Raadio ajalugu ja tööpõhimõtted (0)

Gustav Adolfi Gümnaasium
Mari-Liis Leinus, 11.c klass
RAADIO
Referaat
Tallinn 2012
Sisukord

Sissejuhatus 3
Raadio ajalugu 4
Raadio tööpõhimõte 7
Raadio kasutusalad 11
Kokkuvõte 13
Allikad 14

Sissejuhatus

Raadioks nimetatakse signaali edastamist elektromagneetilise kiirguse abil, mille sagedused jäävad tunduvalt alla nähtava valguse sageduse, vahemikus umbes 3kHz kuni 300GHz. Raadio on äärmiselt oluline, kuna võimaldab edastada informatsiooni väga pikkade vahemaade taha, samuti seda vastu võtta. Samuti levib see ka läbi erinevate tõkete, vaakumi ning sobiva lainepikkuse puhul ka mööda maakera kurvatuuri. Tänu sellele on raadio omandanud väga palju erinevaid kasutusotstarbeid – alates lihtsatest raadiosaatjatest, mida kasutavad näiteks kaubanduskeskustes turvatöötajad kuni väga võimsate ja täpsete jaamadeni, mis vahetavad informatsiooni satelliitidele ja isegi päikesesüsteemist väljunud kosmosesondi Voyager 1 vahel, millelt tuleva signaali Maale jõudmiseks kulub 11 tundi, kusjuures signaal liigub valguse kiirusel!
Raadiolained on kõikjal meie ümber – mobiiltelefonid , traadita internet , televisioon, mikrolaineahjud – kõik need ja paljud teised seadmed kiirgavad raadiolaineid . Kuid inimeste loodud seadmed pole ainsad raadiokiirguse allikad – näiteks äikeselöök tekitab küll madalsagedusliku, kuid üsna võimsa impulsi, samuti tekitavad raadiolaineid ka kõik tähed ning isegi Jupiter kiirgab raadiosagedusi, umbes 20MHz peal. Taevakehade kiirgust uurib eraldi haru – raadioastronoomia.
Ning kuna raadiolained levivad valguse kiirusel ning sumbuvad vaakumis võrdlemisi vähe, on esimeste piisavalt võimsate raadioülekannete lained juba kaugel kosmoses, kümnete valgusaastate kaugusel ning jätkavad oma teekonda kuni neid pole enam võimalik kosmilisest mikrolaine taustkiirgusest enam eristada. Inimkonna poolt kosmosesse laiali saadetud raadiosignaalid rändavad veel kaua pärast seda, kui inimesi enam pole, jäädes viimseks mälestuseks selleks, et me üldse kunagi olemas olime.

