Sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ hiện nay mang lại cho chúng ta nhiều loại hình giải trí dù bạn ở bất cứ đâu, bất cứ khi nào. Chúng có thể nghe nhạc bằng iPod, xem phim trực tuyến trên máy tính bảng hay chơi game trên điện thoại. Thế nhưng, có một loại hình giải trí với lịch sử phát triển lâu đời mà cho đến ngày nay, nó vẫn tồn tại như một món ăn tinh thần của rất nhiều người trên thế giới. Đó chính là chiêc máy radio.
Máy radio (máy thu thanh, máy nghe đài, máy ra-đi-ô) là một vật dụng rất quen thuộc đối với người Việt chúng ta, từ những đứa bé với chương trình "chúc bé ngủ ngon", đến người lớn với các chương trình thời sự hay "đọc truyện đêm khuya." Radio cũng là một công cụ phục vụ cho công việc, chẳng hạn như cánh tài xế với kênh "radio giao thông".
Sóng radio và máy radio
Sóng radio hay sóng vô tuyến là một dạng bức xạ điện từ có phổ dài hơn ánh sáng hồng ngoại, tần số từ 3 kHz đến 300 GHz. Sóng vô tuyến truyền với vận tốc vận tốc ánh sáng và trong tự nhiên, nó xuất hiện từ hiện tượng sấm sét.
Từ radio còn dùng để chỉ máy thu thanh (máy radio) - một thiết bị điện tử nhận các sóng âm đã được biến điệu qua ăng ten để khuếch đại, phục hồi lại dạng âm thanh ban đầu và phát âm thanh ra loa cho người nghe. Máy radio hình thành dựa trên sự phát triển của 3 phát minh có mối liên hệ mật thiết với nhau, đó chính là radio, máy điện báo và điện thoại. 3 công nghệ này cùng nhau đã tạo nên một công nghệ thu thanh mà ban đầu, nó được gọi là "điện báo không dây" (wireless telegraphy).
Nguyên lý làm việc của sóng radio
Trong lịch sử phát triển, nhiều nhà phát minh đã thử áp dụng nhiều phương pháp truyền tín hiệu không dây, bao gồm cả phương pháp cảm ứng điện từ và truyền tín hiệu qua mặt đất. Tuy nhiên, chiếc máy radio bắt đầu từ việc phát minh ra "sóng radio" (radio wave) - một loại sóng điện từ có khả năng truyền âm nhạc, giọng nói, hình ảnh và cả dữ liệu trong không trung từ nơi này đến nơi khác. Có nhiều thiết bị hoạt động bằng sóng điện từ bao gồm: radio, lò vi sóng, điện thoại di động, bộ điều khiển từ xa, máy thu hình và nhiều thiết bị khác. Các thiết bị sử dụng sóng điện từ với các tần số khác nhau nhằm thực hiện các chức năng khác nhau. Sóng dùng trong radio có tần số trong khoảng từ 3 Hz (Dải tần số cực thấp ELF - Extremely low frequency) đến 300 GHz (Dải tần số cực cao EHF).
Khởi đầu với điện từ học…
Trong quá trình nghiên cứu về lĩnh vực truyền tín hiệu không dây này, hàng loạt các thí nghiệm đã được tiến hành kể từ đầu thế kỷ 19 nhằm nghiên cứu sự liên quan giữa điện và từ tính dựa vào những dự đoán trước đó. Tiêu biểu là vào năm 1800, Alessandro Volta đã phát triển những phương pháp để tạo ra dòng điện. Tiếp theo là Gian Domenico Romagnosi với nghiên cứu về sự liên quan giữa dòng điện và từ tính nhưng nghiên cứu của ông chưa được công nhận.
