Een radiosysteem bestaat uit een “zender” die radiogolven produceert en een of meer “ontvangers” die deze golven opvangen. Zowel de zender als de ontvanger(s) zijn voorzien van antennes. De allereerste “draadloze telegrafie” radiosystemen gebruikten een zender die eenvoudigweg een uitbarsting van radio-energie genereerde door een elektrische schakeling met een inductiespoel te openen met een telegraafsleutel, waardoor een vonk ontstond. De radiogolven verspreidden zich door de ruimte en creëerden een elektrische stroom in een ontvangende antenne, die op zijn beurt een relaiscontact sloot. Berichten werden verzonden met behulp van Morsecode.
Inhouds opgave
Probleem van Vroege Radiosystemen
Het probleem met dit eenvoudige schema was dat de zender golven over een breed en ongedifferentieerd bereik van frequenties genereerde, waarbij een enkele ontvanger transmissies van elke zender in het gezichtsveld oppikte en mengde. Dit probleem werd opgelost door elke zender uit te rusten met een “variabele oscillator” – een elektronische schakeling die elektrische signalen genereerde op verschillende frequenties, zoals ingesteld door een knop die door de zenderoperator werd bediend. Een ontvanger pikte dit signaal op met zijn antenne, waarbij het signaal door een “variabele filter” ging – een elektrische schakeling bestaande uit een inductiespoel en een variabele condensator die door een knop kon worden ingesteld om alle frequenties behalve één te blokkeren.
Variabele Oscillator en Filter
Dit schema maakte het mogelijk voor meerdere zenders om in een bepaald gebied te opereren zonder interferentie. De zenderoperator stelde de oscillator van de zender in op een bepaalde frequentie of “kanaal” en gebruikte vervolgens een telegraafsleutel om de oscillatoruitgang aan en uit te schakelen in een versterkerschakeling, die een hoogvermogen signaal via de antenne uitzond. De ontvangeroperator stelde de ontvangerfilter in op hetzelfde kanaal. De ontvanger pikte radiogolven op op alle frequenties en versterkte ze. Het versterkte ontvangen signaal werd door de variabele filter gestuurd en vervolgens naar een “detector” schakeling om hoogfrequente signalen om te zetten in een gelijkstroomsignaal om het relaiscontact te activeren.
Detector en Rectificatie
De detector omvatte een “gelijkrichter”, een eenrichtingsklep voor elektriciteit, die de helft van de golfvorm elimineerde, waarbij dit gelijkgerichte signaal vervolgens door een “laagdoorlaatfilter” ging, bestaande uit een weerstand en een condensator in de eenvoudigste vorm, die de ontvangen signalen omzette in pulsen. Het blokdiagram hieronder geeft een eenvoudige representatie van een dergelijk systeem. Voor de eenvoud kunnen de zender en ontvanger in het diagram slechts op één van zeven specifieke frequenties worden ingesteld – een onrealistisch klein bereik.
Dit is uiteraard hetzelfde concept dat wordt gebruikt bij het afstemmen van een moderne stemradio op verschillende kanalen, hoewel een stemradio enigszins anders werkt dan een radiotelegraaf. In een eenvoudige “amplitudemodulatie” stemradio wordt de stem van een gebruiker omgezet in een elektrische golfvorm die de amplitudes of “envelop” van een variabele oscillatorsignaal controleert of “moduleert”. Het gemoduleerde signaal wordt vervolgens versterkt en via een antenne uitgezonden. De oscillatorfrequentie staat bekend als de “draaggolf” frequentie, omdat het de audiosignaal “draagt”.
Ontvangst en Demodulatie
Een ontvanger pikt het signaal op met zijn antenne, waarbij een variabele filter wordt gebruikt om het gewenste kanaal te isoleren. Het signaal wordt vervolgens versterkt en door een detectorschakeling gestuurd om het oorspronkelijke audiosignaal te extraheren. Het audiosignaal wordt versterkt en naar een luidspreker gestuurd.
Een radiokanaal is in feite niet een enkele frequentie, maar een bereik van frequenties. Hoewel de details buiten het bereik van dit eenvoudige document vallen, is het frequentiebereik of “bandbreedte” van een kanaal ruwweg evenredig aan de hoeveelheid informatie die door het kanaal wordt gedragen. In het geval van een audiouitzending is de bandbreedte een factor van het bereik van de uitgezonden audiofrequenties. Dit betekent dat een hi-fidelity audiotransmissie meer bandbreedte in beslag zal nemen dan een low-fidelity transmissie.
