Радио — одно из самых значимых изобретений в истории человечества, без которого представить современный мир попросту невозможно. И хотя классические радиоприемники понемногу уходят в прошлое, уступая место всевозможным видам интернет-вещания, эта технология останется с нами еще очень долго. На принципе передачи и приема радиоволн основана работа сотовых и спутниковых телефонов, беспроводных сетей Wi-Fi, устройств космической связи и многого другого. Но кто же стоял у истоков изобретения радио и подарил человечеству столько разнообразных возможностей? Ответ на этот вопрос не так однозначен, как может показаться на первый взгляд. В этой статье мы погрузимся в историю радио, вспомним заслуги ученых и изобретателей, оценим роль радиоэлектроники в настоящем и постараемся сделать прогнозы на будущее.
Что такое радио?
Радио — это технология связи, которая позволяет передавать сообщения на расстояние с помощью радиоволн. Радиоволны представляют собой особый тип электромагнитного излучения — у них самая низкая частота и самая большая длина. Это обеспечивает им ряд преимуществ, таких как дальность распространения и способность преодолевать множество препятствий. Кроме того, радиоволны очень удобны в технологическом плане, ведь их легко генерировать с минимальными затратами энергии.
Системы радиосвязи основаны на принципе модуляции радиосигнала. Это происходит следующим образом: один или несколько параметров несущей волны меняют так, чтобы передать с ее помощью звук или какие-либо другие данные. Основные виды модуляции:
- Амплитудная (AM, Amplitude modulation). За основу берется амплитуда несущей волны (ее отклонение от центрального положения), которая меняется в соответствии с амплитудой информационного сигнала. Такой метод прост в реализации и позволяет передавать информацию на дальние расстояния, но при этом сигналы очень чувствительны к помехам (например, грозам или источникам шума).
- Частотная (FM, Frequency modulation). За основу берется частота несущей волны (количество колебаний за единицу времени), которое подстраивается под частоту модулирующего сигнала, тогда как амплитуда остается постоянной. Такие волны устойчивы к помехам и способствуют передаче высококачественного звука благодаря использованию широкой полосы частот, но ограничены по дальности распространения.
- Фазовая (PM, Phase modulation). Чтобы понять, что такое фаза, представьте несущую волну в виде синусоиды. Каждая точка на кривой линии может считаться моментом начала периодического цикла волны, или ее фазой. Фаза несущей волны точно подстраивается под амплитуду и частоту модулирующего сигнала. Этот метод, а также его многочисленные разновидности, адаптирован для передачи цифровых данных — он используется при работе Wi-Fi и спутниковой связи.
Чтобы радиоволны бесцельно не улетали в пустоту, их должны улавливать приемники. Они представляют собой устройства с антеннами, настроенные на определенную частоту или амплитуду. Принимая сигнал, они проводят демодуляцию, чтобы «отделить» информационное сообщение от несущей волны. Также радиоприемники оснащены усилителями, которые позволяют им воспроизводить четкий качественный звук.
История изобретения радио
Говоря об истории изобретения радио, нельзя не упомянуть открытие шотландского физика Джеймса Максвелла. В 1865 году он опубликовал доклад, в котором теоретически описал и математически доказал существование электромагнитных волн, которые могут свободно распространяться в пространстве. И хотя Максвеллу не удалось экспериментально подтвердить свою теорию, он взбудоражил умы ученых по всему миру, которые начали искать решения для передачи волн по воздуху.
Наиболее заметных успехов достиг немецкий ученый Генрих Герц, которому удалось открыть электромагнитные волны практическим способом. В 1880-х он провел серию экспериментов, в которых использовал искровой разрядник в виде двух медных проводников с металлическими шариками на концах. При подаче тока между шариками возникала искра, вызывающая электромагнитные колебания. Чтобы доказать их существование, ученый использовал резонатор — незамкнутое кольцо с такими же шариками на концах. При возникновении искры в разряднике она одновременно возникала и в резонаторе. Несмотря на создание первой работающей модели передатчика и приемника, Генрих Герц не увидел практической пользы в своем эксперименте. Первоначально волны, открытые им называли «волнами Герца». Термин «радио» (от латинского «radius» — «луч») вошел в обиход несколько позднее, в начале XX века.