Mãi đến năm 1829, Hans Christian Ørsted đã đưa ra một thí nghiệm để chứng minh thuộc tính từ của dòng điện, đó là dòng điện chạy trong một cuộn dây làm chệch hướng của kim la bàn đặt gần. Chính thí nghiệm của Ørsted đã khơi mào cho André-Marie Ampère phát triển lý thuyết về điện từ và kế đó là Francesco Zantedeschi với nghiên cứu về sự liên quan giữa ánh sáng, điện và từ trường.
Thí nghiệm của Hans Christian Ørsted
Năm 1831, Michael Faraday đã thực hiện một loạt các thí nghiệm để chứng minh sự tồn tại của hiện tượng cảm ứng điện từ. Mối quan hệ này đã được ông xây dựng thành một mô hình toán học của định luật Faraday. Theo đó, lực điện từ có thể lan toả ra vùng không gian xung quanh các dây dẫn.
Dựa trên các nghiên cứu trước đó, Joseph Henry đã thực hiện một thí nghiệm chứng minh được lực từ có thể tác động từ độ cao 61m vào năm 1832. Ông cũng chính là người đầu tiên tạo ra dòng điện xoay chiều dao động với tần số cao. Trong thí nghiệm, ông nhận ra rằng dòng điện xoay chiều sẽ tạo ra một lực dao động với tầng số giảm dần cho đến khi nó trở về trạng thái cân bằng.
…đến thuyết sóng điện từ
James Clerk Maxwell (1831-1879) cha đẻ của thuyết sóng điện từ.
Từ năm 1861 đến năm 1865, dựa trên những nghiên cứu của Faraday và các nhà khoa học khác, James Clerk Maxwell đã phát triển một học thuyết mang tên thuyết sóng điện từ được đăng tải trên tạp chí khoa học hoàng gia với tựa đề "thuyết động lực của điện trường". Ông chính là người thống nhất các khái niệm quan trọng của vật lý hiện đại là điện, từ trường và ánh sáng bằng 4 phương trình Maxwell nổi tiếng. Dù ông không phải là người phát minh ra sóng radio, nhưng chính học thuyết này đã đặt một nền móng vững chắc cho sự ra đời của sóng radio cũng như máy phát thanh ngày nay.
Dụng cụ phát thanh "thuở ban đầu"
Mahlon Loomis và bảng phác thảo thí nghiệm năm 1866.
Năm 1866, Mahlon Loomis - một nha sĩ người Mỹ đã thực hiện một thí nghiệm nhằm chứng minh khái niệm "điện báo không dây". Trong đó, ông sử dụng 2 con diều thả bay trên không. Trên sợi dây diều thứ nhất, ông lắp một chiếc đồng hồ đo điện trong khi sợi dây diều còn lại được lắp một cuộn điện từ. Kết quả từ thí nghiệm cho thấy ngay trên không, từ trường từ cuộn dây thứ 2 đã làm lệch đồng hồ đo điện trên sợi dây diều thứ 1. Đây chính là trường hợp đánh dấu sự thành công đầu tiên của việc truyền tín hiệu không dây trong không trung. Và 20 năm sau đó, nhà vật lý nổi tiếng người Đức Heinrich Rudolph Hertz đã một lần nữa chứng minh sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện có thể được truyền đi trong không gian dưới dạng sóng vô tuyến tương tự ánh sáng và nhiệt.
Những tín hiệu radio đầu tiên
Guglielmo Marconi, một nhà phát minh người Ý đã chứng minh tính khả thi của việc truyền thông tin vô tuyến trong không gian. Ông đã gửi và nhận thành công những tín hiệu radio đầu tiên vào năm 1895. Và vào những năm đầu thế kỷ 20, Marconi bắt đầu đầu tư vào một ý tưởng truyền tín hiệu vượt Đại Tây Dương nhằm cạnh tranh với loại hình truyền tín hiệu bằng dây cáp. Năm 1901, ông đã truyền đi tín hiệu không dây đầu tiên qua đại dương từ Poldhu, Cornwall - một hạt tại miền Tây Nam Vương quốc Anh đến đồi Signal Hill tại St John's, Newfoundladn - giờ đây là một quần đảo thuộc sở hữu của Canada. Khoảng cách giữa 2 điểm thu và nhận vào khoảng 3500km. Tín hiệu phản hồi mà Marconi nhận được là 3 âm click - tương ứng với ký tự S theo mã Morse. Năm 1909, Marconi và Karl Fedinand Braun cùng nhận được giải Nobel vật lý về những "đóng góp dáng ghi nhận vào sự phát triển của công nghệ truyền tin không dây."
