Как работает радио: от звука у микрофона до звука в динамике
Радио работает следующим образом: микрофон на радиостанции преобразует звук в низкочастотный электрический сигнал, который затем «вкладывают» в высокочастотную несущую волну и модулируют её. Передающая антенна излучает модулированную волну в эфир. Приёмник улавливает её, отделяет полезный звуковой сигнал от несущей и подаёт на динамик. Весь процесс от слова диктора до ваших ушей занимает миллисекунды.
Как сигнал кодируется в радиоволне: АМ и ЧМ
Несущая волна сама по себе несёт нулевую информацию: это просто синусоида фиксированной частоты и амплитуды. Для передачи звука её нужно изменить в соответствии со звуковым сигналом. Существуют два классических способа.
Амплитудная модуляция (АМ) изменяет амплитуду несущей пропорционально мгновенному значению звукового сигнала. Когда диктор говорит громче, конверт несущей становится выше, когда тише, ниже. АМ-радиостанции работают в диапазонах длинных, средних и коротких волн. Достоинство: длинноволновые и коротковолновые сигналы распространяются на тысячи километров, отражаясь от ионосферы. Недостаток: любые атмосферные разряды и промышленные помехи изменяют амплитуду и слышны как треск.
Частотная модуляция (ЧМ, FM) изменяет частоту несущей: громкий звук отклоняет частоту на большую величину, тихий на меньшую. Амплитуда остаётся постоянной. Приёмник реагирует только на изменения частоты и игнорирует амплитудные помехи. Отсюда чистое, без шумов звучание FM-радио. Российские FM-станции работают в диапазоне 87,5–108 МГц; дальность покрытия обычного передатчика мощностью 1–50 кВт составляет 50–150 км.
Как работает передатчик радиостанции
Передатчик начинается с задающего генератора, формирующего стабильную несущую частоту. Стабильность обеспечивает кварцевый резонатор: пьезоэлектрический кристалл кварца колеблется на строго определённой частоте, отклонение не превышает тысячных долей процента. Современные передатчики используют синтезаторы частоты на основе фазовой автоподстройки: можно точно выставить любую частоту в диапазоне с шагом 100 кГц и менее.
Модулятор смешивает звуковой сигнал с несущей по выбранному методу. Затем каскады усиления поднимают мощность от единиц милливатт до нескольких киловатт. Оконечные усилители мощности работают на транзисторах, охлаждаемых принудительной вентиляцией или жидкостным охлаждением. КПД современных усилителей класса D достигает 85–90%, тогда как классические усилители класса B имеют КПД около 60%. Передающая антенна, как правило, вертикальная, излучает сигнал преимущественно в горизонтальной плоскости, охватывая максимальную территорию.
Как приёмник выделяет нужную станцию из эфира
В любой момент в эфире присутствуют сотни радиостанций, работающих на разных частотах. Приёмная антенна улавливает их все одновременно. Задача приёмника — выбрать одну и подавить остальные.
Основа современного радиоприёмника — супергетеродинная схема, изобретённая ещё в 1918 году и применяемая по сей день. Гетеродин, собственный генератор приёмника, вырабатывает частоту, отличающуюся от принятой на фиксированную промежуточную частоту (обычно 10,7 МГц для FM). Смеситель перемножает сигналы антенны и гетеродина, перенося выбранную станцию на промежуточную частоту. Узкополосный фильтр промежуточной частоты пропускает только сигнал нужной станции и подавляет все остальные. Детектор извлекает из промежуточного сигнала исходный звуковой сигнал. Усилитель звуковой частоты усиливает его до уровня, необходимого для динамика.
Цифровое радио стандарта DAB (Digital Audio Broadcasting) работает иначе: звук кодируется в цифровой поток, сжимается алгоритмом вроде MP2 или AAC и передаётся вместе со служебной информацией. Цифровая обработка в приёмнике восстанавливает сигнал без накопленных шумов. В России DAB-вещание находится в стадии опытной эксплуатации в отдельных регионах, тогда как FM остаётся основным форматом массового радиовещания.