Роль катушки Теслы в развитии радиотехники
Сербский изобретатель Никола Тесла увлекся поиском способов беспроводной передачи электроэнергии во многом именно благодаря открытию «волн Герца». В 1891 году Тесла разработал устройство, которое вошло в историю под названием «катушка Теслы». Она представляла собой резонансный трансформатор — усилитель электрического напряжения. Классическая катушка Теслы работала следующим образом.
- Электрический ток подавался на небольшую первичную катушку с малым количеством витков проводника.
- Первичная катушка начинала генерировать вокруг себя электромагнитное поле, постепенно заряжая конденсатор (металлическое устройство, способное накапливать электрический заряд).
- При полной зарядке конденсатор начинал выпускать энергию посредством искрового разрядника.
- Электрический разряд усиливал магнитное поле и позволял передавать энергию на вторичную катушку, не подключенную к источнику питания.
- В результате возникала область с повышенным напряжением, и между катушками образовывались яркие электрические разряды.
Таким образом, «катушка Теслы» стала весьма эффективным устройством для создания стабильного высокочастотного переменного тока, генерирующего электромагнитные волны. Принципы, которые наглядно продемонстрировал Никола Тесла, легли в основу изобретения первых радиопередатчиков.
Александр Попов: вклад в создание радио
Российский физик Александр Попов начал проводить опыты с электричеством в 1882 году, совмещая их с преподаванием сначала в Санкт-Петербургском электротехническом университете, а затем в Минной школе в Кронштадте. Вскоре он узнал об опытах двух иностранных ученых – англичанина Оливера Лоджа и француза Эдуарда Бранли, которые разрабатывали методы обнаружения и передачи электромагнитных волн.
Российского ученого особенно заинтересовал когерер — стеклянная колба с двумя электродами и металлической стружкой между ними. Когда устройство улавливало электромагнитные волны, его электропроводность резко увеличивалась и возникал электрический импульс. Однако чтобы «перезарядить» когерер, его необходимо было встряхнуть, что создавало сложности в использовании.
Александр Попов задался целью усовершенствовать когерер, чтобы ему можно было найти практическое применение. 7 мая 1895 года он представил свое эпохальное изобретение, которое стало отправной точкой к развитию радиотехники в России (7 мая до сих пор отмечается в нашей стране как День радио). В устройстве когерер был соединен с антенной и заземлением, что в значительной степени увеличивало его чувствительность. Импульс передавался на реле с подключенным к нему электрическим звонком. Вибрации от звонка встряхивали когерер и возвращали его в рабочее состояние в автоматическом режиме.
Первоначально изобретение Александра Попова использовалось как высокочувствительный детектор молний. Установленная на большой высоте антенна улавливала атмосферные разряды и передавала импульс на когерер, который замыкал электрическую цепь, и сигнал поступал на звонок. Дальность работы детектора молний, который мог заблаговременно сообщать о приближении грозы, составляла порядка 30 – 40 километров. В 1896 году Александр Попов усовершенствовал свое устройство и передал между двумя корпусами Санкт-Петербургского университета радиограмму на азбуке Морзе. Она состояла всего из двух слов: «Генрих Герц».
В те годы радио рассматривали как технологию, преемственную телеграфу, и даже называли «беспроволочным телеграфом». Отсюда созвучность терминов «радиограмма» (сообщение, переданное по радио) и «телеграмма» (сообщение, переданное по телеграфу). Нашла применение при передачи радиосигнала и созданная для телеграфных сообщений азбука Морзе — алфавит, закодированный в виде коротких и длинных сигналов (точки и тире). Он был наиболее удобен для передачи телеграмм и также начал использоваться при обмене радиограммами.
Гульельмо Маркони: как он изменил мир радиосвязи
В начале 1890-х молодой итальянский изобретатель Гульермо Маркони загорелся идеей создания беспроводного телеграфа. Он много экспериментировал с «волнами Герца» и, как и Александр Попов, оценил высокий потенциал когерера. В 1894 году Маркони представил собственный прототип системы радиосигнализации, в которой электрический звонок активировался по нажатию кнопки, расположенной в другой части комнаты. К 1895 году устройство могло передавать сигналы на расстояние более 3 километров. Для проверки специально была выбрана холмистая местность, и при этом сигнал все равно дошел без помех.
