Scientia

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 şi lungimea 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 mari (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 emisie-recepţie 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.

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 orice 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 transmisă generatorului 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 frecvenţa undei 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.

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. Atomii constituenţi 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 atomul iniţial 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.

Vrei să ştii povestea controversată a naşterii radioului? Citeşte acest articol.