Kỹ sư điện/nhà phát minh Guglielmo Marconi (1874-1937) cùng hệ thống truyền tin không dây đầu tiên vượt Đại Tây Dương của ông tại Anh Quốc vào năm 1901
Ngoài trường hợp của Marconi, hai người đương thời với ông là Nikola Tesla và Nathan Stufflefield cũng nhận được bằng sáng chế cho máy phát sóng vô tuyến tại Mỹ.
Giai đoạn phát triển hoàn thiện
Những mẩu tin được truyền đi bằng sóng radio cũng tương tự như như các tín hiệu dài-ngắn (mã Morse). Trong thời điểm ban đầu, máy phát tín hiệu được gọi là "spark-gap machines". Nó được phát triển để hướng dẫn các con tàu trong lúc cập bến hoặc để giữ liên lạc giữa những con tàu với nhau. Đó là cách truyền tín hiệu giữa 2 điểm nhưng đó không phải là chiếc máy radio mà chúng ta nhìn thấy như hiện nay.
Hình ảnh máy truyền tin "spark-gap machines" 230kW đầu tiên của Marconi. Các ký tự được đúc trên thân máy là W MACKIE & C, 47 1/2 OLD ST, LONDON EC.
Phương pháp truyền tín hiệu không dây bằng sóng radio đã chứng minh được tính hiệu quả của nó trong việc cứu hộ cứu nạn khi xảy ra thiên tai. Các thiết bị truyền tín hiệu không dây này được lắp đặt trên một số tàu biển. Trong năm 1899, Hải quân Hoa Kỳ đã thành lập một mạng lưới liên lạc không dây giữa những tàu hải đăng ngoài khơi đảo Fire bang New York. 2 năm sau, Hải quân Hoa Kỳ đã chính thức áp dụng hệ thống liên lạc không dây bằng sóng radio này trong quân đội, sử dụng song song với các hình thức truyền tín hiệu bằng hình ảnh và liên lạc bằng chim bồ câu.
Hình ảnh trạm phát sóng tại Hawaii năm 1901. (Nguồn: radiomarine.org)
Năm 1901, dịch vụ gửi điện báo bằng sóng radio đã được thiết lập giữa 5 hòn đảo thuộc quần đảo Hawaii. Vào năm 1903, trạm phát Marconi được đặt tại Wellfleet, Massachusetts đã gởi một thông điệp chào mừng của tổng thống Theodore Roosevelt đến với vua King Edward VII của Anh. Năm 1905, các báo cáo về trận hải chiến tại cảng Arthur trong cuộc chiến tranh Nga - Nhật đã được truyền đi bằng phương pháp điện báo không dây, và vào năm 1906, cục dự báo thời tiết Mỹ đã áp dụng phương pháp này để cải thiện tốc độ truyền thông tin dự báo thời tiết.
Nội dung bức điện nổi tiếng giữa tổng thống Theodore Roosevelt và vua King Edward VII năm 1903. (Nguồn: royal.co.uk)
Năm 1910, Marconi đã mở một dịch vụ truyền tin không dây giữa Mỹ và Châu Âu và vài tháng sau đó, người ta đã tóm được một tên giết người trốn thoát từ Anh ngay trên biển bằng những thông tin được truyền đi bằng dịch vụ này. Năm 1912, dịch vụ truyền điện tín bằng sóng radio xuyên Thái Bình Dương đầu tiên đã được thiết lập giữa San Francisco và Hawaii.
