Informasjon, som f.eks. et radiosignal som formidler tale, overføres ved systematisk endring (modulasjon) av noen egenskaper ved de utstrålte bølgene, slik som deres amplitude, frekvens, fase eller pulsbredde. Når radiobølger treffer en elektrisk leder induserer de oscillerende feltene en vekselstrøm i lederen. Informasjonen i bølgene kan trekkes ut og omformes tilbake til sin opprinnelige form.
Radioteknologien har mange bruksområder, men i dagligtale brukes ordet radio mest om kringkastingen av massemedier.
Når ladde elektroner («strøm») beveger seg i en elektrisk ledende leder, danner det seg et magnetfelt som roterer rundt den strømførende lederen. Dette magnetfeltet forplanter seg utover i luften og kan mottas som radio-bølger. Frekvensen/svingetiden på strømmen (Hz) i kabelen er avgjørende for de utsendte frekvensene. (Enten kan man modulere frekvens- eller amplitude- verdien på strømmen.)
Transmisjon
Styrken på et radiosignal følger invers-kvadratisk lov, noe som bestemmer hvor høy effekt en radiosender må ha for å kunne kommunisere med en mottaker. Radiofrekvensen som benyttes har også mye å si for utbredelsen til signalet og hvor mye meningsbærende informasjon som kan formidles. Videre har mediumet en del å si for transmisjonen. Jordens atmosfære kan bøye og reflektere radiosignaler, denne effekten er sterkt frekvensavhengig. Flytende og faste materialer vil også i større grad absorbere radiosignal, slik som f.eks sjøer, granskoger, armert betong og fjell.
Moderne mobiltelefoni basestasjoner benytter seg i tillegg også av "celler", dvs. at de dekker et større område med betydelig høyere kapasitet og mye lavere sendeeffekt ved at man plasserer ut flere basestasjoner som til sammen dekker over et større område, hvor samme bærefrekvens kan gjenbrukes innenfor hver celle. Ofte bruker disse basestasjonen også sektor-antenner, også kjent som direksjonelle antenner, noe som ved typiske 120° grader på en rimelig måte tredobler tilgjengelig informasjonskapasitet, siden samme bærefrekvens kan gjenbrukes i flere sektorer.
Til sammenligning kunne den gamle mellombølgesenderen til NRK på Kløfta dekke hele Østlandet, men sendte følgelig med svært høy effekt og lav frekvens. Denne benyttet en omnidireksjonal antenne.
Oppdagelse
Det teoretiske grunnlaget for spredning av elektromagnetiske bølger ble først beskrevet i 1873 av James Clerk Maxwell i hans rapport til the Royal Society: A dynamical theory of the electromagnetic field, som beskrev hans arbeid mellom 1861 og 1865.
Heinrich Rudolf Hertz var den første som bekreftet Maxwells teorier gjennom eksperimenter. Dette skjedde mellom 1886 og 1888.
Han viste at all radiostråling har alle egenskapene til bølger (nå kalt Hertziske bølger), og oppdaget at de elektromagnetiske ligningene nå kunne bli omskrevet til en differensialligning kalt bølgeligningen.
Oppfinnelser og historie
Tyholttårnet i Trondheim. Øverst med en roterende restaurant. På plattformene under er oppstilt parabolantenner.
Hvem som var den originale oppfinner av selve radioen – som på den tiden ble kalt trådløs telegrafi – er usikkert. Det påstås at Nathan Stubblefield oppfant radioen før både Nikola Tesla og Guglielmo Marconi, men hans apparat ser ut til å ha brukt induksjonsoverføring i stedet for radiooverføring. Briten David Edward Hughes eksperimenterte også tidlig med radio, men la arbeidet til side da man mente det kun dreide seg om induksjon. I ettertid virker det sannsynlig at Hughes faktisk laget en gnistsender.
