот
• Беспроводные сети
• Радиоуправляемые игрушки
• Телетрансляции
• Сотовые телефоны
• GPS-приемники
• Радиолюбители
• Полицейские рации
• Беспроводные часы

Даже такие вещи, как радары и микроволновые печи, зависят от радиоволн. Спутники связи и навигации были бы невозможны без радиоволн, как и современная авиация - самолет зависит от дюжины различных радиосистем. Сети Wi-Fi, от которых мы зависим на работе, дома и в школе, также полностью зависят от радиоволн для передачи данных.

Самое смешное, что по своей сути радио - это невероятно простая технология. Имея всего пару электронных компонентов стоимостью не более доллара или двух, вы можете построить простые радиопередатчики и приемники. В этой статье мы рассмотрим технологию радио, чтобы вы могли полностью понять, как невидимые радиоволны делают возможным так много вещей.

Самое простое радио

Радио может быть невероятно простым, и на рубеже 20-го века эта простота сделала первые эксперименты возможными практически для всех. Насколько простым это может быть? Вот пример:

• Возьмите свежую 9-вольтовую батарейку и монету.
• Найдите AM-радио и настройте его на ту часть циферблата, где вы слышите статические помехи.
• Теперь поднесите батарею к антенне и быстро коснитесь монетой двух клемм батареи (чтобы на мгновение соединить их вместе).
• Вы услышите треск в радио, вызванный подключением и отключением монеты.

Ваша комбинация батарея/монета является радиопередатчиком! Он не передает ничего полезного (только статические помехи) и не будет передавать очень далеко (всего несколько дюймов, потому что он не оптимизирован для расстояния). Но если вы используете статические помехи, чтобы выстукивать азбуку Морзе, вы действительно можете общаться на расстоянии нескольких дюймов с помощью этого грубого устройства.

A (слегка) более сложное радио

Если вы хотите немного посложнее, используйте металлический напильник и два куска проволоки. Подсоедините ручку напильника к одному из контактов вашей 9-вольтовой батареи. Подсоедините другой кусок провода к другой клемме и пропустите свободный конец провода вверх и вниз по файлу. Если вы сделаете это в темноте, вы сможете увидеть очень маленькие 9-вольтовые искры, пробегающие по напильнику, когда кончик провода соединяется и разъединяется с ребрами напильника. Держите файл рядом с AM-радио, и вы услышите много помех.

На заре радио передатчики назывались искровыми катушками, и они создавали непрерывный поток искр при гораздо более высоких напряжениях (например, 20 000 вольт). Высокое напряжение создавало большие толстые искры, как в свече зажигания, и они могли передаваться дальше. Сегодня такой передатчик незаконен, потому что он рассылает спам по всему радиочастотному спектру, но в первые дни он работал нормально и был очень распространен, потому что радиоволны не регулировались строго.

Основы радио: Части

Как видно из предыдущего раздела, с помощью статики невероятно легко передать сигнал. Однако сегодня все радиоприемники используют непрерывные синусоидальные волны для передачи информации. Самые ранние радиопередатчики одновременно излучали большую полосу частот. Все, что они могли воспроизвести, - это простые звуки, которые можно было использовать для общения с помощью азбуки Морзе. Синусоидальный передатчик сужает эту полосу до более конкретных частот, которые могут эффективно воспроизводить сложную информацию, такую как аудиопотоки, видео и интернет-данные. Узкая полоса частот также позволяет нескольким передатчикам работать в одном районе, не мешая друг другу.

Сегодня мы используем непрерывные синусоидальные волны, потому что так много разных людей и устройств хотят использовать радиоволны одновременно. Если бы у вас был какой-то способ увидеть их, вы бы обнаружили, что прямо сейчас вокруг вас буквально тысячи различных радиоволн (в форме синусоидальных волн) - телепередачи, радиопередачи AM и FM, полицейские и пожарные радиостанции, спутниковое телевидение. передачи, разговоры по мобильному телефону, сигналы GPS и так далее. Удивительно, как много сегодня можно использовать для радиоволн. Каждый отдельный радиосигнал использует разную частоту синусоидальной волны, и именно так все они разделены.

