تعریف
رادیوفنآوری است که امکان انتقال سیگنالها را توسطمدولاسیونامواج الکترومغناطیسیبا فرکانسهایی زیرفرکانسنور را فراهم می سازد.


امواج رادیو

امواج رادیو نوعی از تشعشعات الکترومغناطیسی هستندوهنگامی بوجود میآیند که یکشیباردارشدهبا فرکانسی که در بخشفرکانس رادیویی(RF) طیفالکترومغناطیسی قرار داردشتاببگیرد. این محدودهفرکانس از ده هاهرتزتا چند گیگا هرتز تغییر میکند. تشعشعاتالکترومغناطیسی توسط نوسانات میدانهای الکتریکی ومغناطیسی انتشار مییابند و ازطریق هوا و نیز خلا به همان خوبی عبور میکنند و نیازی به واسطه انتقالندارند.
در مقابل، دیگر انواعتشعشعات الکترومغناطیسی با فرکانس هایی بالای محدودهRF به این شرح اند: اشعهگاما،اشعهXومادون قرمز،ماورا بنفشونورمرئی.
وقتیکه امواجرادیویی از یک سیم عبور می کنند، میدان الکتریکی و مغناطیسی متغیرآنها(بر حسب شکل سیم) جریان و ولتاژی متناوب در سیم القامیکنند. این جریان و ولتاژ رامیتوان به سیگنال های صوتی و دیگر انواع سیگنال تبدیل کرد که اطلاعاترا انتقالدهند.
با وجودی کهواژهرادیوبرایتوصیف این پدیده به کار میرود، ارسالداده هایی که ما به عنوانتلویزیون،رادیو،راداروتلفنمی شناسیم، همگیدر کلاس انتشار فرکانس رادیوییهستند.

کشف

پایه های تئوری انتشار امواج الکترومغناطیسی برای اولین بار توسطجیمز کارل ماکسولدرسال1873در مقالهای تحت عنوانیک تئوریدینامیک از میدانالکتریکیکه بهانجمن رویالارائه شده بود، بیان شد کهنتیجه کار وی در طی سال هایبین1861تا1865 بود.

بین سال های1886 و1888م،هاینریش رودلفهرتزبرای اولین بار تئوریماکسول را از طریق آزمایشاتشتایید کرد. آزمایشات وی نشان می دادند که تشعشعاترادیویی تمامی خواص امواج (که امروزه امواج هرتزخوانده می شوند) را دارا هستند، وکشف کرد که معادلات الکترومغناطیس را می توان به صورت معادلات مشتقاتجزئی بازنویسیکرد کهمعادلات موجنامیدهشد.



اختراع وتاریخچه

اینکه چه کسیمخترع اصلیرادیواست،که در آنزمانتلگرافبیسیمنامیده می شد، مورداختلافاست. ادعاهایی وجود داردکهناتانستابلفیلدرادیو را پیش ازتسلا ومارکونی ساخت اما بنظر میرسد که دستگاه وی به جای ارسال رادیویی با ارسالالقاییکار می کرده است.
درسال1893درسنتلوییسمیسوری،نیکلاتسلااولین نمایش عمومی ارتباطات رادیویی را انجام داد.

او در مقابلموسسه فرانکلیندرفیلادلفیاوانجمنروشنایی الکتریکی ملیاصولارتباطاترادیویی را به دقت شرح و توضیح داد. تجهیزاتی که او استفاده کردتمامیاجزایی را که قبل از ساختهشدنتیوبخلادر سیستم های رادوییوجود داشت،دارا بودند. او برخلاف مارکونی و دیگران که ازکوهیرراستفاده می کردند،برای اولین بار از گیرنده های مغناطیسی استفاده کردhttp://www.teslasociety.com/teslarec.pdf.

درسال1894مسرالیور لوجنشان داد که می توان بااستفادهاز یک آشکار ساز بانامکوهیررپیامدادن توسطامواجرادیوییراممکنساخت. این آشکار ساز متشکلاز تیوبی پر شده با براده هایآهنبود که توسطتمیستوکل کالزچی ـ اونستیدر فرموی ایتالیادر سال1884مساخته شدهبود. بعدهاادواردبرنلیاز فرانسه والکساندرپوپوفاز روسیه نسخه بهبودیافتهای از کوهیرر را ابداعکردند. مردم روسیه ادعا می کنند پوپوف که سیستم ارتباطاتیعملیای بر پایه کوهیرر ساخت ، مخترع رادیو بودهاست.

