Радио

Разнообразие радиоантенн на пике Сандия около Альбукерке, Нью-Мексико, США. Передающие антенны часто расположены на горных вершинах, чтобы обеспечить максимальную дальность передачи.

Ра́дио (лат. radiare, radio «испускать, облучать, излучать во все стороны»; radius «луч») — способ беспроволочной передачи сообщений на расстояние посредством радиоволн, а также область науки и техники, связанная с изучением физических явлений, лежащих в основе этого способа, и с его использованием для связи, звукового вещания, передачи изображений, сигнализации, контроля и управления, обнаружения различных объектов и определения их местоположения и для других целей[1].

Термин «радио» впервые ввёл в обращение английский физик-химик Уильям Крукс (William Crookes) в 1873 году (для объяснения результатов некоторых химических опытов), то есть примерно за 20 лет до первых практических опытов по беспроводной телеграфной связи посредством электромагнитных волн и за 30 лет до появления международных рекомендаций по использованию этого термина в данной области науки и техники.

Сам Крукс не проводил экспериментов по технике передачи и приёма электромагнитных волн, но он был писателем-фантастом, допускавшим «бесконтактную биологическую связь между головами людей» и публиковал свои статьи в журналах. В 1892 году в статье «Некоторые возможности применения электричества» в английском журнале общего профиля, описывая воображаемую приёмо-передающую установку, он широко использовал понятие «радио». Другие заявленные по тексту термины, такие как «генерирование», «диапазон», «чувствительность», «избирательность» и прочие, стали впоследствии общеупотребительными.

Звуковая информация преобразуется микрофоном в электрический сигнал, который модулирует радиоволны, создаваемые передатчиком. Приёмник принимает радиоволны, восстанавливает модулирующий сигнал и преобразует его обратно в удобную для человека форму громкоговорителем
Сравнение радиоволн, модулированных по амплитуде (АМ) и по частоте (FM)

На передающей стороне (в радиопередатчике) формируется высокочастотный сигнал определённой частоты (несущий сигнал, «несущая частота»). На него накладывается информационный сигнал, который нужно передать (звук, изображение и т. д.) — происходит модуляция несущей частоты информационным сигналом. Модулированный сигнал излучается передающей антенной в пространство, в виде радиоволн.

На приёмной стороне радиоволны наводят модулированный сигнал в приёмной антенне, откуда он поступает в радиоприёмник. Здесь система фильтров выделяет из множества наведённых в антенне токов от разных радиопередатчиков и от других источников радиоволн сигнал с определённой несущей частотой, а детектор восстанавливает из него модулирующий информационный (полезный) сигнал. Получаемый сигнал может несколько отличаться от передаваемого радиопередатчиком, вследствие влияния разнообразных помех.

Первоначально радиоволны не применялись для передачи звука. Первым догадавшимся промодулировать радиосигнал звуковым сигналом был канадский изобретатель Реджинальд Фессенден, который включил угольный микрофон в разрыв провода антенны искрового передатчика. Таким способом 23 декабря 1900 года Фессенден осуществил передачу звукового сигнала на расстояние в 1 милю.

Хотя звук был сильно искажённым и непригодным для практического применения, этот эксперимент показал, что технические доработки могут улучшить передачу звукового сигнала. В дальнейших экспериментах в качестве источника радиосигнала Фессенден использовал электромашинный генератор переменного тока Эрнста Александерсона (альтернатор Александерсона[en]) частотой около 50 кГц. Применив ранее построенную антенну высотой 128 м в Брант-Роке (небольшое поселение на берегу Атлантики чуть южнее Бостона в штате Массачусетс), 24 декабря 1906 года он осуществил первую в мире радиовещательную передачу звукового сигнала[2].

(слева) Современный мобильный телефон с внутренней антенной (справа). Башня сотовой связи с антеннами трёх различных сетей (слева)

В практике радиовещания и телевидения используется упрощённая классификация радиодиапазонов:

В зависимости от диапазона, радиоволны имеют свои особенности и законы распространения:

Радиоволны распространяются в вакууме и в атмосфере, земная твердь и вода для них непрозрачны. Однако благодаря эффектам дифракции и отражения возможна связь между точками земной поверхности, не имеющими прямой видимости, в частности, находящимися на большом расстоянии.

Распространение радиоволн от источника к приёмнику может происходить несколькими путями одновременно — такое распространение называется многолучёвостью. Вследствие многолучёвости и изменений параметров среды возникают замирания (англ. fading) — изменение уровня принимаемого сигнала во времени. При многолучёвости изменение уровня сигнала происходит вследствие интерференции, то есть в точке приёма электромагнитное поле представляет собой «сумму» радиоволн диапазона, смещённых во времени.

Термин «радиовещание» был введён И. Г. Фрейманом[4] и стал широко использоваться в Советской России с 1921 года, когда Радиотехническим советом Народного комиссариата почт и телеграфов была принята программа, предусматривавшая организацию радиовещания через громкоговорители в центральных городах, в 280 губернских и уездных центрах. Постоянные радиопередачи с применением уличного громкоговорителя были организованы в июне 1921 года в Москве, а 2 августа в подмосковных Люберцах начал работу первый радиоузел[5].