I 1894 demonstrerte den britiske fysikeren Oliver Lodge muligheten for å signalisere over radiobølger ved hjelp av et registreringsinstrument kalt en koherer, et rør med jernspon som i 1884 var oppfunnet av Temistocle Calzecchi-Onesti i Fermo i Italia. Franskmannen Edouard Branly og russeren Alexander Popov produserte senere forbedrede versjoner av kohereren. Popov som utviklet et praktisk kommunikasjonssystem basert på kohereren, er av sine landsmenn ofte ansett å være radioens oppfinner.
I 1896 tok Guglielmo Marconi ut det som av og til er ansett å være verdens første patent for radio med det britiskepatent nr. 12039, Forbedringer i sending av elektriske impulser og signaler og i disses apparater. I 1897 ble noen sentrale fremskritt i radioens tidlige historie utført og patentert av Nikola Tesla i De forente stater. Det amerikanske patentkontoret omgjorde sin beslutning i 1904 og tildelte Guglielmo Marconi patentet for oppfinnelsen av radio, trolig påvirket av Marconis finansielle støttespillere i Statene, deriblant Thomas Edison og Andrew Carnegie. Noen mener dette skjedde for at den amerikanske forbundsstaten skulle slippe å betale Nikola Tesla for bruk av hans patenter. I 1909 vant Marconi nobelprisen i fysikk sammen med Karl Ferdinand Braun for «bidrag til utviklingen av den trådløse telegrafien». Likevel ble Teslas patent nr. 645576 gjeninntatt av den amerikanske høyesterett i 1943, like etter hans død. Denne beslutningen ble tatt på bakgrunn av at det eksisterte et tidligere patent før Marconis patent ble vedtatt. Noen mener det antakelig ble gjort av økonomiske årsaker for at den amerikanske forbundsstaten skulle slippe å betale de kompensasjoner de var krevd av Marconi Company for bruken av dets patenter gjennom første verdenskrig (ved å se bort fra det første patentet).
Marconi startet verdens første «trådløse» fabrikk i Hall Street i Chelmsford i England i 1898, der han ansatte rundt 50 arbeidere. Omkring 1900 etablerer Tesla radiostasjonen Wardenclyffe Tower og annonserer firmaets tjenester. Tre år senere var tårnstrukturen nesten ferdig. Det diskuteres ennå hvilke planer Tesla hadde med dette trådløse systemet (visstnok et 200 kW-anlegg). Hadde Wardenclyffe kommet i drift kunne det ha styrt et sikret radiosendingsystem i flere kanaler og kunne ha tillatt verdensdekkende navigasjon, tidssynkronisering og et globalt posisjoneringssystem.
Neste store oppfinnelse var vakuumrør-detektoren som ble oppfunnet av en gruppe ingeniører fra Westinghouse.
Oppfinneren Reginald Fessenden syntes bruken av radio i form av trådløs telegrafi ble for tidkrevende og begrensende, og begynte å jobbe med å få radioen til å overføre kontinuerlig lyd. Lille julaften 1900 lyktes han i å overføre sin egen stemme som radiobølger over en avstand på 1.6 km med følgende ord; “One, two, three, four. Is It snowing where you are, Mr. Thiessen? If so, telegraph back and let me know.” På Julaften 1906 gjennomførte han så historiens første kringkastingsutsending ved hjelp av en sender bygget etter heterodynprinsippet fra Brant Rock, Massachusetts. Skip til sjøs kunne lytte til en utsending der Fessenden spilte O Holy Night på fiolin og leste fra Bibelen. Verdens første nyhetsprogram på radio ble sendt 31. august1920 av stasjonen 8MK i Detroit, Michigan. Verdens første regelmessige underholdningsprogram kom på lufta i 1922 fra Marconis forskningssenter i Writtle ved Chelmsford i England. Dette er også stedet der verdens første radiofabrikk holdt til.
Fly peilet kommersielle mellombølgesendere, kalt NDB, til bruk under navigasjonen. I begynnelsen av 1960-tallet ble VOR-systemene vanlige og har i mange områder overtatt for NDB, som likevel fortsatt finnes i et visst omfang i mange land.
Radio ble brukt til å sende levende bilder som fjernsyn så tidlig som på 1920-tallet. Ordinære analoge sendinger begynte i Europa og Nord-Amerika på 1940-tallet.
