ГЛАВА 1. История создания.

Примитивные средства связи.

С древних времен человечество искало и совершенствовало средства обмена информацией. На малые расстояния сообщения передавались жестами и речью, на большие-с помощью костров, находящихся друг от друга в пределах прямой видимости. Иногда между пунктами выстраивалась цепочка людей и новости передавались голосом по этой цепочке от одного пункта до другого. В центральной Африке для связи между племенами широко использовали барабаны.

ГЛАВА 1. История создания.

Основоположником всей современной радиотехники был выдающийся ученый Генрих Герц. Именно он доказал на практике теорию Максвелла, сгенерировав и обнаружив радиоволны. С 1889 года воспроизводя на лекциях и докладах опыты Герца, русский физик Попов видоизменил их, стремясь найти наиболее чувствительный индикатор «электрических волн». В 1894 занялся изучением влияния электрических раз­рядов на проводимость металлических порошков и сконструировал первый свой (изобретенный Кальцекки - Онести и Э. Бернулли) когерер для обнаружения электромагнитных волн – в виде стеклянной трубки с металлическими опилками. К началу 1895 года Попов создал «грозоотметчик», который позволял надежно регистрировать приближение грозы на расстоянии до 30 км. В это устройство входили когерер — приспособление со звонком для автоматического восстановления чувствительности когерера встряхиванием, реле, приводившее в действие звонок, и даже приемная антенна в виде длинного вертикального провода. Таким образом, Попов создал прототип первого приемника. Он продемонстрировал его 25 апреля (7 мая) 1895 на заседании физиче­ского отделения Российского физико-химического общества и прочитал доклад «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям», причем высказал мысль о возможности применения грозоотметчика для пере­дачи сигналов на расстояние.12 (24) марта 1896 на заседании физического отделения Российского фи­зико-химического общества Попов при помощи своих приборов наглядно про­демонстрировал передачу сигналов на расстояние 250 м, передав первую в мире радиограмму из двух слов «Генрих Герц».Несколько позднее создал подобные же приборы и провел с ними экспе­рименты итальянский физик и инженер Г. Маркони. В 1897 он получил патент на применение электромагнитных волн для беспроволочной связи. Благодаря большим материальным ресурсам и энергии Маркони, не имевший специаль­ного образования, добился широкого применения нового способа связи. К сожалению, Александр Степанович Попов не имел материальных ресурсов и поэтому не дожил до вручения ему Нобелевской премии за развитие радиоэлектроники. Её отдали Маркони в 1909 году.

1.1. Основоположники радиосвязи

1.2. Герц Генрих Рудольф (1857 - 1894)

Родился 22 февраля 1857 в Гамбурге. Учился в Высшей технической школе в Дрездене, в Мюнхенском, а затем в Берлинском университете, по окончании которого в 1880 защитил докторскую диссертацию и стал ассистентом Г.Гельмгольца. За три года работы в Берлине опубликовал 15 статей на самые разные темы — от электромагнетизма до твердости материалов и испарения жидкостей. В 1883 стал доцентом кафедры теоретической физики в Кильском универси­тете. В 1885-1889 — профессор Высшей технической школы в Карлсруэ, с 1889 — профессор физики Боннского университета, преемник Р. Клаузиуса. Еще в Киле Герц написал теоретическую статью, посвя­щенную электродинамике Максвелла, и был хорошо подготовлен к работе в этой области. В 1887 году он предложил удачную конструкцию генератора электро­магнитных колебаний и метод их обнаружения. Наблюдая отражение, прелом­ление, интерференцию, дифракцию и поляризацию электромагнитных волн, показал их тождественность излучению, предсказанному Максвеллом. Устано­вил, что скорость распространения электромагнитных волн в воздухе равна скорости света. Развивая теорию Максвелла, он придал уравнениям электроди­намики симметричную форму, что позволило обнаружить полную связь между электрическими и магнитными явлениями (электродинамика Максвелла — Герца). В 1887 впервые наблюдал внешний фотоэффект, исследуя влияние УФ - лучей на электрический разряд; изучал свойства катодных лучей. Работы Герца в области электродинамики послужили основой при создании беспроволочной телеграфии, радио и телевидения. Именем Герца названа единица частоты ко­лебаний. Умер Герц в Бонне 1 января 1894. Умер он в возрасте 37 лет от общего заражения крови. Это событие стало трагедией для научного мира.

