रेडियो: यह वास्तव में कैसे काम करता है?

• रेडियो सिग्नल भेजने के लिए तेज़ी से आगे-पीछे चलने वाले charge से बनने वाले alternating electric field का उपयोग करता है, और receiving antenna उसी frequency की current induce होकर उसे ग्रहण करता है
• अच्छा antenna सिर्फ़ एक साधारण metal rod नहीं होता, बल्कि wavelength और reflection का उपयोग करने वाली resonant structure होता है; half-wave dipole कम input impedance के साथ बड़ी AC current बहा सकता है
• AM, FM, PM, और QAM carrier की विशेषताओं को बदलकर information ले जाते हैं, लेकिन modulation बहुत तेज़ हो जाए तो signal टूटने लगता है और AM भी bandwidth घेरता है
• receiver antenna signal को चुनी हुई sine wave के साथ multiply करके frequency difference component बनाता है, फिर filter से केवल वांछित signal चुनता है
• superheterodyne receiver वांछित signal को एक निश्चित intermediate frequency (IF) पर ले जाकर filter करता है, जिससे direct mixing में बनने वाली ऊपर-नीचे symmetric image समस्या को संभालना आसान हो जाता है

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एंटीना charge की आगे-पीछे की गति से electromagnetic wave बनाता है

• रेडियो संचार आधुनिक electronic devices में बहुत व्यापक रूप से इस्तेमाल होता है, लेकिन शौकिया स्तर पर यह समझाना कठिन हो सकता है कि अच्छा antenna किन शर्तों पर बनता है या receiver केवल किसी खास frequency को कैसे चुनता है
• antenna को अलग किए गए capacitor की तरह सोचें तो उसे सहज रूप से समझा जा सकता है
  • capacitor की दो plates के बीच का electric field आसपास के space में फैलता है
  • static electric field information transmit नहीं करता, और stored energy का अधिकांश भाग plates को जोड़कर charge को बराबर कर देने पर वापस पाया जा सकता है
• यदि इन दो plates के बीच charge को तेज़ी से आगे-पीछे चलाया जाए, तो प्रकाश की गति से बाहर की ओर फैलने वाला alternating electric field pattern बनता है
  • जितना अधिक charge हिलेगा, हर wave की strength उतनी बड़ी होगी
  • प्रति सेकंड switching की संख्या, यानी signal frequency, जितनी अधिक होगी, radiated energy भी उतनी बढ़ेगी
• पूरी तरह uniform waveform अकेले communication के लिए पर्याप्त नहीं है; समय के साथ amplitude जैसी विशेषताओं को थोड़ा-थोड़ा बदलकर उसमें information डाली जा सकती है
• अलग-अलग frequencies पर एक साथ transmission को receiving side पर अलग किया जा सकता है, और यही बात आगे mixing और filtering के सिद्धांत तक ले जाती है

