UNDELE RADIO
Undele radio sînt
unde electromagnetice utilizate în special pentru transmisii de radio și televiziune, cu frecvenț e de la cî ț iva kilohertz pînă la cî ț iva gigahertz (1 GHz = 10 9 Hz). În anumite aplica ț ii speciale însă domeniul de frecven ț e poate fi mult extins. Astfel, în c omunica ț iile cu submarinele se folosesc uneori frecvenț e de doar cî ți va hertz, iar în comunica ț iile digitale fără fir sau în radioastronomie frecvenț ele pot fi de ordinul sutelor de gigahertz. Uniunea Internaț ională a Telecomunicaț iilor , forul care reglementează telecomunicaț iile prin unde radio, stabilește prin convenț ie limita superioară a frecvenț ei undelor radio la 3.000 GHz. Pentru transmisii radio și TV se definesc benzile: Radio
Unde lungi: 153 kHz - 279 kHz
Unde medii: 531 kHz - 1.620 kHz
Unde scurte: 2.310 kHz - 25.820 kHz
Unde ultrascurte: 88 MHz - 108 MHz Televiziune
Banda I (canalele 2-6): 54 MHz - 88 MHz
Banda III (canalele 7-13): 174 MHz - 216 MHz
Benzile IV și V (canalele 14-69): 470 MHz - 806 MHz
Prima transmisie radio din istorie a fost realizată de Guglielmo Marconi în 1894 (pentru o istorie detaliată a primilor ani ai radioului şi a controverselor privind inventatorul acestui aparat, accesaţi cele două pagini Wikipedia semnalate anterior). Semnalele radio emise atunci s-au propagat în spaţiul cosmic, cu viteza luminii, pentru mai bine de 115 de ani. Undele radio transmise atunci au trecut prin dreptul lui Sirius în 1903, pe lângă Vega în 1919 şi dincolo de steaua Regulus în 1971. În prezent, semnalul a trecut deja pe lângă mai bine de 1,000 de stele. Orice posibilă fiinţă inteligentă care locuieşte pe o planetă ce orbitează n jurul vreuneia din cele mai bine de 1000 de stele, şi care posedă un receptor foarte bun, ar fi putut să recepţioneze semnalul emis de Marconi, aflând astfel de existenţa Pământului şi a speciei umane. Undele radio au cea mai mare lungime de undă şi transportă cea mai puţină energie dintre toate componentele spectrului electromagnetic. În timp ce în cazul luminii vizibile vorbim de lungimi de undă care reprezintă fracţiuni minuscule dintr-un ţol, în cazul undelor radio lungimea de undăvariază astfel: de la valori în jur de 19 centimetri, continuând cu lungimi egale cu cea a unei sticle de apă, a automobilelor, vapoarelor, munţilor şi ajungând până la lungimi de undă de dimensiuni enorme, mai
mari chiar decât diametrul planetei noastre.
Heinrich Hertz este cel care a descoperit undele radio, în anul 1888. Primul post comercial de radio a nceput să emită la Pittsburgh, în statul american Pennsylvania, la data de 2 noiembrie 1920. Ulterior, în 1932, o descoperire majoră aparţinând lui Karl Jansky de la Laboratoarele Bell a dezvăluit faptul că atât stelele, dar şi alte obiecte din spaţiul cosmic emit unde radio. Era momentul de naştere a radioastronomiei, un domeniu al astronomiei care presupune eforturi considerabile. Oamenii de ştiinţă au nevoie de antene uriaşe pentru a detecta semnalele radio slabe, de lungimi mari de undă, undele radioelectrice provenind din spaţiul cosmic. De pildă, enorma antenă concavă a observatorului de la Arecibo măsoară 305 metri în diametru, adică aproximativ cât 3 terenuri de fotbal. Oamenii de ştiinţă pot utiliza semnalele recepţionate de o reţea de antene separate pentru a se concentra asupra unor anumite zone ale spaţiului cosmic. Astfel de aranjamente de antene se comportă asemenea unui colector unic, de dimensiuni gigantice. Un exemplu vine din New Mexico: o reţea de 27 de antene parabolice aranjate sub forma unui "Y" gigant, cu fiecare braţ capabil să se "desfăşoare" pe 13 mile! Cercetătorii au împânzit planeta cu astfel de reţele de