I 1960 lanserte Sony den første transistorradioen, som var så liten at den fikk plass i en vestlomme, og som kunne drives av et lite batteri. Den var økonomisk, fordi det ikke var noen radiorør som kunne gå. De neste 20 årene tok transistorene radiorørenes plass på nesten alle områder, bortsett på høyspenning eller meget høye frekvenser.
Tidlig på 1990-tallet tok radioamatører i bruk personlige datamaskiner med lydkort for å kunne bearbeide radiosignaler. I 1994 startet den amerikanske hæren og DARPA et pågående og resultatrikt prosjekt for å utvikle en programvarebasert radiosender som kun ved å skifte ut programvaren på et blunk skulle kunne omformes til en ny radiosender.
Digitale kringkastingssendinger begynte å bli vanlige på slutten av 1990-tallet.
I de første årene var bruken svært sjøfartsrettet, og med morse mellom skip og land. I dag finner vi radio i mange former, blant annet i trådløst nettverk, mobilkommunikasjon i alle former, såvel som kringkasting.
Før fjernsynet dukket opp, kunne man i tillegg til nyheter og musikk, også lytte til hørespill, komedier, revyforestillinger, barneprogram og mange andre forskjellige former for underholdning. Radio var enestående i sin fremførsel til tross for at den kun brukte lyd.
Under andre verdenskrig var radio et viktig middel til å skaffe seg informasjon. I Tyskland var det dødsstraff for å lytte til utenlandske sendinger, og i ulike land ble apparatene konfiskert: I Norge i 1941, i Nederland skjedde det i 1943. Belgia og Frankrike som ble styrt av mer saklige militærforvaltninger, slapp konfiskering. I Danmark fikk folk også beholde radioene sine. Da tyskerne innså at de ikke kunne håndheve et forbud mot å lytte til BBC, var dette faktisk tillatt i Danmark under hele okkupasjonen, selv om bare et fåtall var klar over det.
Typer av radio
Lyd (Audio)
AM-kringkasting sender tale og musikk på lang- mellom- og kortbølgen (300 kHz til 30 MHz). AM-radio bruker amplitudemodulasjon som modulerer amplituden i sendersignalet proporsjonalt med lydutsvinget ved mikrofonen. Senderfrekvensen forblir uforandret. På grunn av modulasjonen opptar senderne også en bredde i frekvensspektret. Denne er dobbelt så bred som det aktuelle lydsignalet. Standard tildelt bredder er 9 og 10 kHz, som tilsvarer at lydinnholdet ikke inneholder frekvenser over 4.5 og 5 kHz. Telefonen slutter ved 3.3 kHz. Det er ikke gitt at senderne alltid holdt seg til den tildelte båndbredden.
Ved lave nivåer på antennesignalet vil det demodulerte signalet kunne få et dårlig signal/støyforhold. AM påvirkes lett av forskjellige elektriske støykilder. Dette skyldes ikke at AM er en dårlig metode, men at den gang da standardene ble fastlagt gikk en ikke så langt opp i absolutt frekvens for kringkasting, og båndbredde ble tilsvarende dyrt – det var mange om beinet. FM, som kom mye senere og fikk langt større tildelt båndbredde, ville ikke være noe bedre hvis senderen bare hadde fått tildelt 10 kHz båndbredde.
FM-kringkasting sender tale og musikk med bedre signal/støy-forhold enn AM-radio. Ved frekvensmodulasjon endrer mikrofonsignalet senderens frekvens, mens amplituden, eller sendereffekten, forblir konstant. FM-kringkasting anvender svært høye frekvenser (VHF -- 30 MHz til 300 MHz). FM fikk tildelt mye større båndbredde enn AM hadde; 150 kHz mot 9 kHz. Dette kunne tillates fordi de høye bærefrekvensene ikke kan spres over kontinenter og forblir lokale. De høyere frekvensene, altså de kortere radiobølgene, oppfører seg mer som lys. De stråler rett frem, og bølgene reflekteres ikke tilbake til jorden av ionosfæren. Ved svake signaler kan FM-mottakerne oppvise fengslingseffekten, som vil si at radioen kun gir fra seg det sterkeste signalet selv om flere signaler sender på samme frekvens. FM-mottakere påvirkes i mindre grad av atmosfærisk og annen støy enn AM-systemet på grunn av sin langt større bånbredde.
