Первые передачи, транслируемые радиостанциями из далеких городов, повергали людей в изумление. Мы же настолько привыкли к чудесам радиосвязи, что даже переговоры космонавтов с ЦУП на Земле воспринимаем как должное.
Радиоволны - это вид излучения, обладающий электрическими и магнитными свойствами. В 1864 г. английский ученый Джеймс Кларк Максвелл первым изложил теорию, объясняющую существование такого электромагнитного излучения, а позже ее правильность была подтверждена опытами, проведенными немецким физиком Генрихом Герцем в 1880-е гг.
В 1887 г. Герц публично продемонстрировал передачу и прием радиоволн. Его передатчик генерировал электрический ток, который, в виде искрового разряда, быстро менял свое направление. Такой переменный ток заставлял две металлические пластины излучать радиоволны, которые Герц вначале принимал на расстоянии около 3 м с помощью простейшего приемника - проволочной рамки с зазором. В темной комнате было хорошо видно появление там искры при включении передатчика. При приеме рамкой радиоволн в ней возникал электрический ток, и в зазоре проскакивала искра.
Радиотелеграфия
Ученые и инженеры многих стран изучали и расширяли рамки опытов Герца, но наибольшее признание в области радиотехники завоевал итальянский изобретатель Гульельмо Маркони. В июне 1896 г. он запатентовал первую действующую систему телеграфной радиосвязи. Как и электрический телеграф, эта система могла передавать сообщения на большие расстояния с помощью коротких и длинных импульсов - точек и тире азбуки Морзе.
Маркони приступил к экспериментам в 1894 г. и сконструировал передатчик и приемник на вилле своего отца возле Болоньи в Италии. Как и Герц, он использовал передатчик с искровым генератором, но в его приемнике имелся когерер - детектор радиоволн.
Когерер был изобретен в 1890 г. французом Эдуардом Бранли и состоял из стеклянной трубки с металлическими опилками. Обычно электрическое сопротивление между концами трубки было высоким, поэтому между ними мог проходить слабый ток. Радиоволны вызывали падение сопротивления, и ток, пройдя сквозь опилки, включал звонок или приводил в действие приемное телеграфное устройство (клопфер) в ответ на поступающие сигналы.
Добившись надежности системы, Маркони сосредоточил усилия на увеличении дальности ее действия. Вначале передаваемые им сигналы преодолевали считанные метры, но вскоре это расстояние составляло уже несколько километров. В 1897 г. Маркони связал г. Пул с островом Уайт (расстояние 29 км). В том же 1897 г. английский физик Оливер Лодж ввел принцип настраивания в резонанс (то, что сегодня мы называем настройкой). Контур, состоящий из конденсатора и катушки, использовался для регулирования частоты изменения направления тока в передатчике и, следовательно, частоты генерации радиоволн. Другими словами, резонансный контур определял частоту передаваемых волн. В приемнике находился другой резонансный контур для выбора нужных волн. Такая схема обеспечивала одновременную независимую работу нескольких систем телеграфной радиосвязи. Вскоре Маркони применил этот принцип в своих устройствах.
Межконтинентальная связь
Наибольший успех пришел к нему в декабре 1901 г., когда его радиоволны пересекли Атлантику. Маркони получил сигнал передающей станции в Полдью (Корнуолл, Англия), находясь на расстоянии свыше 3000 км, в Сент-Джонсе (Ньюфаундленд). Вскоре на многих судах были установлены системы радиотелеграфии, позволявшие поддерживать связь с портами захода и просить о помощи в случае бедствия.
В то время как радиосвязь расширяла границы телеграфии, канадский физик Реджинальд Фессенден бился над другой задачей - созданием телефонной радиосвязи, т. е. передачи по радио реальных звуков, а не сигналов.
Телефонная радиосвязь
Концепция такого вида связи предполагала использование микрофона для модуляции (изменения) передаваемых радиоволн. Фессенден осуществил первые передачи на небольшое расстояние еще в 1900 г. В некоторых приемниках того времени имелись детекторы, создающие звук в наушниках, чтобы радиотелеграфисты могли слышать поступающие сигналы азбуки Морзе. Представьте их изумление, когда в канун Рождества 1906 г. вместо точек и тире они услышали, как Фессенден играл на скрипке и пел рождественские гимны. Фессенден стал и первым диск-жокеем, когда передал по радио фонограмму «Ларго» Генделя.