receptoare radio. Una dintre cele mai mari se ntinde din Hawaii până în Insulele Virgine, acţionând similar unui teleobiectiv atât de puternic încât o minge de baseball de pe suprafaţa Lunii i-ar umple întregul câmp vizual. Multe dintre marile descoperiri din astronomie au fost posibile datorită existenţei undelor radio. P ulsarii, existenţa norilor giganţi de plasmă extrem de fierbinte, care sunt printre cele mai mari obiecte din Univers şi quasarii, toate au fost descoperite folosind undele radio. Undele radio furnizează şi o serie de alte informaţii utile despre sistemul nostru solar şi despre planeta noastră. Obiectele astronomice care posedă un câmp magnetic produc de obicei unde radio. Un exemplu estechiar Soarele nostru. Astfel, satelitul STEREO al NASA este capabil să monitorizeze emisiile de unde radio de la nivelul coronei solare. Senzorii WAVE ai navetei spaţiale WIND înregistrează undele radio emise la nivelul ionosferei unei planete, precum "exploziile" radio ale lui Jupiter, cu lungimi de undă în jur de 15 metri. Undele radio sunt peste tot împrejurul nostru, aducând divertismentul, ştirile şi informaţia ştiinţifică în casele noastre. Nu putem auzi aceste unde radio. Atunci când vă potriviţi aparatul de radio pe frecvenţa postului favorit, el va recepţiona undele electromagnetice cu respectiva frecvenţă şi le va transforma în vibraţii mecanice la nivelul unui difuzor pentru a crea undele sonore pe care le auzim. Poate că nu suntem capabili să ne potrivim aparatele perfect pe frecvenţa transmisiilor radio cosmice, dar am descoperit foarte multe despre dansul cosmic al Universului ascultând aceste transmisii (ascultaţi, de pildă, "muzica" planetei Saturn).
Antenele si transmisia radio
Antenele sunt dispozitivele folosite la emisia şi recepţia undelor radio prin/din aer şi/sau spaţiul cosmic. Sunt folosite pentru a transmite unde radio către locaţii distante, dar şi pentru a recepţiona semnale radio venite de la surse îndepărtate. Antenele sunt folosite nu doar la emisia şi recepţia semnalelor radio ale staţiilor publice de radio pe care le ascultăm zilnic în maşinile și casele noastre. Transmisiile de televiziune folosesc şi ele frecvenţe din spectrul undelor radio, ca şi radarele militare şi civile, telefonia mobilă sau sateliţii artificiali. Majoritatea aparatelor care au încorporate transmiţătoare sau receptoare radio (precum telefoanele mobile, aparatul de radio din mașina fiecăruia, antena clasică "de bulgari" pe care o foloseam înainte de 1989 pentru a vedea mai mult de 2 ore de program TV zilnic, sau mai noile antene satelit, etc.) dispun de o antenă. Practic, antenele convertesc undele electromagnetice în curenţi electrici şi viceversa. Antenele constau în aranjamente de materiale conducătoare de electricitate (cum sunt cuprul şi aluminiul), care generează şi radiază un câmp electromagnetic drept răspuns la aplicarea unei tensiuni electrice (curent electric alternativ) la capetele sale, respectiv care pot fi plasate în mijlocul unui câmp electromagnetic pentru a induce în ele un curent electric, deci pentru a genera un voltaj între capetele lor. Antenele sunt de diferite forme şi dimensiuni, în funcţie de frecvenţele pentru care sunt concepute şi pe care încearcă să le recepţioneze. Antenele pot avea forme plecând de la un fir metalic lung şi destul de solid (asemenea antenelor de la aparatele de radio AM/FM din majoritatea maşinilor noastre), până la formele bizare asemănătoare accesoriilor din bucătărie ale antenelor satelit (vezi figura - wikimedia.org). Pentru sateliţii aflaţi la zeci de mii de kilometri depărtare, NASA foloseşte antene parabolice imense, de până la 60 de metri în diametru!
