Технические предпосылки изобретения и реализации радиосвязи

Луиджи Гальвани (1737-1798), итальянский физиолог, один из основателей учения об электричестве, заметил, что лапка лягушки время от времени производит сокращения (мышцу лягушки исследователь соединил с проводом — прообраз современной антенны, а нерв — с проводом, опущенным в колодец, — заземление). На основании этого Гальвани сделал вывод о том, что на тело лягушки воздействуют электрические токи, и связал это с атмосферными явлениями, но позднее, в 1774 г., исследователь понял, что сокращения вызывало собственное «животное электричество». В 1791 г. им был опубликован «Трактат о силах электричества при мышечном движении».

Алессандро Вольта (1745-1827), итальянский физик и физиолог, понял, что наблюдаемые Луиджи Гальвани явления связаны с наличием в цепи двух разнородных металлов и жидкости. (На основе этого им был изобретен источник длительного постоянно го тока).

Майкл Фарадей (179l-1867), английский физик, создатель учения об электромагнитном поле, в письме от 12 марта 1832 г. предположил, что распространение магнитного поля похоже на распространение волн по водной поверхности. Позднее, в 1865 г., английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) на основании многолетних исследований предположил, что и свет имеет электромагнитную природу, что было экспериментально доказано немецким физиком Генрихом Герцем (1857-1894) в 1887-88 гг.

Дэвид Юз (1831-1900), английский физик, профессор музыки в Бардстаунском колледже (шт. Кентукки), изобретатель буквопечатающего телеграфного аппарата и угольного микрофона — в 1879-1880 гг. демонстрирует передачу радиосигнала на расстояние сотни метров.

Попытки осуществить радиосвязь предпринял Томас Эдисон (1847-1931) в 1885 г. (патент № 465971), но его опыты не имели практического использования, а в 1892 г. английский химик и физик У. Крукс (1832-1919) подробно описал принципы осуществления радиосвязи.

Александр Степанович Попов (1859-1905/06), преподаватель физики и электротехники в минном офицерском классе (г. Кронштадт), после публикаций Г. Герца об электромагнитных волнах осуществил первую публичную демонстрацию радиосвязи 7 мая 1895 г. А. С. Попов изобрел радиоприемник, который в дальнейшем оказался пригодным для записи грозовых разрядов. 12 марта 1896 г. исследователь передал первую в мире радиограмму: «Генрих Герц».

В 1895 г. Гульельмо Маркони (1874-1937) впервые передал без проводов на расстояние 2,4 км сигнал посредством азбуки Морзе, в качестве радиопередатчика используя искровой излучатель Герца. В 1897 г. им была осуществлена радиосвязь с военным кораблем на расстояние 19 км. В 1897 г. Маркони зарегистрировал в Англии Компанию беспроводного телеграфирования и сигнализации, в 1899 г. основал Американскую компанию беспроводной и телеграфной связи, а в 1900 г. — Международную компанию морской связи. В декабре 1901 г. им была осуществлена радиотелеграфная передача через Атлантический океан.

Споры о первенстве изобретения радиосвязи, или, как ее называли в то время, беспроводного телеграфа, не смолкают до сих пор. Видимо, они трудноразрешимы, так как А. С. Попов проводил свои опыты в обстановке секретности (этого требовало военно-морское ведомство), и не запатентовал свое открытие. Поэтому, например, энциклопедия «Британника» отдает первенство Г. Маркони, а Большая Советская энциклопедия — А.С. Попову. Обратимся к оценкам современников этого поистине великого изобретения, когда его история еще не была искажена политическими или экономическими факторами.

 

В августе 1903 г. в Берлине собралась первая в истории Международная конференция по радиосвязи, в которой участвовали делегации девяти наиболее развитых в то время стран. Приведем цитату из выступления на церемонии открытия конференции официального представителя Германии государственного секретаря М. Кретке: «...После того, как знаменитый Фарадей узнал, как формируются и распространяются в пространстве электрические волны, Максвелл создал теорию их передачи и выяснил скорость их распространения. Надо отдать должное гению Герца, подтвердившего эти теории в своих исследованиях. Лорд Кельвин смог изучить феномены, создаваемые разрядкой лейденских банок, установить колебательный их характер и зависимость от значения самоиндукции и емкости. В 1890 году Бранли впервые исследовал воздействие колебательного разряда на трубку с металлической стружкой. Развивая эти исследования, Лодж указал на возможность обнаружения таким способом электрических волн.

