تاریخچه رادیو

امواج رادیو

امواج رادیو نوعی از تشعشعات الکترومغناطیسی هستند وهنگامی بوجود میآیند که یک شیباردارشده با فرکانسی که در بخش فرکانس رادیویی (RF) طیف الکترومغناطیسی قرار داردشتاب بگیرد. این محدودهفرکانس از ده هاهرتزتا چند گیگا هرتز تغییر میکند. تشعشعاتالکترومغناطیسی توسط نوسانات میدانهای الکتریکی و مغناطیسی انتشار مییابند و ازطریق هوا و نیز خلا به همان خوبی عبور میکنند و نیازی به واسطه انتقال ندارند.
در مقابل، دیگر انواع تشعشعات الکترومغناطیسی با فرکانس هایی بالای محدوده RF به این شرح اند: اشعهگاما،اشعه Xومادون قرمز،ماورا بنفش ونور مرئی.
وقتیکه امواج رادیویی از یک سیم عبور می کنند، میدان الکتریکی و مغناطیسی متغیر آنها (بر حسب شکل سیم) جریان و ولتاژی متناوب در سیم القا میکنند. این جریان و ولتاژ رامیتوان به سیگنال های صوتی و دیگر انواع سیگنال تبدیل کرد که اطلاعات را انتقالدهند.
با وجودی که واژه رادیوبرای توصیف این پدیده به کار میرود، ارسالداده هایی که ما به عنوان تلویزیون،رادیو،رادار وتلفن می شناسیم، همگیدر کلاس انتشار فرکانس رادیویی هستند.

کشف

پایه های تئوری انتشار امواج الکترومغناطیسی برای اولین بار توسط جیمز کارل ماکسول در سال۱۸۷۳در مقاله ای تحت عنوانیک تئوری دینامیک از میدان الکتریکیکه به انجمن رویال ارائه شده بود، بیان شد که نتیجه کار وی در طی سال های بین۱۸۶۱تا ۱۸۶۵ بود.

بین سال های۱۸۸۶ و۱۸۸۸م،هاینریش رودلف هرتزبرای اولین بار تئوری ماکسول را از طریق آزمایشاتش تایید کرد. آزمایشات وی نشان می دادند که تشعشعات رادیویی تمامی خواص امواج (که امروزه امواج هرتز خوانده می شوند) را دارا هستند، وکشف کرد که معادلات الکترومغناطیس را می توان به صورت معادلات مشتقات جزئی بازنویسیکرد که معادلات موج نامیده شد.

اختراع و تاریخچه

اینکه چه کسی مخترع اصلیرادیواست، که در آنزمان تلگراف بیسیمنامیده می شد، مورد اختلافاست. ادعاهایی وجود دارد کهناتان ستابلفیلدرادیو را پیش از تسلا ومارکونی ساخت اما بنظر می رسد که دستگاه وی به جای ارسال رادیویی با ارسال القایی کار می کرده است.
در سال۱۸۹۳درسنت لوییسمیسوری،نیکلاتسلا اولین نمایش عمومی ارتباطات رادیویی را انجام داد.

او در مقابلموسسه فرانکلیندرفیلادلفیاوانجمن روشنایی الکتریکی ملیاصولارتباطات رادیویی را به دقت شرح و توضیح داد. تجهیزاتی که او استفاده کرد تمامیاجزایی را که قبل از ساخته شدن تیوب خلادر سیستم های رادویی وجود داشت،دارا بودند. او بر خلاف مارکونی و دیگران که ازکوهیرراستفاده می کردند،برای اولین بار از گیرنده های مغناطیسی استفاده کردhttp://www.teslasociety.com/teslarec.pdf.

در سال۱۸۹۴مسرالیور لوج نشان داد که می توان با استفادهاز یک آشکار ساز با نامکوهیررپیام دادن توسطامواج رادیوییرا ممکنساخت. این آشکار ساز متشکل از تیوبی پر شده با براده هایآهن بود که توسط تمیستوکل کالزچی اونستیدر فرموی ایتالیادر سال۱۸۸۴مساخته شده بود. بعدها ادوارد برنلیاز فرانسه و الکساندر پوپوفاز روسیه نسخه بهبود یافتهای از کوهیرر را ابداع کردند. مردم روسیه ادعا می کنند پوپوف که سیستم ارتباطاتیعملیای بر پایه کوهیرر ساخت ، مخترع رادیو بوده است.

