حقایقی شگفت‌انگیز درباره رادیو که باید بدانید
امواج رادیویی موسیقی، مکالمات، تصاویر و داده‌ها را به‌طور نامرئی از طریق هوا و اغلب در مسافت‌هایی با بیش از میلیون‌ها کیلومتر منتقل می‌کنند و همین انتقال اطلاعات از طریق هوا ما را در دریایی از آگاهی از هر آنچه در دنیا در حال رخ دادن است، غرق کرده است. اگرچه امواج رادیویی برای انسان نامرئی و کاملاً غیرقابل تشخیص هستند، اما جامعه‌ی انسانی ما با شناخت این امواج به کلی تغییر کرده است و شاید نکته‌ی جالب یا حتی خنده‌دار این باشد که همه چیز با یک رادیو که سیستمی فوق‌العاده ساده است، شروع شده است. رادیو دستگاهی است که فقط از چند قطعه الکترونیکی که حداکثر یک یا دو دلار قیمت دارند، تشکیل شده است به طوری که خود شما هم می‌توانید آن را به‌راحتی بسازید. با توجه به همین مساله هم در این مقاله شما را به سمت پاسخ به سوال رادیو چطور کار می‌کند؟ می‌بریم تا با درک سازوکار ساده‌ی آن بتوانید از چگونگی کارکرد اغلب سیستم‌های پیچیده‌ی اطراف خود سر در بیاورید.
ساخت یک رادیوی ساده
همانطور که در مقدمه هم اشاره شد، رادیو می‌تواند وسیله‌ای فوق‌العاده ساده باشد و در اواخر قرن بیستم، این سادگی خود را به شکل آزمایش اولیه‌ای نشان داد که تقریباً انجام آن برای هر کسی ممکن است. تنها کافیست یک باتری ۹ ولتی کاملا شارژ و یک سکه بردارید و به کمک یک رادیو AM که یکی از ایستگاه‌های محلی را گرفته، شروع به ساخت فرستندهای ساده کنید!
برای این کار باتری را نزدیک آنتن نگه دارید و به سرعت با سکه به دو پایانه باتری ضربه بزنید؛ به طوری که در یک لحظه دو پایه‌ی باتری را با سکه به هم وصل کنید. با این کار صدای ترق و تروقی از رادیو خواهید شنید که ناشی از اتصال و قطع شدن سکه است. به طور کلی سیستمی از باتری/سکه در این آزمایش یک فرستنده‌ی رادیویی است که هیچ چیز مفیدی را مخابره نمی‌کند و تنها برای ایجاد اختلال در مسافتی چند سانتی‌متری طراحی شده است. اما اگر از این صداهای بی‌نظم بتوانید به عنوان کد مورس استفاده کنید توانسته‌اید با این دستگاه خام در مسافتی بیش از چندین سانتی‌متر با رادیویی خود ارتباط برقرار کنید!
ساخت رادیو (کمی) دقیق‌تر
اگر می‌خواهید کمی دقیق‌تر شوید، از یک سوهان فلزی و دو تکه سیم استفاده کنید. یک سوهان را به یک پایه‌ی باتری ۹ ولتی وصل کنید. سپس بخش دیگر سیم را به پایه‌ی دیگر وصل کنید و انتهای آزاد سیم را به سمت بالا و پایین سوهان حرکت دهید. اگر این کار را در تاریکی انجام دهید، می‌توانید جرقه‌های بسیار کوچک ۹ ولتی را ببینید که در امتداد تیغه‌ی سوهان پخش می‌شوند، زیرا نوک سیم به برجستگی‌های سوهان برخورد می‌کند و دائما متصل و قطع می‌شود. حال اگر این سوهان فلزی را نزدیک یک رادیو AM نگه دارید همان صداهای قبل را به شکلی ثابت خواهید شنید.
در روزهای اولیه‌ی اختراع رادیو، فرستنده‌ها که به عنوان کویل‌های جرقه «spark coils» نامیده می‌شدند، جریان پیوسته‌ای از جرقه‌ها را در ولتاژهای بسیار بالاتر (مثلاً ۲۰۰۰۰ ولت) ایجاد می‌کردند. ولتاژ بالا باعث ایجاد جرقه‌های بزرگی می‌شد که می‌توانست تا مسافت‌های طولانی‌ای منتقل شود. امروزه ساخت فرستنده‌هایی به این شکل غیرقانونی است زیرا کل طیف رادیویی را دچار اختلال می‌کند، اما در روزهای اولیه‌ی این فناوری چنین فرستنده‌هایی بسیار رایج بود زیرا افراد زیادی از امواج رادیویی استفاده نمی‌کردند.
آشنایی با عملکرد فرستنده در رادیو
همانطور که در بخش قبل متوجه شدید انتقال امواج به شکل استاتیکی بسیار آسان است، اما لازم است بدانید که امروزه همه رادیوها از امواج سینوسی پیوسته برای انتقال اطلاعات (صوتی، تصویری، داده) استفاده می‌کنند. دلیل این مساله در این است که امروزه افراد و دستگاه‌های مختلفی وجود دارند که به صورت همزمان از امواج رادیویی استفاده می‌کنند.