В 1895 году Попов во время исследования электрических разрядов в атмосфере придумал формирование телеграфных сигналов с помощью волн Герца; именно ему мы обязаны первым радиотелеграфным аппаратом. Маркони, впервые применивший антенну для передатчика, открыл новые пути практического использования беспроводной телеграфии. В то же время многочисленные изобретатели старались совершенствовать новое средство связи. Имена Брауна, Дюкре, де Фореста, Фессендена, Рижи, Слаби, Арко, Тесла известны всему миру. И этот список далеко не полон».

 

Физическая природа звука. Преобразование звука в электромагнитные колебания

Звук — колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн; человек воспринимает звук с частотой от 16 гц до 20 000 гц. Звук с частотой ниже 16 гц называется инфразвуком, выше 20 000 гц — ультразвуком.

Звуковые колебания распространяются в пространстве, называемом звуковым полем. В каждую точку звукового поля поступает множество звуковых волн, как прямых (от непосредственных источников звука), так и отраженных от различных предметов. Наложение волновых колебаний называется интерференцией, а способность звуковых волн огибать препятствия — дифракцией. За препятствием образуется акустическая тень.

Человек воспринимает звуковые колебания посредством слуховой системы: ушная раковина, подобно антенне, фокусирует и усиливает звуковой сигнал; среднее ухо выполняет функцию микрофона; внутреннее ухо — функцию слухового анализатора, а высшие отделы головного мозга напоминают преобразователь аналоговой информации в цифровую. Слуховое восприятие определяется восприятием громкости, высоты тона и тембра звука. Высота тона наиболее близко связана с частотой звука: чем больше частота, тем выше тон. Предельная громкость (интенсивность) звука может вызвать болевые ощущения, называемые болевым порогом. Минимальный порог слышимости находится на частотах 3 000-3 500 гц. Наибольший диапазон слышимости находится на средних частотах. Громкость звука связана с частотой, звуковым давлением и временем воздействия на слуховую систему. Тембр позволяет отличать звучание различных источников звука.

Для осуществления радиовещания необходимо преобразовать звуковые колебания в электрические сигналы, для этого применяются микрофоны. Первую удачную попытку создания «механического уха» осуществил немецкий учитель физики Иоганн Филипп Рейс (1834-1874) в 1861 г. роль барабанной перепонки выполнял кусок кожи с укрепленной посередине пластинкой, имеющей углубление, наполненное ртутью. Под влиянием звуковых волн «перепонка» начинала колебаться, погружая или извлекая платиновый штифт из ртути. В цепи создавался прерывистый ток, под действием которого стальной стержень приемника намагничивался или размагничивался, создавая звучание. Поскольку устройство Рейса неудовлетворительно передавало тембр звука, оно не нашло практического применения. Усовершенствовать аппарат удалось американскому профессору Дэвиду Юзу (1831-1990) в 1878 г. Мембрана в микрофоне Юза давила на угольный порошок, изменяя сопротивление между электродами, таким образом, звуковые волны преобразовывались в электрические сигналы. Угольные микрофоны до сих пор используются в телефонии.

 

Радиочастотные диапазоны

Согласно международной конвенции электросвязи (г. Монтре, 1965 г.), любые устройства и радиостанции, излучающие электромагнитные волны, должны быть регламентированы. Мировое пространство в отношении распределения радиочастот делится на три района: первый — Европа и Африка, второй — Северная, Южная Америка и Гренландия, третий — Азия и Австралия. Россия и СНГ входят в состав первого района.

Группа (или категория) качества — это совокупность свойств, обуславливающих заданные технологические характеристики.

1. Высшая группа «0» — комплексы по производству радиопродукции в стереофоническом или (и) монофоническом режимах в диапазоне частот 40 Гц—15 кГц.

2. Подгруппа «0ац» — комплексы но производству радиопродукции с аналого-цифровым оборудованием (с применением цифровых устройств записи-воспроизведения).

3. Подгруппа «0а» — комплексы по производству радиопродукции с аналоговым оборудованием.