half-wave dipole वास्तव में क्यों काम करता है

• अलग किए गए capacitor को voltage signal source से जोड़ने का तरीका व्यवहार में बड़ा प्रभाव पैदा करना कठिन बनाता है
  • plates को दूर करने पर capacitance बहुत घट जाती है और वह लगभग open circuit जैसा हो जाता है
  • पर्याप्त electron की आगे-पीछे की गति बनाने के लिए high voltage चाहिए
  • पर्याप्त current न हो तो radiated wave की energy भी कम होती है
• half-wave dipole antenna एक ऐसी संरचना है जिसमें एक ही axis पर रखी दो rods को बीच से sine wave द्वारा drive किया जाता है
  • हर rod की लंबाई ठीक 1/4 wavelength होती है
  • wavelength का सूत्र λ = c / f है
  • उदाहरण के लिए f = 200 MHz हो तो λ लगभग 1.5m, यानी लगभग 5 feet होता है
• half-wave dipole में signal propagation delay और conductor के सिरों से reflection मिलकर resonance पैदा करते हैं
  • जब drive signal का peak हर λ/4 rod के सिरे तक पहुँचता है, तब वह पिछले peak के reflected भाग के साथ constructive interference करता है
  • voltage interference pattern rods के सिरों पर मजबूत होता है और feed point के पास cancel हो जाता है
  • इस संरचना की वजह से बड़ी AC current देना आसान हो जाता है, और antenna आश्चर्यजनक रूप से कम electrical impedance दिखाता है
• 3/2 λ, 5/2 λ जैसी half-wave की odd multiples लंबाई वाले dipole भी resonant behavior दिखाते हैं
  • even multiples जैसे 1 λ, 2 λ पर भी मिलती-जुलती resonance होती है, लेकिन standing wave की स्थिति drive में मदद करने के बजाय बाधा डालती है
  • दूसरी लंबाइयाँ पूर्ण resonance में न हों, फिर भी काफ़ी क़रीब हो सकती हैं
• बहुत छोटे antenna को series inductor से बेहतर बनाया जा सकता है
  • inductor current में अतिरिक्त delay जोड़ता है
  • antenna के नीचे का spring जैसा section electrical length extension के बराबर होता है
  • यह छोटे antenna को असली आकार वाले antenna जितना अच्छा नहीं बनाता, लेकिन input impedance को संभालने में मदद करता है

receiving antenna और directional nature

• transmitting antenna के आसपास के वास्तविक electric field में antenna axis की दिशा में dead zone बनता है
  • क्योंकि उस axis पर electric field canceling interference करता है
• यदि वही receiving antenna transmitter से दूर कहीं रखा जाए, तो receiving dipole alternating electric field pattern के भीतर induced current अनुभव करता है
  • एक क्षेत्र electrons को ऊपर वाली plate की ओर खींचता है, और दूसरा उन्हें नीचे की ओर धकेलता है
  • antenna transmitter की operating frequency पर दोनों सिरों के बीच आगे-पीछे current अनुभव करता है
• receiving antenna की लंबाई उपयुक्त हो तो induced current भी constructive interference से अधिक signal amplitude दे सकता है
• 1/2 wavelength से लंबे dipole अधिक directional हो जाते हैं
  • लंबे dipole में थोड़ा-सा tilt भी दोनों सिरों को एक-दूसरे के विपरीत electric field के संपर्क में ला सकता है
  • ऐसे में net current flow बहुत कम या शून्य हो सकता है
• सभी antenna dipole नहीं होते, लेकिन बहुत से antenna समान सिद्धांतों पर काम करते हैं
  • monopole antenna के एक आधे हिस्से को ground connection से बदलने वाला रूप है
  • जटिल shapes कई frequencies पर resonance बनाए रखने या directionality को बारीकी से नियंत्रित करने के लिए उपयोग होते हैं
  • antenna arrays digital control signals के constructive और destructive interference pattern का उपयोग करके किसी खास बिंदु पर लचीले ढंग से focus करते हैं

