Warto przeczytać

Heinrich Hertz odkrywając w 1887 r. fale radiowefala radiowafale radiowe nie zdawał sobie sprawy z wagi swojego odkrycia; nie sądził, że może ono mieć praktyczne zastosowanie. Ale już niewiele lat później, w roku 1896, niezależnie od siebie, Nikola Tesla i Aleksandr Popow wysłali informację posługując się alfabetem Morse’a. Był to tak zwany telegraf bez drutu. Tym tropem poszło następnie wielu wynalazców i szybko wymyślili, jak wykorzystać falę elektromagnetyczną do przenoszenia informacji na odległość.

Jeśli chcemy dokonać takiej sztuki, to musimy sygnał elektryczny, który chcemy przesłać, sprytnie zapisać w fali. Musimy zakodować nasz sygnał poprzez dokonanie modyfikacji fali.

Co to jest ów tajemniczy sygnał? To po prostu przebieg napięcia uzyskany w mikrofonie. Mikrofon, jako przetwornik elektroakustycznyprzetwornik elektroakustycznyprzetwornik elektroakustyczny, zamienia mechaniczne drgania fali akustycznejfala akustycznafali akustycznej w zmienne napięcie - tzw. sygnał audio. Można taki przebieg obejrzeć na ekranie oscyloskopu, i wtedy można „zobaczyć” dźwięk. Rysunki 1a. i 1b. przedstawiają odpowiednio sygnały audio samogłosek „a” oraz „i”.

R1eTiU0cxNIAL

Rys. 1a. Ilustracja przedstawia układ współrzędnych narysowanych czarnymi liniami. Oś pionowa układu skierowana jest w górę, a pozioma w prawo. W układzie widać wykres funkcji narysowanej ciągłą niebieską linią. Funkcja ma charakter sinusoidalny. Funkcja nie odzwierciedla dokładnie sinusa, ponieważ jest lekko zniekształcona. Posiada ona jednak charakterystyczne maksima i minima. Funkcja jest okresowa. Funkcja przyjmuje wartości od minus jeden i osiem dziesiątych do plus jeden i dwie dziesiąte jednostki głównej. Okres funkcji wynosi około dwóch i pięciu dziesiątych jednostki głównej.

R1H1i5gUEa1Vp

Rys. 1b. Ilustracja przedstawia układ współrzędnych narysowanych czarnymi liniami. Oś pionowa układu skierowana jest w górę, a pozioma w prawo. W układzie widać wykres funkcji narysowanej ciągłą niebieską linią. Funkcja jest periodyczne. W pewnych sektorach rośnie ona prawie liniowo, a w innych prawie liniowo maleje. Wartość funkcji zawarta jest od minus ośmiu dziesiątych do plus ośmiu dziesiątych jednostki głównej. Okres funkcji wynosi około dwóch i pięciu dziesiątych jednostki głównej.

Jeśli sygnał audio „podamy” do głośnika, to usłyszymy dźwięk odpowiadający temu sygnałowi, czyli dźwięk, jaki trafił do mikrofonu (przy idealnej pracy mikrofonu i głośnika).

I teraz, ten sygnał należy przenieść w przestrzeni drogą bezprzewodową. Uczyni to fala radiowafala radiowafala radiowa, nie bez powodu nazwana falą nośną.

Poniżej narysowany uproszczony schemat blokowy radia (Rys. 2.) przedstawia ideę przekazywania dźwięku za pośrednictwem fali radiowej. Uproszczenie schematu polega na pominięciu wszechobecnych, zarówno w nadajniku, jaki i odbiorniku, wzmacniaczy.

W nadajniku do układu elektronicznego modulatora podawany jest sygnał wysokiej częstotliwości wytworzony w generatorze (dokładniej można o nim przeczytać w materiale „W jaki sposób wytwarzane są fale elektromagnetyczne radiowe?”) oraz sygnał audio pochodzący z mikrofonu. W modulatorze następuje „wmontowanie” drgań elektrycznych niskiej (akustycznej) częstotliwości w drgania wysokiej częstotliwości. Antena nadawcza emituje falę elektromagnetyczną, zgodną z tymi wypadkowymi drganiami.