Raadio ajalugu

Raadio arengut võib vaadelda kolmes faasis: elektromagnetlained ja katsetused , traadita kommunikatsioon ja tehniline arendus ning kommertsialiseerimine ja ringhääling. Algsed raadioseadmed ei suutnud edastada kõnet ega häält, vaid üksikuid impulsse ning seetõttu kutsuti neid traadita telegraafideks. [1]
Kõige algelisem raadiosaatja oli sädevahe- saatja (joonis 1,2)
Joonis 2
Joonis 1
Selle tööpõhimõte seisneb selles, et sädevahemik (Spark gap), osutab suurt takistut, lastes kondensaatoril C1 laadida. Kui C1-l tekib piisavalt kõrge pinge (võrdne või suurem kui õhu dielektriline läbilöögipinge), siis muutub sädevahemik juhiks ning kondensaator tühjendatakse. Tekkiv säde omandab aga võnkesageduse, mis määratakse C2 ja induktori L abil. [2;3]
Aastal 1878 avastas David E. Hughes , katsetades söemikrofonidega, et säde tekitas lähedal asuvas telefonis signaali, kuid seda peeti esialgu vaid induktsiooniks ning Hughes seda enam edasi ei uurinud. [1] Küll aga uuris elektromagnetkiirgust ja selle tekitamise ning ka tajumise võimalusi nii Nikola Tesla kui ka Jagadish Chandra Bose ning aastal 1895 sai nende eksperimentide tulemuste põhjal Guglielmo Marconi valmis seadme, mis oli võimeline nii edastama kui vastu võtma raadiosignaali ning seda pika maa taha, kuna ta avastas et signaali levimise kaugus on võrdne antenni kõrguse ruuduga, mida nimetatakse tema auks Marconi seaduseks. [4]
Kuid sädevahe-saatjatel oli üks suur miinus – signaal oli väga „räpane“ ja laia ribalaiusega, segades teisi lähedal olevaid saatjaid-vastuvõtjaid. Lisaks on korraga suurele sagedusalale kiirgamine küllaltki ebaefektiivne – palju saatja võimsusest läheb kaotsi ebasoovitavatele sagedustele signaali edastamisele. [3]
Suur edasiminek oli Alexandersoni generaator (pilt 1), mis võimaldas üle kanda enamat kui Morse koodi üksikuid impulsse, kuna see tekitas püsivat raadiolainet, mida oli võimalik moduleerida ning sellega edasi kanda näiteks inimkõnet. Selle tööpõhimõte seisnes selles, et suur elektromagnet tekitas seadmes tugeva magnetvälja ning metallketas, millesse olid lõigatud kindla vahemaa tagant augud, mis olid täidetud halva magneetilise läbitavusega materjaliga, keerles kiiresti, möödudes mähistest, lastes kord rohkem, kord vähem magentvälja läbi. Need muutused aga indutseerisid voolu mähistes. Kuna ketas keerles üsna kiiresti ning auke oli palju, oli väljundsagedus võrdlemisi suur.[5] Pilt 1- Alexandersoni generaator
Alexandersoni generaator tekitas kandjalainet sagedusega 100kHz, mis oli piisav , et amplituudmodulatsiooniga inimhäält edasi kanda. Esimese põlvkonna seadmete võimsuseks oli 50kW ning need ehitati aastal 1906 [5]
Signaali vastuvõtmiseks kasutati sel ajal n.ö. kristallvastuvõtjaid, mis koosnesid pikast antennist, häälestuspoolist, detektorkristallist (enamasti galeniit) ja kõrvaklappidest või kõlarist. Eriliseks muudab need vastuvõtjad nende lihtsus ning see, et nad ei vaja eraldi toiteallikat, kuigi mõnikord oli vajalik signaali võimendamine peale vastuvõtmist, seda põhiliselt juhul kui signaali allikas asus kaugel. [6]
Revolutsioon toimus 1920ndate aastate keskpaigas seoses vaakumelektronlambi, maakeeli raadiolambi leiutamisega. Enam polnud vaja sädevahemike ega keerukaid generaatoreid, mis tähendas et saatjad muutusid kompaktsemaks ja lihtsamaks, samuti suurenes nende efektiivsus ja täpsus. Algas kommertsraadiojaamade lai levik, samuti oli eetris kuulda ka midagi muud peale moonutatud hääle ja telegraafipiiksude. [7]
Kümmekond aastat hiljem tuli järgmine suur muudatus – kui seni edastati signaali kandjalaine amplituudi moduleerides, siis 1933. aastal patenteeris Edwin H. Armstrong FM raadio ehk siis süsteemi, kus moduleeriti amplituudi asemel kandjalaine sagedust. Mõni aasta hiljem kasutati seda uudset süsteemi, mis vähendas moonutusi signaalis – oluline teleülekannete jaoks, milleks seda ka kasutama hakati. [7]
Järjekordne suur edasiminek toimus 1950ndatel aastatel – leiutati transistor , mis hakkas asendama raadiolampe. Lisaks suurendatud töökindlusele (raadiolambid põlesid pika kasutamise peale läbi) olid transistorid ka väiksemad ning tarbisid märgatavalt vähem voolu. Raadioseadmed muutusid väiksemaks, töökindlamaks ja lausa kaasaskantavaks. Raadio oli vallutanud maailma [7]
Pilt 2 – Transistor (vasakul) ja vaakumelektronlamp (paremal)

