Радиоприёмник превращает слабые электромагнитные колебания в слышимый звук. Антенна принимает сразу множество сигналов, настроечная цепь выделяет нужную станцию, детектор извлекает из высокочастотной несущей изменения голоса или музыки, усилитель увеличивает их мощность, а динамик снова создаёт колебания воздуха. Даже современный цифровой аппарат выполняет те же основные задачи, хотя часть операций в нём делает микросхема и программа.
Что на самом деле ловит антенна
Передающая антенна создаёт меняющееся электрическое и магнитное поле. Оно распространяется в пространстве и наводит в приёмной антенне очень небольшое переменное напряжение. Это не звук в воздухе: радиоволна может пройти огромное расстояние в пустоте, а без приёмника человек её не услышит.
Длина и расположение антенны влияют на чувствительность. Для длинных и средних волн ранние слушатели натягивали провод между крышей и деревом. В портативном AM-приёмнике часто стоит ферритовый стержень с катушкой, а для FM используют телескопический штырь или провод наушников. Антенна не обязана точно совпадать с длиной волны, но согласованная конструкция передаёт больше полезной энергии следующему каскаду.
Почему одновременно не слышны все станции
На входе действительно присутствуют многие сигналы. Выбор делает резонансный контур из катушки и конденсатора. Энергия в нём переходит между магнитным полем катушки и электрическим полем конденсатора. На определённой частоте обмен особенно эффективен, поэтому нужное колебание выделяется, а далёкие по частоте ослабляются.
Поворот ручки настройки меняет ёмкость конденсатора или параметры электронной схемы. Резонанс сдвигается вдоль диапазона, и аппарат выбирает другую несущую. Избирательность не бесконечна: слишком близкие или очень мощные станции способны мешать друг другу. Поэтому частоты вещателей распределяют с промежутками и ограничивают ширину занимаемой полосы.
Зачем нужна высокая несущая частота
Голос и музыка меняются сравнительно медленно. Если непосредственно подавать звуковой сигнал на антенну, эффективный излучатель пришлось бы делать гигантским, а разные программы невозможно было бы удобно разделить. Передатчик накладывает звук на более высокочастотную несущую. Каждая станция получает собственный участок диапазона, и приёмник выбирает его настройкой.
В AM меняется амплитуда несущей, в FM – её мгновенная частота. Историческая передача Фессендена использовала амплитудную модуляцию. Позднее FM сделала речь и музыку устойчивее к многим видам импульсных помех.
Как детектор возвращает звук
После настройки сигнал всё ещё колеблется сотни тысяч или миллионы раз в секунду. Мембрана динамика не должна повторять эту несущую. Детектор отделяет медленную огибающую, форма которой соответствует исходному звуку. В простом кристаллическом приёмнике это делал контакт минерала с тонкой проволокой, пропускавший ток преимущественно в одном направлении.
Диод выпрямляет высокочастотное колебание, а конденсатор сглаживает быстрые пульсации. Остаётся напряжение звуковой частоты. Для FM нужен другой способ демодуляции: схема реагирует не на высоту амплитуды, а на небольшие отклонения частоты вокруг среднего значения.
Почему раннему радио требовались лампы
Энергии, полученной антенной, достаточно лишь для чувствительных наушников и сильной местной станции. Электронная лампа позволила управлять большим током с помощью очень слабого сигнала. Один каскад усиливал радиочастоту, другой помогал выделить звук, третий раскачивал громкоговоритель. Супергетеродинный принцип дополнительно преобразовывал разные станции в одну удобную промежуточную частоту, на которой легче получить стабильное усиление и фильтрацию.
Лампы нагревались, расходовали много энергии и требовали высокого напряжения. Домашний аппарат был крупным предметом мебели. После появления транзистора те же функции удалось выполнить небольшими холодными полупроводниковыми деталями. Поэтому транзисторный приёмник стал карманным и смог долго работать от батареи.
Как электрический сигнал становится звуком
Усилитель мощности подаёт переменный ток в катушку динамика. Катушка находится в поле постоянного магнита и движется вперёд и назад в зависимости от направления тока. К ней прикреплён лёгкий диффузор, который толкает воздух. Так в комнате снова возникают колебания давления, похожие на те, что когда-то воздействовали на студийный микрофон.
Качество зависит от всей цепочки. Узкая полоса приёмника обрезает высокие частоты, слабый сигнал добавляет шум, перегруженный усилитель искажает форму волны, а маленький динамик плохо воспроизводит бас. Хорошая антенна не исправит плохой громкоговоритель, но может уменьшить шипение, дав приёмнику более уверенный исходный сигнал.
Чем отличается цифровое радио
В цифровой системе микрофонный сигнал заранее превращают в числа, сжимают и защищают кодами коррекции ошибок. Приёмник настраивается на радиоканал, восстанавливает поток битов, исправляет часть повреждений, декодирует звук и только затем отправляет его в цифро-аналоговый преобразователь. При слабом приёме цифровая программа обычно дольше сохраняет чистоту, а затем начинает прерываться, тогда как аналоговая постепенно обрастает шумом.
Интернет-радио идёт ещё дальше: физическим каналом может быть Wi-Fi, мобильная сеть или кабель, а выбор станции выполняется по сетевому адресу. Но логика остаётся знакомой – выбрать источник, отделить полезные данные, восстановить звук и усилить его. Радиоприёмник менялся от кристалла и ламп до программного декодера, не меняя конечной цели: сделать невидимый переданный сигнал снова слышимым.
Почему шкала настройки могла показывать города
Частота станции оставалась постоянной, но слушателю было проще запомнить название и место вещания, чем число в килогерцах. Производители наносили на стеклянную шкалу города и позывные. При повороте ручки указатель двигался вдоль списка, хотя электрически изменялась всего лишь ёмкость настроечного контура.
Такая шкала была приблизительной. Параметры деталей уходили от температуры и возраста, а одна станция могла сменить частоту. В супергетеродине отдельный генератор тоже должен был перестраиваться согласованно со входным контуром. Современный синтезатор частоты считает колебания относительно кварцевого эталона, поэтому цифровой дисплей показывает канал точнее и сохраняет станции в памяти.
Зачем приёмнику автоматическая регулировка
Сила сигнала меняется при движении, повороте антенны и отражении волн. Без регулировки близкая станция оглушала бы, а далёкая оставалась едва слышной. Схема измеряет уровень после детектора и уменьшает усиление ранних каскадов при сильном приёме. Благодаря этому громкость меняется плавнее, а усилитель реже перегружается.