modulation information को frequency के आसपास के band में ले जाती है

• signal modulation के प्रतिनिधि तरीक़े AM और FM हैं
  • AM information ले जाने के लिए carrier की amplitude बदलता है
  • FM carrier frequency को ऊपर-नीचे शिफ्ट करता है
• अधिक उन्नत तरीक़ों में PM और QAM शामिल हैं
  • PM phase modulation है
  • QAM 90° phase difference वाले दो signals की relative amplitude से information को मज़बूती से भेजता है
• carrier अलग हो जाने पर demodulation स्वयं अपेक्षाकृत सरल होता है
  • AM को amplified sine wave को diode से rectify करके और फिर low-pass filter से गुज़ारकर audio-frequency envelope निकालने के रूप में भी समझा जा सकता है
  • FM और PM shift का पता लगाने के लिए phase-locked loops की मदद लेते हैं
• modulation में एक महत्वपूर्ण सीमा यह है कि carrier signal की change rate carrier frequency से बहुत कम होनी चाहिए
  • modulation बहुत तेज़ हो जाए तो carrier टूटकर broadband noise जैसा बन जाता है
  • resonant antenna और पारंपरिक radio tuning circuits इस धारणा पर काम करते हैं कि हर cycle में लगभग कुछ भी नहीं बदलता
• सहज धारणा के विपरीत हर modulation frequency bandwidth घेरता है
  • AM भी fixed-frequency sine wave की amplitude बदलकर बिना bandwidth वाला कोई trick नहीं है
  • ideal sine wave से कोई भी deviation frequency domain में transient components पैदा करता है
  • change rate जितनी अधिक होगी, उन components का परिमाण भी उतना बढ़ेगा
  • स्थानीय AM broadcast capture में carrier के दोनों ओर कई kHz तक फैले audio modulation components दिखाई देते हैं
• व्यापक रूप में modulation, audio जैसे low-frequency signal band को चुनी हुई center frequency के आसपास लगभग उसी आकार के spectral slice में स्थानांतरित करना है
  • अलग-अलग तरीक़े इसे अलग ढंग से बनाते हैं, लेकिन परिणामस्वरूप frequency band का उपयोग होता है

receiver signal को multiply करके frequency difference बनाता है

• लगभग सभी radio receivers का मूल काम amplified antenna signal को चुनी हुई frequency की sine wave के साथ mix, यानी multiply करना है
• यदि input signal में वही frequency component मौजूद हो, तो multiplication का परिणाम उस component के आकार के अनुपात में DC bias बनाता है
  • अन्य input frequencies पर्याप्त लंबे समय-मान पर औसतन 0 के क़रीब चली जाती हैं
  • यह प्रक्रिया जटिल signals को अलग-अलग frequency components में बाँटने वाले Fourier-श्रृंखला रूपांतरण जैसी ही काम करती है
• दो sine waves को multiply करने पर low-frequency component |f1 - f2| और high-frequency component f1 + f2 दोनों बनते हैं
  • यह cosine angle-sum identity से निकाला जा सकता है
  • ऐसा ही प्रभाव संगीत में दो क़रीबी सुर साथ बजाने पर बनने वाली धीमी beat frequency के रूप में भी जाना जाता है
  • उदाहरण के लिए 400Hz और 405Hz को मिलाने पर 5Hz beat बनती है
• AM को भी इस multiplication दृष्टिकोण से समझा जा सकता है
  • AM में carrier frequency a वाले signal की amplitude को धीमी frequency b वाली sine wave से multiply करके बदला जाता है
  • परिणाम a से ±b दूर स्थित दो symmetric sine-wave transmissions के superposition से अलग नहीं होता
  • इसलिए AM भी अन्य modulation तरीक़ों की तरह bandwidth उपयोग करता है

