Radijas – vienas iš tų technologijos stebuklų, kuriuos naudojame kasdien, bet retai kada susimąstome, kaip jis iš tikrųjų veikia. Paspaudžiate mygtuką automobilyje ir tuoj pat girdite muziką ar žinias iš kažkur toli. O juk tai, kas vyksta tarp radijo stoties ir jūsų imtuvo, yra tikras fizikos ir inžinerijos šedevras.
Radijo technologija paremta elektromagnetinių bangų perdavimu per orą. Šios bangos keliauja šviesos greičiu ir gali nešti informaciją per tūkstančius kilometrų. Bet kaip tiksliai garsas paverčiamas bangomis, o paskui vėl garsais? Panagrinėkime šį procesą nuo pradžių.
Elektromagnetinės bangos – radijo pagrindas
Viskas prasideda nuo elektromagnetinių bangų. Tai energijos forma, kuri keliauja erdve ir gali perduoti informaciją. Elektromagnetinės bangos susideda iš kintančių elektros ir magnetinio laukų, kurie vienas kitą palaiko ir skleidžiasi erdvėje.
Radijo bangos yra elektromagnetinių bangų dalis, tik žemesnio dažnio nei, pavyzdžiui, šviesa ar rentgeno spinduliai. Jos svyruoja nuo kelių kilohercų iki kelių gigahercų. Kuo žemesnis dažnis, tuo toliau bangos gali keliauti, bet tuo mažiau informacijos jos gali perduoti.
Įdomu tai, kad radijo bangos gali apeiti kliūtis, atspindėti nuo jonosferos (atmosferos sluoksnio) ir taip pasiekti labai tolimus taškus. Štai kodėl kartais nakčia galite sugauti radijo stotis iš kitų šalių – nakties metu jonosfera keičiasi ir geriau atspindi žemesnio dažnio bangas.
Kaip garsas paverčiamas radijo bangomis
Radijo stotyje viskas prasideda nuo garso. Vedėjas kalba į mikrofoną, groja muzika – visa tai yra garso bangos, kurios svyruoja nuo 20 Hz iki 20 kHz dažnio. Bet šie dažniai per žemi, kad galėtų efektyviai keliauti per orą dideliais atstumais.
Čia į pagalbą ateina moduliacija – procesas, kurio metu žemo dažnio garso signalas „užkeliamas” ant aukšto dažnio nešančiosios bangos. Yra du pagrindiniai moduliacijos būdai:
Amplitudės moduliacija (AM) – keičiamas bangos stiprumas pagal garso signalą. Jei garsas stiprus, banga aukšta, jei silpnas – žema. AM radijas veikia 530-1700 kHz diapazone ir gali keliauti toli, ypač nakčia, bet garso kokybė ne tokia gera.
Dažnio moduliacija (FM) – keičiamas bangos dažnis, o stiprumas lieka pastovus. FM radijas veikia 88-108 MHz diapazone, garso kokybė geresnė, bet signalas keliauja trumpesniais atstumais ir dažniau trukdomas kliūčių.
Siųstuvo veikimo principai
Radijo siųstuvas – tai sudėtingas elektronikos įrenginys, kuris atlieka kelis svarbius vaidmenis. Pirmiausia jame yra osciliatorius – grandinė, kuri generuoja pastovų aukšto dažnio signalą. Tai ir yra ta nešančioji banga, ant kurios bus „užkeltas” garso signalas.
Toliau signalas patenka į moduliatorių, kur prie nešančiosios bangos pridedamas garso signalas. Čia ir vyksta tas stebuklas – žemo dažnio garsas sujungiamas su aukšto dažnio banga.
Paskui signalas stiprinamas galios stiprintuve. Čia labai svarbu, nes nuo galios priklauso, kaip toli nukeliaus signalas. Namų radijo siųstuvėlis gali turėti kelių vatų galią, o didžiosios radijo stotys – dešimtis tūkstančių vatų.
Galiausiai signalas patenka į anteną. Antena – tai metalinis laidininkas, kuris paverčia elektrinius signalus elektromagnetinėmis bangomis. Antenos forma ir dydis priklauso nuo dažnio – žemesnio dažnio bangoms reikia didesnių antenų.
Imtuvo konstrukcija ir veikimas
Jūsų radijo imtuvas atlieka atvirkštinį procesą – sugauna elektromagnetines bangas ir paverčia jas garsu. Viskas prasideda nuo antenos, kuri gali būti teleskopinė lazdelė, kilpa ar net tik laidų gabalėlis.
Antena sugauna daugybę signalų vienu metu – juk ore skraido bangos nuo šimtų radijo stočių. Čia į pagalbą ateina derinimo grandinė, kuri leidžia išrinkti tik norimo dažnio signalą. Kai sukate radijo rankenėlę, keičiate šios grandinės parametrus ir „nusiteikiate” į skirtingas stotis.