Маркони верил, что способ передачи сигналов на дальние расстояния можно успешно коммерциализировать. В 1896 году он запатентовал свое изобретение и основал компанию «Wireless Telegraph & Signal Company». Переехав в Англию, изобретатель работал над увеличением радиуса действия системы радиопередачи. Он привлек внимание инвесторов благодаря публичным демонстрациям: одной из самых известных из них стала передача сигнала через Ла-Манш. В 1901 году Маркони организовал первую в истории трансатлантическую передачу радиосигнала из Англии в Канаду, связав континенты без использования проводов.
Попов или Маркони: кто действительно создал радио?
Вопрос, кто первым изобрел радио, является предметом ожесточенных споров, которые не утихают уже более 100 лет. В России и странах бывшего СССР изобретателем считается Александр Попов, в значительной части западных стран — Гульермо Маркони. При этом ни один, ни другой изобретатель не смогли бы достичь успеха без открытий Джеймса Максвелла, Генриха Герца, Оливера Лоджа и Эдуарда Бранли. Если рассматривать события в хронологическом порядке, Попов продемонстрировал свою систему раньше, чем Маркони. Однако справедливо будет заметить, что Попов и Маркони проводили свои эксперименты независимо друг от друга и пришли к похожим результатам примерно в одно время.
Важно отметить, что в США и Сербии изобретателем радио считается Никола Тесла, так как именно он разработал главные принципы передачи электромагнитных волн посредством резонансного трансформатора. В 1897 году он подал заявку на патенты, полностью описывающие технологию радиоаппаратуры на основе собственных изобретений. В 1943 году Верховный суд США аннулировал часть патентов Маркони и признал приоритет Теслы в изобретении радио. Однако момент был давно упущен, и в общественном сознании изобретателями радио остались Александр Попов и Гульермо Маркони.
Радио в XX веке: передача звука
Значительным прорывом в истории радиотехники стала возможность передавать непосредственно звуковые сигналы. В конце XIX века канадский инженер-электрик Реджинальд Фессенден понял, что можно создать более совершенную систему, чем комбинация когерера и искрового разрядника.
В 1900 году он представил генератор переменного тока, колебания которого создавали непрерывные радиоволны со стабильной частотой и амплитудой. К системе подключался угольный микрофон — звуковые волны воздействовали на мембрану, изменяли сопротивление угольного порошка и, как следствие, силу тока в электрической цепи. Таким образом, амплитуды звуковых колебаний накладывались на радиоволны. В роли приемника выступал высокочувствительный терморезистор, который проводил демодуляцию — выделял исходный звуковой сигнал из модулированной несущей волны.
В 1906 году Реджинальд Фессенден успешно передал сигналы, в которых он читал Библию и играл на скрипке. Приемники были установлены на корабли, ушедшие в море на 80 километров от берега. Моряки каждого судна услышали непрерывную радиопередачу с четким хорошо различимым звуком. Вскоре технология громоздких генераторов Фессендена была вытеснена компактными ламповыми передатчиками, однако именно канадский изобретатель стал первооткрывателем радиовещания.
В 1920-х эксперименты показали, что ультракороткие волны (УКВ) длиной от 1 до 10 метров и с диапазоном частот от 30 до 300 МГц позволяют добиться лучшего качество звука, чем средние и длинные радиоволны. Наиболее эффективную технологию в 1933 году разработал американский изобретатель Эдвин Армстронг. Ею стала частотная модуляция FM. Несмотря на относительно малую дальность распространения волн (в среднем около 70 километров), они демонстрировали невероятную устойчивость к помехам. Первые гражданские FM-радиостанции начали появляться в конце 1940-х.