Lee De Forest - Cha đẻ của đài phát thanh
Dịch vụ truyền tin bằng sóng radio ở những nước khác phát triển khá chậm do các thế hệ máy phát sóng ban đầu có chi phí chế tạo khá cao, dòng điện trong hệ thống và luồng điện phóng giữa các điện cực cũng chưa được ổn định. Tuy nhiên, sau đó máy phát điện tần số cao của Alexanderson và ống Triode chân không của De Forest đã khắc phục được phần lớn những khuyết điểm ban đầu này.
Lee DeForest và phát mình chiếc đèn triot 3 chân của mình. (Ảnh chụp vào khoảng năm 1914 đến 1932, nguồn Wikipedia)
Lee De Forest đã phát minh ra thuật điện báo trong không gian sử dụng bộ khuếch đại Triode và đèn 3 cực (Audion). Trong những năm 1900, sự phát triển của công nghệ phát thanh đạt một cột mốc mới với việc phát hiện ra hiện tượng bức xạ điện từ. Lee De Forest chính là người phát hiện ra hiện tượng này. Theo đó, bức xạ điện từ có thể làm khuếch đại tín hiệu tần số vô tuyến được phát đi bởi các ăng-ten trước khi được thu lại bởi một máy dò nhận. Tín hiệu phát đi có cường độ mạnh hơn so với trước đó. De Forest cũng chính là người đầu tiên đặt tên cho hệ thống khuếch đại này là "Đài phát thanh".
Phát minh của De Forest chính là bộ khuếch đại và biến điệu (Amplitude-Modulated) hay sóng radio AM cho phép tín hiệu được phát đến nhiều trạm khác nhau so với phương pháp truyền tin bằng tia spark-gap trước đây chỉ cho phép truyền tin giữa 2 điểm. Đây chính là tiền đề của công nghệ truyền thanh bằng sóng radio hiện đại mà De Forest chính là cha đẻ.
Ứng dụng trong quân sự và thời kỳ bị kiểm soát
Khi Mỹ tham gia vào Chiến tranh thế giới lần thứ nhất, tất cả các đài phát thanh ở Mỹ đều được kiểm soát bởi quân đội để ngăn chặn khả năng các điệp viên của đối phương sử dụng nó để truyền thông tin. Chính phủ Mỹ cũng đã tiếp quản quyền kiểm soát tất cả các bằng sáng chế liên quan đến công nghệ vô tuyến này.
Năm 1919, sau khi chính phủ bãi bỏ chính sách giới hạn các bằng sáng chế này, Tổng công ty phát thanh của Mỹ (RCA) được thành lập để kiểm soát việc phân phối và ứng dụng các bằng sáng chế có liên quan tới radio đã bị hạn chế trong chiến tranh.
Tiếng nói phát thanh đầu tiên
Tiếng nói của con người được truyền đi qua đài phát thanh vẫn còn là một vấn đề gây tranh cãi. Có lập luận cho rằng tiếng nói đầu tiên được công nhận là "Hello Rainey" của Nathan B. Stubblefied nói với người cộng tác của mình ở Muray bang Kentucky vào năm 1892. Một lập luận khác lại cho rằng tiếng nói phát thanh đầu tiên thuộc về chương trình thử nghiệm trò chuyện của Reginald A. Fessenden vào năm 1906 và được nghe bởi một thiết bị radio trên những con tàu cách đó hàng trăm dặm.
Reginald A. Fessenden và hệ thống phát thanh của mình.
Nhà phát minh người Canada, Reginald A. Fessenden nói trên còn được biết đến với phát minh biến điệu sóng radio và máy dò độ sâu. Fessenden là một nhà hóa học từng làm việc cho Thomas Edison trong những năm 1880. Sau đó, ông thành lập công ty của riêng mình và phát minh ra phương pháp biến điệu sóng vô tuyến dựa vào "nguyên tắc phách" (heterodyne principle) cho phép truyền tín hiệu trong không trung mà không bị nhiễu.