فیزیکدانی هندی با نام جاجدیش چاندرا بوس استفاده از امواج رادیوییرا به صورت عمومی در تاریخ نوامبر۱۸۹۴مدرکلکتهنمایش داد اما او مایل به ثبت کارشنبود. مشاهده کنید:
(http://www.ieee-virtual-museum.org/collection/people.php?taid=&id=1234735&lid=1 IEEE Virtual Museum).
در سال۱۸۹۶مگاگلیلمو مارکونیجایزه آنچه که گاها بهعنوان اولین حق ثبت اختراع رادیو در دنیا با شمارهحق ثبت اختراع بریتانیا ۱۲۰۳۹ از آن یاد می شود، را دریافت کرد،بهبود در ارسال ضربه های الکتریکی وسیگنال ها و در نتیجه بهبود دستگاه ها.
در سال۱۸۹۷مدر ایالات متحده برخی پیشرفت هایکلیدی در رادیو توسط نیکلا تسلا بوجود آمد و به نام او ثبت شد. در سال۱۹۰۴مدفتر ثبت اختراع ایالات متحده احتمالابه دلیل پشتیبان های مالی مارکونی که شاملتوماس ادیسونواندریو کارنجیمی شد، تصمیم گرفت که حق ثبتاختراع رادیو را به مارکونی اعطا کند. برخی اعتقاد دارند که دولت ایالات متحده بدیندلیل حق ثبت اختراع را به تسلا نداد که از مجبور شدن به پرداخت حق امتیازی که نیکلاتسلا برای استفاده دولت از حق ثبت اختراعش مطالبه می کرد خودداری کند.

درسال۱۹۰۹مارکونی به همراهکارل فردیناند براونجایزه نوبل فیزیک را برایتلاش هایی برایساخت تلگراف بیسیمدریافت کردند. به هرحال کمی بعد از مرگ تسلا در سال۱۹۴۳محقوق ثبت اختراع تسلا (شماره۶۴۵۵۷۶) توسط دادگاه عالی ایالات متحده به وضع اول بازگشت. این تصمیم بر این اساس گرفته شدهبود که تسلا کارهایی را پیش از حق ثبت مارکونی انجام داده بود. برخی معتقدند که اینکار احتمالا به دلایل مالی انجام شده است تا دولت بتواند از پرداخت خساراتی که شرکتمارکونی ادعا می کرد که به دلیل استفاده اختراعش در جریان جنگ اول باید دریافت کند،سر باز زند. برخی حدس می زنند که دولت در ابتدا حق ثبت اختراع را به ماکونی داد تاهرگونه ادعای تسلا را برای جبران خساراتش بی اعتبار کند.

مارکونی اولینکارخانهبیسیمرا در جهان در خیابان هال، درچلمسفورد انگلستان در سال۱۸۹۸مافتتاح کرد و حدود ۵۰ نفر را نیزاستخدام کرد. در حوالی۱۹۰۰تسلابرج واردنکلیفرا افتتاح کرد و شروع بهتبلیغ خدمات آن کرد. در سال ۱۹۰۳ ساختمان برج تقریبا کامل شد. نظرات مختلفی وجوددارد که چگونه تسلا قصد داشت به اهداف این سیستم (آنگونه که بیان شده یک سیستم ۲۰۰کیلو واتی) بیسیم دست یابد. تسلا ادعا کرد که واردنکلیف به عنوان بخشی از سیستمانتقال جهانی، قابلیت دریافت و ارسال مطمئن چند کاناله اطلاعات، جهتیابی جهانی،هماهنگی زمان و یک سیستم جهانی موقعیت را دارا خواهد بود.

