Jak działa radio?

Powszechnie wiadomo, iż działanie radia oparte jest na istnieniu fal elektromagnetycznych, potocznie zwanych radiowymi, i zjawisku rozchodzenia się tychże fal w przestrzeni. Radiotechnika jest szeroką dziedziną obejmującą nie tylko radiofonię, ale także telewizję, krótkofalarstwo, CB-Radio, telefonię komórkową, łączność satelitarną, system GPS, komunikację poprzez Bluetooth i Wi-Fi, oraz inne rodzaje komunikacji za pomocą fal elektromagnetycznych.

Fale takie nie potrzebują żadnego fizycznego nośnika (jakim jest np. powietrze dla fal akustycznych) i mogą rozchodzić się nawet w próżni. Sklasyfikowano kilka rodzajów fal elektromagnetycznych (promieniowania), a ich podział przebiega według długości generowanej fali. Wśród nich można wyróżnić promieniowanie emitowane w zakresie światła widzialnego, ale także mikrofalowego, podczerwieni, ultrafioletu, rentgenowskiego i gamma. Fale radiowe należą do najdłuższych, a te wykorzystywane w radiofonii dzielą się na pasma: długie, średnie, krótkie i ultrakrótkie, występując w zakresie odpowiednich częstotliwości (30 kHz - 300 MHz).

W celu emisji i odbioru fal radiowych skonstruowano specjalne urządzenia nadawcze i odbiorcze - nadajniki oraz, przez dziesięciolecia obecne praktycznie wszędzie, radioodbiorniki.

Nadajnik

Nadajnik zbudowany jest z dwóch podstawowych układów: generatora i modulatora. Generator wytwarza tzw. falę nośną, która charakteryzuje się odpowiednią częstotliwością i regularnym przebiegiem. Fala nośna stanowi podstawę dla działania modulatora, który nakłada na nią odpowiedni sygnał modulujący, czyli właściwy sygnał akustyczny.

Modulator

Modulacja fali nośnej może odbywać się dwojako: poprzez zmiany jej amplitudy (AM) albo częstotliwości (FM). Przy modulacji AM wykorzystywane są niższe częstotliwości, a poziom transmisji radiowej jest wówczas gorszej jakości niż FM. Korzyścią w tym przypadku są niższe koszty takiej transmisji oraz dużo większy zasięg sygnału niż w przypadku FM, gdzie jest on ograniczany np. przez ukształtowanie terenu. Fale z modulacją amplitudy łatwo ulegają jednak zakłóceniom generowanym przez czynniki atmosferyczne, różne urządzenia elektryczne albo innej częstotliwości sygnały radiowe. Powstające w pierwszych latach radiofonii systemy nadawczo – odbiorcze korzystały z modulacji amplitudy. Modulacja częstotliwości pojawiła się nieco później i była odpowiedzią na niewystarczającą jakość nadawanych w tym systemie audycji radiowych.

Zmodulowana fala może być już wyemitowana poprzez antenę nadawczą, rozchodzić się w przestrzeni i być odbierana przez antenę odbiornika.

Odbiornik

Pole elektromagnetyczne (fala) wywołuje w antenie przepływ prądu (ruch elektronów). Do anteny może jednak docierać ogromna liczba fal elektromagnetycznych o różnych częstotliwościach (wiele stacji nadawczych). Najpierw należy zatem wyodrębnić jedną z nich. Aby tego dokonać należy dostroić odbiornik. Można to zrealizować poprzez zmianę indukcyjności uzwojenia cewki antenowej oraz pojemności podłączonego do niej kondensatora. Ruch elektronów w antenie powoduje wygenerowanie pola elektromagnetycznego, które oddziałując na drugą cewką wywoła w niej także odpowiedni przepływ prądu. Podłączony do niej kondensator o regulowanej pojemności tworzy filtr LC i tym samym odpowiedni obwód rezonansowy, pozwalający dostroić układ, czyli wyodrębnić ruch elektronów wywołany jedynie konkretną częstotliwością. Pozostaje jeszcze odpowiednia filtracja fali nośnej, czyli wyodrębnienie interesującego nas właściwego sygnału akustycznego, co realizowane jest w obwodach demodulatora, a do czego może służyć np. zwykła dioda germanowa (w przypadku modulacji FM układy są bardziej skomplikowane).

Układy wzmacniające

Jakość takiego sygnału może być jednak niezadowalająca. Odbiorniki konstruowane w ten sposób charakteryzowały się niską czułością i były mało selektywne, wymagały potężnych anten i dobrego uziemienia. Ich zaletą była prostota, a przede wszystkim brak zewnętrznego zasilania, gdyż obwody czerpały energię jedynie z fali elektromagnetycznej. Aby jakość sygnału wzrosła należy zastosować układy wzmacniające wysokich częstotliwości (w.cz.) pomiędzy filtrem LC a demodulatorem. Po wyjściu z demodulatora wystarczy skierować sygnał do zwykłego wzmacniacza małej częstotliwości (m.cz.), a następnie do głośnika lub słuchawki.

W kierunku jeszcze lepszej jakości transmisji

Tego rodzaju układy o tzw. bezpośrednim wzmocnieniu, konstruowane były we wczesnych latach radiofonii z wykorzystaniem powszechnych wówczas lamp elektronowych. Z upływem lat obwody ulegały modyfikacjom, a jakość sygnału rosła, odbiorniki stawały się coraz bardziej czułe, bardziej selektywne, skuteczniej eliminowały zakłócenia (odbiorniki refleksowe, reakcyjne, superreakcyjne, superheterodynowe), w miejscu lamp pojawiły się tranzystory, powstała stereofonia. Zasada działania radia pozostała jednak niezmienna.

Pavel Kroupka