Радиовещание и радиосвязь

Как известно, открытие электромагнитных волн совершил великий немецкий ученый Генрих Герц своими опытами 1883 - 1888 годов. В 1887 году он построил передатчик и приемник электромагнитных волн, определив скорость их распространения в пространстве. Это дало толчок всей радиотехнической технологии, много изобретателей и рационализаторов создали на основе конструкции Генриха Герца различные усовершенствованные конструкций как приемников (Поповым и Маркони, 1895), так и передатчиков - излучателей электромагнитных волн, а также устройств и способов модуляции их сигналов для передачи информации. С тех пор принцип радиопередачи информации не изменился, на нем работают как космические спутники глобальной системы навигации, связи и вещания, так и массовые гаджеты типа сотовых телефонов или даже датчиков-наклеек RFID.

Слово «радио», которое прочно вошло в наш язык, появилось не сразу. Радиосвязь сначала называли телеграфом и телефоном без проводов или беспроводным телефоном. Такое название впоследствии заменили более коротким словом «радио». Оно происходит от латинского слова — радиус, что в переводе означает луч. Радиусом, как известно, называют прямую линию, проведенную из центра к любой точке окружности. Беспроволочную передачу назвали радиопередачей, или, коротко, радио, потому что радиостанции излучают волны, подобно лучам света, по радиусам во все стороны или некоторых определенных направлениях. В понятие радио входят передача радиоволн от передающей радиостанции, распространение этих волн в пространстве и прием радиоволн на приемной станции. Кроме того, радиотехника в своем развитии оказалась столь тесно связанной с другими областями науки и техники, что в настоящее время трудно в кратких словах определить все ее многообразное содержание. Иногда радиотехнику определяют как технику электрических токов высокой частоты, но в радиотехнике большое применение имеют и токи низкой частоты. Задачей радиотехники является передача без проводов с помощью электрической энергии звуков, изображений, телеграфных сигналов, а также специальных сигналов для целей радиолокации, радионавигации, радиотелеуправления. Вместе с тем, радиотехника занимается также использованием радиотехнических методов в медицине, биологии, сельском хозяйстве, металлургии, машиностроении, астрономии, геофизике и т. д.

В радиотехнической аппаратуре главную роль играют различные электронные приборы. Область техники, занимающуюся устройством и применением таких приборов, принято называть электроникой.

Радиотехника и электроника развиваются в тесной взаимной связи, дополняя друг друга и проникая в самые различные области науки, техники, культуры. Их часто объединяют и называют радиоэлектроникой. Из всех направлений, по которым развивается радиотехника, наибольшее распространение получили радиосвязь и радиовещание. В первые годы после изобретения радио существовала только радиотелеграфная связь. Затем был изобретен радиотелефон. Его совершенствование позволило создать радиовещание, услугами которого пользуются миллионы людей.

Упрощенная схема радиотелефонной связи изображена на (рис.1). Микрофон преобразует звуковые колебания речи или музыки в переменные электрические токи, т. е. электрические колебания звуковой или низкой частоты, (нч), имеющие частоту от десятков до нескольких тысяч герц. Эти токи направляются в модулятор, являющийся составной частью радиопередатчика. В большинстве случаев модулятор представляет собой усилитель токов низкой частоты. Главной частью передатчика является генератор токов высокой частоты (вч), необходимых для создания радиоволн. Частота этих токов обычно бывает от сотен тысяч до сотен миллионов и даже миллиардов герц, а мощность их может быть от долей ватта до тысяч киловатт.

Усиленный ток звуковой частоты, полученный после модулятора, воздействует на генератор так, что амплитуда тока вч генератора изменяется в соответствии с передаваемыми звуковыми колебаниями. Процесс этот называется модуляцией. Он происходит в генераторе, а не в модуляторе. Последний служит только для того, чтобы осуществлять воздействие колебаний нч на токи вч, создаваемые генератором. Когда мощность генератора очень мала и токи нч, получаемые от микрофона, могут достаточно сильно воздействовать на генератор, можно обойтись и без модулятора. При радиовещательной передаче микрофон находится в студии, расположенной на значительном расстоянии от передающей станции. В этом случае ток микрофона направляют сначала в усилитель, а затем усиленный ток нч по кабелю поступает в модулятор радиопередатчика.

Генератор и модулятор питаются постоянным током от специальных источников питания (на схеме они для упрощения не показаны). Таким образом, генератор и модулятор, по существу, являются преобразователями энергии постоянного тока в энергию переменного тока соответствующей частоты.