اختراع بزرگ بعدیآشکار سازتیوب خلابود که توسط تیمی از مهندسین وستینگهاوس ساخته شد.
درشب کریسمس سال۱۹۰۶م،ریجینالد فسندن (با استفاده ازمدار بازز) اولین ارسال صوتی رادیویی را ازبرنت راک، ماساچوستانجام داد. کشتی های رویدریا امواج ارسال شدهای را شنیدند که شامل صدایفسندندر حال نواختن آوازاوه شب مقدسبا ویلون و خواندن متنی ازانجیلبود. اولین برنامه خبریرادیویی توسط ایستگاه ۸MK درمیشیگان در۳۱ آگوست۱۹۲۰مارسال شد.

اولین پخش بیسیممنظم برنامه های سرگرمی جهان در سال۱۹۲۲از مرکز تحقیقاتی مارکونیدرریتل نزدیک چلمسفورد، انگلستانشروع شد که مکان اولینکارخانهبیسیمنیز بود.
رادیوهای اولیه تمامی توان فرستنده را از طریق یک میکروفن کربنی ارسال می کردند. درحالی کهبرخی از رادیوها از نوعی تقویت جریان الکتریکی یا باتری استفاده می کردند، از اواسطدهه۱۹۲۰ اکثر انواع گیرنده هادستگاه های کریستالی بودند. در دهه ۱۹۲۰متیوب های خلا تقویت کننده منجر به انقلابی درگیرنده های رادیویی و فرستنده های رادیویی شد.

پیشرفت ها در قرن ۲۰

هواپیماها از ایستگاه های رادیویی AM برای جهت یابی استفاده کردند. این کار تا اوایل دهه۱۹۶۰مادامه داشت تا زمانی که در نهایتسیستم های VOR متداول شدند (اگر چه ایستگاه های AM هنوز روی جداول هوانوردی مشخص شده هستند).

در اوایل دهه۱۹۳۰،تک باند جانبی ومدولاسیون فرکانس توسط اپراتورهای آماتوررادیو ابداع شد. در انتهای دهه، استفاده از این حالت ها متداول شده بود.

در دهه ۱۹۲۰م از رادیو برای ارسال تصاویرتلویزیون استفاده شد. ارسال آنالوگ استاندارد در آمریکای شمالی و اروپا در دهه ۱۹۴۰ آغازشد.

در سال ۱۹۶۰م،سونیاولین رادیوی ترانزیستوری را ارائه کرد این رادیو آنقدرکوچک بود که در جیب جلیقه جا می شد و با یک باتری کوچک کار می کرد. این دستگاه برایمدت طولانی کار می کرد چرا که دیگر تیوبی نداشت که بسوزد. در طول ۲۰ سال بعدترانزیستورها کاملاً جای تیوب ها را گرفتند مگر در جاهایی که توان ها وفرکانس های بسیار بالا نیاز بود.

در سال ۱۹۶۳م تصاویر تلویزیون رنگی به صورت تجاری ارسال شدند و اولین (رادیو) ماهواره مخابراتی، TELSTAR به مدار فرستادهشد.

در اواخر دهه ۱۹۶۰م، شبکه تلفن راه دور ایالات متحده با بکار گیری رادیوهای دیجیتال در بسیاری از لینک هایش،شروع به دیجیتال کردن شبکه کرد.

در دهه ۱۹۷۰م،LORAN تبدیل به اولین سیستم جهت یابیرادیویی شد. پس از مدت کمی نیروی دریایی ایلات متحده شروع به انجام آزمایشاتی باجهت یابی ماهواره ای کرد که منجر به ساخت وارسال گروهGPSدر سال ۱۹۸۷ شد.

در اوایل ۱۹۹۰م آزمایشگرها یرادیوی آماتورشروع کردند به استفاده ازرایانه های شخصی با کارت های صوتی تا بتوانند سیگنال ها را پردازش کنند.

در سال ۱۹۹۴م ارتش آمریکا وDARPAپروژهای جسورانه و موفق را برای ساخت یک رادیوی نرم افزاری به متفاوت شود.

در اواخر دهه ۱۹۹۰م ارسال دیجیتال برای پخش مورد استفاده قرار گرفت.