Dimensiunea optimă a unei antene radio este legată de frecvenţa undelor electromagnetice pe care antena trebuie să le recepţioneze. Această relaţie are de-a face cu viteza luminii şi distanţa pe care
undele electromagnetice o pot parcurge într-un anume interval de t imp. Viteza luminii este de 300,000 de kilometri pe secundă. Să presupunem că vrem să construim o antenă de telecomunicații pentru un post de radio care să emită în AM pe frecvenţa de 680 kHz. Trebuie să transmitem în atmosferă o undă electromagnetică sinusoidală cu această frecvenţă. Într-un ciclu complet, adică în intervalul de timp dintre două maximuri succesive ale amplitudinii (puterii) undelor emise, emiţătorul va muta electronii atomilor din antenă într-o direcţie, le va schimba apoi direcţia de deplasare şi va repeta acest ciclu. Cu alte cuvinte, electronii îşi vor schimba direcţia de deplasare de patru ori pe parcursul unui ciclu complet al undei electromagnetice sinusoidale. Dacă emiţătorul lucrează la frecvenţa de 680,000 herţi, acest lucru înseamnă că un ciclu durează (1/680,000)=0.00000147 secunde. Un sfert din această perioadă înseamnă 0.0000003675 secunde. Mişcându-se cu viteza luminii, câmpul electromagnetic indus în antenă de mişcarea alternantă a electronilor poate străbate 0.11 km în acest interval de 0.0000003675 secunde. Ceea ce înseamnă că dimensiunea optimă a antenei emiţătorului care va transmite pe 680 kHz este de aproximativ 110 metri. De aceea posturile de radio AM au nevoie de turnuri de transmisie foarte înalte. Pe de altă parte, în cazul unui telefon mobil care funcţionează la 900 MHz, dimensiunea optimă a antenei este de 8.3 cm. De aceea telefoanele mobile au antene foarte scurte, la modelele de dată relativ recentă acestea fiind chiar încorporate în aparatul propriu-zis.
Cine a inventat radioul ?
Majoritatea enciclopediilor de ştiinţă şi tehnică ne spun că în 1895 Guglielmo Marconi, un inventator italian în vârstă de doar 20 de ani, a creat un dispozitiv capabil să transmită şi să recepţioneze unde radio pe distanţe de maximum 1 kilometru. Îmbunătăţirile ulterioare ale antenei sale şi apariţia unui amplificator primitiv de semnal i-au permis lui Marconi să înregistreze un patent în Marea Britanie pentru “telegraful fără fir”. În 1897 a reuşit să transmită semnale unor nave aflate la 29 de kilometri de ţărm, pentru a izbuti doar patru ani mai târziu să transmită semnale radio peste Atlantic. A fost răsplătit cu premiul Nobel pentru fizică în 1909 pentru munca sa în domeniul transmiţătoarelor şi receptoarelor radio. Aceasta este povestea pe care o puteţi citi în majoritatea lucrărilor de popularizare a fizicii. Adevărul este însă că un fizician sârbo-croat, Nikola Tesla, a pus bazele radioului încă din 1896. Marconi a folosit ideea lui după mai mulţi ani, darTesla s-a luptat pentru recunoaşterea întâietăţii sale până la moartea sa în 1943, când justiţia a invalidat patentul lui Marconi şi l-a recunoscut pe Tesla drept inventatorul radioului. Primii ani ai radioului
Pentru operatorii radiourilor de pe navele maritime a reprezentat un adevărat miracol de Crăciun. În locul punctelor şi liniilor codului Morse operatorii au ascultat acordurile melodioase ale unui violonist ce
interpreta “Silent Night”. Se întâmpla în 1906, în Ajunul Crăciunului şi era vorba de una din primele transmisii muzicale pe calea aerului. Trecuseră doar 11 ani de la prima transmisie “fără fir” a lui Marconi şi doar 5 de la semnalul transmis peste Atlantic. Folosind un alternator de înaltă frecvenţă, un fizician născut în Canada - Reginald A. Fessenden - realiza o istorică transmisie în Ajunul Crăciunului, reuşind să transmită sunetele unei viori, dar şi vocea omului. Un alt eveniment rămas în cărţile de istorie ca una dintre primele transmisii radio a avut loc în 1910, când Lee de Forest, inventatorul unui tip de tub cu vid botezat triodă, a reuşit o transmisie pe calea aerului chiar din clădirea Operei Metropolitane din New York. Cum functioneaza radioul?