Модулированный ток вч поступает от радиопередатчика по фидерной линии, называемой коротко фидером, в антенну. Если передатчик расположен близко от антенны, то фидер может отсутствовать. Ток вч, проходя по проводу антенны, создает в окружающем пространстве радиоволны, которые распространяются во все стороны со скоростью около 300 тысяч км/сек (напомним, что скорость распространения звука в воздухе составляет лишь 330 м/сек). Иногда антенна делается с направленными свойствами, и тогда радиоволны распространяются преимущественно в одном направлении. Так как радиоволны созданы модулированными токами, то сами они также являются модулированными и благодаря этому как бы переносят на себе передаваемые звуковые колебания.

В приемной антенне под действием радиоволн возникает модулированный ток вч, который в точности повторяет все изменения тока в передающей антенне. Однако этот ток очень слаб. При приеме сигналов дальних радиостанций он составляет доли микроампера, а эдс, возникающая при этом в антенне, измеряется микровольтами. Ток вч от антенны по фидеру поступает в радиоприемник (если фидер не требуется, то антенна непосредственно подключается к приемнику), усиливается в нем и преобразуется в ток звуковой частоты, повторяющий передаваемые звуковые колебания. Подобное преобразование называется детектированием (или демодуляцией). Полученный после детектирования ток нч обычно еще усиливается и поступает в громкоговоритель или телефон, который преобразовывает этот ток в звуковые колебания. Источники питания приемника постоянным током для упрощения на схеме (рис.1) не показаны. Приемники, предназначенные для приема сигналов дальних радиостанций, дают усиление токов в миллионы раз.

Важным свойством радиоприемника является избирательность, т. е. способность усиливать токи в пределах узкой полосы частот. Различные радиопередающие станции, как правило, работают токами неодинаковой частоты и в приемной антенне создаются токи различных частот от радиоволн многих передающих станций.

Благодаря избирательности приемник усиливает токи, соответствующие только одной определенной радиостанции, на частоту которой он настроен. Если бы приемник не обладал избирательностью, то одновременно были бы слышны все радиостанции, волны которых достигают приемной антенны.

Схема радиотелеграфной связи подобна схеме (рис.1), но вместо микрофона с передатчиком соединяется телеграфный ключ (в современных устройствах представленный полупроводниковой ключевой схемой), которым прерывают работу передатчика и передают телеграфные сигналы (точки и тире). Такое управление несущей частотой передатчика называется манипуляцией. На радиостанциях небольшой мощности, например на переносных военных, авиационных и других, телеграфный ключ и микрофон находятся около передатчика.

У радиостанций большой мощности микрофон и ключ обычно находятся на значительном расстоянии от передатчика и соединены с ним проволочными линиями. Передача сигналов в одном направлении от радиопередатчика к приемнику называется односторонней радиосвязью. Для двусторонней радиосвязи каждая радиостанция должна иметь передатчик и приемник.

В начале ХХ века большое распространение получило вещание по проводам, при котором токи звуковых частот от усилителя, установленного в радиоузле, идут по проводам к громкоговорителям в квартирах, клубах и других местах. Радиоузел обычно имеет приемник, на который производится прием той или иной станции для дальнейшей передачи ее программы по проводам. Иногда радиоузел имеет студию с микрофоном для местных передач. Устройство такого узла показано схематически на (рис.2).

Радиосвязь имеет ряд преимуществ перед другими видами связи. К ним относятся:

1). Возможность связи в любое время на любые расстояния.

2). Практически мгновенное распространение радиоволн.

3). Возможность передачи различных сообщений любому количеству приемников.

4). Возможность связи через океаны, моря, пустыни, горы,территории, занятые неприятелем, и т. д.

5). Возможность связи с (подвижными объектами (самолетами, пароходами, танками и т. д.).

Наряду с этим радиосвязь имеет и недостатки:

1). Дальность связи зависит от времени суток, времени года и длины волны.

2). Связь подвержена помехам от электрических разрядов в атмосфере, электрических установок и других радиостанций.

3). Радиопереговоры можно подслушать и для обеспечения их секретности приходится применять шифры или другие методы засекречивания передачи.

4). С помощью специальных радиопеленгаторных станций можно определить местонахождение передающей радиостанции.

Знаете ли Вы, что такое "усталость света"?
Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г.
На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях.
Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.