1.3. Попов Александр Степанович (1859–1906)

Попов еще с детства Попов интересовался физикой, после он учился в ду­ховном училище, после поступил в Пермскую духовную семинарию. Окончив семинарию в 1877, приехал в Петербург. Блестяще сдав вступительные экзамены, был принят на физико-математический факультет Петербургского университета.В университете Попов все свободное время проводил в физической лабо­ратории, занимаясь опытами по электричеству. По окончании университета в 1882 защитил диссертацию на тему: «О принципах магнито - и динамоэлектри­ческих машин постоянного тока» и был оставлен при университете для научной работы и подготовки к профессорскому званию.Однако условия работы в университете не удовлетворили Попова, и в 1883 году он принял предложение занять должность ассистента в Минном офицерском классе в Кронштадте, единственном в России учебном заведении, в котором видное место занимала электротехника и велась работа по практическому при­менению электричества (в морском деле). В Минном офицерском классе Попов проработал 18 лет, сочетая педагогическую деятельность с научными исследо­ваниями. Здесь он начал изучение электромагнитных волн, завершившееся изо­бретением радио. Попов не пропускал ни одного открытия или изобретения в области энергетики. После опубликования в 1888 работ Г. Герца, открывшего «лучи электрической силы», Попов стал изучать электрические явления.В начале 1897 Попов осуществил радиосвязь между берегом и кораблем, а в 1898 дальность радиосвязи между кораблями была доведена до 11 км. Боль­шой победой Попова и едва зародившейся радиосвязи было спасение 27 рыба­ков с оторванной льдины, унесенной в море. Радиограмма, переданная на рас­стояние 44 км, позволила ледоколу своевременно выйти в море. Работы Попова были отмечены золотой медалью на Всемирной выставке 1900 в Париже. В 1901 на Черном море Попов в своих опытах достигал дальности в 148 км. Но работа Попова не была по достоинству оценена)).

ГЛАВА 2. Строение и принцип работы.

2.1. Диапазоны частот для радиосвязи.

Весьма широкий участок радиоволн, отведенный для радиовещательных станций, условно подразделен на несколько диапазонов: длинноволновый (со­кращенно ДВ), средневолновый (СВ), коротковолновый (КВ), ультракоротко­волновый (УКВ). В нашей стране длинноволновый диа­пазон охватывает волны длиной от 735,3 до 2000 м, что соответствует частотам 408 —150 кГц; средне­волновый — радиоволны длиной от 186,9 до 571,4 м, что соответствует часто­там 1605—525 кГц; коротковолновый — радио­волны длиной от 24,8 до 75,5 м, что соответствует частотам 12,1 — 3,95 МГц; ультракоротковолновый — радио­волны длиной от 4,11 до 4,56 м, что соответствует частотам 73 — 65,8 МГц.Радиоволны УКВ диапазона называют также метровыми волнами; вообще же ультракороткими волнами называют все волны короче 10 м. В этом диапа­зоне ведутся телевизионные передачи, работают связные радиостанции, обору­до­ванные на автомашинах пожарной охраны, такси, медицинского обслужива­ния населения на дому, безопасности уличного движения.Коротковолновые радиовещательные станции неравномерно распределены по КВ диапазону: больше всего их работает на волнах длиной около 25, 31, 41 и 50 м. Соответственно этому коротковолновый радиовещательный диапазон подразделяется на 25, 31, 41 и 50-метровый поддиапазоны.Согласно международному соглашению волна длиной 600 м (500 кГц) от­ведена для передачи сигналов бедствия кораблями в море — S0S. На этой волне работают все аварийные морские радиопередатчики, на эту волну настроены приемники всех спасательных станций и маяков.

2.2. Генерация электромагнитных колебаний.

