Как работает радио

[Carder]

Радиоволны управляют всем, от радиовещания AM / FM до беспроводных сетей и открывания ворот гаража.

«Радиоволны» незримо передают музыку, разговоры, изображения и данные по воздуху, часто на миллионы миль - это происходит каждый день тысячами различных способов! Несмотря на то, что радиоволны невидимы и полностью не обнаруживаются людьми, они полностью изменили общество. Говорим ли мы о сотовом телефоне, радионяне, беспроводном телефоне или о любой из тысяч других беспроводных технологий, все они используют радиоволны для связи.
Вот лишь некоторые из повседневных технологий, которые зависят от радиоволн:

• Радиопередачи AM и FM
• Беспроводные телефоны
• Открыватели гаражных ворот
• Беспроводные сети
• Радиоуправляемые игрушки
• Телетрансляции
• Сотовые телефоны
• Приемники GPS
• Радиолюбители
• Спутниковая связь
• Полицейское радио
• Беспроводные часы

Список можно продолжать и продолжать ... Даже такие вещи, как радары и микроволновые печи, зависят от радиоволн. Такие вещи, как спутники связи и навигации, были бы невозможны без радиоволн, как и современная авиация - самолет зависит от десятка различных радиосистем. Текущая тенденция к беспроводному доступу к Интернету также использует радио, а это означает гораздо больше удобства в будущем!
Самое забавное, что радио по своей сути - невероятно простая технология. Всего с парой электронных компонентов, которые стоят не более двух-двух долларов, вы можете построить простые радиопередатчики и приемники. История о том, как такая простая вещь стала краеугольным камнем современного мира, завораживает!
В этой статье мы исследуем технологию радио, чтобы вы могли полностью понять, как невидимые радиоволны делают возможным столько всего!

Содержание

1. Самое простое радио
2. Более проработанное радио
3. Основы радио: детали
4. Основы радио: примеры из жизни
5. Простые передатчики
6. Простые передатчики: сделайте свои собственные
7. Передача информации
8. Получение AM-сигнала
9. Самый простой приемник AM
10. Основы антенны
11. Антенна: примеры из жизни

Самое простое радио​

Прикоснувшись к клеммам 9-вольтовой батареи монетой, вы можете создать радиоволны, которые может принимать AM-радио!

Радио может быть невероятно простым, и на рубеже веков эта простота сделала ранние эксперименты возможными практически для всех. Насколько просто это может быть? Вот пример:

• Возьмите свежую 9-вольтовую батарею и монету.
• Найдите AM-радио и настройте его на ту область шкалы, где вы слышите помехи.
• Теперь поднесите батарею к антенне и быстро постучите монетой по двум клеммам батареи (чтобы вы на мгновение соединили их вместе).
• Вы услышите потрескивание в радио, вызванное подключением и отключением монеты.

Ваша комбинация батарейка / монета - это радиопередатчик! Он не передает ничего полезного (только статический), и он не будет передавать очень далеко (всего несколько дюймов, потому что он не оптимизирован для расстояния). Но если вы используете статику для прослушивания кода Морзе, вы действительно можете общаться на расстоянии нескольких дюймов с этим грубым устройством!

Более проработанное радио​

Если вы хотите сделать немного более сложным, используйте металлический напильник и два отрезка проволоки. Подсоедините ручку файла к одной клемме 9-вольтовой батареи. Подключите другой кусок провода к другому разъему и проведите свободным концом провода вверх и вниз по файлу. Если вы сделаете это в темноте, вы сможете увидеть очень маленькие 9-вольтовые искры, бегущие по файлу, когда кончик провода соединяется и отсоединяется от выступов файла. Поднесите файл к AM-радио, и вы услышите много помех.
На заре развития 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 распространяться дальше. Сегодня такой передатчик незаконен, потому что он рассылает спам весь радиочастотный спектр, но в первые дни он работал нормально и был очень распространен, потому что не так много людей использовали радиоволны.