В 1950-х был принят стандарт УКВ-частот для массового вещания — от 87,5 до 108 МГц. Этот же диапазон используется и в современную эпоху. Первые УКВ-радиоприемники работали на вакуумных лампах и катушечных резонаторах, а для настройки частот использовались механические тюнеры, которые не могли обеспечить высокую точность. В наши дни УКВ приемники работают на полупроводниках — транзисторах и микросхемах. Зачастую они оснащаются электронными тюнерами, цифровыми системами сканирования каналов и обработки звука.
Настоящее радио: как оно функционирует сегодня
Сегодня радиовещание разделяется на два основных типа: аналоговое (FM и AM) и цифровое (DAB, Digital Audio Broadcasting). Аналоговое радио основано на принципе подстройки параметров электромагнитных волн под звуковые колебания. Цифровое радио представляет собой чередование слабых и сильных сигналов, что позволяет передавать информацию в двоичном коде (набор единиц и нулей).
В середине 1990-х считалось, что цифровые системы уже в ближайшем будущем заменят аналоговое радио, так как они обеспечивают более высокое качество звука и позволяют одновременно со звуком передавать многие дополнительные данные. Однако переход на новый формат вещания требовал значительных инвестиций, и далеко не все страны были готовы к такому масштабному обновлению инфраструктуры. Кроме того, DAB-радио не выдержало конкуренции с быстро развивающимися интернет-сервисами, которые избавили пользователей от необходимости покупать специальные приемники, ведь воспроизводить потоковую музыку стало можно со смартфона, подключенного к интернету.
Будущее радио: тенденции и прогнозы
Несмотря на активную цифровизацию технологий, аналоговое радио сохраняет свою высокую популярность. Оно является важной частью повседневной жизни людей. И далеко не все готовы от него отказаться. Относительная доступность радиоприемников, возможность узнавать локальные новости во время путешествий на автомобиле, прослушивание регулярных радиопередач и эмоциональная связь с их ведущими, — все эти факторы поддерживают популярность радио. Однако нет уверенности в том, что такая тенденция сохранится в будущем. Уже сегодня все больше производителей выпускают автомобили с поддержкой систем Apple CarPlay и Android Auto, которые позволяют интегрировать смартфон в медиасистему и получить доступ практически к любому контенту. Также распространяются умные колонки с возможностью подключения к телевизору. Вполне вероятно, что в будущем радио не исчезнет, а станет частью цифровых экосистем, что позволит найти разумный баланс между традициями и инновациями.
Влияние новых технологий на радиоэлектронику
Сфера радиоэлектроники играет важную роль в современном мире. Она охватывает не только системы связи, но и так называемый «интернет вещей». Многочисленные смарт-устройства зачастую обмениваются друг с другом радиосигналами посредством Bluetooth или Wi-Fi. Давайте рассмотрим, как новые технологии влияют на развитие радиоэлектроники.
- Современные радиомодули постоянно уменьшаются в размерах и становятся более функциональными. Например, чип для связи 5G объединяет в себе функционал радиопередатчика, процессора и хранилища данных. При этом его размер не превышает нескольких нанометров.
- Все более совершенные программные алгоритмы позволяют моментально перенастраивать радиочастоты, чтобы предотвратить перехват конфиденциальной информации. Нередко они работают в связке с нейросетями, которые фильтруют помехи и декодируют информацию даже в условиях слабого сигнала.
- Радиоэлектронные устройства становятся более энергоэффективными благодаря возможности получать электричество из окружающей среды (например, посредством солнечных батарей). Квантовые усилители радиосигналов обеспечивают практически автономную работу радиоэлектронных устройств, что активно используется в космической отрасли.
Вопрос-ответ
Кто изобрел радио первым и в каком году?
Прототип передатчика и приемника представил Генрих Герц в 1886 году. Первые работоспособные системы изобрели Александр Попов и Гульермо Маркони в 1895 году.
Кто создал радиовещание?
Первую систему радиовещания, способную передавать звуки посредством радиоволн, создал Реджинальд Фессенден в 1906 году.
В какой стране придумали радио?
Устройства, которые положили начало радиотехнике, практически одновременно появились в таких странах, как Россия, Италия, Великобритания, Германия, США и Канада.
Иван Стефанов
Изображение на обложке: Freepik