Любая настройка радио состоит из двух частей:

• передатчик
• получатель

Передатчик принимает какое-то сообщение (это может быть звук чьего-то голоса, картинки для телевизора, данные для радиомодема и т.д.), кодирует его в синусоиду и передает с помощью радиоволн. Приемник принимает радиоволны и декодирует сообщение из полученной им синусоидальной волны. И передатчик, и приемник используют антенны для излучения и захвата радиосигнала.

Простые передатчики

Вы можете получить представление о том, как работает радиопередатчик, начав с батареи и куска провода. Батарея посылает электричество (поток электронов) по проводу, если вы подключите провод между двумя клеммами аккумулятора. Движущиеся электроны создают магнитное поле, окружающее провод, и это поле достаточно сильное, чтобы воздействовать на компас.

Допустим, вы берете другой провод и размещаете его параллельно проводу батареи, но на расстоянии 2 дюймов (5 сантиметров) от него. Если вы подключите к проводу очень чувствительный вольтметр, то произойдет следующее: Каждый раз, когда вы будете подключать или отключать первый провод от аккумулятора, вы будете ощущать очень маленькое напряжение и ток во втором проводе; любое изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрическое поле в проводнике - это основной принцип любого электрического генератора. Итак:

• Батарейка создает поток электронов в первом проводе.
• Движущиеся электроны создают вокруг провода магнитное поле.
• Магнитное поле простирается до второго провода.
• Электроны начинают течь по второму проводу всякий раз, когда изменяется магнитное поле в первом проводе.

Важно отметить, что электроны текут по второму проводу только тогда, когда вы подключаете или отключаете аккумулятор. Магнитное поле не заставляет электроны течь по проводу, если магнитное поле не меняется. Подсоединение и отсоединение батареи изменяет магнитное поле (подключение батареи к проводу создает магнитное поле, а отсоединение разрушает поле), поэтому электроны текут по второму проводу в эти два момента.

Создание собственного простого передатчика

Чтобы создать простой радиопередатчик, нужно создать быстро меняющийся электрический ток в проводе. Вы можете сделать это, быстро подключив и отключив аккумулятор, как показано слева:

Лучше создать постоянно меняющийся электрический ток в проводе. Самая простая (и самая плавная) форма непрерывно меняющейся волны - это синусоида, подобная той, что показана ниже:

Создавая синусоиду и пропуская ее по проводу, вы создаете простой радиопередатчик. Очень легко создать синусоидальную волну с помощью всего нескольких электронных компонентов - конденсатор и катушка индуктивности могут создать синусоидальную волну, а пара транзисторов может усилить волну в мощной и простой схеме передатчика. Посылая этот сигнал на антенну, вы можете передавать синусоидальную волну в космос.

Передача информации

Если у вас есть синусоидальная волна и передатчик, который передает синусоидальную волну в космос с помощью антенны, у вас есть радиостанция. Единственная проблема в том, что синусоида не содержит никакой информации. Вам нужно каким-то образом модулировать волну, чтобы закодировать на ней информацию. Существует четыре распространенных способа модуляции синусоиды:

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

В ШИМ вы просто включаете и выключаете синусоиду. Это простой способ отправить азбуку Морзе. ШИМ не так распространен, но хорошим примером является радиосистема, которая посылает сигналы на радиоуправляемые часы в Соединенных Штатах. Один ШИМ-передатчик способен покрыть всю территорию США!

Амплитудная модуляция (AM)

AM-радиостанции используют амплитудную модуляцию для кодирования информации. При амплитудной модуляции изменяется амплитуда синусоиды (ее размах напряжения). Так, например, синусоидальная волна, создаваемая человеческим голосом, накладывается на синусоидальную волну передатчика для изменения ее амплитуды.

Частотная модуляция (FM)

FM-радиостанции и сотни других беспроводных технологий используют частотную модуляцию. Преимущество FM в том, что он в значительной степени невосприимчив к статическому электричеству. В FM частота синусоидальной волны передатчика очень незначительно изменяется в зависимости от информационного сигнала. FM использует сигналы более высокой частоты, чем AM, которые имеют более высокую точность, но меньший диапазон.

Цифровая модуляция

Цифровая модуляция кодирует цифровую информацию в аналоговый несущий сигнал и обеспечивает более высокую точность без какой-либо типичной статики. В случае таких вещей, как беспроводные маршрутизаторы, цифровая модуляция также позволяет шифровать сигнал. Таким образом, передатчик будет отправлять данные только на определенные устройства.