استفاده از امواج سینوسی به ما این امکان را می‌دهد که هر سیگنال رادیویی‌ای، از فرکانس موج سینوسی متفاوتی استفاده کند و به این ترتیب امواج با یکدیگر تداخل پیدا نکنند و از هم جدا شوند.
اگر راهی برای دیدن این امواج وحود داشت شاهد این خواهید بود که در حال حاضر به معنای واقعی کلمه هزاران موج مختلف رادیویی (به شکل امواج سینوسی) در اطراف ما وجود دارد. بنابراین استفاده از امواج سینوسی به ما این امکان را می‌دهد که هر سیگنال رادیویی، از فرکانس موج سینوسی متفاوتی استفاده کند، به این ترتیب امواج با یکدیگر تداخل پیدا نمی‌کنند و از هم جدا می‌شوند.
به طور کلی هر رادیو از دو بخش تشکیل شده است:
- فرستنده (The transmitter)
- گیرنده (The receiver)
در همین راستا کار فرستنده این است که نوعی پیام را می‌گیرد (می‌تواند صدای یک نفر، تصاویر تلویزیون، داده‌های مودم یا هر چیز دیگری باشد) و آن را روی یک موج سینوسی رمزگذاری و سپس با امواج رادیویی ارسال می‌کند. از طرفی گیرنده امواج رادیویی را دریافت و پیام را از موج سینوسی استخراج و رمزگشایی می‌کند. به یاد داشته باشید که هم فرستنده و هم گیرنده هر دو از آنتن برای ارسال و دریافت سیگنال‌های رادیویی استفاده می‌کنند.
ساخت فرستندهای ساده
به منظور درک کارکرد فرستنده‌ی رادیویی می‌توانید کار خود را با یک باتری و یک تکه سیم ساده شروع کنید. همانطور که احتمالا می‌دانید اگر سیمی را بین دو پایانه‌ی باتری وصل کنید، یک جریان الکتریکی (جریانی از الکترون‌ها) از طریق سیم ارسال می‌شوند. الکترون‌های متحرک یک میدان مغناطیسی در اطراف سیم ایجاد می‌کنند و حتما در جریان هستید که این میدان به اندازه‌ای قوی است که بر عقربه‌ی قطب‌نما تأثیر می‌گذارد. حال فرض کنید که سیم دیگری را برداشته‌اید و آن را موازی با سیم باتری اما چندین سانتی‌متر ( مثلا ۵ سانتی‌متر) دورتر از آن قرار داده‌اید. در همین حین اگر یک ولت متر بسیار حساس را به سیم وصل کنید، موارد زیر را شاهد خواهید بود:
هر بار که سیم اول را به باتری وصل یا از آن جدا می‌کنید، ولتاژ و جریان بسیار کمی را در سیم دوم که به فاصله‌ای از اولی قرار گرفته است، احساس می‌کنید. بنابراین با توجه به چیزی که مشاهده می‌شود می‌توان مطرح کرد که هر میدان مغناطیسی در حال تغییر می‌تواند یک میدان الکتریکی را در یک رسانای دیگر القا کند!
- باتری در سیم اول جریانی از الکترون‌ها را به راه می‌اندازد.
- الکترون‌های متحرک یک میدان مغناطیسی در اطراف سیم ایجاد می‌کنند.
- میدان مغناطیسی در سیم دوم القا می‌شود.
- هر زمان که میدان مغناطیسی سیم اول تغییر کند، الکترون‌ها در سیم دوم شروع به جریان می‌کنند و میدان الکتریکی می‌سازند.
شمایی از یک فرستنده‌ی ساده
نکته مهمی که باید به آن توجه کنید این است که الکترون‌ها در سیم دوم فقط زمانی که باتری را وصل یا جدا می‌کنید جریان می‌یابد. درواقع میدان مغناطیسی در حالت ثابت عاملی برای جریان الکترون‌ها در سیم نیست، مگر اینکه میدان مغناطیسی با حرکت شما دائما در حال تغییر باشد. اتصال و قطع باتری باعث تغییر میدان مغناطیسی می‌شود (اتصال باتری به سیم باعث ایجاد میدان مغناطیسی و در عین حال قطع سیم باعث فروپاشی میدان می‌شود)، بنابراین الکترون‌ها در سیم دوم جریان می‌یابند.
فرستنده‌ی ساده خود را بسازید
برای ساخت یک فرستنده رادیویی ساده، کاری که باید انجام دهید این است که جریان الکتریکی‌ای با تغییر سریع در یک سیم ایجاد کنید. شما می‌توانید این کار را با اتصال و جدا کردن سریع باتری انجام دهید، با این کار جریان الکتریکی‌ای دائما متغیری در سیم ایجاد می‌شود و شکل یک موج پیوسته‌ی متغیر (یک موج سینوسی) به خود می‌گیرد.
زمانی که باتری متصل می‌شود، ولتاژ سیم به ۱.۵ ولت می‌رسد و زمانی که سیم از باتری جدا می‌شود، ولتاژ صفر می‌شود. با قطع و وصل سریع سیم از باتری می‌توان موجی مربعی را تولید کرد که نوساناتی بین ۰ و ۱.۵ ولت دارد.
