Historia radia

Pierwsze transmisje radiowe z oddalonych miejsc zadziwiały słuchaczy. Z biegiem czasu radio spowszechniało i dziś nie dziwi nikogo nawet bezpośrednia łączność radiowa astronauty ze stacją kontroli lotów.

Fale radiowe są formą promieniowania elektromagnetycznego. Teorię przewidującą i objaśniającą właściwości fal elektromagnetycznych stworzył James Clerk Maxwell (jego pracę na ten temat opublikowano w 1864 r.). Poprawności wyliczeń Maxwella dowiodły prace eksperymentalne przeprowadzane w latach 80. XIX wieku przez Niemca Henryka Hertza.

1887 roku Hertz zademonstrował publicznie nadawanie i odbiór fal elektromagnetycznych. Jego nadajnik wytwarzał prąd elektryczny, którego kierunek przepływu zmieniał się gwałtownie przy przeskoku iskry między elektrodami. Szybkozmienny prąd elektryczny zmuszał dwie płyty do emitowania fal radiowych, które były natychmiast rejestrowane przez Hertza za pomocą oddalonego o 3 metry odbiornika. Składał się on z pętli z drutu z przerwą pomiędzy końcami. W zaciemnionym pokoju było doskonale widoczne, gdy pomiędzy końcami drutu odbiornika przeskakiwały iskry, kiedy eksperymentator włączał nadajnik. To fale radiowe odbierane przez pętle powodowały, że płynął w nich prąd, co owocowało przeskokiem iskry w miejscu, gdzie obwód był przerwany.

Telegraf bez drutu

Badania rozpoczęte przez Hertza były kontynuowane przez wielu naukowców i inżynierów z całego świata. Najbardziej zasłużył się w historii radiofonii Włoch Guglielmo Marconi. W czerwcu 1896 r. Marconi opatentował pierwszy nadający się do praktycznego użytku system radiowy, nazywany wówczas telegrafem bez drutu. Za pomocą nadajnika i odbiornika można było porozumiewać się alfabetem Morse`a na odległość początkowo zaledwie 3 kilometrów, ale do nawiązania łączności nie był potrzebny drut.

Marconi rozpoczął prace w 1894 r., konstruując odbiornik i nadajnik radiowy w willi ojca pod Bolonią. Tak jak Hertz, użył nadajnika iskrowego, lecz odbiornik wyposażył w detektor, dzięki któremu można było lepiej odbierać fale radiowe.

Detektor zastosowany przez Marconiego został wynaleziony w 1890 r. Przez Edouarda Branleya z Paryskiego Uniwersytetu Katolickiego. Składał się on ze szklanej rury wypełnionej opiłkami metalowymi. Normalnie opór między końcami rury był stosunkowo wysoki, tak, więc w obwodzie mógł płynąć niewielki tylko prąd. Jednak fale radiowe o dostatecznym natężeniu powodowały, że elektryczny w rurze spadał gwałtownie, umożliwiając przepływ przez obwód dużego prądu. Prąd ten uruchamiał dzwonek lub stukawkę telegrafu, która odbierała nadawany sygnał.

Po skonstruowaniu niezawodnego systemu, Marconi skoncentrował się na zwiększeniu jego zasięgu. Rozpoczynał z przesyłaniem sygnałów na odległość zaledwie paru metrów, lecz już wkrótce udało mu się nawiązywać łączność na odległość kilku kilometrów. To z kolei znaczyło, że system radiowy nadaje się dla potrzeb telegrafii, i Marconi zwrócił się do rządu włoskiego o finansowanie dalszych badań. Jednak ten nie wyraził żadnego zainteresowania urządzeniem i wynalazca przeniósł się do Wielkiej Brytanii. Tamtejsze Ministerstwo Poczty zgodziło się na udzielenie pomocy finansowej. W 1896 r. Udało mu się połączyć siecią radiową kilka budynków w Londynie, a w roku następnym powstało 13 kilometrowe połączenie w poprzek Kanału Bristolskiego. Jeszcze w tym samym roku otworzono 29 km połączenie radiowe w Poole w hrabstwie Dorset na Wyspę Wight.