Сложность изготовления и настройки элементов и узлов передатчика (и приемника тоже) напрямую зависит от частоты. Больше частота – сложней изготовление и выше стоимость. В свою очередь, отклонение частоты влияет на согласованную работу передатчика и приемника. Например, отклонение частоты средневолнового (300 кГц) передатчика на 1% вызовет изменение частоты на ±3 кГц, что в принципе допустимо. А отклонение на 1% передатчика, работающего на частоте 450 МГц, даст отклонение частоты на ±4.5 МГц. А это по ширине больше длинноволнового, средневолнового и частично коротковолнового диапазонов вместе взятых! Первые радиопередатчики работали в телеграфном режиме, т.е. сообщения передавались точками и тире кода Морзе. Для таких систем было не важно качество сигнала, а было важно его наличие. Довольно просто отличить точку от тире при любом качестве передачи. Все начало усложнятся с появлением голосовой связи. Понадобились новые открытия, и они не замедлили появиться. Допустим, мы построили генератор высокочастотных колебаний. Что же дальше? Как заставить электромагнитные волны «нести» полезную информацию, в частности наш голос? Еще в 1900 американский инженер Реджинальд Фессенден предложил использовать для этих целей модуляцию.

2.4. Общие принципы работы.

В первых приемниках созданных Поповым и Маркони для передачи информации использовался телеграф (точки и тире кода Морзе). В то время не особенно беспокоились над приемом сигналов конкретной радиостанции. Эфир был относительно чист. Кроме того, при приеме телеграфных сигналов можно было не задумываться о его качестве. Код Морзе можно было передавать хоть тоном, хоть треском, хоть скрипом. Главное – это отличить точку от тире. Дальность связи в основном определялась мощностью передатчика и эффективностью (габаритами) антенн. В качестве регистратора сигналов в то время использовалось специальное устройство – когерер. Когерер представлял собой стеклянную трубку, заполненную металлическими опилками. При прохождении электрического сигнала опилки спекались и становились проводником тока. При включении когерера в цепь, состоящую из источника питания (батареи) и сигнального устройства (например, звонка или самописца) можно было фиксировать принятые точки и тире. При всей простоте способа, когерер не позволял принимать голос, для этого требовались более совершенные приборы. Радио развивалось. На смену когереру пришли более чувствительные устройства, такие как кристаллические детекторы, жидкостные бареттеры, магнитные детекторы и т.п. Большим достижением стало появление электронных ламп и полупроводниковых приборов. Для работы в эфире множества радиопередатчиков без помех друг другу, каждому из них выделяется строго определенная частота. В свою очередь радиоприемник должен быть также настроен на эту частоту. Во всех радиоприемных устройствах для этого используется колебательный контур – специальное устройство, представляющее собой замкнутую цепь, состоящую из катушки индуктивности и конденсатора. Катушка (ее иногда называют просто индуктивностью) – это свитый в спираль провод, а конденсатор – близко расположенные металлические пластины, которые позволяют накапливать заряд (электрическую энергию). Следует отметить, что каждый цикл перехода энергии между электрическим и магнитным полем вызывает изменение направления тока в цепи и, следовательно, заряд на пластинах конденсатора меняется с положительного на отрицательный и наоборот. Полный цикл процессов происходящих в контуре называется колебанием, из-за чего контур и получил название колебательного. Колебания в электрическом контуре совершаются с очень большой частотой – тысячи и миллионы раз в секунду. При воздействии на контур внешней энергией, например, переменным электрическим током, в нем возникают так называемые вынужденные колебания. Если частота сигналов совпадет с частотой колебаний контура, возникнет явление резонанса – амплитуда колебаний достигает наибольшей величины. Именно это явление и позволяет настраивать приемник на определенную частоту и выделять нужную станцию среди множества других. Так можно «раскачать» электрический контур, если подавать в него энергию в такт его собственным колебаниям. Из электрических колебаний различных частот контур выделит только ту, которая вызовет явление резонанса. Из слабых «подталкиваний» контур постепенно накопит значительную энергию. Чем больше амплитуда напряжения на контуре, тем через него течет больший ток и, естественно, тем больше потери. Чтобы настроить контур в резонанс, необходимо менять его частоту.

2.3. Радиоприем

В общем случае процесс приема сигнала выглядит следующим образом:

1) Электромагнитные волны наводят в антенне токи высокой частоты;

2) Эти токи поступают на входной контур;

3) Контур выделяет из множества частот только узкую полосу, на которую он настроен;

4) Из высокочастотного сигнала необходимо выделить скрытый в нем сигнал звуковой частоты (звуковую информацию);

5) Электрический сигнал звуковой частоты надо преобразовать в акустический сигнал, который можно прослушать.