۱- گیرنده، فرستنده های RF
فرستنده و گیرنده های RF عموما برای ارسال و دریافت داده های آنالوگ و یا دیجیتال در باند فرکانسی رادیویی (۵۰۰ کیلو هرتز تا ۱۰۸ مگاهرتز) طراحی می گردند. در این بخش ابتدا به گیرنده فرستنده های رادیویی برای ارسال داده های آنالوگ ، مثلا صوت، پرداخته شده و سپس مدارات گیرنده فرستنده های دیجیتال RF بررسی خواهند شد. (برای مثال گیرنده فرستنده های FSK ،ASK و ….). بررسی سیگنال به نویز هر گیرنده فرستنده نیز انجام خواهد شد.
۱-۱ گیرنده فرستنده های آنالوگ RF
گیرنده فرستنده های آنالوگ عموما به دو دسته طبقه بندی می شوند. AM ، که در آن اطلاعات ارسالی در دامنه موج حامل مدوله شده و گیرنده فرستنده های FM که در آن اطلاعات ارسالی در فاز موج حامل قرار می گیرد.
عموما گیرنده فرستنده ها دارای بخش های زیر هستند:
Øاسیلاتور، که فرکانس موج کاریر باند فرستنده رادیویی را تعیین می کند.
Øمیکسر ، که اطلاعات ارسالی را در باند فرکانسی مورد نظر مدوله می کند.

۱-۱-۱ گیرنده فرستنده AM
همانطور که گفته شد در طراحی هر گیرنده و فرستنده دو بخش اصلی وجود دارد. اسیلاتور و میکسر . اسیلاتور فرکانس موج حامل را تعیین می کند. در اینجا مداری را که می خواهیم طراحی کنیم باند وسیعی از فرکانس های رادیویی AM مانند باند ۱۰۴مگا هرتز رادیو پیام ، فرکانس ۹۸ مگا هرتز رادیو تهران و … و همچنین باند مورد استفاده برای فرستنده AM طراحی شده در این پروژه می باشد . بنابراین در طراحی اسیلاتور موج حامل از یک خازن متغیر در مدار تیونر اسیلاتو استفاده می کنیم.
بنابراین اولین قدم در طراحی یک گیرنده فرستنده ، طراحی اسیلاتور است. اسیلاتور در واقع مداری است که پس از طی مدت زمان کوتاهی پس از اتصال تغذیه DC ، به نوسانات پایدار می رسد. اسیلاتور ها در ابتدا با استفاده از فیدبک مثبت ناپایدار شده و دامنه نوسانات رو به افزایش می نهد. اما در دامنه ای معین این افزایش دامنه متوقف شده و نوسان ساز در آن دامنه شروع به نوسان می کند. لذا به طور خلاصه خصوصیات یک اسیلاتور را می توان به شرح زیر توصیف نمود:
۱-یک اسیلاتور بایستی دارای فیدبک مثبت برای افزایش دامنه نوسانات باشد.
۲-یک اسیلاتور می بایست پس از رسیدن به دامنه نهایی از ناپایدار شدن نوسانات جلوگیری کند. و با آن دامنه به نوسانات خود ادامه دهد.این امر از طرق مختلفی قابل دستیابی است. برای مثال استفاده از خاصیت بهره ترانزیستور که در آن با افزایش دامنه سیگنال اعمال به آن بهره تقویتی ترانزستور کاهش می یابد. بهره متغیر ترانزیستور با پارامتر G(x) نشان داده می شود. و با سیگنال اعمالی به بیس ترانزیستور رابطه معکوس دارد.

در ادامه چندین مدار اسیلاتور مرسوم بررسی خواهند شد و جهت اطمینان از حصول به نوسان پایدار قبل از بستن مدار و طراحی بورد، نوسان هر یک از این اسیلاتورها در نرم افزار اسپایس- ارکد- کپچر بررسی می گردد.

اسیلاتورهای معمول در رادیوهای AM و FM ، عموما از مدار اسیلاتور کولپیتس، استفاده شده است.