4. Первая группа «1» — комплексы по производству радиопродукции в монофоническом режиме в диапазоне частот 50 Гц-10 кГц.

Радиоволны составляют электромагнитное поле, создаваемое антенной системой в окружающем пространстве при питании ее током высокой частоты. Распространение электромагнитного поля напоминает движение волн по поверхности воды и происходит с высокой скоростью — 300 000 км/сек. Радиоволны, распространяющиеся вдоль поверхности Земли, называются поверхностными, а под различными углами — пространственными. И те, и другие распространяются в атмосфере. Атмосфера неоднородна, нижний ее слой (10-15 км) называется тропосферой, а верхний — ионосферой (до 500-600 км от поверхности Земли). В обычном состоянии воздух не проводит электричество, но под воздействием солнечных лучей происходит ионизация слоев воздуха, отчего ионы могут поглощать, отражать или искривлять направление радиоволн. Это качество особенно заметно на высоте более 80-100 км. Пространственные радиоволны, проходя через различные слои атмосферы, способны менять свое направление: чем выше степень ионизации слоев воздуха, тем больше будет искривление радиоволн. Поверхностные радиоволны обладают способностью искривлять траекторию своего движения, как бы следуя кривизне Земли, это явление называется рефракцией. При встрече с небольшим препятствием волна стремится обогнуть его. Это явление называется дифракцией. Электромагнитные волны, используемые для различных видов радиосвязи в зависимости от их длины, подразделяют на следующие диапазоны:

Длинные волны (AM) — километровые — длина волны 1-20 км; частота 148-408 КГц; амплитудная модуляция; первая категория качества (50 Гц-10 КГц); моновещание.

Освоение радиочастотного диапазона началось именно с длинных, точнее сверхдлинных волн, так как в качестве первых волновых излучателей использовались машинные генераторы. Основное преимущество длинных волн — способность огибать препятствия (дифракция), следовательно, длинные волны подходят для вещания в условиях городской застройки или горной местности. Дальность распространения сигнала зависит от мощности передатчика и совершенно не зависит от состояния ионосферы. Радиосвязь на длинных волнах возможна только при помощи поверхностных радиоволн.

Прием радиовещания в данном диапазоне стабилен и почти не зависит от времени суток и сезона. Максимальная дальность распространения длинных волн — 2000 км. Благодаря этому диапазону государственное радиовещание охватывает огромные территории нашей страны, включая малозаселенные районы Севера и Дальнего Востока. Тем не менее качество вещания зависит от промышленных помех и атмосферных явлений.

Поскольку энергию длинной волны сильно поглощает земная поверхность, применяются очень мощные передающие устройства, от 500 до 1500 кВт, установленные за пределами населенных пунктов. Окупаемость передатчика, несмотря на огромный охват территории, невозможна. Beщание в данном диапазоне является затратным.

Средние волны (AM) — гектометровые — длина волны 575-187 м; частота 535—1605 КГц; амплитудная модуляция; первая категория качества (50 Гц-10 КГц); моновещание.

Степень поглощения этих волн ионосферой в значительной степени зависит от времени суток. Днем поглощение энергии средних волн значительно больше, чем в ночное время. Поэтому радиосвязь на большие расстояния за счет пространственной волны возможна только в вечернее и ночное время.

Средние волны имеют достаточную дифракцию для распространения в условиях городской застройки, при этом уровень промышленных помех значителен. В непромышленных зонах качество вещания отвечает первой категории, в городах — значительно ниже. Дальность распространения сигнала зависит от состояния ионосферы: днем сигнал, отражаясь от ионосферы (при высокой концентрации электронов), возвращается на землю слишком слабым, а ночью (при низкой концентрации электронов в ионосфере) дальность распространения сигнала сильно увеличивается (до 2000 км).

Мощность применяемых передатчиков в диапазоне средних волн в дневное время может составлять 5-10 кВт, а в ночное время в принципе может быть снижена в 10-20 раз.

В диапазоне средних волн для расширения зоны обслуживания применяется синхронное радиовещание (одна программа на одинаковой вещательной частоте распространяется несколькими передатчиками). В этом случае используются передатчики малой и средней мощности. Блистательным примером сетей синхронного вещания на средних волнах (549 килогерц)являлись программы «Маяка», транслировавшиеся десятками и сотнями радиостанций на одной частоте. Это было большим достижением отечественной науки и техники — позывные «Маяка» были очень стабильны и принимались практически в любом уголке страны.