FM-bærebølgen kan inneholde sekundærsignaler for andre tjenester samtidig med hovedsendingen. For å kunne motta disse tjenestene trenges spesialmottakere, men tjenestene skal ikke kunne forstyrre hovedsignalet. Analoge kanaler kan innholde en annen type programmering, som opplesing for blinde, bakgrunnsmusikk eller stereosignaler. I svært tettbefolkede områder kan bærebølgeprogrammet nyttes for sendinger på fremmedspråk. Bærebølger kan også sende digitale data, som stasjonsidentifikasjon, navnet på sangen som spilles, vevadresser, eller børskurser. I enkelte land finner FM-radioer for bil automatisk frem til samme stasjon i et annet distrikt ved hjelp av bærebølger.
Verbal kommunikasjon på flyradio benytter VHF AM. AM brukes slik at flere stasjoner kan mottas på samme kanal. (Ved bruk av FM ville sterkere stasjoner stenge ute svakere stasjoner på grunn av FMs fengslingseffekt). Luftfartøy er ofte så høyt oppe at radioene kan rekke hundrevis av kilometer, selv om de bruker VHF.
Verbal kommunikasjon til sjøs kan benytte AM kortbølge på høye frekvenser (HF -- 3 MHz til 30 MHz) for svært lange avstander eller smalbånd FM i VHF-båndet for langt kortere avstander.
Offentlige instanser som politi, brannvesen og kommersielle taletjenester nytter smalbånds FM på spesielle frekvenser. Det smalere frekvensbåndet går ut over kvalitetsgjengivelsen, vanligvis 5 kHz' bredde (5 tusen svingninger pr. sek.) for å oppnå maksimalt pakking, mot 75 som brukes av FM-kringkasting og 25 i fjernsynstale.
Sivile og militære HF- (høyfrekvent) taletjenester kan nytte kortbølge-radio for å kommunisere med havgående skip, fly og isolerte bosetninger. De fleste bruker enkelt sidebånd tale (SSB), som bruker mindre båndvidde enn AM. SSB lyder på AM-radio som kvekkende ender. Hvis man ser dette på et diagram med frekvens mot effekt, vil et AM-signal gå opp der talefrekvensene legger seg på og trekker seg fra hovedradiofrekvensen. SSB halverer båndvidden på bekostning av bærebølgen og (vanligvis) det lavere sidebåndet. Dette gjør også senderen om lag tre ganger så kraftig, fordi den ikke trenger å sende bærebølgen og det ene sidebåndet.
Tetra, (Terrestrial Trunked Radio)er et digitalt mobiltelefonsystem for Forsvaret, Politiet og ambulansetjenesten.
Mobiltelefoner sender til nærliggende basestasjoner som er tilknyttet telefonnettet ved hjelp av en optisk fiberkabel eller radio som bruker mikrobølger. Når mobiltelefonapparatet forlater en basestasjons radiodekning overfører telefonsentralens datamaskin telefonen til neste basestasjon. Mobiltelefonene brukte opprinnelig FM, men for tiden benyttes forskjellige digitale modulasjoner.
Fjernsyn sender bildet som AM og lyden som FM, men på samme radiosignal.
Digitalt fjernsyn koder tre biter som åtte effektenheter i et AM-signal. For å redusere radiostøy sendes bitene ikke i rekkefølge. Et Reed-Solomons feilrettingsprogram lar mottakeren søke og rette datafeil. Selv om ingen data er sendt, bruker standarden MPEG-2 for video, og fem CD-kvalitets (44,1 kHz) digitalkanaler (sentrum, venstre, høyre, bakre venstre og bakre høyre). Med alt dette tar det kun en halv båndvidde av et analogt fjernsynssignal siden videodataene er komprimerte.