Także w 1897 r. Angielski fizyk Olivier Lodge wprowadził system strojenia, czyli syntonię. Obwód zawierający kondensator i cewkę indukcyjną służył do regulacji częstotliwości drgań elektrycznych w nadajniku i tym samym częstotliwości wysyłanych fal elektromagnetycznych. W odbiorniku podobny obwód odbierał fale o określonej częstotliwości. Ten system umożliwił jednoczesne nadawanie różnych informacji na różnych częstotliwościach, tak, że transmisje nie zakłócały się wzajemnie. Marconi zaczął wkrótce wykorzystywać tę zasadę w swoim sprzęcie.

Połączenia międzykontynentalne

Do 1899 r. Marconiemu udało się uzyskać łączność na dystansie około 50 km, tak, więc połączenie radiowe Wielkiej Brytanii z Francją poprzez kanał La Manche przestało być problemem. Lecz jego triumf nadszedł w grudniu 1901 r., gdy fale radiowe przeleciały ponad Atlantykiem. Odbiornik ustawiony w St. John na Nowej Fundlandii. Miejsca te dzieliła odległość ponad 3000 kilometrów. W rezultacie aparatura radiowa zaczęła być instalowana w wielu statkach, dzięki czemu mogły one pozostawać w łączności z lądem i wzywać pomocy w razie niebezpieczeństwa.

Gdy technika radiowa przełamywała ograniczenia konwencjonalnej telegrafii, kanadyjski fizyk Redinald Fessenden rozpoczął pracę nad kolejnym zagadnieniem. Był nim telefon bez drutu, urządzenie, którego działanie polegało na transmisji nie prostych sygnałów, a dźwięków.

Telefon bez drutu

Pomysłem leżącym u podstaw przekazywania dźwięku za pomocą fal radiowych było zastosowanie mikrofonu do ich modulowania. Fessenden rozpoczął prace w 1900r. Od prób transmisji na niewielkich odległościach. Ówczesne odbiorniki radiotelegraficzne były niekiedy wyposażane w słuchawki, by operatorzy mogli słuchać „kresek” i „kropek” w przychodzących komunikatach. Można sobie wyobrazić ich zdziwienie, gdy na Boże Narodzenie 1906 r. Zamiast owych trzasków usłyszeli Fessendena grającego na skrzypcach i śpiewającego kolędy. Tego samego dnia Fessenden stał się pierwszym disc jockey`em, puszczając w eter płytę z nagraniem „Largo” Haendla. Na jego prośbę radiotelegrafiści na statkach potwierdzili odbiór jego transmisji.

Era elektroniki

Nadajniki iskrowe produkowały sygnał bardzo zaszumiony, który z kolei powodował znaczne zakłócenie emitowanej fali nośnej. Z tego powodu Fessenden przeprowadził swe późniejsze eksperymenty z użyciem alternatora (generatora prądu przemiennego), specjalnie zaprojektowanego do wytwarzania szybkozmiennego prądu wymaganego w nadajniku. W tym samym czasie powstały pierwsze lampy elektronowe, które mogły być z powodzeniem wykorzystane do ulepszenia metod nadawania i odbioru fal elektromagnetycznych. Ich zastosowanie rozpoczęło rozwój elektroniki.

Triody (lampy elektronowe trójelektrodowe), wynalezione na przełomie 1906-1907 r. Przez Amerykanina Lee de Foresta, były używane do wytwarzania czystego sygnału nośnego dużej częstotliwości, następnie do jego zmodulowania sygnałem dźwiękowym, a na końcu do wzmocnienia całości przez wyemitowaniem przez antenę nadajnika.

Lampy były wykorzystywanie także w odbiornikach radiowych do wzmocnienia sygnału odbieranego przez antenę, separacji sygnału modulującego od fali nośnej oraz do wzmocnienia sygnału modulującego przed odtworzeniem go na słuchawkach lub głośniku odbiornika.

Transmisje radiowe

Technologia elektroniczna potrzebowała czasu, aby się rozwinąć i upowszechnić, poza tym pierwsze lampy elektronowe były stosunkowo drogie. Gdy w latach dwudziestych XX wieku rozpoczęto nadawanie audycji radiowych, ludzie słuchali ich za pomocą słuchawek podłączonych bezpośrednio do odbiornika kryształkowego. Wewnątrz słuchawek elektromagnes, zasilany enegią fali radiowej, powodował drgania cienkiej metalowej płytki zwanej diafragmą, które to drgania wytwarzały dźwięki.