Английский термин «broadcasting» ввёл основатель и преподаватель колледжа беспроводной телеграфии и техники в Сан-Хосе Ч. Херолд. Он построил искровой передатчик, через который начал транслировать речевые и музыкальные программы, которые принимали в основном бывшие и действующие ученики колледжа. Херолд родился и вырос в фермерской среде, где посев семян на поле в разброс назывался «broadcasting» — широкий разброс. Антенна передатчика имела круговую диаграмму направленности, то есть излучала радиоволны во все стороны, и по аналогии с сельскохозяйственным определением, Херолд стал именовать так свои трансляции.

Решениями ГКРЧ России (Государственной комиссии по радиочастотам), для гражданской связи физическими и юридическими лицами, на территории Российской Федерации выделены 3 группы частот:
Любительская коротковолновая радиостанция. Внизу — приёмопередатчик (трансивер), на нём — согласующее устройство с измерителем КСВ

Радиолюбительская связь — многогранное техническое хобби, выражающееся в проведении радиосвязей в отведённых для этой цели диапазонах радиочастот. Данное хобби может иметь направленность в сторону той или иной составляющей; например:

В компьютерных сетях AMPRNet соединение обеспечивается любительскими радиостанциями.

Первый патент на беспроводную связь получил в 1872 году американский радиолюбитель, стоматолог по профессии Малон Лумис, заявивший в 1866 году о том, что он открыл способ беспроволочной связи; в США изобретателем радио считают Дэвида Хьюза (1878), а также Томаса Эдисона (1875; патент 1885) и Николу Теслу (патент на передающее устройство с резонанс-трансформатором в 1891 году[6]); в Германии — Генриха Герца (1888); во Франции — Эдуарда Бранли (1890); в ряде балканских стран — Николу Теслу (1891); в Бразилии — Ланделя де Муру (1893—1894); в Англии — Оливера Джозефа Лоджа (1894); в Индии — Джагадиша Чандру Боше (1894 или 1895); в России — А. С. Попова (1895) и Якова Наркевича-Иодко (1890).

Создателем первой успешной системы обмена информацией с помощью радиоволн (радиотелеграфии) на западе считается итальянский инженер Гульельмо Маркони (1895)[7][8][9].

В СССР и в бывших союзных республиках изобретателем радиотелеграфии считается А. С. Попов[8][10]. В опытах по радиосвязи, проведённых в физическом кабинете, а затем в саду Минного офицерского класса, прибор А. С. Попова обнаруживал излучение радиосигналов, посылаемых передатчиком, на расстоянии до 60 м. На заседании Русского физико-химического общества в Петербурге 25 апреля (7 мая) 1895 года А. С. Попов продемонстрировал, как указано в протоколе заседания, [11]. В СССР, с 1945 года, 7 мая стали отмечать как День радио.

«прибор, предназначенный для показывания быстрых колебаний в атмосферном электричестве»

Далее радиосвязь была установлена на расстоянии 250 м. Работая над своим изобретением, Попов вскоре добился дальности связи более 600 м. Затем на манёврах Черноморского флота в 1899 году учёный установил радиосвязь на расстоянии свыше 20 км, а в 1901 году дальность радиосвязи была уже 150 км. Важную роль в этом сыграла новая конструкция передатчика: искровой промежуток был размещён в колебательном контуре, индуктивно связанном с передающей антенной и настроенном с ней в резонанс. Существенно изменились и способы регистрации сигнала: параллельно звонку был включён телеграфный аппарат, позволивший вести автоматическую запись сигналов. В 1899 году была обнаружена возможность приёма сигналов с помощью телефона. В начале 1900 года радиосвязь была успешно использована во время спасательных работ в Финском заливе. При участии А. С. Попова началось внедрение радиосвязи на флоте и в армии России.

Во Франции изобретателем беспроволочной телеграфии долгое время считался создатель когерера (трубки Бранли) (1890) Эдуард Бранли[12][13].

В Индии радиопередачу в миллиметровом диапазоне в ноябре 1894 года демонстрирует Джагадиш Чандра Боше[14][15].

В Великобритании, в 1894 году первым демонстрирует радиопередачу и радиоприём на расстояние 40 метров изобретатель когерера (трубка Бранли со встряхивателем) Оливер Джозеф Лодж. Первым же изобретателем способов передачи и приёма электромагнитных волн (которые длительное время назывались «Волнами Герца — Hertzian Waves»), является сам их первооткрыватель, немецкий учёный Генрих Герц (1888).

Основные этапы истории изобретения радио, с точки зрения развития теории и практики радиосвязи, выглядят следующим образом:

Изобретение радиосвязи дало начало таким научно-техническим направлениям, как радиоастрономия, радиометрология, радионавигация, радиолокация, радиоразведка, радиопротиводействие[37].

Радио послужило мощнейшим стимулом в исследовании и развитии электричества, и стало основой электроники. А электроника, в свою очередь, породила вычислительную технику.