درواقع با ایجاد یک موج سینوسی و عبور آن از طریق یک سیم، یک فرستنده رادیویی ساده ساخته‌اید. ایجاد یک موج سینوسی تنها با چند قطعه‌ی الکترونیکی بسیار آسان است، تنها چیزی که لازم است این است که از یک خازن و یک سلف استفاده کنید و با استفاده از چند ترانزیستور موج را به شکل یک سیگنال قدرتمند تقویت کنید؛ سپس با ارسال آن سیگنال به آنتن، می توانید موج سینوسی را به فضا منتقل کنید.
در این تصویر یک موج سینوسی را مشاهده می‌کنید که به شکلی نرم به عنوان مثال در بازهی ۱۰ الی ۱۰- ولت نوسان می‌کند.
انتقال اطلاعات با موج‌های سینوسی در رادیو
اگر یک موج سینوسی و فرستندهای دارید که امواج را با آنتن به فضا منتقل می‌کند، شما عملا یک ایستگاه رادیویی ساخته‌اید، تنها مشکل این است که موج سینوسی شما حاوی هیچ اطلاعاتی نیست. در همین راستا شما باید موج سینوسی را به نحوی مدوله «modulate» کنید تا اطلاعات روی آن رمزگذاری شود. به طور کلی سه روش متداول برای مدوله کردن موج سینوسی وجود دارد که شامل موارد زیر است:
- مدولاسیون پالس (Pulse Modulation): در این روش که امروزه دیگر رایج نیست، موج سینوسی به‌سادگی روشن و خاموش می‌شود و به عنوان راه‌حلی ساده برای ارسال کد مورس در نظر گرفته می‌شود.
- مدولاسیون دامنه (Amplitude Modulation): این روش به منظور مدوله کردن اصوات در ایستگاه‌های رادیویی و سیگنال‌های تصویری تلویزیون استفاده می‌شود. در این روش دامنه‌ی موج سینوسی (ولتاژ قله به قله‌ی آن) تغییر می‌کند.
- مدولاسیون فرکانس (Frequency Modulation): ایستگاه های رادیویی FM و صدها فناوری بی‌سیم دیگر با استفاده از مدولاسیون فرکانس رمزگذاری می‌شوند. در این روش فرکانس موج سینوسی فرستنده بر اساس سیگنال اطلاعات به مقدار کمی تغییر می‌کند.
هنگامی که بتوانید یک موج سینوسی را با اطلاعات مدوله کردید، می‌توانید اطلاعات سوار شده بر موج را منتقل کنید!
آشنایی با عملکرد گیرنده در رادیو
به طور کلی گیرنده‌ی رادیویی به آنتنی نیاز دارد که بتواند امواج رادیویی فرستنده را با توجه به فرکانسی که شما مدنظر دارید، از هوا استخراج کند. در حالت کلی آنتن رادیویی یک سیم فلزی است که به دلیل ماهیت فلزی‌ای که دارد می‌تواند با امواج رادیویی تعامل کند. جالب است بدانید که اندازه‌ی یک آنتن رادیویی بهینه به فرکانس سیگنالی که در تلاش برای ارسال یا دریافت آن است مربوط می‌شود. درواقع دلیل این رابطه به سرعت نور و مسافتی که الکترون‌ها طی می‌کنند، وابسته است.
از طرفی گیرنده رادیویی به یک تیونر یا نواگر «tuner» هم نیاز دارد تا از بین هزاران موج سینوسی که دریافت می‌کند، موج سینوسی مدنظر شما را جدا کند. درواقع با تنظیم فرکانس رادیو، شما در حال استفاده از تیونر برای یافتن موج سینوسی ایستگاه مورد علاقه‌ی خود هستید! تیونرها میتوانند در یک فرکانس خاص طنین انداز شوند و آن را تقویت (با استفاده از یک تشدید‌کننده همراه با خازن و یک سلف) کنند در حالی که تمام فرکانس‌های دیگر موجود در هوا را نادیده می‌گیرد. اما گیرنده چطور صدای خواننده‌ی ایستگاه را از موج سینوسی بیرون می‌کشد؟
دمدولاتور از یک قطعه‌ی الکترونیکی به نام دیود ساخته شده است که اجازه می‌دهد جریان تنها در یک جهت حرکت کند، در چنین حالتی اطلاعات به شکل جریان الکتریکی از موج سینوسی استخراج می‌شوند.
این کار توسط بخشی از رادیو به نام دمدولاتور «demodulator» انجام می‌شود. به طور کلی دمدولاتور از یک قطعه‌ی الکترونیکی به نام دیود ساخته شده است که اجازه می‌دهد جریان تنها در یک جهت حرکت کند، در چنین حالتی اطلاعات به شکل جریان الکتریکی از موج سینوسی استخراج می‌شوند و توسط ترانزیستورها تقویت شده و به به کمک اسپیکر به گوش ما می‌رسند.
منبع: HowStuffWorks