Короткие волны (AM) — декаметровые — длина волны 90-11 м; частота 3,95-26,1 КГц; амплитудная модуляция; первая категория качества (50 Гц-10 КГц); моновещание.

Распространение радиоволн в области приема земной волны из-за сильного поглощения почвой ограничено всего несколькими десятками километров, поэтому главным достоинством KB является способность многократно отражаться от ионосферы и при малой мощности передатчиков распространяться на очень большие расстояния. Основная область применения — иновещание. Короткие волны являются пространственными.

Диапазон KB состоит из нескольких поддипазонов от 75 до 11 метров. В верхней части дипазона (75-49 м) уровень промышленных помех чрезвычайно высок. В поддиапазоне от 41 до 19 метров промышленные помехи незначительны. А в нижней части диапазона (16-11 м) атмосферные и промышленные помехи практически отсутствуют.

Короткие волны используются для вещания на зарубежные страны. «Дневной» поддиапазон (13, 16, 19 метров) используется в светлое время суток, «ночной» (25, 31, 41, 49 и 75) — в темное время суток.

Мощность передатчиков (от 50 Вт до 1500 кВт) может изменяться в зависимости от времени суток: ночью, достигает максимальных значений, а с рассветом может быть снижена.

Одним из недостатков считается явление «замирания» радиоволн: сила принимаемого сигнала постепенно уменьшается, а иногда и полностью прекращается. Это происходит потому, что радиоволны распространяются от передатчика по разным путям, под разными углами, и на радиоприемник могут прийти одновременно несколько волн; складываясь, они могут либо усиливать, либо ослаблять друг друга. Существуют участки Земли, где прием коротких волн иногда невозможен. В пространстве между местом, где прекращается прием поверхностной волны, и местом возвращения на Землю отраженной пространственной волны образуется зона молчания.

В России короткие волны для вещания внутри страны почти не используются, основной объем вещания рассчитан на слушателей за рубежом. Для космической радиосвязи KB непригодны, так как ионосфера для них непрозрачна.

Ультракороткие волны (УКВ-1, УКВ-2 /FM/) — метровые — (длина волны 4,6-2,8 м; частота 65,9-108 МГц; частотная модуляция; высшая категория качества (30 Гц-15 КГц); стерео- или моновещание. Поверхностные и пространственные волны.

FM-радиостанции (УКВ-2) появились в России сравнительно недавно, но они очень быстро завоевали своего слушателя высоким качеством звучания в эфире.

В диапазоне метровых волн по существу представлено несколько поддиапазонов: УКВ-1 — 65,9-74 МГц; УКВ-2 — 87,5-108 МГц.

Способность волны огибать препятствия в УКВ диапазоне минимальна, сигнал может распространяться только

в зоне прямой (почти оптической) видимости между передающей и приемными антеннами; данный диапазон свободен от атмосферных помех, а длят борьбы с промышленными и местными помехами (электродвигатели, системы зажигания автомобилей и т.д.) применяется частотная модуляция. Для увеличения зоны прямой видимости передающие и приемные антенны поднимают на максимально возможную высоту. Обычно расстояние прямой видимости составляет 40-50 км, однако благодаря небольшой рефракции может достигать 60-80 км.

УКВ диапазон идеален для вещания в больших и средних городах, передатчики с мощностью от 2 до 15 кВт могут располагаться в черте населенных пунктов и из-за небольшой стоимости быстро окупаться коммерческими радиостанциями. Однако напряженность поля в метровом диапазоне неравномерна, так как прямые волны сталкиваются с отраженными от Земли и зданий волнами и в непосредственной близости от передатчика могут возникать звуковые искажения. Поэтому рекомендуется располагать передающие антенны на удалении от густонаселенных районов.

Радиус зоны обслуживания обусловлен исключительно высотой передающей антенны. Для расширения зоны вещания необходимо использовать ретрансляторы. УКВ волны прозрачны для ионосферы, поэтому в данном диапазоне может осуществляться космическая связь.