Основы радио: детали​

Как было показано в предыдущем разделе, передавать с помощью статики невероятно легко. Однако все современные радиостанции используют непрерывные синусоидальные волны для передачи информации (аудио, видео, данных). Причина, по которой мы сегодня используем непрерывные синусоидальные волны, заключается в том, что очень много разных людей и устройств хотят использовать радиоволны одновременно. Если бы у вас был способ их увидеть, вы бы обнаружили, что прямо сейчас вокруг вас буквально тысячи различных радиоволн (в форме синусоидальных волн) - телетрансляции, радиопередачи AM и FM, полицейское и пожарное радио, спутниковые телепередачи, разговоры по сотовому телефону, сигналы GPS и так далее. Удивительно, как много сегодня используются радиоволны (см. Как работает радиоспектр чтобы получить представление). Каждый радиосигнал использует различную частоту синусоидальной волны , и именно так они все разделяются.
Любая радиосистема состоит из двух частей:

• передатчик
• приемник

Передатчик принимает какое-то сообщение (это может быть звук чьего-то голоса, изображения для телевизора, данные для радиомодема или что-то еще), кодирует его в синусоидальную волну и передает с помощью радиоволн. Приемник принимает радиоволны и декодирует сообщение из принятой синусоидальной волны. И передатчик, и приемник используют антенны для излучения и захвата радиосигнала.

Основы радио: примеры из жизни​

Типичная радионяня с приемником слева и передатчиком справа: передатчик находится в детской комнате и по сути является мини-«радиостанцией». Родители носят трубку по дому, чтобы послушать малыша. Типичное расстояние передачи ограничено примерно 200 футами (61 м).
Радионяня примерно так же просто , как радиотехника становится. Есть передатчик, который находится в детской комнате, и приемник, который родители используют, чтобы слушать ребенка. Вот некоторые из важных характеристик типичной радионяни:

• Модуляция: амплитудная модуляция (AM)
• Частотный диапазон: 49 МГц
• Количество частот: 1 или 2
• Мощность передатчика: 0,25 Вт

(Не волнуйтесь, если термины вроде «модуляция» и «частота» сейчас не имеют смысла - мы вернемся к ним через мгновение.)
Сотовый телефон также является радиоприемником и представляет собой гораздо более сложное устройство (подробнее см. Как работают сотовые телефоны ). Сотовый телефон содержит как передатчик, так и приемник, может использовать их оба одновременно, может понимать сотни различных частот и может автоматически переключаться между частотами. Вот некоторые из важных характеристик типичного аналогового сотового телефона:

• Модуляция: частотная модуляция (FM)
• Диапазон частот: 800 МГц
• Количество частот: 1664 (832 на провайдера, два провайдера на зону)
• Мощность передатчика: 3 Вт

Типичный сотовый телефон содержит и передатчик, и приемник, и оба работают одновременно на разных частотах. Сотовый телефон связывается с вышкой сотовой связи и может передавать данные на 2 или 3 мили (3-5 км).

Простые передатчики​

Вы можете получить представление о том, как работает радиопередатчик, начав с батареи и куска провода. В книге «Как работают электромагниты» вы можете увидеть, что батарея посылает электричество (поток электронов) через провод, если вы подключите провод между двумя выводами батареи. Движущиеся электроны создают магнитное поле, окружающее провод, и это поле достаточно сильное, чтобы повлиять на компас.
Допустим, вы берете другой провод и размещаете его параллельно проводу аккумулятора, но на расстоянии нескольких дюймов (5 см) от него. Если вы подключите к проводу очень чувствительный вольтметр, произойдет следующее: каждый раз, когда вы подключаете или отсоединяете первый провод от батареи, вы будете ощущать очень малое напряжение и ток во втором проводе; любое изменяющееся магнитное поле может вызвать электрическое поле в проводнике - это основной принцип любого электрического генератора. Так:

• Батарея создает поток электронов в первом проводе.
• Движущиеся электроны создают вокруг провода магнитное поле.
• Магнитное поле распространяется на второй провод.
• Электроны начинают течь по второму проводу всякий раз, когда изменяется магнитное поле в первом проводе.