R16e0VAE6Angx

Rys. 2. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest schemat blokowy Radia. Po lewej stronie widoczny jest nadajnik. Po prawej stronie widoczny jest odbiornik. Nadajnik składa się z generatora, który emituje falę elektromagnetyczną. Generator emituje sygnał nośny. Generator narysowany jest blokową w postaci prostokątnego kształtu, w którym widnieje jego nazwa. Z generatora fala trafia do modulatora. Modulator również widoczny jest w postaci prostokątnego kształtu, w którym widnieje jego nazwa. Do modulatora trafia również sygnał audio z mikrofonu. Sygnał z mikrofonu moduluje sygnał nośny. Mikrofon narysowano u dołu w postaci okręgu i przyległego do niego od dołu poziomego odcinka. Modulator, do którego trafiła fala elektromagnetyczna z generatora oraz sygnał audio z mikrofonu przesyła dalej sygnał na antenę. Antena widoczna jest w postaci pionowego czarnego odcinka z rozwidlonego na górze. Antena wysyła sygnał w przestrzeń. Zmodulowany sygnał przesyłany w powietrze widoczny jest w postaci trzech czerwonych łuków kierujących się w prawą stronę. Antenę nadawczą trafia na antenę odbiornika. Antena odbiornika widoczna jest w postaci pionowego, czarnego odcinka z rozwidleniem na końcu. Antena odbiornika podłączona jest do obwodu odbiorczego. Obwód odbiorczy przesyła sygnał zebrany przez antenę odbiornika do demodulatora. Obwód odbiorczy I demodulator widoczne są w postaci prostokątnych kształtów z nazwami w środku. Demodulator przesyła sygnał do głośnika. Głośnik zarysowanej w postaci małego poziomego prostokąta z przytwierdzonym do niego od dołu ściętym stożkiem.

Odbiornik dostrojony do częstotliwości fali nośnej odbiera drgania wysokiej częstotliwości z zakodowanym sygnałem akustycznym. Po czym, w demodulatorze, sygnał ten zostaje odseparowany od drgań wysokiej częstotliwości i podany do głośnika. Słyszymy dźwięk zarejestrowany przez mikrofon.

Pozostaje jeszcze powiedzieć o tym, w jaki sposób kodujemy sygnał niskiej częstotliwości w sygnale wysokiej częstotliwości. Zwróćmy uwagę, że częstotliwości tych sygnałów znacznie się różnią. Dźwięk ma częstotliwość w zakresie 20‑20 000 Hz (2 · 10Indeks górny 4⁴ Hz), zaś  fale radiowefala radiowafale radiowe stosowane w radiofonii mają częstotliwości znacznie większe – od 1,5 · 10Indeks górny 5⁵ Hz do 3 · 10Indeks górny 8⁸ Hz ( zakres częstotliwości jest różnie podawany przez różne źródła, np. od 3 kHz do 3 THz).

Sygnał foniczny można zapisać analogowo (o cyfrowym zapisie tu nie powiemy) na dwa sposoby:

1. Zmieniając w rytm zmian sygnału audio amplitudę sygnału wysokiej częstotliwości;

2. Zmieniając w rytm zmian sygnału audio częstotliwość sygnału wysokiej częstotliwości.

Obie metody zilustrowano na Rys. 3a. i 3b.