Navigasjon
Alle satellittnavigasjonssystemer bruker satellitter med presisjonsur. Satellitten sender dens posisjon sammen med tiden for sendingen. Mottakeren mottar signaler fra fire satellitter, og regner ut sin posisjon å være på en linje som tangerer et sfærisk skall rundt hver satellitt, bestemt ut fra den tiden det tar å sende radiosignalene fra satellitten. En datamaskin i mottakeren regner dette ut.
LORAN-systemene benytter også radiosignalenes overføringstid, men fra radiosignaler på bakken.
VOR-systemene (brukes av fly) har to sendere på samme sted. En retningsstyrt sender skanner eller utstråler sitt signal som et fyr ved en bestemt hastighet. Når den retningsstyrte senderen er rettet mot nord begynner en rundstrålende sender å pulsere. En mottager nord for senderen mottar de to signalene i samme fase. Antennesystemet og senderen gjør at det ene signalet er faseforskjøvet like mange grader som kompasskursen fra senderen mot mottakeren. I flyet er et instrument med en viser som forteller om man er på kompasskursen fra eller til VOR-senderen, eller på hvilken side av linjen man er på. Et fly kan motta informasjon fra to VOR-fyr og finne sin posisjon utfra krysningspunktet til de to strålene.
Radiopeiling er den eldste form for radionavigasjon. Før 1960 brukte navigatører flyttbare løkkeantenner (loop-antenner) for å lokalisere AM-kringkastere. Noen ganger brukte de maritime radiofyr som deler et frekvensbånd like over AM-kringkasting med radioamatørene.
Vanlige radiofyr for fly og skipstrafikken, sender på frekvenser mellom mellombølgen og langbølgen og sender det samme signalet i alle retninger (NDB non directional beacon eller LOC localizer) Instrumentet i flyene er en klokke med en viser, som om den legges ned fremover, vil peke rett mot senderen. Når flyet flyr over en slik sender peker viseren først rett oppover, og pila snurrer rundt og peker nedover etter overflyvningen. Disse senderne sender tre eller to bokstaver i morsealfabetet, som identifiserer senderen.
Radar registrerer objekters avstand fra senderen ved å utsende radiosignaler og deretter motta de reflekterte radioekkoene fra dem. Tidsforsinkelsen som oppstår på grunn av ekkoet utgjør en avstand. Strålens retning bestemmer refleksjonsretningen. Polariseringen og frekvensen til det mottatte signalet kan si noe om hva slags overflate det har.
Navigasjonsradarer skanner et vidt område to til fire ganger i minuttet. De bruker meget korte bølger som reflekterer bakke og stein. De er vanlige på handelsskip og langdistansefly.
Vanlige radarer benytter vanligvis navigasjonsradarfrekvenser, men modulerer og polariserer pulsen slik at mottakeren kan tolke hva slags type overflate det er reflektert fra. Den beste universal-radaren gjenkjenner regn i tunge stormer, såvel som land og kjøretøyer. Noen kan legge ovenpå sonardata og kartdata fra GPS-posisjoner.
Søkeradarer skanner et vidt område med pulser fra korte radiobølger. De skanner vanligvis området fra to til fire ganger i minuttet. Noen søkeradarer benytter dopplereffekten for å skjelne kjøretøyer i bevegelse fra clutter.
Målradarer benytter samme prinsippet som søkeradarer, men skanner et mye smalere område langt oftere, vanligvis flere ganger i sekundet eller mer.
Værradarer minner om søkeradarer, men benytter radiobølger med sirkulær polarisering og bølgelengde for å reflektere vanndråper. Noen værradarer benytter doppler til vindmåling.
Posisjonsgivende nødpeilesender(engelsk: Emergency position-indicating rescue beacon (EPIRB)) og ordinær nødpeilesender(engelsk: Emergency Locating Transmitter) er små radiosendere som man ved hjelp av satellitter kan bruke til å finne personer eller fartøyer i nød. Formålet med dem er at de skal gjøre det enklere for redningspersonell i begynnelsen av søket, mens overlevende har størst sjanse til å bli funnet i live. Det finnes flere typer i ulike kvaliteter.