Superheterodyne Ontvangers
De hierboven beschreven audio-ontvanger werkt, maar in de praktijk werkt het niet goed voor het produceren van kanalen op hoge frequenties. In de praktijk gebruiken de meeste moderne radio-ontvangers een “superheterodyne” schema, waarbij het ontvangen signaal dat door de antenne wordt opgevangen en versterkt, vervolgens door een “mixer” of “heterodyne” schakeling gaat die het ontvangen signaal combineert met een lagere vaste “tussenfrequentie (IF)” signaal geproduceerd door een oscillator. De mixer trekt effectief het IF-signaal van het ingangssignaal af, wat resulteert in een laagfrequent gemoduleerd signaal dat vervolgens wordt gedetecteerd en naar de luidspreker wordt gestuurd.
Amplitudemodulatie vs. Frequentiemodulatie
Het belangrijkste probleem met amplitudemodulatie is dat de meeste bronnen van omgevingsgeluid veranderingen in de amplitude van een signaal veroorzaken, waardoor statische elektriciteit en vervorming ontstaan. Bovendien zullen meerdere signalen op dezelfde band eenvoudigweg bij elkaar worden opgeteld, waarbij de ontvanger beide tegelijk oppikt. Dit is in sommige omstandigheden een voordeel, bijvoorbeeld doordat meerdere politiewagens elkaars gesprekken kunnen monitoren, maar het kan in andere gevallen een ongemak zijn.
De oplossing is wat bekend staat als “frequentiemodulatie (FM)”, waarbij het audiosignaal wordt gemengd met het moduleersignaal om veranderingen in frequentie te veroorzaken, niet in amplitude. De rest van de stadia van de zender zijn conceptueel niet anders dan die van een AM-radio, en de ontvanger is ook niet veel anders – behalve dat de eenvoudige detectorschakeling wordt vervangen door een of andere klasse van frequentie-naar-spanning omzetter schakeling om het signaal te extraheren. FM is beter bestand tegen ruis omdat er relatief weinig vormen van FM-ruis zijn; en het is minder gevoelig voor interferentie van andere signalen, omdat het sterkste FM-signaal zwakkere signalen volledig maskeert.
Televisiesignalen
Een ouderwets analoog televisiesignaal was conceptueel vrijwel hetzelfde als een stemradio. Het TV-geluidsspoor werd verzonden met FM, terwijl het basisvideosignaal, dat altijd in zwart-wit was, werd verzonden door AM. Een apart kleurensignaal werd verzonden dat kleuren “schilderde” bovenop het basis zwart-wit signaal, met verschillende schema’s die in verschillende landen werden gebruikt. Overigens was deze taakverdeling tussen het zwart-wit signaal en het kleurensignaal het resultaat van het feit dat televisie-uitzendingen aanvankelijk zwart-wit waren, en toen kleur werd geïntroduceerd was er een noodzaak om ervoor te zorgen dat de uitzendingen nog steeds door zwart-wit televisietoestellen konden worden gebruikt.
Aangezien een bewegend beeld over het algemeen meer informatie bevatte dan een audiosignaal, vereiste een televisiesignaal meer bandbreedte dan een gewoon audiosignaal. Analoog TV wordt nu snel vervangen door digitale uitzendsystemen, waarbij de signalen worden uitgezonden in de vorm van een stroom binaire getallen die de video- en audiosignalen coderen.
Uitgangsvermogen en Gevoeligheid
Het uitgangsvermogen van een zender wordt gemeten in watts, of (wat radar betreft) meestal in kilowatts (kW, duizenden watts) en megawatts (MW, miljoenen watts). De “gevoeligheid” van een ontvanger, of het vermogen van de ontvanger om ontvangen signalen te versterken, wordt bepaald in termen van “decibels”, gedefinieerd als:
De versterkingsfactor wordt vaak “gain” genoemd.
Een radio-ontvanger, vooral een die is ingebouwd in een auto en rondrijdt, kan een zendersignaal oppikken dat in sterkte varieert. Dat betekent dat het volume van de radio-uitgang continu zal vervagen of toenemen, waardoor de luisteraar constant het volume moet aanpassen. Een schakeling bekend als een “automatische gain control (AGC)” helpt dit probleem te corrigeren door het gemiddelde ontvangen vermogen van het signaal te meten en de ontvanger gain aan te passen om ervoor te zorgen dat deze zo constant mogelijk blijft.
Conclusie
De evolutie van radiosystemen, van de eerste draadloze telegrafie tot moderne FM-radio’s en televisiesignalen, toont de voortdurende vooruitgang en verfijning van de technologie. Deze ontwikkeling heeft geleid tot de mogelijkheid om meer informatie nauwkeuriger en met minder interferentie over te brengen, wat een essentiële rol speelt in communicatie- en uitzendtechnologieën wereldwijd.