superheterodyne image समस्या को दूर धकेलता है

• 10MHz के आसपास के transmission को पाने के लिए RF input signal को 10MHz sine wave के साथ mix करने का एक सरल तरीका सोचा जा सकता है
  • 10.00MHz signal DC तक नीचे आ जाएगा
  • 10.01MHz, 10kHz beat और 20.01MHz component बनाएगा
  • 10.02MHz, 20kHz और 20.02MHz components बनाएगा
  • इसके बाद low-pass filter modulation scheme से जुड़े कम frequencies को छोड़कर बाकी हटाकर, 20MHz के आसपास के अवांछित f1 + f2 components को हटा सकता है
• इस सरल तरीके की समस्या |f1 - f2| सूत्र के absolute value से आती है
  • क्योंकि cos(x) और cos(-x) समान होते हैं, reference frequency के नीचे का transmission ऊपर वाले transmission से अलग न दिखने वाली image बना देता है
  • उदाहरण के लिए 9.99MHz component और 10.01MHz signal दोनों 10kHz पर आ जाते हैं
• superheterodyne receiver RF input को रुचि वाले signal से कम frequency f के साथ mix करके signal को एक स्थिर और अपेक्षाकृत कम intermediate frequency (IF) पर ले जाता है
  • इसके बाद अपेक्षाकृत सरल band-pass filter से प्रासंगिक component चुना जाता है
  • यह डिज़ाइन Edwin Armstrong ने लगभग 1919 के आसपास विकसित किया था और इसे superheterodyne कहा गया
• मूल mirroring behavior फिर भी बना रहता है, लेकिन symmetry point f को नियंत्रित करके उसे दूर रखा जा सकता है
  • असंबंधित transmissions की accidental mirror image को अधिक आसानी से manage किया जा सकता है
  • antenna की frequency response को संकरा बनाकर दूर की frequencies को शुरू से ही कम ग्रहण कराया जा सकता है
  • mixer से पहले एक coarse filter भी रखा जा सकता है
• superheterodyne receiver का यह व्यवहार radio spectrum allocation में भी ध्यान में रखा जा सकता है

[GN⁺]