Однако слишком слабый цифровой сигнал быстро придет в негодность. Аудиоданные будут звучать зашифрованными, а видео будут сильно пикселизированными. В США эфирное телевидение полностью перешло на цифровую передачу, и многие наземные радиостанции работают не только с аналоговыми сигналами, но и с цифровыми антеннами.

Как только вы модулируете синусоиду информацией, вы можете передавать информацию.

Частота

Одной из характеристик синусоиды является еечастотаЧастота синусоиды - это количество колебаний вверх и вниз в секунду. Когда вы слушаете радиопередачу AM, ваше радио настраивается на синусоидальную волну с частотой около 1 000 000 циклов в секунду (количество циклов в секунду также известно какгерц).). Например, 680 на шкале AM - это 680 000 циклов в секунду. FM-радиосигналы работают в диапазоне 100 000 000 герц, поэтому 101,5 на шкале FM - это передатчик, генерирующий синусоидальную волну с частотой 101 500 000 циклов в секунду.

Прием AM-сигнала

Вот реальный пример. Когда вы настраиваете AM-радио своего автомобиля на станцию - например, 680 на шкале AM - синусоидальная волна передатчика передается с частотой 680 000 герц (синусоидальная волна повторяется 680 000 раз в секунду). Голос ди-джея модулируется этой несущей за счет изменения амплитуды синусоидальной волны передатчика. Усилитель усиливает сигнал примерно до 50 000 Вт для большой AM-станции. Затем антенна посылает радиоволны в космос.

Так как же AM-радиоприемник вашего автомобиля - приемник - принимает сигнал 680 000 герц, посланный передатчиком, и извлекает из него информацию (голос ди-джея)? Вот как это работает./\r\n/

• Если вы не сидите рядом с передатчиком, вашему радиоприемнику нужна антенна, чтобы он мог принимать радиоволны передатчика из воздуха. AM-антенна - это просто провод или металлический стержень, который увеличивает количество металла, с которым могут взаимодействовать волны передатчика.
• Вашему радиоприемнику нужен тюнер. Антенна будет принимать тысячи синусоидальных волн. Задача тюнера состоит в том, чтобы отделить одну синусоиду от тысяч радиосигналов, принимаемых антенной. В этом случае тюнер настроен на прием сигнала частотой 680 000 герц. Тюнеры работают по принципу резонанса. То есть тюнеры резонируют и усиливают одну конкретную частоту и игнорируют все остальные частоты в эфире. Легко создать резонатор из конденсатора и катушки индуктивности.
• Тюнер заставляет радиоприемник принимать только одну синусоидальную частоту (в данном случае 680 000 герц). Теперь радио должно извлечь голос ди-джея из этой синусоиды. Это делается с помощью части радиоприемника, называемой детектором или демодулятором. В случае AM-радио детектор состоит из электронного компонента, называемого диодом. Диод позволяет току течь в одном направлении, но не в другом, поэтому он отсекает одну сторону волны.
• Радио затем усиливает обрезанный сигнал и посылает его на динамики (или наушники). Усилитель состоит из одного или нескольких транзисторов (больше транзисторов означает большее усиление и, следовательно, большую мощность для динамиков).

То, что вы слышите из динамиков, это голос ди-джея!

В FM-радио детектор другой, а все остальное то же самое. В FM детектор преобразует изменения частоты в звук, но антенна, тюнер и усилитель в основном те же.

Простейший AM-приемник

В случае сильного АМ-сигнала оказывается, что можно создать простой радиоприемник, используя всего две детали и немного провода. Процесс предельно прост - вот что вам нужно:

• Диод
• Два отрезка провода: Вам понадобится от 20 до 30 футов (от 15 до 20 метров) магнитной проволоки 22-го калибра.
• Небольшой металлический стержень или труба, которую можно вбить в землю (или, если рядом с передатчиком есть ограждение или металлический забор, вы можете использовать их).
• Кристаллический наушник: Этот простой предшественник наушников подключается напрямую к антенному диоду.

Чтобы упростить процесс, некоторые наборы также доступны онлайн, содержащие большинство необходимых деталей в коробке. Кристаллический радиоприемник Home Science Tools также поставляется с электрическим усилителем, что делает наушники ненужными.