Век электроники
Передатчики с искровым генератором давали нечистый сигнал с фоновыми шумами (потрескиванием). Поэтому в своих последующих опытах Фессенден использовал специально разработанный генератор переменного тока, обеспечивающий необходимую для передатчика высокую частоту изменения направления тока. Однако в это время уже появились первые электронные лампы, или электровакуумные приборы, что позволило создать новые способы радиосвязи и ознаменовало появление новой области науки - электроники.
В 1906-07 гг. американский инженер Ли де Форест изобрел триод (трехэлектродную лампу). Их можно было использовать в передатчике для генерации чистого радиосигнала, или высокочастотного сигнала; для модуляции его со звуковым сигналом и для усиления модулированного ВЧ-сигнала до момента его испускания передающей антенной.
Лампы использовались также в приемнике для усиления сигнала, принимаемого антенной, для отделения звукового сигнала от ВЧ-сигнала и для усиления последнего до его воспроизведения в наушниках или репродукторе.
Радиовещание
Развитие и внедрение электроники требовали времени, и первые электронные лампы стоили дорого. Поэтому, когда в 1920-е гг. появилось общественное радиовещание, люди слушали передачи, надевая наушники, подключенные к простым детекторным приемникам. Электрические сигналы проходили через наушники, возбуждали электромагнит, который воздействовал на тонкую металлическую пластинку (мембрану), заставляя ее колебаться и издавать соответствующие звуки.
Большинство детекторных приемников выделяли звуковой компонент принятого сигнала с помощью кристалла галенита (сульфида свинца) и «усика» (тонкой проволоки). Когда «усик» входил в контакт с чувствительной точкой на кристалле, их соединение действовало как выпрямитель, или диод, пропуская ток только в одном направлении. Звук не возникал при прямом прохождении принятого сигнала через наушники, поскольку мембрана просто не могла колебаться с частотой, соответствующей скорости изменения направления тока под воздействием радиоволн. Как только мембрана начинала двигаться в одном направлении, ее тут же «отбрасывало» назад, поэтому она практически оставалась неподвижной. Но если в контуре был диод, односторонние импульсы тока следовали один за другим, и мембрана реагировала на относительно медленные изменения силы звукового сигнала. В результате наушники воспроизводили звук.Такие детекторные радиоприемники обеспечивали очень чистый прием, и им не нужны были батареи или другой источник электропитания. Энергия для воспроизведения звука поступала непосредственно от радиоволн, принимаемых проволочной антенной. Однако для того, чтобы услышать слабые сигналы от удаленных радиостанций, требовалась проволока очень большой длины.
Еще один недостаток детекторных приемников - низкая избирательность. Катушка или конденсатор в резонансном контуре настраивались на требуемую станцию. Но простой контур не мог полностью отделить сигналы на близких частотах, и эта проблема усугублялась с ростом количества радиостанций. Конструктивные изменения, направленные на повышение избирательности, привели к ухудшению чувствительности - снижению громкости звука. Эта проблема была решена с появлением приемников с усилительными лампами. Высокая чувствительность и избирательность таких приемников обеспечивали достаточный уровень громкости динамиков, что позволяло всем присутствующим в помещении слушать радиопередачу.
Методы модуляции
Радиовещательные станции, работающие в диапазоне средних и длинных волн, используют амплитудную модуляцию (AM). Это означает, что звуковые сигналы модулируют (изменяют) амплитуду, или интенсивность ВЧ несущих волн.
Такие сигналы заглушаются электрическими помехами, создаваемыми грозой или бытовыми электроприборами. Это происходит потому, что импульсы помех накладываются на радиосигналы. В результате вместе со звуковыми сигналами детектируются и изменения в амплитуде, и появляются нежелательные фоновые шумы (шипение и потрескивание). Эта проблема решается с помощью частотной модуляции (ЧМ, анг. FM), при которой звуковой сигнал используется для изменения частоты несущей. ЧМ-приемник реагирует на изменения частоты, а не амплитуды, поэтому все фоновые помехи отфильтровываются. Радиостанции с частотной модуляцией занимают широкую полосу(диапазон) частот, поэтому такой вид вещания необходимо вести в широкой полосе очень высоких частот (ОВЧ) или в диапазоне еще более высоких частот.С годами радиоприемники стали компактнее. Размеры ламп постепенно уменьшались, и, в конце концов, они уступили место крошечным транзисторам. Во многих современных портативных радиоприемниках большая часть электронной начинки умещается на одном кремниевом чипе размером с ноготь.