Deşi în zilele noastre şi-a pierdut aura magică de odinioară, radioul reprezintă una din marile realizări tehnologice ale umanităţii. De aproape 100 de ani radioul ne permite să trimitem sunete prin aer cu viteza luminii. Vreţi să ştiţi ce se întâmplă de fapt într-un asemenea aparat?
Deşi în zilele noastre şi-a pierdut aura magică de odinioară, radioul reprezintă una din marile realizări tehnologice ale umanităţii. De aproape 100 de ani radioul ne permite să trimitem sunete prin aer cu viteza luminii. Dar câţi dintre noi ştiu ce se întâmplă de fapt într-un asemenea aparat? Înainte de a intra în amănunte privind modul în care funcţionează radioul, lăsaţi deoparte faptul că sunteţi atât de obişnuiţi cu un asemenea dispozitiv şi gândiţi-vă o clipă cât de misterios ar fi părut un aparat de radio unui om chiar inteligent din trecutul nu prea îndepărtat, când încă undele electromagnetice erau necunoscute: o cutie care produce sunete inteligibile! Oricât ai căuta înăuntrul lui, nu vei găsi niciun sunet, chiar de mergi cu disecţia până la nivelul cel mai profund al părţilor componente... Unii filozofi moderni au folosit această analogie pentru a sugera că nu vom găsi niciodată cauza conştiinţei, pentru că ar fi produsă de creierul uman aşa cum sunetul este produs de radio. Dar să revenim la lucruri mai concrete...
Undele radio Undele radio reprezintă un tip de radiaţie electromagnetică, o formă de energie care îşi schimbă proprietăţile, şi oscilează foarte rapid. Undele radio au două caracteristici înrudite: frecvenţa şilungimea de undă. Frecvenţa exprimă de câte ori într-o secundă unda oscilează, deci îşi schimbă puterea (amplitudinea) asociată. Lungimea de undă reprezintă distanţa dintre două maxime ale oscilaţiei undelor electromagnetice şi este dată de relaţia dintre viteza de deplasare a undei (300000 de km/s în cazul tuturor undelor electromagnetice care se deplasează prin aer) împărţită la valoarea frecvenţei anterior descrise. Undele radio de frecvenţe joase au lungimi de undă mar i (sute de metri), în timp ce undele radio de frecvenţă înaltă au asociate lungimi de undă scurte (de ordinul centimetrilor). Vedeţi o reprezentare grafică a deplasării undelor electromagnetice prin spaţiu în acest articol.
În esenţă, radioul foloseşte o tehnologie foarte simplă. Folosind componente electronice ieftine se pot construi emiţătoare şi receptoare radio simple. Orice configuraţie de dispozitiv radio pentru emisierecepţie presupune existenţa unui transmiţător şi a unui receptor. Rolul transmiţătorului este de a prelua un anume tip de mesaj, cum ar fi vocea unui solist, imagini în cazul unui receptor TV sau date pentru modemurile radio, să îl codifice sub forma unei unde electromagnetice sinusoidale şi să îl transmită prin aer sub forma undelor radio. Rolul receptorului este, desigur, recepţia acestor unde radio precum şi decodificarea şi extragerea mesajului util din structura lor. Atât emiţătorul, cât şi receptorul folosesc antene pentru a radia (transmite), respectiv recepţiona undele electromagnetice.
Călătoria incredibilă a sunetului pe calea radioului AM Puteţi vedea în fotografia de mai jos, paşii parcurşi de o undă sonoră de la microfonul artistului, pe calea aerului, până în casele dumneavoastră. Trebuie remarcat că elementele reprezentate grafic prin numerele 3-5, şi anume generatorul de semnal, modulatorul şi emiţătorul sunt localizate la nivelul staţiei de radio de unde se emit programele în eter, pe când cele de la 6 la 10 (antena receptoare, amplificatorul, demodulatorul, filtrul şi difuzorul) se regăsesc în or ice receptor radio AM (aparatul de radio). Schema de mai jos presupune şi prezenţa unui semnal audio live, deci vocea unui artist este preluată printr-un microfon (1), amplificată (2) şi transmisăgeneratorului de semnal.