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

Простые передатчики: сделайте свои собственные​

При подключении АКБ напряжение в проводе 1,5 вольта, а при отключении - ноль вольт. Быстро подключая и отключая аккумулятор, вы создаете прямоугольную волну с колебаниями от 0 до 1,5 вольт.
Чтобы создать простой радиопередатчик, вам нужно создать в проводе быстро меняющийся электрический ток. Вы можете сделать это, быстро подключив и отключив аккумулятор, например:
Лучший способ - создать в проводе непрерывно меняющийся электрический ток. Самая простая (и наиболее гладкая) форма непрерывно меняющейся волны - это синусоида, подобная показанной ниже:

Синусоидальная волна плавно колеблется между, например, 10 вольт и -10 вольт.
Создавая синусоидальную волну и пропуская ее по проводу, вы создаете простой радиопередатчик. Это очень легко создать синусоиду с помощью всего несколько электронных компонентов - конденсатор и катушка индуктивности может создать гармоническую волну, и пару транзисторов может усиливать волну в мощный сигнал (см Как Осцилляторы Работа для деталей, и вот простая схема передатчика). Посылая этот сигнал на антенну, вы можете передавать синусоидальную волну в космос.

Передача информации​

Если у вас есть синусоида и передатчик, который передает синусоидальную волну в космос с помощью антенны, у вас есть радиостанция. Проблема только в том, что синусоида не содержит никакой информации. Вам нужно каким-то образом модулировать волну, чтобы закодировать информацию о ней. Есть три распространенных способа модуляции синусоидальной волны:
Импульсная модуляция - в PM вы просто включаете и выключаете синусоидальную волну. Это простой способ отправить код Морзе. PM не так распространен, но хороший пример этого - радиосистема, которая посылает сигналы на радиоуправляемые часы в Соединенных Штатах. Один передатчик PM может покрыть всю территорию США!
Амплитудная модуляция - как радиостанции AM, так и часть изображения телевизионного сигнала используют амплитудную модуляцию для кодирования информации. При амплитудной модуляции изменяется амплитуда синусоидальной волны (ее размах напряжения). Так, например, синусоидальная волна, создаваемая голосом человека, накладывается на синусоидальную волну передатчика, чтобы изменить ее амплитуду.

Частотная модуляция - FM-радиостанции и сотни других беспроводных технологий (включая звуковую часть телевизионного сигнала, беспроводные телефоны, сотовые телефоны и т.д.) 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.

Как только вы модулируете синусоидальную волну информацией, вы можете передавать информацию!
Частота
Одной из характеристик синусоидальной волны является ее частота. Частота синусоидальной волны - это количество колебаний вверх и вниз в секунду. Когда вы слушаете радиопередачу AM, ваше радио настраивается на синусоидальную волну с частотой около 1000000 циклов в секунду (циклов в секунду также называют герцами ). Например, 680 на циферблате AM - это 680 000 циклов в секунду. FM-радиосигналы работают в диапазоне 100000000 герц, поэтому 101,5 на шкале FM - это передатчик, генерирующий синусоидальную волну с частотой 101 500 000 циклов в секунду. См. «Как работает радиоспектр» .

Получение AM-сигнала​

Вот пример из реального мира. Когда вы настраиваете AM-радио вашего автомобиля на станцию - например, 680 на AM-циферблате - синусоидальная волна передатчика передает 680 000 герц (синусоида повторяется 680 000 раз в секунду). Голос ди-джея модулируется на несущую волну путем изменения амплитуды синусоидальной волны передатчика. Усилитель усиливает сигнал примерно до 50 000 Вт для большой AM-станции. Затем антенна отправляет радиоволны в космос.
Итак, как AM-радио вашего автомобиля - приемник - принимает сигнал с частотой 680000 Гц, который отправил передатчик, и извлекает из него информацию (голос ди-джея)? Вот шаги:

• Если вы не сидите рядом с передатчиком, вашему радиоприемнику нужна антенна, которая поможет ему улавливать радиоволны передатчика из воздуха. Антенна AM - это просто провод или металлическая палка, увеличивающая количество металла, с которым могут взаимодействовать волны передатчика.
• Вашему радиоприемнику нужен тюнер . Антенна будет принимать тысячи синусоидальных волн. Задача тюнера - отделить одну синусоидальную волну от тысяч радиосигналов, которые принимает антенна. В этом случае тюнер настроен на прием сигнала с частотой 680 000 Гц. Тюнеры работают по принципу резонанса . То есть тюнеры резонируют и усиливают одну конкретную частоту и игнорируют все другие частоты в воздухе. Создать резонатор с конденсатором и катушкой индуктивности легко (посмотрите, как работают генераторы, чтобы увидеть, как катушки индуктивности и конденсаторы работают вместе для создания тюнера).
• Тюнер заставляет радио принимать только одну частоту синусоидальной волны (в данном случае 680 000 герц). Теперь радио должно извлечь голос ди-джея из синусоидальной волны. Это делается с помощью части радио, называемой детектором или демодулятором . В случае AM-радио детектор состоит из электронного компонента, называемого диодом. Диод позволяет току течь через в одном направлении , но не другой, так что зажимы прочь одной стороне волны, как это:

• Затем радио усиливает ограниченный сигнал и отправляет его в динамики (или наушники). Усилитель состоит из одного или нескольких транзисторов (большее количество 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, но все остальное то же самое. В FM детектор превращает изменения частоты в звук, но антенна, тюнер и усилитель в основном такие же.

Самый простой приемник AM​

В случае сильного AM-сигнала оказывается, что вы можете создать простой радиоприемник, состоящий всего из двух частей и нескольких проводов! Процесс предельно прост - вот что вам нужно:

• Диод - Вы можете купить диод примерно за 1 доллар в Radio Shack. Номер детали 276-1123 подойдет.
• Два куска провода - вам понадобится от 15 до 20 метров провода. Номер детали Radio Shack 278-1224 хорош, но подойдет любой провод.
• Небольшой металлический столб , который можно вбить в землю (или, если рядом с передатчиком есть ограждение или металлический забор, вы можете использовать его)
• Хрустальные наушники - К сожалению, Radio Shack их не продает. Однако Radio Shack продает комплект Crystal Radio (номер детали 28-178), который содержит наушник, диод, провод и тюнер (что означает, что вам не нужно стоять рядом с передатчиком, чтобы это работало), все за 10 долларов.

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

• Вбейте кол в землю или найдите удобный металлический столб для забора. Снимите изоляцию с конца 10-футового (3-метрового) отрезка провода и оберните его вокруг колышка / стойки пять или 10 раз, чтобы получить хорошее прочное соединение. Это заземляющий провод.
• Присоедините диод к другому концу заземляющего провода.
• Возьмите другой кусок провода длиной от 10 до 20 футов (от 3 до 6 метров) и подключите его один конец к другому концу диода. Этот провод - ваша антенна. Разложите его на земле или повесьте на дереве, но убедитесь, что оголенный конец не касается земли.
• Подключите два вывода беруши к любому концу диода, как показано ниже:

Теперь, если вы вставите беруши в ухо, вы услышите радиостанцию - это самый простой из возможных радиоприемников! 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 особого значения. Ближайший сигнал подавляет все остальное в миллионы раз. Поскольку вы находитесь так близко к передатчику, антенна также получает много энергии - достаточно, чтобы управлять наушником! Поэтому вам не нужен тюнер, батарейки или что-то еще. Диод действует как детектор AM-сигнала, как описано в предыдущем разделе. Так что станцию можно услышать, несмотря на отсутствие тюнера и усилителя!
Комплект Crystal Radio Kit, который продает Radio Shack (28-178), содержит две дополнительные части: индуктор и конденсатор. Эти две части создают тюнер, который дает радио дополнительный диапазон. См. Подробности в теме «Как работают осцилляторы».