Raadio tööpõhimõte

Raadio näol on tegemist elektromagnetkiirgusega, mille sagedus jääb märgatavalt alla nähtava valguse sageduse, kuid liigub sama kiiresti. [1] See tähendab et raadio lainepikkus allub samale valemile, nagu valguse:
Kus λ on lainepikkus meetrites, v on valguse kiirus meediumis ja f on sagedus hertsides. [8]
Informatsioon, nagu näiteks heli, edastatakse süstemaatilise raadiolaine omaduse moduleerimise (näiteks amplituudi – joonis 3) abil. [1]
Joonis 3 – AM (amplituudmodulatsioon) saatja-vastuvõtja põhimõttediagramm
Raadiosaatjas luuakse generaatori (enamasti kvartsostsillaator) abil kandjalaine, mida moduleeritakse soovitud informatsiooniga. Amplituudmodulatsiooni (AM) puhul moduleeritakse signaali amplituudi (nähtav joonisel 3 kus signaal „a“ määrab signaal „b“ amplituudi muudu). Enamus saatjaid jäi pikk- ja kesklaine alasse. Seda sorti saatjate ning vastuvõtjate plussiks on üsna lihtne konstruktsioon, kuid miinuseks madal signaali kvaliteet ja ribalaius [9], seetõttu on tänapäeval populaarseim FM ehk sagedusmodulatsioon, kus moduleeritakse kandjalaine sagedust. Enamus saatjaid on lühilaine ja ultralühilaine alas .[10]
Joonis 4 – FM tööpõhimõte
Modulatsiooniviise on veelgi, näiteks faasmodulatsioon , impulsspikkusmodulatsioon ja nii edasi, kuid kõige levinum on tänapäeval siiski sagedusmodulatsioon. [1]
Raadiosaatja on seade, mis muudab elektrienergia raadiosageduslikuks vahelduvvooluks, mis kiirgab juhist – antennist, maailmaruumi. Kui need maailmaruumi kiiratud lained – raadiolained, tabavad antenni, tekitavad need selles sama sagedusega kuid madalama võimsusega vahelduvvoolu. Vastuvõtja omakorda eraldab sellest voolust kasuliku signaali. [11]
Raadiosaatja (joonis 4) koosneb reeglina järgnevatest osadest:
Toiteallikas ( Power Supply )– erinevatele lülitustele energia andmiseks
Elektrooniline ostsillaator (Oscillator) – genereerib reeglina kindla sageduse ning amplituudiga siinuslaine, mida kutsutakse kandjalaineks. Moodsates seadmetes on selleks kvartskristall.
Modulaator (Modulator) - lisab soovitud signaali kandjalainele. See saavutatakse kandjalaine mingi aspekti muutmisel. Informatsioon on esindatud kas audiosignaali, videosignaali või binaarkoodina.
Raadiosagedusvõimendi (Power Amplifier ) - väljundsignaali võimendamiseks, et suurendada tööraadiust.
Impedantside sobituslülitus (antennituuner) - sobitab väljundisignaali ja antenni impedantsid, muutes sellega saatja efektiivsemaks vältides seisulaine teket, mille puhul kiiratakse osa energiast antennist saatja lõppvõimendisse tagasi, mis võib lõppeda koguni lõppvõimendi ülekuumenemise ja põlema süttimisega võimsa saatja puhul. [11]
Joonis 5 – AM raadiosaatja blokkdiagramm
Lisaks sisaldab saatja muid erinevaid lülitusi – helisagedusvõimendid, regulaatorid ja palju muud. [11]
Lihtne raadiovastuvõtja koosneb järgnevatest moodulitest:
Antenn (Antenna) - selles tekib raadiolainete mõjul vool
Häälestusplokk (Tuner) – koosneb tavaliselt kondensaatorist ja induktorist, mis moodustavad võnkeringi. See on häälestatud soovitavale lainepikkusele, mida vastu võetakse.
Raadiosagedusvõimendi (RF Amplifier) – võimendab raadiosagedusliku signaali, kuna reeglina tekib antennis vaid mõne mikrovoldine pinge.
Detektor (Detector) ehk demodulaator, eraldab signaali kandjalainest. Tänapäeval on selleks diood , vanasti kasutati galeniitkristalli.
Helisagedusvõimendi ( Audio Amplifier, Power Amplifier) – muudab signaali kuuldavaks
Joonis 6 – AM Raadiovastuvõtja blokkdiagramm
Eksisteerib ka keerukamaid vastuvõtjaid, näiteks superheterodüünvastuvõtja (Joonis 7), mis on tänapäeval kõige populaarsem vastuvõtja ning ka spetsiaalsemaid seadmeid, nagu näiteks raadioteleskoopides ja radarites. [12]
Joonis 7 – Superheterodüünvastuvõtja blokkdiagramm
Superheterodüünvastuvõtja sarnaneb veidi Joonis 6 olevale vastuvõtjale, kuid kohe peale raadiosagedusliku signaali võimendamist lisatakse signaalile kohaliku ostsillaatori ( Local Oscillator) poolt genereeritud signaal, mille abil saadakse sisendsignaalist madalam vahesagedus, kuid ka mõned harmoonilised toonid, mis eraldatakse filtri abil enne vahesagedusvõimendisse saatmist. Keerukamatel vastuvõtjatel on neid astmeid mitu. Sellele järgneb traditsiooniliselt juba demoduleerimine ja audiosageduslik võimendamine. [12]