Większość odbiorników tego typu rozdzielała dźwiękową falę modulującą od fali nośnej za pomocą kryształu galeny (siarczek ołowiu) i zaostrzonego drutu zwanego „kocim wąsem”. Gdy drut ustawiono odpowiednio względem kryształu, tak, aby miał z nim kontakt, całość tworzyła prostą diodę prostowniczą, która pozwalała na przepływ prądu tylko w jednym kierunku. Jeśliby przepuścić odbierany sygnał radiowy bezpośrednio przez słuchawki, to nie otrzymalibyśmy żadnego dźwięku. Diafragma nie jest bowiem w stanie poruszać się zgodnie z częstotliwością fal radiowych. Gdy zaczęłaby się ona wychylać w jedną stronę, zmuszona by została do zmiany kierunku ruchu i w efekcie nie wychylałaby się wcale, pozostając w położeniu równowagi. Jednak, gdy w obwód włączy się prostownik, otrzymamy pulsujący sygnał prądowy, lecz nie ma zmian w kierunku przepływu prądu. Wskutek tego diafragma nie jest ciągle zawracana w czasie swego ruchu, inaczej mówiąc zmienia się jej położenie równowagi, które odwzorowuje zmiany natężenia fali nośnej wywoływane nałożeniem nań dźwiękowej fali modulującej. I tak, odwzorowując fale modulującą, diafragma porusza się, produkując przy tym dźwięk, który jest odwzorowaniem dźwięku nadawanego.

Odbiorniki kryształkowe zapewniały zupełnie przyzwoitą jakość odbioru, a poza tym były bardzo wygodne, gdyż nie wymagały żadnego źródła zasilania sieciowego, czy bateryjnego. Do wytwarzania dźwięku używały energii fali radiowej „chwytanej” przez antenę. Jednak powodowało to, że aby móc słuchać oddalonych stacji o słabym sygnale, należało używać bardzo długich anten.
Inną wadą odbiorników tego typu była słaba rozdzielczość. Kondensator lub cewka w obwodzie strojonym odbiornika były regulowane tak, aby dostroić się do częstotliwości, na której nadawała dana stacja. Jednak proste obwody nie były w stanie zupełnie wyeliminować sygnałów o zbliżonych częstotliwościach. Problem ten stawał się coraz poważniejszy wraz ze wzrostem liczby nadających stacji. Zmiany konstrukcyjne polepszające rozdzielczość doprowadzały do znacznego spadku czułości, a to oznaczało cichszy odbiór audycji. Sytuację poprawiło wprowadzenie odbiorników lampowych, w których do wzmacniania sygnałów zastosowano lampy elektronowe. Można było produkować odbiorniki charakteryzujące się zarówno wysoką czułością jak i rozdzielczością. Pozwoliło to na zastosowanie w radiu głośnika, tak, aby każda osoba przebywająca w pomieszczeniu mogła słuchać audycji.

Rodzaje modulacji

Stacje nadające w paśmie fal długich i średnich używają do transmisji modulacji amplitudowej (AM). Oznacza to, że sygnał modulujący zmienia amplitudę fali nośnej. Tak zbudowane sygnały są zniekształcane przez burze i oddziaływanie różnych urządzeń elektrycznych. Dzieje się tak, gdyż urządzenia te również emitują słabe fale elektromagnetyczne zniekształcające amplitudę fali nośnej. W rezultacie odbiór audycji jest zwykle mocno zniekształcony szumami, towarzyszą mu przeróżne trzaski i syczenia. Wad tych p[pozbawiona jest w dużej mierze technika modulacji częstotliwości (FM), w której sygnał dźwiękowy jest wykorzystywany do zmieniania w pewnym zakresie częstotliwości fali nośnej. Odbiorniki FM są konstruowane do rejestracji zmian częstotliwości, a nie amplitudy i w większość szumów nie jest przez niewykrywana, nie wpływając w ten sposób na jakość odbioru. Niedogodnością jest jednak to, że stacja nadająca w tej technice musi zajmować stosunkowo szerokie pasmo częstotliwości i pracować w zakresie fal ultrakrótkich (UKF).

Przez lata odbiorniki radiowe stawały się coraz mniejsze i poręczniejsze. Z początku stopniowo zmniejszano wymiary lamp elektronowych, lecz w latach 50. zaczęto je zastępować znacznie mniejszymi tranzystorami. Obecnie w przenośnym odbiorniku radiowym większość elektroniki mieści się w pojedynczym obwodzie scalonym o wielkości paznokcia.