Основы антенны​

Вы, наверное, заметили, что почти каждое радио, которое вы видите (например, ваш мобильный телефон, радио в машине и т.д.), имеет антенну. Антенны бывают всех форм и размеров, в зависимости от частоты, которую пытается принять антенна. Антенна может быть чем угодно, от длинного жесткого провода (как в радиоантеннах AM / FM на большинстве автомобилей) до чего-то столь же причудливого, как спутниковая антенна. Радиопередатчики также используют чрезвычайно высокие антенные вышки для передачи своих сигналов.
Идея антенны в радиопередатчике - запускать радиоволны в космос. В приемнике идея состоит в том, чтобы забрать как можно большую мощность передатчика и передать ее тюнеру. Для спутников, которые находятся на расстоянии в миллионы миль, НАСА использует огромные тарелочные антенны до 200 футов (60 метров) в диаметре!
Размер оптимальной радиоантенны зависит от частоты сигнала, который антенна пытается передать или принять. Причина этой связи связана со скоростью света и расстоянием, на которое электроны могут перемещаться в результате. Скорость света составляет 186 000 миль в секунду (300 000 километров в секунду). На следующей странице мы будем использовать это число для расчета реального размера антенны.

Антенна: примеры из жизни​

Допустим, вы пытаетесь построить радиовышку для радиостанции 680 АМ. Он передает синусоидальную волну с частотой 680 000 герц. За один цикл синусоидальной волны передатчик будет перемещать электроны в антенне в одном направлении, переключать и тянуть их назад, переключать и выталкивать их, переключать и снова перемещать их обратно. Другими словами, электроны будут менять направление четыре раза в течение одного цикла синусоидальной волны. Если передатчик работает на частоте 680 000 Гц, это означает, что каждый цикл завершается за (1/680 000) 0,00000147 секунд. Четверть этого составляет 0,0000003675 секунды. Со скоростью света электроны могут пройти 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). Поэтому радиостанциям AM нужны очень высокие башни. С другой стороны, для сотового телефона, работающего на частоте 900000000 (900 МГц), оптимальный размер антенны составляет около 8,3 см или 3 дюйма. Вот почему сотовые телефоны могут иметь такие короткие антенны.

Вы могли заметить, что антенна AM-радио в вашей машине не имеет длины 300 футов, а всего пару футов в длину. Если бы вы сделали антенну более длинной, она бы принимала лучше, но AM-станции настолько сильны в городах, что на самом деле не имеет значения, является ли ваша антенна оптимальной длиной.
Вы можете задаться вопросом, почему, когда радиопередатчик что-то передает, радиоволны хотят распространяться в космосе вдали от антенны со скоростью света. Почему радиоволны могут преодолевать миллионы миль? Почему вокруг антенны не просто магнитное поле, рядом с антенной, как вы видите на проводе, прикрепленном к батарее? Можно подумать об этом так: когда ток попадает в антенну, он 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 электрическое поле в космосе. Это электрическое поле, в свою очередь, индуцирует другое магнитное поле в пространстве, 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.
Для получения дополнительной информации о радио и связанных темах просмотрите ссылки на следующей странице.

Радио FAQ​

Могу ли я слушать радио на моем компьютере?
Вы можете слушать радио на своем компьютере, хотя оно транслируется в цифровом виде через ваше интернет-соединение. Найдите в Интернете свою любимую радиостанцию, чтобы узнать, можете ли вы настроиться на ее веб-сайт. Если вы не уверены, как называется станция, или предпочитаете просматривать различные станции, посетите www.radio-locator.com для поиска по городу, почтовому индексу, позывным, формату или стране (если вы ищете для международного радио).

Могу ли я слушать радио на моем телефоне?
У некоторых радиостанций есть свои приложения для прослушивания через смартфон. Приложение TuneIn - отличный способ просматривать и слушать популярные радиостанции. Вы можете использовать бесплатную версию и слушать рекламу или платить за 9,99 долларов США в месяц без рекламы после бесплатной 7-дневной пробной версии.

Радио умерло?
Есть довольно много споров о том, уходит ли радио или нет. Потоковое воспроизведение музыки составило серьезную конкуренцию традиционному радио. Однако если вы посмотрите на что-то вроде популярной Apple Music 1 от Apple, окажется, что, возможно, формат радио просто меняется, а не его потребление людьми.