فیزیکدانی هندی با نامجاجدیش چاندرا بوساستفاده از امواجرادیوییرا به صورت عمومی درتاریخ نوامبر1894مدرکلکتهنمایش داداما 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 سال1896مگاگلیلمومارکونیجایزه آنچه که گاهابهعنوان اولین حق ثبت اختراعرادیو در دنیا با شمارهحقثبت اختراعبریتانیا 12039 از آن یاد می شود، را دریافتکرد،بهبود در ارسال ضربه هایالکتریکی وسیگنال ها ودر نتیجه بهبود دستگاه ها.
درسال1897مدر ایالاتمتحده برخی پیشرفت هایکلیدی دررادیو توسط نیکلا تسلا بوجود آمد و به نام او ثبت شد. در سال1904مدفتر ثبتاختراع ایالات متحده احتمالابهدلیل پشتیبان های مالی مارکونی که شاملتوماس ادیسونواندریوکارنجیمی شد، تصمیم گرفت کهحق ثبتاختراع رادیو را بهمارکونی اعطا کند. برخی اعتقاد دارند که دولت ایالات متحده بدیندلیل حق ثبت اختراع را به تسلا نداد که از مجبور شدنبه پرداخت حق امتیازی که نیکلاتسلا برای استفاده دولت از حق ثبت اختراعش مطالبه می کرد خودداریکند.

درسال1909مارکونی بههمراهکارل فردیناندبراونجایزه نوبل فیزیکرا برایتلاش هایی برایساخت تلگراف بیسیمدریافت کردند. به هرحال کمی بعد از مرگ تسلا درسال1943محقوق ثبتاختراع تسلا(شماره645576) توسط دادگاه عالیایالات متحده به وضع اول بازگشت. این تصمیم بر این اساس گرفتهشدهبود که تسلا کارهایی را پیشاز حق ثبت مارکونی انجام داده بود. برخی معتقدند که اینکار احتمالا به دلایل مالی انجام شده است تا دولتبتواند از پرداخت خساراتی که شرکتمارکونی ادعا می کرد که به دلیل استفاده اختراعش در جریان جنگ اول بایددریافت کند،سر باز زند. برخیحدس می زنند که دولت در ابتدا حق ثبت اختراع را به ماکونی دادتاهرگونه ادعای تسلا را برایجبران خساراتش بی اعتبار کند.

مارکونیاولینکارخانهبیسیمرا درجهان در خیابان هال، درچلمسفورد انگلستاندر سال1898مافتتاح کرد وحدود 50 نفر را نیزاستخدام کرد. در حوالی1900تسلابرجواردنکلیفرا افتتاح کرد وشروع بهتبلیغ خدمات آن کرد. درسال 1903 ساختمان برج تقریبا کامل شد. نظرات مختلفی وجوددارد که چگونه تسلا قصد داشت به اهداف این سیستم(آنگونه که بیان شده یک سیستم 200کیلو واتی) بیسیم دست یابد. تسلا ادعا کرد که واردنکلیف به عنوان بخشیاز سیستمانتقال جهانی، قابلیتدریافت و ارسال مطمئن چند کاناله اطلاعات، جهتیابی جهانی،هماهنگی زمان و یک سیستم جهانی موقعیت را دارا خواهدبود.

اختراع بزرگبعدیآشکارسازتیوبخلابود که توسط تیمی ازمهندسینوستینگهاوسساختهشد.
درشب کریسمسسال1906م،ریجینالدفسندن(با استفاده ازمدار بازز) اولین ارسال صوتیرادیویی را ازبرنت راک،ماساچوستانجام داد. کشتیهای رویدریا امواج ارسال شدهایرا شنیدند که شامل صدایفسندندر حالنواختن آوازاوه شبمقدسبا ویلون و خواندن متنیازانجیلبود. اولین برنامه خبریرادیویی توسطایستگاه 8MK درمیشیگاندر31 آگوست1920مارسالشد.

اولین پخشبیسیممنظم برنامه های سرگرمیجهان در سال1922از مرکزتحقیقاتیمارکونیدرریتلنزدیکچلمسفورد،انگلستانشروع شد که مکاناولینکارخانهبیسیمنیزبود.
رادیوهای اولیه تمامی توان فرستنده را از طریقیکمیکروفنکربنی ارسال می کردند. درحالی کهبرخی از رادیوها از نوعی تقویت جریان الکتریکی یا باتری استفاده میکردند، از اواسطدهه1920 اکثر انواع گیرندههادستگاه های کریستالیبودند. در دهه1920متیوب های خلا تقویت کنندهمنجر به انقلابی درگیرندههای رادیوییوفرستنده های رادیوییشد.