Hacker News की राय

• इनका introductory लेख [1] भी वाकई अच्छा है
  मुझे यह approach पसंद आया कि “खराब hydraulic analogy” पर निर्भर हुए बिना, और differential equations या complex-number algebra में उलझे बिना, साफ़ definitions के ज़रिए gap को भरा जाए
  बहुत पहले, जब Facebook नहीं था और Google को “अच्छी” कंपनी माना जाता था, hobby electronics में PIC के अलावा ज़्यादा विकल्प नहीं थे। तब मैंने online एक बहुत लंबा और अच्छी तरह तैयार किया गया electronics course देखा था, जो शून्य से शुरू होकर basic R/C concepts, transistors, magnets/transformers, और याद के मुताबिक radio जैसे काफ़ी advanced topics तक जाता था
  वह rough HTML pages और images में था, और इसकी खास बात यह थी कि calculus के बिना भी उसने बहुत से concepts को ऐसे स्तर तक समझाया था कि उन्हें वास्तविक analog circuit design में लागू किया जा सके
  मेरी याद गलत हो सकती है, लेकिन उसका HTML style पीले-से background वाला था, और लगता था कि वह पुराने US Navy electrical engineers के लिए applied electronics training course से लिया गया था; शायद उसका focus analog circuits पर ज़्यादा था
  मैंने कभी उसे पूरा download किया था, लेकिन अब नहीं जानता वह कहाँ है। वह मेरे पहले Pentium PC की 1GB disk में कहीं रहा होगा, इसलिए practically खो गया है। सोच रहा हूँ क्या किसी को पता है कि वह क्या था
  [1] https://lcamtuf.substack.com/p/primer-core-concepts-in-elect...
  • मूल NEETS material शायद यह रहा होगा: http://compatt.com/Tutorials/NEETS/NEETS.html
    2011 में content update किया गया था
  • “खराब hydraulic analogy” से बचना अच्छा है, लेकिन सभी analogies की आखिरकार सीमाएँ होती हैं। अगर वे perfect हों, तो वे analogy नहीं बल्कि वही चीज़ बन जाएँगी
    अगर hydraulic analogy perfect होती, तो electronics का मतलब बस fluids की तरह behave करना होता, और उसे fluid dynamics के हिस्से के रूप में पढ़ाया जा सकता था। लेकिन असल में electronics, fluid dynamics का हिस्सा नहीं है; शिक्षा में इस्तेमाल लायक बस कुछ समानताएँ हैं
    शुरुआत में incomplete और सरल model से पढ़ाना, और बाद में उस analogy को तोड़ने वाली details जोड़ना, आम तरीका है
• यह लेख शानदार था, खासकर जिस तरह उसने intuitively समझाया कि जिस signal को receive करना है उसकी wavelength का आधा ideal antenna length क्यों होता है
  यह बात भी प्रभावशाली थी कि waves को modulate करने के हर तरीके को frequency modulation के रूप में फिर से interpret किया जा सकता है
  • वह classical सोच है। एक दूसरे नज़रिए से input को बस voltage measurements की continuous series माना जा सकता है, और noisy data में redundancy का इस्तेमाल करके useful signal निकालने की समस्या के रूप में देखा जा सकता है। Software-defined receiver इसी तरह काम करता है
    Analog radio (AM, FM वगैरह) में एक बड़े carrier को signal से हल्का-सा modulate किया जाता है। Analog TV, जिसमें AM video और FM audio इस्तेमाल होते थे, उसमें power का 80% carrier में जाता था, और analog UHF TV stations noise को दबाने के लिए pure wireless output में कई megawatt transmitters इस्तेमाल करते थे
    Digital broadcast TV transmitters modulation efficiency बेहतर होने की वजह से लगभग 150KW output देते हैं। Modern modulation techniques पागलपन की हद तक efficient हैं, और यह fact कि mobile phones काम करते हैं, अपने-आप में हैरान करने वाला है
    [1] https://ocw.mit.edu/courses/6-450-principles-of-digital-comm...
• बहुत पहले UCLA में एक दोस्त की EECS graduation ceremony में गया था। वहाँ Qualcomm के founder ने speech में कहा कि PhD करने की उनकी motivation यह curiosity और जिद थी कि वे सचमुच समझना चाहते थे कि radio असल में कैसे काम करता है
  उन्होंने PhD इसलिए भी पूरी की क्योंकि उन्हें लगा कि अपने radio को ठीक से समझने में उन्हें इतना समय लगा, और उसके बाद भी कभी-कभी उन्हें पूरा यकीन नहीं होता था। यह लेख देखकर वही speech याद आ गई
• “radio science” के पीछे की theory को आम readers के लिए समझने लायक बनाने वाली एक पुरानी classic किताब Jim Sinclair की How Radio Signals Work All the Basics plus where to find out more है
• Tim Hunkin ने 1987 के TV program The Secret Life of the Radio का remastered version upload किया है, और Hertz व Marconi के spark gap और coherer experiments को recreate किया है
  https://www.youtube.com/watch?v=LMxate9gegg
  • इस पूरी series की मैं ज़ोरदार recommendation करता हूँ। Hunkin का काम masterpiece है
• Ionosphere की भूमिका का भी ज़िक्र करना चाहिए। Ionosphere atmosphere का charged हिस्सा है, जो radio/electromagnetic waves को reflect करके धरती के दूसरे छोर से communication संभव बनाता है
  Ionosphere में कई layers होती हैं और यह सूर्य तथा solar activity के हिसाब से काफ़ी dynamically बदलता है। इसे ऐसे सोच सकते हैं कि धरती के चारों ओर charged shell है, जो electromagnetic waves को वापस भेजता है, और उस shell की properties लगातार डोलती रहती हैं
  Solar storms और उनसे होने वाली auroras radio communication के लिए बुरी खबर हैं। यह बहुत simplified explanation है
  • Shortwave की transmission latency optical fiber से काफ़ी कम होती है, इसलिए transoceanic fiber cables की तुलना में radio से intercontinental communication ज़्यादा तेज़ बनाया जा सकता है
  • Solar storms radio communication के लिए खराब जरूर हैं, लेकिन VHF में auroral backscatter propagation संभव हो जाता है, जो दिलचस्प है: https://www.electronics-notes.com/articles/ham_radio/amateur...
    HF के लिए यह निश्चित रूप से अच्छा नहीं है। पिछले कुछ दिनों से सूर्य के उग्र होने की वजह से शाम को FT8 से खेलने के बजाय दूसरे काम करने का मौका मिल गया
• यह लेख पढ़कर बहुत मज़ा आया
  जब मैंने ½ λ dipole antenna electric-field propagation वाला Vimeo video चलाया, तो सोचा शायद Dark Side of the Moon सुनाई दे, इसलिए headphones ढूँढे, लेकिन ऐसा कुछ नहीं हुआ
  Antenna और physical properties तो समझ में आती हैं, लेकिन digital signal processing के पीछे का math हमेशा intimidating लगता है
• “amateur radio jargon और advanced math के बिना radio introduction देंगे” वाला goal अच्छा लगा