Теперь вам нужно найти и находиться рядом с передающей вышкой AM-радиостанции (в пределах 1 мили/1,6 км или около того), чтобы это сработало. Вот что вы делаете:

1. Вбейте кол в землю или найдите удобный металлический столб для забора. Снимите изоляцию с конца 10-футового (3-метрового) куска провода и оберните его вокруг столба пять или десять раз, чтобы получить надежное соединение. Это провод заземления.
2. Присоедините диод к другому концу заземляющего провода.
3. Возьмите еще один кусок провода длиной от 10 до 20 футов (от 3 до 6 метров) и соедините один его конец с другим концом диода. Этот провод и есть ваша антенна. Положите его на землю или повесьте на дерево, но убедитесь, что оголенный конец не касается земли.
4. Подсоедините два провода от беруши к любому концу диода.

Теперь, если вы вставите беруши в ухо, вы услышите радиостанцию - это самый простой радиоприемник! Этот сверхпростой проект не сработает, если вы находитесь очень далеко от станции, но он демонстрирует, насколько простым может быть радиоприемник.

Вот как это работает. Ваша проволочная антенна принимает все виды радиосигналов, но, поскольку вы находитесь так близко к определенному передатчику, это не имеет большого значения. Ближайший сигнал подавляет все остальное в миллионы раз. Поскольку вы находитесь так близко к передатчику, антенна также получает много энергии - достаточно, чтобы привести в действие наушники! Поэтому вам не нужен ни тюнер, ни батарейки, ни что-то еще. Диод действует как детектор АМ-сигнала, как описано в предыдущем разделе. Так что станцию слышно, несмотря на отсутствие тюнера и усилителя. Однако добавление такого усилителя в обучающий комплект усилит сигнал и придаст ему большую громкость.

Основы антенны

Вы, наверное, заметили, что почти каждое радио, которое вы видите (например, ваш мобильный телефон, радио в вашем автомобиле и т. д.), имеетантенну Антенны бывают всех форм и размеров., в зависимости от частоты, которую пытается принять антенна. Антенна может быть любой: от длинного жесткого провода (как в автомобильных радиоантеннах AM/FM) до чего-то столь же причудливого, как спутниковая антенна. Радиопередатчики также используют чрезвычайно высокие антенные мачты для передачи своих сигналов.

Идея антенны в радиопередатчике состоит в том, чтобы запускать радиоволны в космос. В приемнике идея состоит в том, чтобы улавливать как можно больше мощности передатчика и подавать ее на тюнер. Для спутников, находящихся на расстоянии миллионов миль, НАСА использует огромные параболические антенны диаметром до 230 футов (70 метров).

Размер оптимальной радиоантенны зависит от частоты сигнала, который антенна пытается передать или принять. Причина этой взаимосвязи связана со скоростью света и расстоянием, которое в результате могут пройти электроны. Скорость света составляет 186 000 миль в секунду (300 000 километров в секунду). Итак, как узнать, какой размер антенны вам нужен?

Антенна: примеры из жизни

Допустим, вы пытаетесь построить радиомачту для радиостанции 680 AM. Он передает синусоиду с частотой 680 000 герц. За один цикл синусоидальной волны передатчик будет перемещать электроны в антенне в одном направлении, переключать и возвращать их обратно, переключать и выталкивать их, переключать и снова перемещать обратно. Другими словами, электроны будут менять направление четыре раза в течение одного цикла синусоиды. Если преобразователь работает на частоте 680 000 герц, это означает, что каждый цикл завершается за (1/680 000) или 0,00000147 секунды. Одна четверть этого составляет 0,0000003675 секунд.

Со скоростью света электроны могут преодолеть 0,0684 мили (0,11 км) за 0,0000003675 секунды. Это означает, что оптимальный размер антенны для передатчика на частоте 680 000 Гц составляет около 361 фута (110 метров). Итак, AM-радиостанциям нужны очень высокие башни. С другой стороны, для сотового телефона, работающего на частоте 900 000 000 (900 МГц), оптимальный размер антенны составляет около 3 или 8 дюймов.3 сантиметра. Вот почему сотовые телефоны могут иметь такие короткие антенны.