Các chương trình phát thanh "đúng nghĩa" được khai sinh
Ảnh chụp đài phát thanh NAA ở Arlington vào năm 1917. (Nguồn: virhistory)
Vào năm 1915, giọng nói đầu tiên được đài phát thanh hải quân NAA ở Arlington, bang Virginia truyền đi xuyên lục địa, từ New York đến San Francisco, vượt qua Đại Tây Dương đến tháp Eiffel tại Paris. Ngày 2 tháng 11 năm 1920, đài phát thanh KDKA - Pittsburgh đã phát sóng kết quả bầu cử Harding-Cox và bắt đầu một chương trình phát thanh hàng ngày.
Năm 1927, hệ thống thông tin vô tuyến nối liền Bắc Mỹ Và châu Âu được thành lập, và 3 năm sau đó có thể kết nối thêm Nam Mỹ. Cho đến năm 1935, các cuộc gọi đầu tiên được thực hiện trên toàn thế giới, sử dụng kết hợp cả hệ thống truyền thanh hữu tuyến và vô tuyến.
Sự ra đời của sóng FM và đài phát thanh ngày nay
Năm 1933, Edwin Howard Armstrong phát minh ra sóng radio biến tần (frequency-modulated) hay còn gọi là sóng radio FM. Sóng FM có ưu điểm là hạn chế sự gây nhiễu sóng của các thiết bị điện tử khác và từ trường của Trái Đất. Đến năm 1936, tất cả các thông tin liên lạc điện thoại xuyên Đại Tây Dương của Mỹ được truyền sang Anh và Paris đều ứng dụng phương pháp này. Tính đến thời điểm đó, mạng lưới thông tin liên lạc cả hữu tuyến và vô tuyến có thể kết nối Mỹ với gần 187 điểm khác ở nước ngoài.
Hình ảnh Howard và chiếc máy Radio bắt sóng FM đầu tiên trong chuyến trăng mật cùng vợ mình. (ảnh chụp năm 1923, nguồn: world.std)
Từ đó, công nghệ vô tuyến luôn được phát triển một cách cực kỳ nhanh chóng. Năm 1947, các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm Bell Labs tại New Jersey, Mỹ đã phát minh ra bóng bán dẫn. Và vào năm 1954, Tokyo Telecommunications Engineering Corp - tiền thân của Sony là công ty đầu tiên sản xuất radio bán dẫn di động.
Đài bán dẫn đầu tiên của Sony. (Nguồn: xtimeline)
Năm 1965, một hệ thống ăng ten phát sóng FM đầu tiên trên thế giới được xây dựng trên tòa nhà Empire State ở New York cho phép các đài phát thanh FM tư nhân có thể phát sóng từ 1 nguồn đến đồng thời nhiều bộ thu khác nhau. Đây cũng chính là mô hình đài phát thanh được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới cho đến ngày nay.
Chi tiết chiếc ăng ten phát sóng FM đàu tiên trên đỉnh tòa nhà Empire State. (Ảnh chụp vào khoảng năm 1965, nguồn: lnl.com)
Kết
Như vậy, từ các nghiên cứu đầu tiên về lý thuyết sóng điện từ, cho đến những tín hiệu hết sức sơ khai như một ký tự S bằng mã Morse hay một câu "hello" được truyền giữa 2 điểm, chúng ta đã có hàng loạt đài phát thanh hiện đại ngày nay với các chương trình tin tức, thời sự, giải trí vô cùng phong phú và đa dạng.
Ẩn dưới tất cả những thành công đó là một nỗ lực vô tận của các nhà khoa học, các nhà phát minh nhằm biến cái không thể thành có thể, biến truyền tin hữu tuyến thành vô tuyến. Qua đó, tạo ra sự tiện ích và hàng loạt các ứng dụng của phương pháp truyền tín hiệu không dây cho nhiều lĩnh vực khác nhau.