1. Microfonul Vibraţiile sonore generate de artist acţionează asupra microfonului, unde sunetul este convertit într-un semnal electric foarte slab. Odată cu înălţimea tonului redat de artist, creşte şi frecvenţaundei sonore asociate. 2. Amplificatorul Acest semnal electric este amplificat. Se poate vedea pe figură că semnalul de intrare este mai plat (de amplitudine mai mică) decât cel de ieşire. Amplitudinea mărită a semnalului de ieşire indică faptul că acesta este mult mai puternic. De remarcat şi că frecvenţa semnalului de intrare şi a celui de ieşire sunt identice. 3. Generatorul semnalului purtător Generatorul de undă creează un semnal radio de înaltă frecvenţă. Frecvenţa acestui semnal este de câteva ori mai mare decât frecvenţa undei sonore. Acest semnal va "purta" semnalul audio prin atmosferă şi se mai numeşte, pe scurt, şi "purtătoare".
4. Modulatorul Amplitudinea semnalului purtător (“înălţimea” sinusoidei din desen) este alterată, sau modulată, termenul preferat în jargonul tehnic, pentru a reflecta schimbările de amplitudine ale semnalului audio original. Trebuie remarcat cum o copie a semnalului audio este vizibilă în jumătăţile superioară şi inferioară ale undei purtătoare. De la modalitatea de modulaţie a semnalului util, în acest caz modulaţia în amplitudine, provine acronimul AM, care desemnează o anumită bandă de frecvenţe în care emit staţiile radio care folosesc această tehnologie. 5. Emiţătorul Semnalul radio (electric la nivelul acesta) ajunge la antena emiţătoare şi la nivelul acesteia se generează câmpul electromagnetic corespunzător, o undă radio, care se propagă înspre exterior omnidirecţional. 6. Antena receptoare O antenă recepţionează unda radio undeva în aria de acoperire a emiţătorului. Dacă antena este foarte departe de emiţătorul radio, semnalul recepţionat va fi foarte slab. 7. Amplificatorul Semnalul recepţionat, de amplitudine redusă, este amplificat. 8. Demodulatorul La acest nivel semnalul radio este înjumătăţit. Din moment ce ambele componente conţin aceeaşi informaţie audio, doar una este necesară. 9. Filtrul Semnalul este trecut printr-un filtru, care îndepărtează componenta purtătoare a acestuia. Ceea ce rămâne este semnalul audio propriu-zis. 10. Difuzorul Semnalul audio astfel obţinut generează vibraţii ale diafragmei difuzorului, generând unde sonore echivalente cu vocea artistului transmisă din locaţia staţiei radio.
FM vs AM Radioul FM functionează similar radioului AM. Diferenţa apare la modalitatea de alterare, deci de modulaţie a undei purtătoare. În cazul radioului AM (amplitude modulation), amplitudinea(puterea) semnalului variază pentru a încorpora componenta informaţională de sunet. În cazul FM-ului (frequency modulation) frecvenţa semnalului purtător este cea care variază.
Semnalele FM au un mare avantaj în faţa semnalelor AM. Ambele sunt susceptibile să sufere mici variaţii de amplitudine. În cazul unei transmisii AM, acestea generează ceea ce numim “paraziţi”, un semnal radio nedorit. În cazul unei transmisii FM, micile variaţii de amplitudine nu influenţează calitatea semnalului recepţionat, deoarece componenta audio este codificată prin schimbări ale frecvenţei purtătoarei, astfel că receptorul FM poate ignora modificările de amplitudine, neapărând distorsionări ale semnalului original.