پیشرفت ها در قرن 20

• هواپیماها از ایستگاه های رادیوییAM برایجهت یابیاستفاده کردند. این کار تا اوایلدهه1960مادامه داشت تا زمانی که درنهایتسیستم هایVOR متداول شدند (اگر چه ایستگاه هایAM هنوز روی جداول هوانوردی مشخصشده هستند).
• در اوایل دهه1930،تکباند جانبیومدولاسیونفرکانستوسط اپراتورهای آماتوررادیو ابداع شد. در انتهای دهه، استفاده از این حالت ها متداول شدهبود.
• در دهه 1920م از رادیو برای ارسال تصاویرتلویزیوناستفاده شد. ارسال آنالوگ استاندارد در آمریکای شمالی و اروپا در دهه1940 آغازشد.
• در سال 1960م،سونیاولین رادیویترانزیستوریرا ارائه کرد این رادیوآنقدرکوچک بود که در جیب جلیقه جا می شد و با یک باتریکوچک کار می کرد. این دستگاه برایمدت طولانی کار می کردچرا که دیگر تیوبی نداشت که بسوزد. در طول 20 سال بعدترانزیستورها کاملاً جای تیوب ها را گرفتند مگر در جاهایی که توان هاوفرکانس هایبسیار بالا نیاز بود.
• در سال 1963م تصاویر تلویزیون رنگی به صورت تجاری ارسال شدندو اولین (رادیو) ماهوارهمخابراتی،TELSTAR به مدار فرستادهشد.
• در اواخر دهه 1960م، شبکه تلفن راه دور ایالات متحده با بکارگیریرادیوهای دیجیتالدر بسیاری از لینک هایش،شروع به دیجیتال کردنشبکه کرد.
• در دهه 1970م،LORAN تبدیل به اولین سیستم جهت یابیرادیویی شد. پس از مدت کمی نیروی دریایی ایلات متحده شروع به انجامآزمایشاتی باجهت یابی ماهواره ایکرد که منجر به ساخت وارسالگروهGPSدر سال 1987شد.
• در اوایل 1990م آزمایشگرها یرادیوی آماتورشروع کردند به استفادهازرایانه های شخصی با کارت های صوتی تا بتوانند سیگنال هارا پردازش کنند.

در سال 1994م ارتش آمریکا وDARPAپروژهای جسورانه و موفق را برای ساختیکرادیوی نرم افزاریبهمتفاوت شود.

• در اواخر دهه 1990م ارسال دیجیتال برای پخش مورد استفادهقرار گرفت.

۱- گیرنده، فرستنده هایRF
فرستنده و گیرنده هایRF عموما برای ارسال و دریافت داده های آنالوگ و یا دیجیتال در باندفرکانسی رادیویی (500 کیلو هرتز تا 108 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 دیجیتالRF بررسی خواهند شد. (برای مثال گیرنده فرستنده هایFSK ،ASK و ....). بررسی سیگنال به نویز هر گیرندهفرستنده نیز انجام خواهد شد.
1-1 گیرنده فرستندههای آنالوگRF
گیرنده فرستنده های آنالوگ عموما به دو دسته طبقه بندی می شوند. AM ، که در آن اطلاعات ارسالیدر دامنه موج حامل مدوله شده و گیرنده فرستنده هایFM که در آن اطلاعات ارسالی در فاز موج حاملقرار می گیرد.
عموما گیرنده فرستنده ها دارای بخش هایزیر هستند:
Øاسیلاتور، کهفرکانس موج کاریر باند فرستنده رادیویی را تعیین می کند.
Øمیکسر ، که اطلاعات ارسالی را در باندفرکانسی مورد نظر مدوله می کند.

1-1-1 گیرندهفرستندهAM
همانطور که گفته شد در طراحی هر گیرنده و فرستنده دو بخش اصلی وجوددارد. 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 رادیوییAM مانند باند 104مگا هرتز رادیو پیام ،فرکانس 98 مگا هرتز رادیو تهران و ... و همچنین باند مورد استفاده برای فرستندهAM طراحی شده در این پروژه میباشد . بنابراین در طراحی اسیلاتور موج حامل از یک خازن متغیر در مدار تیونر اسیلاتو استفاده می کنیم.
بنابراین اولین قدم در طراحییک گیرنده فرستنده ، طراحی اسیلاتور است. اسیلاتور در واقع مداری است که پس از طی مدت زمان کوتاهی پس از اتصال تغذیهDC ، به نوسانات پایدار می رسد. اسیلاتور ها در ابتدا با استفاده ازفیدبک 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 توصیفنمود:
1-یک اسیلاتور بایستیدارای فیدبک مثبت برای افزایش دامنه نوسانات باشد.
2-یک اسیلاتور می بایست پس از رسیدن به دامنهنهایی 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 پارامترG(x) نشان داده می شود. و با سیگنال اعمالی به بیس ترانزیستوررابطه معکوس دارد.

در ادامه چندین مدار اسیلاتورمرسوم 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 رادیوهایAM وFM ، عموما از مدار اسیلاتور کولپیتس،استفاده شده است.