Raadio kasutusalad

Raadio põhiline kasutusotstarve on informatsiooni vahendamine ruumipunktide vahel läbi meediumi (õhk, vaakum , mittejuhtivad ained jpm) ilma juhtmete kasutamiseta. [14]
Varaseim kasutusotstarve oli Morse koodi edastamine pikkade vahemaade taha (laevalt laevale, laevalt mandrile, mandrilt mandrile), I Maailmasõjas kasutati seda edukalt ka käskluste edastamiseks. Teine varane raadio kasutusotstarve oli radar (RAdio Detection And Ranging), millega määrati laevade ning lennukite asukohta raadiolainete peegeldumise abil – suundantenn kiirgas suure võimsusega kandjalainet ning tundlikud vastuvõtjad detekteerisid selle tagasipeegeldumisi. [1]
Lisaks muusikale (enamikule seondub raadioga just raadioringhääling) ja kõnele edastatakse üle raadiolainete ka telepilti ning otseloomulikult tugineb ka mobiilside just raadiolainetele – igas telefonis on nõrga võimsusega raadiosaatja ja tundlik vastuvõtja, kõne ning andmeside edastatakse digitaalselt sagedusmodulatsiooniga. [1]
Raadiolained on ka navigatsiooniks äärmiselt olulised – näiteks satelliitnavigatsioon (GPS, GLONASS) toimivad tänud kümnetele satelliitidele, mis edastavad pidevalt oma orbitaalpositsiooni ning kellaaega, millal see andmepakett teele saadeti. Vastuvõtja arvutab tarkvara abil välja mitmelt satelliidilt tuleva asukoha- ja ajainfo omavahelise suhte abil aga välja oma asukoha. Ilma raadiolaineteta oleks seda üsna raske teha. [15]
Kuid GPS ja selle alternatiivid pole ainsad raadionavigatsiooniviisid. Lennukitele on üsna olulised VOR ja VOR/DME jaamad (pilt 3) (Very high frequency Omnidirectional radio Range/Distance Measuring Equipment), mille näol on tegemist raadiosaatjajaamaga, mis kiirgab välja esmalt n.n. master-signaali ning 30 korda sekundis täispöörde tegev (vanasti mehhaaniliselt, tänapäeval on kasutusel suurem hulk antenne mida kordamööda sisse lülitatakse ringikujuliselt) antenn kiirgab välja äärmiselt suunatud sekundaarse signaali, mis ajastatakse täpselt nii, et selle faasinihe seoses master-signaaliga oleks võrdne liikuva antenni positsiooniga magneetilise põhja suhtes. Lennukis on aga vastav vastuvõtja, mis teeb vastavad arvutused ning piloot teab oma asukohta VOR jaama suhtes. VOR/DME jaamad edastavad lisaks ka kauguse alast infot – lennuk saadab DME jaamale kaks impulssi , DME jaam saadab kindla aja pärast kaks impulssi vastu ja lennukis olev mivastuvõtja arvutab välja kauguse DME-st. [16;17] VOR/DME alternatiiv laevadele on LORAN (LOng RANge navigation) mis töötab sarnaselt DME-ga, kuid korraga „kuulatakse“ kahte jaama ning laeva asukoht määratakse kauguste abil LORAN jaamadest. [18] Pilt 3- VOR/DME jaam
Raadiolaineid saab kasutada ka objektide soojendamiseks – näiteks mikrolaineahjud! [1]
Ka kaugjuhitavad seadmed töötavad reeglina raadiolainete abil – mudelhelikopteril poleks erilist mõtet kui sellel kontrollerjuhe taga ripuks.
Samuti töötavad mõned ukselukud kohati raadiolainete abil – RFID (Radio Frequency IDentification), mille puhul saatja tekitab elektromagnetvälja, tänu millele indutseerub transponderis (n.ö. uksekaart) vool, mis toidab omakorda raadiolülitust, mis edastab endas paiknevad andmed, reeglina alfanumeeriline kood. [19] Sama tehnoloogiat kasutatakse ka lemmikloomade kiibistamisel, poes turvamärgistel ja veel paljudes muudes rakendustes.
Raadiolaineid kasutatakse ka astronoomias, selleks ongi eraldi teadusharu – raadioastronoomia. Selle haru teadlaste töövahenditeks on raadioteleskoop – tundlik raadiovastuvõtja, mis püüab kosmosest nii tähtede, galaktikate kui ka universumi sünnist tekkinud raadiolaineid (kosmiline mikrolaine taustkiirgus ) [20]
Pilt 4 – RFID kiip