R1WiuTVkXkI6A

Rys. 3a. Ilustracja podzielona jest na dwie części górną i dolną. Górna część przedstawia funkcję sinusoidalny o narysowaną zielonym kolorem. Na tle tej funkcji widoczna jest również inna funkcja narysowana czerwonym kolorem. Funkcja jest nieregularna. W początkowym sektorze przypomina ona funkcję sinusoidalny o mniejszej amplitudzie niż funkcja zielona. W dalszej części funkcja okresowo maleje bądź rośnie. W dolnej części widoczna jest funkcja narysowana niebieską linią. Funkcja ta przypomina funkcję sinusoidalne, ale jej amplituda nie jest stała w czasie. Okresowo amplituda funkcji niebieskiej maleje bądź rośnie. Funkcja ta jest wynikiem superpozycji, czyli dodania do siebie dwóch funkcji z rysunku powyżej. Czerwona funkcja na górnym wykresie jest to funkcja modelująca. Modulacja odbywa się w zakresie amplitudy. Jest to tak zwana modulacja wielkimi literami AM, czyli amplitudowa.

R15eArchn6smW

Rys. 3b. Ilustracja podzielona jest na dwie części górną i dolną. Górna część przedstawia funkcję sinusoidalny o narysowaną zielonym kolorem. Na tle tej funkcji widoczna jest również inna funkcja narysowana czerwonym kolorem. Funkcja jest nieregularna. W początkowym sektorze przypomina ona funkcję sinusoidalny o mniejszej amplitudzie niż funkcja zielona. W dalszej części funkcja okresowo maleje bądź rośnie. Czerwona funkcja nie ma stałego okresu, w którym by rosła bądź malała. W dolnej części widoczna jest funkcjo narysowana niebieską linią. Jest to funkcja sinusoidalne, ale jej okres nie jest stały. Okres funkcji niebieskiej zmienia się w czasie. Funkcja niebieska jest wynikiem dodania do siebie częstotliwości funkcji z wykresu powyżej. Amplituda funkcji niebieskiej jest stała. Jest to tak zwana modulacja FM, czyli odbywa się ona w zakresie częstotliwości.

Czerwona linia odpowiada sygnałowi audio, zielona – fali nośnej, a granatowa – zmodyfikowanej fali nośnej. W przypadku AM (Rys. 3a.) amplituda fali nośnej zmienia się zgodnie z sygnałem audio, częstotliwość pozostaje stała. W przypadku FM (Rys. 3b.), zgodnie z sygnałem audio zmienia się częstotliwość sygnału nośnego, amplituda pozostaje stała.

W przypadku FM odchylenie częstotliwości od przypisanej częstotliwości nośnej w dowolnym momencie jest wprost proporcjonalne do amplitudy sygnału wejściowego, określając chwilową częstotliwość nadawanego sygnału.

Druga metoda modulacji (FM) ma taką przewagę nad pierwszą (AM), że zapis jest odporny na zakłócenia amplitudy przesyłanej fali, które mogą mieć miejsce w wyniku pochłaniania, odbić i interferencji rozchodzącej się fali w atmosferze. W dodatku zapis ten (FM) jest zdecydowanie wierniejszym zapisem sygnału audio. Ale za to zapis FM wymaga fali nośnej o wysokiej częstotliwości (co najmniej 30 MHz), czyli leży w dziedzinie fal ultrakrótkich (UKF). Tu problem jest z zasięgiem. Fale UKF słabo ulegają dyfrakcji na przeszkodach, np. krzywiźnie Ziemi i wymagają w związku z tym dużej liczby stacji przekaźnikowych. Jedna z takich stacji przedstawiona jest na zdjęciu (Rys. 4.).

R1FnIPZxpY2eW

Rys. 4. Ilustracja przedstawia zdjęcie, na którym widoczny jest maszt radiowy. Maszt widoczny jest w scenerii poza miastem. U dołu ilustracji widoczne są drzewa. Nad drzewami widoczne jest zachmurzone niebo. Maszt wystaje znacząco powyżej koron drzew. Z opisu pod zdjęciem wynika, że wysokość masztu radiowego to sto dwadzieścia trzy metry. Maszt widoczny jest w postaci pionowego metalowego słupa podtrzymywanego stalowymi linami.

Słowniczek