Nim wynaleziono internet - Reginald Fessenden, zapomiany ojciec radia i modulacja AM

Jak wspominałem w poprzednim wpisie na samym początku XX wieku ludzkość opanowała metody łączności bezprzewodowej za pomocą radia telegraficznego. Postanowiono pójść jednak dalej i połączyć radio z telefonem, tak aby umożliwić przesył wiadomości głosowych i muzyki.

Przed naukowcami i inżynierami pojawiły się problemy do rozwiązania. Jak zawrzeć dźwięk w fali i w jaki sposób zapewnić dobry odbiór? Radiotelegram był prosty, fala była lub jej nie było, co przekładało się na kropki i kreski. Zastanówmy się jednak co oznacza to, że fala jest lub jej nie ma? W przypadku iskrowników - czyli urządzeń wytwarzających fale radiowe za pomocą iskier, fala ta była bardzo szybko tłumiona do zera. Kropki i kreski oznaczyły więc jak długo fala była nadawana. Poza prostotą emisji, fale te mają poważne wady, są szybko tłumione i zajmują szerokie pasmo częstotliwości, co przekłada się na zakłócenia innych urządzeń. Nadawanie ich zostało zakazane w 1937 roku, jednak dzisiaj są one wykorzystywane do szybkiego przesyłu informacji na krótkie dystanse pomiędzy urządzeniami.

Telegraf iskrowy

Wtedy pojawił się Kanadyjczyk - Reginald Fessenden. Gdy Marconi pracował nad przesyłem wiadomości telegraficznych na ogromne odległości - on wykonał pierwszą udaną próbę bezprzewodowego przesyłu głosu, na odległość około jednej mili.

Było to możliwe dzięki koncepcji fali ciągłej, ona w przeciwieństwie do impulsów telegrafu, dawała znacznie większe możliwości - pozwalała się modulować. Problemem był jednak generator. W obecnym czasie nie istniał takowy, a sama koncepcja była na tyle rewolucyjna, że jeden z współpracowników Fessendena recenzując patent wyraził obawę, że urządzenie nie będzie działać.

Nie mając jeszcze dostępu do odpowiedniego generatora , Fessenden zauważył, że im częściej tworzone są iskry - tym bardziej przypominają one falę ciągłą. Fakt ten wykorzystał i zbudował iskrownik który generował około 10 tysięcy impulsów na sekundę, kilkaset razy więcej niż telegraf. Dołączył do niego mikrofon węglowy i dokonał pierwszej bezprzewodowej transmisji głosu na odległość, w 1901 roku na wyspie Cobb. Było to bardzo dalekie od ideału, a głos był na granicy zrozumienia z powodu ogromnych zakłóceń, a odległość mizerna, ale działało!

Fessenden rozwijał swój pomysł dokonując pierwszej audycji głosowej w grudniu 1906 roku. By jednak tego dokonać potrzebny był porządny generator fali ciągłej. Wynalazca wiedział, że transmisja z zakłóceniami może się sprawdzić jako ciekawostka dla naukowców, komercyjny projekt potrzebował jednak wysokiej jakości. Zadaniem tym zajął się Ernst Alexanderson, stworzył on urządzenie które działało na zasadzie podobnej do tej stosowanej w prądzie przemiennym, tutaj jednak częstotliwość była o wiele wyższa. Generował on fale długie o dużej mocy.

Alternator Alexandersona
By Gunther Tschuch - Praca własna, CC BY 2.5, Link

Radio narodziło się i zaraz zgasło. Sam fakt transmisji Fessendena jest dziś dyskusyjny, bo brakuje dowodów na to czy w ogóle się one odbyły i czy były słyszalne. Fessendena bowiem zapomniano, i dopiero w 1932 roku wspomniano jego wkład w rozwój radia. Nie zostało to zakwestionowane w ciągu kilku lat od publikacji, a badania rozpoczęto dopiero po kilkudziesięciu latach. Powstał konsensus, mówiący że Fessenden miał możliwości techniczne do nadawania, ale nie był słyszalny tak daleko jak twierdził.

Tak czy inaczej pewne jest, że Fessenden stworzył pierwszy sposób kodowania informacji w w fali radiowej. AM czyli modulacja amplitudy dawała o wiele większe możliwości niż telegraf. Najważniejszą kwestią było znacznie mniejsze tłumienie niż w nadajnikach iskrowych, taka fala zajmuje mniejszy zakres częstotliwości i pozwala na jednoczesne nadawanie wielu radiostacji. Do dziś zresztą jest wykorzystywana przez niektóre rozgłośnie i w łączności lotniczej.

Działa ona w ten sposób, że mamy nasz sygnał który jest mową lub dźwiękiem, nie nadaje się on bezpośrednio do transmisji, potrzebuje nośnika w postaci fali ciągłej o danej częstotliwości, np. 100 MHz. Sygnał następnie nakłada się na wytworzoną falę ciągłą dokonując modulacji jego amplitudy. Tam gdzie sygnał ma wartość dodatnią - amplituda jest duża, a tam gdzie ujemną - mała (lub na odwrót), Ilustruje to rysunek poniżej.

By Ivan Akira - Own work, CC BY-SA 3.0, Link

Taki sposób modulacji pozwala zachować pierwotny wygląd fali w obwiedni. Sygnał taki trafia następnie do demodulatora który "wyciąga" z niego interesujące nas informacje. Po drodze oczywiście mogą być różnego rodzaju wzmacniacze, miksery i inne elementy w zależności od urządzenia.

Modulacja amplitudy ma pewne wady, otóż jest to sygnał bardzo podatny na zakłócenia pochodzące z np. urządzeń elektrycznych czy kosmosu. Sygnał taki jest uważany za niskiej jakości i nie istnieje sposób jego poprawy. Jest dobrze słyszalny przy stacji nadawczej, ale im fala staje się słabsza, tym więcej jest szumu w odbieranej audycji. Do tego pasmo jest wąskie - kilka KHz więc dźwięk jest zniekształcony, z drugiej strony jest mniej podatna na Efekt Dopplera niż FM, a jakość sygnału maleje liniowo, a nie skokowo jak ma to miejsce w FM. Z tych, oraz historycznych powodów wykorzystuje się ją w komunikacji lotniczej. Poniżej film omawiający modulację AM

Żródła:
https://en.wikipedia.org/wiki/Amplitude_modulation
https://www.polskieradio.pl/39/156/Artykul/2262237,Magia-radia-krotka-historia-polskiej-radiofonii
https://vod.tvp.pl/video/jak-to-dziala,radio,5754681
https://avantiradio.pl/webpage/strefa-wiedzy.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Continuous_wave
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Reginald_Fessenden

---

^{Originally posted on Ciekawsza strona Nauki. Steem blog powered by DBLOG.}