Kokkuvõte

Raadiolained on kõikjal meie ümber, kuid tihtilugu me isegi ei mõtle sellest. Need soojendavad meie toitu, edastavad meie kõnet ning toovad koju ja teele kaasa meelelahutust. Samuti jäävad need meist ilmaruumi järele veel tuhandeteks aastateks, üha enam hajudes ja järjest kaugemale liikudes.
Viimasel 100 aastal on raadiolained muutunud iga päevaga järjest tähtsamaks – kui kunagi olid maailmas vaid üksikud raadiojaamad, mis edastasid vaid Morse koodi siis tänapäeval on raadiolaineid kasutavad seadmed kõikjal me ümber – taskus olev mobiiltelefon peab korraga sidet mitme tugijaamaga ja seda pidevalt, WiFi ruuter saadab pidevalt andmepakette laiali, mikrolaineahi teeb toitu soojaks, raadio ning televiisor püüavad õhust meelelahutust. Raadiolained on kõikjal ning me ei kujutaks oma elu ilma nendeta enam ette.

Allikad

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Radio
2. http://www.ewh.ieee.org/reg/7/millennium/radio/radio_radioscientist.html
3. http://www.en.wikipedia.org/wiki/Spark-gap_transmitter
4. http://en.wikipedia.org/wiki/Marconi%27s_law
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Alexanderson_alternator
6. http://en.wikipedia.org/wiki/Crystal_radio_receiver
7. http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_radio
8. http://en.wikipedia.org/wiki/Wavelength
9. http://en.wikipedia.org/wiki/AM_broadcasting
10. http://en.wikipedia.org/wiki/Frequency_modulation
11. http://en.wikipedia.org/wiki/Transmitter
12. http://en.wikipedia.org/wiki/Radio_receiver
13. http://en.wikipedia.org/wiki/Superheterodyne
14. http://www.infoplease.com/encyclopedia/science/radio.html
15. http://en.wikipedia.org/wiki/Satellite_navigation
16. http://en.wikipedia.org/wiki/Distance_measuring_equipment
17. http://en.wikipedia.org/wiki/VHF_omnidirectional_range
18. http://en.wikipedia.org/wiki/LORAN
19. http://en.wikipedia.org/wiki/Radio-frequency_identification
20. http://en.wikipedia.org/wiki/Radio_astronomy