लेकिन जब “बेसिक mirroring व्यवहार अब भी मौजूद है, पर आम तौर पर उसे काफी अच्छी तरह manage किया जाता है। असंबंधित transmissions की आकस्मिक mirror image को IF को समझदारी से चुनकर, antenna को संकरी frequency response के लिए design करके, या ज़रूरत पड़ने पर mixer से पहले RF low-pass filter लगाकर कम किया जा सकता है” जैसे वाक्य आते हैं, तो लगता है कि लक्ष्य हासिल नहीं हुआ

• ऐसा खास नहीं है। अगर कोई समस्या है तो बस IF और RF जैसे abbreviations इस्तेमाल करने भर की है
  “IF (intermediate frequency)” और “RF (radio frequency)” की तरह विस्तार से लिखते, और IF किस context में इस्तेमाल होता है इस पर कोई explanatory link दे देते तो और बेहतर होता, लेकिन बाकी वाक्य ठीक लगते हैं
• अगर यह लेख अच्छा लगा हो, तो [1] भी recommend करता/करती हूँ। यह 1900s की शुरुआत में radio और probabilistic inference के संबंध पर केंद्रित एक दिलचस्प लेख है
  https://www.argmin.net/p/the-spirit-of-radio
• सोच रहा/रही हूँ कि Masters of the Air वाले अंदाज़ में सिर्फ सबसे basic components इस्तेमाल करके कोई शुरुआती FM radio receiver बनाया जा सकता है या नहीं
  • AM काफी आसान है, इसलिए diode और capacitor भर से भी काम चल सकता है, लेकिन FM receiver को local oscillator चाहिए, इसलिए transistor जैसे active components और ज्यादा complex circuit की जरूरत होती है
  • theoretically संभव है। FM reception भी AM जैसा ही है, लेकिन signal को audio में बदलने से पहले FM detector चाहिए
    AM में इस्तेमाल होने वाले diode या जंग लगे razor blade और तार की तुलना में थोड़ा ज्यादा complex circuit चाहिए, लेकिन बहुत ज्यादा complex नहीं। FM detect करने के कई तरीके हैं, और ज्यादातर असल frequency के बजाय frequency में instantaneous relative change, यानी phase, का उपयोग करते हैं
    modern technique phase-locked loop है, लेकिन इसे कहीं ज्यादा simple तरीके से भी किया जा सकता है। classical passive RC, LC, RL filters phase shift बनाते हैं, और दो phases का difference लेने पर असल में FM decode हो जाता है। active component जरूरी नहीं है
    हालांकि सिर्फ RL filter इस्तेमाल करने पर efficiency बहुत कम होगी, इसलिए अगर एक भी transistor या vacuum tube न हो तो शायद transmitter के बिल्कुल पास खड़ा होना पड़े। फिर भी अगर strong local broadcast हो, तो एक vacuum tube या transistor काफी है
    capacitor हो तो और आसान हो जाता है। कागज और aluminium foil को कसकर रोल करना, या पतली लकड़ी की पट्टियों के बीच glass या mica का टुकड़ा रखना भी संभव है। यहाँ के slope detector circuits (fig 3, 4) देखना अच्छा रहेगा, और लेख खुद भी FM detection के introduction के लिए ठीक है
    [1] https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/elect...
  • संभव है। middle school में मैंने करके देखा था और वह सच में बहुत मजेदार था