Cum este emisă o undă radio? Suntem aşadar la momentul în care un semnal electric pleacă spre antena unei staţii radio. Cum trece semnalul în aer sub formă de undă electromagnetică? Trebuie să realizăm că semnalul este un curent electric, practic electroni în mişcare printr-un fir metalic, de obicei cupru. Atomiiconstituenţi ai firului de cupru au ceva în comun – toţi au 1 sau 2 electroni pe orbitalul superior,electroni care nu au o legătură foarte strânsă cu restul atomului. Este nevoie de o foarte redusă cantitate de energie pentru a îndepărta electronul de atomul părinte. Cu suficientă energie,electronii de pe ultimul nivel ai tuturor atomilor se vor mişca la unison. Vor trece de la atomuliniţial la unul vecin ş.a.m.d. Să revenim la semnalul radio. Electronii au o mişcare de du-te vino, creând un câmp electromagnetic în jurul firului metalic. Aceştia urmează aceeaşi mişcare şi în antena emiţătoare, generând un câmp electromagnetic în jurul acesteia. Diferenţa este că dacă firul este ecranat (izolat), pentru a reţine câmpul electromagnetic în interior, în cazul antenei acest lucru nu se petrece, iar câmpul electromagnetic generat este radiat în toate direcţiile cu viteza luminii. Călătoreşte până întâlneşte antenele miilor de receptoare din zonele limitrofe, iar la recepţie se petrece fenomenul invers: câmpul electromagnetic generează un curent electric în antena receptoare, curent care este amplificat şi procesat de către aparatul de radio.
Unde se situează transmisiile AM şi FM în cadrul spectrului electromagnetic ? Semnalele radio AM sunt cele din zona 550 kHz – 1600 kHz. Radioul FM emite între 88 MHz şi 108 MHz.
Pe ce distanţe au acoperire emisiile AM şi FM? Toate undele electromagnetice călătoresc în linie dreaptă prin mediile de transmisie uniforme aşa cum este şi cazul atmosferei inferioare. De aceea, majoritatea undelor radio străbat mediul înconjurător până când întâlnesc zone muntoase sau până când curbura scoarţei terestre nu mai permite semnalului să ajungă la receptorul de la o potenţială destinaţie. Este motivul pentru care majoritatea emiţătoarelor sunt montate în vârful clădirilor foarte înalte sau în zone cu relief înalt – crestele munţilor şi dealurilor, pentru a putea deservi o suprafaţă (pe care literatura de specialitate o numeşte “arie de acoperire”) cât mai mare. Totuşi, în cazul undelor radio de frecvenţă joasă (sub 30 MHz), fenomenul de reflexie care apare la contactul cu particulele încărcate electric din componenţa ionosferei, ajută la propagarea undelor pe suprafeţe mult mai mari. În loc să treacă prin ionosferă şi să ajungă în spaţiul cosmic asemenea undelor de înaltă frecvenţă, undele radio de frecvenţă joasă sunt reflectate înapoi către Pământ. Ca bonus, condiţiile superioare de reflexie de la orele dimineţii creează premisele unor transmisii de o calitate superioară la matineu, mărind aria de acoperire a unui turn de transmisie la câteva mii de kilometri.
Deşi staţiile FM oferă înaltă fidelitate, cele AM au o arie de acoperire mult superioară.
Tesla demonstrând transmisia fără fir în 1891 (Foto preluată de pe http://peswiki.com)
Totuşi, ideea de a folosi radioul ca un mediu public de transmisie audio prinde contur de-abia în 1916, când un inginer de la Westinghouse - pe numele său Frank Conrad - a transmis în eternişte înregistrări pentru un prieten. Un director de la Westinghouse a auzit despre transmisia lui Conrad şi a intuit potenţialul ideii. Era vorba despre un mediu disponibil maselor – ceea ce însemna audiente uriaşe. Însemna un public ce urma să asculte transmisiile radio produse şi vândute de către Westinghouse. În 1920, postul de radio Westinghouse KDKA a început să transmită în mod regulat. În acelaşi an a transmis prin radio rezultatele alegerilor prezidenţiale din SUA înainte ca acestea să poată fi citite în ziarele vremii. A fost o mare realizare în epocă, începutul oficial al transmisiilorradio profesioniste.