Toliau signalas stiprinamas ir patenka į detektorių (demoduliatoriją). Čia vyksta atvirkštinis moduliacijos procesas – iš moduliuotos bangos išskiriamas pradinis garso signalas. AM radijuje tai daroma gana paprastai, FM radijuje – sudėtingiau.
Galiausiai garso signalas stiprinamas garso stiprintuve ir patenka į garsiakalbį, kuris elektrinius signalus paverčia garso bangomis, kurias girdime.
Skirtingi radijo diapazonai ir jų ypatybės
Radijo spektras padalintas į daugybę diapazonų, kiekvienas su savomis ypatybėmis. Ilgųjų bangų (LW) diapazonas 150-300 kHz naudojamas navigacijai ir specialiems ryšiams. Šios bangos gali keliauti labai toli, bet perduoda mažai informacijos.
Vidutinių bangų (MW) diapazone 530-1700 kHz veikia dauguma AM radijo stočių. Dieną šios bangos keliauja 100-200 km, bet nakčia gali pasiekti ir kitus žemynus dėl jonosferos atspindžių.
Trumpųjų bangų (SW) diapazonas 3-30 MHz ypač įdomus. Čia bangos gali „šokinėti” tarp žemės ir jonosferos ir taip keliauti aplink visą planetą. Trumpųjų bangų radijas buvo ypač populiarus sovietmečiu, kai žmonės klausydavosi užsienio stočių.
VHF diapazone 30-300 MHz veikia FM radijas ir televizija. UHF diapazonas 300-3000 MHz naudojamas mobiliajam ryšiui, WiFi, Bluetooth ir kitoms technologijoms.
Skaitmeninio radijo era
Šiandien radijas pereina į skaitmeninę erą. DAB (Digital Audio Broadcasting) technologija leidžia perduoti ne tik garsą, bet ir tekstinę informaciją, paveikslėlius, net programų vadovus. Skaitmeninis signalas yra atsparesnis trukdžiams ir gali perduoti kelias programas vienu metu.
Internetinis radijas dar labiau keičia žaidimo taisykles. Čia nebereikia nei siųstuvų, nei antenų – muzika keliauja interneto tinklais. Bet fizinis radijas vis dar išlieka svarbus, ypač ekstremalių situacijų metu, kai internetas gali neveikti.
Programuojami radijo imtuvai (SDR – Software Defined Radio) leidžia kompiuteriui tapti universaliu radijo imtuvu. Su specialia programėle ir nedideliu USB įrenginiu galite klausytis oro eismo kontrolės, mėgėjų radijo, net palydovų signalų.
Radijo bangų kelionė per erdvę ir kliūtis
Radijo bangų sklidimas – tai sudėtingas procesas, kurį veikia daugybė veiksnių. Žemesnio dažnio bangos gali lenkti kliūtis ir keliauti už horizonto, o aukštesnio dažnio bangos keliauja tiesiai ir lengvai blokuojamos.
Atmosferos sąlygos labai paveiks radijo bangų sklidimą. Lietaus metu aukšto dažnio bangos gali būti sugeriamos, o karštą dieną atmosferos sluoksniai gali veikti kaip veidrodis ir atspindėti bangas toliau nei įprastai.
Miestų pastatai sukuria sudėtingą radijo bangų atspindžių labirintą. Signalas gali pasiekti anteną keliais skirtingais keliais, sukurdamas trukdžius ar net visiškai išnykdamas tam tikrose vietose.
Kalvos ir kalnai blokuoja aukšto dažnio bangas, bet žemo dažnio bangos gali jas apeiti. Štai kodėl FM radijo stotyse dažnai naudojami retransliacijos siųstuvai kalnų viršūnėse.
Nuo eterio bangų iki išmaniųjų technologijų
Radijo technologija, prasidėjusi nuo paprastų kibirkščių siųstuvų, šiandien yra visur. Jūsų išmanusis telefonas naudoja radijo bangas ryšiui su bazės stotimis, WiFi maršrutizatoriais, Bluetooth įrenginiais. GPS navigacija veikia gaudama radijo signalus iš palydovų.
Automobilių raktai, garažo vartų pulteliai, belaidžiai ausiniai – visa tai radijo technologijos. Net mikrobangų krosnelė naudoja radijo bangas, tik daug stipresnes ir skirtas ne informacijos perdavimui, o maisto šildymui.
Ateityje radijo technologijos taps dar universalesnės. 5G tinklai naudoja vis aukštesnius dažnius, leidžiančius perduoti milžiniškus duomenų kiekius. Daiktų internetas reiškia, kad radijo bangos jungs ne tik telefonus, bet ir šaldytuvus, automobilius, net drabužius.
Radijas išliks svarbus ir kaip patikimas ryšio būdas ekstremalių situacijų metu. Kai nukrinta elektra ir neveikia internetas, paprastas radijo imtuvas gali tapti gyvybiškai svarbiu informacijos šaltiniu. Todėl verta turėti namie bent paprastą radijo imtuvą su baterijomis – niekad nežinai, kada jis gali praversti.