Существует много видов радиоприемников но работают они по одному принципу.

2.3. Модуляция

Звуковой сигнал, например голос, представляет собой акустические колебания или звуковые волны. Очевидно, что эти колебания должны быть преобразованы в электрический вид. Обычно, преобразование обычно осуществляется с помощью микрофона. Допустим, мы имеем электрический сигнал звуковой частоты и имеем высокочастотную электромагнитную волну – несущую. То есть у нас есть информация и несущая для ее транспортировки. Как же «нагрузить» электромагнитную волну звуком? Для этого и применяется модуляция. Модуляция это процесс объединения информационного, в нашем случае звукового сигнала, с частотой генератора. Модуляция определенным образом изменяет форму ВЧ колебаний и бывает нескольких видов. В радиосвязи чаще всего используют амплитудную (АМ) и частотную модуляцию (ЧМ). Модулирующий сигнал изменяет либо амплитуду несущей, либо ее частоту. И в том, и в другом случае несущая нагружается полезным сигналом.

2.4. Детекторный приемник.

Из принятых антенной ВЧ сигналов выделяется тот, в резонанс с которым настроен колебательный контур. Форма сигнала в точке (1) представляет собой высокочастотный сигнал, модулированный по амплитуде. Задача детектора состоит в том, чтобы «вырезать» положительную полуволну (2), которая также содержит полезную информацию в виде изменения амплитуды – так называемую огибающую (на рисунке показана пунктирной линией). Но высокочастотный сигнал нельзя прослушать на наушники – нужна звуковая частота. Для удаления ВЧ составляющей в схему после диода включен конденсатор. Емкость конденсатора выбрана таким образом, чтобы он пропускал только высокочастотную составляющую. Теперь мы имеем сигнал (3), эквивалентный переданному радиопередатчиком. Детекторные приемники не используются для серьезных задач и представляют скорей академический интерес, но на его примере можно проследить процессы, протекающие в более сложных радиоприемных устройствах.

2.5. Приемник прямого усиления.

Радиоприёмник прямого усиления состоит из колебательного контура, нескольких каскадов усиления высокой частоты, диодного детектора, а также нескольких каскадов усиления низкой частоты. Колебательный контур служит для выделения сигнала требуемой радиостанции. Как правило, частоту настройки колебательного контура изменяют конденсатором переменной ёмкости. К колебательному контуру подключают антенну, иногда и заземление. Сигнал, выделенный колебательным контуром, поступает на усилитель высокой частоты. Усилитель высокой частоты (УВЧ), как правило, представляет собой несколько каскадов избирательного транзисторного усилителя. С УВЧ сигнал подаётся на диодный детектор, с детектора снимается сигнал звуковой частоты, который усиливается ещё несколькими каскадами усилителя низкой частоты (УНЧ), откуда поступает на динамик или наушники. В литературе приёмники прямого усиления классифицируют по числу каскадов усилителей низкой и высокой частоты. Приёмник с n-каскадами усиления высокой и m-каскадами усиления низкой частоты обозначают n-V-m, где V обозначает детектор. Например, приёмник с одним каскадом УВЧ и одним каскадом УНЧ обозначается 1-V-1. Детекторный приёмник, который можно рассматривать как частный случай приёмника прямого усиления, обозначается 0-V-0. Главное преимущество приёмника прямого усиления — простота конструкции, в результате чего его может собрать даже начинающий радиолюбитель. Кроме того, радиоприёмники прямого усиления (в отличие от супергетеродинных приёмников) отличаются отсутствием паразитных излучений в эфир, что может быть важно, если необходима полная скрытость приёмника. Основной недостаток приёмника прямого усиления — малая селективность (избирательность), то есть малое ослабление сигналов соседних радиостанций по сравнению с сигналом станции, на которую настроен приёмник (к регенеративному приемнику, являющемуся разновидностью приемника прямого усиления, это не относится). Поэтому этот тип приёмников удобно использовать только для мощных радиостанций, работающих в длинноволновом или средневолновом диапазоне (из-за особенностей распространения волн в ионосфере длинноволновые и средневолновые сигналы не могут распространятся слишком далеко, поэтому приёмник «видит» только ограниченное число местных станций). Из-за этого недостатка приёмники прямого усиления не производятся промышленностью и в основном используются ныне только в радиолюбительской практике.