Вы могли заметить, что длина AM-антенны в вашем автомобиле не 300 футов (91 метр), а всего пару футов. Если бы вы сделали антенну длиннее, прием был бы лучше, но AM-станции настолько сильны в городах, что на самом деле не имеет значения, является ли ваша антенна оптимальной длины.

Вы можете задаться вопросом, почему, когда радиопередатчик что-то передает, радиоволны хотят распространяться в пространстве от антенны со скоростью света. Почему радиоволны могут распространяться на миллионы миль? Почему антенна просто не имеет магнитного поля вокруг себя, близко к антенне, как вы видите с проводом, присоединенным к батарее? Простой способ представить это таков: когда ток входит в антенну, он действительно создает магнитное поле вокруг антенны.

Мы также видели, что магнитное поле создает электрическое поле (напряжение и ток) в другом проводе, расположенном рядом с передатчиком. Оказывается, в космосе магнитное поле, создаваемое антенной, индуцирует в пространстве электрическое поле. Это электрическое поле, в свою очередь, индуцирует в пространстве другое магнитное поле, которое индуцирует другое электрическое поле, которое индуцирует другое магнитное поле, и так далее. Эти электрические и магнитные поля (электромагнитные поля) индуцируют друг друга в пространстве со скоростью света, распространяясь наружу от антенны.

Аналоговое и цифровое радио

Хотя аналоговые источники радиосигналов все еще широко распространены, цифровые сигналы, такие как Wi-Fi и Bluetooth, взяли верх. В 2009 году США обязали большинство эфирных аналоговых телестанций перейти на цифровые передатчики. Для многих радиостанций также доступен цифровой формат, известный как HD Radio. Тем не менее, FM-сигналы остаются текущим стандартом, вероятно, потому, что большое количество старых автомобилей на дорогах по-прежнему используют AM/FM-тюнеры.

Преимущества цифровой радиопередачи - точность и безопасность. Цифровые сигналы переносят гораздо более высокие скорости передачи данных, необходимые для обеспечения таких вещей, как видео высокой четкости или беспроводной доступ в Интернет. Приемник также не получает никакого шума и статики, которые всегда присутствуют в аналоговых передачах. Однако реальный способ передачи может быть сложным.

Поскольку радиоволны являются традиционным аналоговым сигналом, передатчик должен преобразовывать свои данные с помощьюцифро-аналогового преобразователя Как только приемная антенна принимает сигнал, она затем должна «расшифровать» данные обратно в исходную форму с помощью аналого-цифрового преобразователя. Этот метод кажется слишком сложным, но он позволяет выполнять такие действия, как шифрование данных.

По сути, приемная антенна должна иметь правильные инструкции для расшифровки цифровых данных, преобразованных передатчиком. Без этих инструкций доступ к данным невозможен. Вот почему люди обычно не могут получить доступ к вашему Wi-Fi или Bluetooth без сопряжения с правильными устройствами. Этот процесс также помогает уменьшить радиопомехи в воздухе. Аналоговые радиосигналы, с другой стороны, могут быть доступны любому, кто находится поблизости с работающей антенной.

Часто задаваемые вопросы по радио

Можно ли слушать радио на компьютере?

Вы можете слушать радио на своем компьютере, хотя оно транслируется в цифровом виде через подключение к Интернету. Поищите в Интернете свою любимую радиостанцию, чтобы узнать, можете ли вы настроиться на нее с ее веб-сайта. Если вы не уверены, как называется станция, или предпочитаете просматривать различные станции, зайдите на сайт www.radio-locator.com для поиска по городу, почтовому индексу, позывному, формату или стране (если вы ищете для международного радио).

Можно ли слушать радио на телефоне?

У некоторых радиостанций есть собственные приложения для прослушивания через смартфон. Приложение TuneIn - отличный способ просматривать и слушать популярные радиостанции. Вы можете использовать бесплатную версию и слушать рекламу или заплатить за работу без рекламы за 9,99 долларов США в месяц после бесплатной 7-дневной пробной версии.

Радио умерло?

Есть довольно много споров о том, уходит ли радио в прошлое или нет. Потоковая музыка составила серьезную конкуренцию традиционному радио. Однако, если вы посмотрите на что-то вроде популярной Apple Music 1 от Apple, окажется, что, возможно, просто меняется формат радио, а не его потребление людьми.