Data (digitalradio)
Den eldste form for digital sending var gnist-telegrafi, som ble benyttet av pionerene som Marconi. Ved å presse nøkkelen kunne operatøren sende meldinger i morsekode ved å gi energi til et roterende og kommuterende gnistsender. Den roterende kommutatoren oscillerte en tone i mottakeren mens et enkelt gnisgap ville generere et hvesende og ugjenkjennelig signal fra vanlig radiostøy. Gnistsendere er nå ulovlige siden sendingene spenner over flere hundre megahertz. I dag ville en slik bruk være ødsling med både radiofrekvenser og energi.
Senere kom vanlig telegrafi (eller CW, av engelsk: «continuous wave» (på norsk: «vedvarende bølge»)) der en ren radiofrekvens produsert ved hjelp av en elektronisk oscillator med vakuumrør, blir slått på og av ved hjelp av en nøkkel. En mottaker med en lokal oscillator ville «heterodyn-omforme» seg med den rene radiofrekvensen og skape et pipende tonesignal. Telegrafi bruker mindre enn 100 Hz båndvidde. CW benyttes fremdeles, men mest av radioamatører.
Fjernskrivere(teleks) benyttes vanligvis på kortbølgen (HF) og er svært godt likt av det militære siden de skaper skriftlig informasjon uten hjelp av en utdannet operatør. De sender en bit som en av to toner. Grupper på fem eller sju biter blir til en fjernskriverkarakter. Mellom 1925 og 1965 var det ved hjelp av radioteleks at de fleste kommersielle meldinger ble sendt til mindre utviklede land. De benyttes fremdeles av militære styrker og værtjenester.
Fly bruker en radiotelekstjeneste på 1200 Baud over VHF for å sende sin identifikasjon, høyde og posisjon, og for å få utgang og korresponderende flydata. Radiosenderen kalles gjerne en transponder og signalene kalles militærfaglig for «IFF, Identification Friend or Foe)».
Mikrobølgediskene på satellitter, telefonsentraler og fjernsynsstasjoner benytter vanligvis kvadraturamplitudemodulasjon (QAM). QAM sender data ved både fase- og amplitudeskifte av radiosignalene. Ingeniører liker QAM siden det pakker de fleste bitene i ett radiosignal. Vanglivis sendes bitene i «rammer» som gjentas. Et spesialbitspor brukes for å finne begynnelsen på rammen.
IEEE 802.11, er en radionettverkstandard har stasjoner med digitale radiomottakere. De initieres ved å kontakte en sentral kontrollnode som forteller nodene om hverandre slik at de kan kommunisere direkte. Nodene flytter seg over mange frekvenser. De finner neste frekvens ved hjelp av en tallgenerator som velger et tilfeldig tall.
Romskipsfremdrift: Strålingstrykk fra intense radiobølger har vært foreslått som en fremdriftsmetode for den interstellaresonden«Starwisp». Da bølgene er lange kunne sonden være av duk laget av et meget lett metall, og på den måten oppnå høyere akselerasjon enn et solseil.
Andre
Amatørradio er en tjeneste som omfatter redningssamband og en offentlig radiotjeneste der utøverne er entusiaster som enten har kjøpt eller bygget sitt eget utstyr. Det opereres på et stort antall smalbånd over hele radiospekteret. Radioamatører benytter alle typer radio, såvel de forgagne som de eksperimentelle. Mange radioformer som først var utforsket av radioamatører fikk senere en viktig kommersiell betydning, deriblant FM, enkelt sidebånd AM, digital pakkeradio og satellittrepeatere).
Kraftoverføring: Flere prosjekter som har vært på tale for å overføre kraft bruker mikrobølger, og denne teknikken har vært demonstrert. Prosjektene omfatter, f.eks. solkraftstasjoner i omløp som stråler energien ned til brukere på jorden.
Fjernkontroll: Bruk av radiobølger til å sende kontrolldata til et fjerntliggende objekt som i tidlige utgaver av fjernstyrte raketter, noen tidlige typer av fjernsynskontroller og mange modellbåter, biler og fly.
