Základy bezdrátového připojení: Jak fungují rádiové vlny

Základy bezdrátového připojení: Jak fungují rádiové vlny

Spočítáte, kolik zařízení používáte každý den díky rádiovým vlnám? Může to být trochu ohromující, když se zamyslíte nad tím, jak moc je náš život ovlivněn využíváním této technologie. Od chytrých telefonů přes notebooky, GPS až po dětské chůvičky a další – tuto formu elektromagnetické energie jsme začali využívat k vytváření úžasných věcí. Ale i když tato zařízení používáme každý den, rozumíme skutečně tomu, jak fungují?“

Tady vám náš seriál Základy bezdrátové elektroniky pomůže pochopit základy našeho bezdrátového světa a doufejme, že cestou rozptýlí některé záhady.

Široký svět bezdrátových sítí

Ještě než se ponoříme do jakýchkoli vědeckých poznatků týkajících se rádiových vln, musíme dát tomuto tématu za pravdu tím, že si ukážeme, jak moc rádiové vlny ovlivnily náš každodenní život. Začněme běžným dnem a možná se díky svému chytrému telefonu probudíte za nepříliš uklidňujícího zvuku budíku. Za ranní otřes můžete poděkovat rádiovým vlnám.

Když usedáte k ranní snídani, možná si zapnete rádio nebo televizi, abyste si poslechli, co se děje ve světě. Jak se k vám tyto kousky zvukových a obrazových informací dostávají? Opět pomocí rádiových vln. A když se chystáte vyrazit do práce, možná rádi zkontrolujete dopravní situaci a naplánujete si co nejefektivnější trasu, takže použijete GPS na palubní desce svého auta. Další rádiové vlny.

Při ranní cestě do práce si možná rádi naladíte svou oblíbenou ranní talk show. Rozhlasová stanice, na kterou se připojíte, je jednou z mnoha specifických frekvencí rádiových vln vysílaných ve všech denních hodinách. Když dorazíte do práce, možná se posadíte k počítači a bezdrátově se připojíte k celosvětové síti. Nahrajete si dokumenty Google, webové stránky a e-mail, a to vše pomocí rádiových vln, abyste se mohli bezdrátově připojit k internetu prostřednictvím WiFi.

Víte, rádiové vlny se používají v mnoha dalších věcech než v hranatých krabičkách, které používáme k přehrávání hudby a poslechu talk show. Moderní bezdrátová komunikace vychází z jednoduché konstrukce uvnitř běžného rádia a umožňuje nám propojit lidstvo po celém světě informacemi, videem, zvukem, daty a spoustou dalších věcí. Ale na to, jak rozšířené je dnes používání rádiových vln, jak přesně fungují a co je to rádiová vlna? Pojďme to prozkoumat.

Vyprávění o elektromagnetice

Rádiové vlny jsou pouze jedním z typů vln v takzvaném elektromagnetickém spektru, které se skládá z celé řady vln, jež všechny plní určitou funkci, například infračervené, rentgenové, gama záření a rádio. Všechny tyto vlny dokážou překonávat fyzikální překážky a řítí se vesmírným vakuem rychlostí světla.

Uspořádání tohoto spektra je rozděleno podle dvou měřítek, frekvence a vlnové délky. Zde je jejich rozdělení:

• Frekvence. V podstatě jde o to, kolik elektromagnetických vln projde daným bodem každou sekundu. Můžete ji změřit tak, že spočítáte hřebeny každé vlny (nejvyšší bod vlny), čímž získáte hodnotu v hertzích.
• Vlnová délka. Jedná se o skutečnou vzdálenost, kterou můžete změřit mezi dvěma nejvyššími body vlny, neboli periodu. Vlnová délka může být u některých vln kratší než velikost atomu a delší než průměr celé naší planety!

V tomto elektromagnetickém spektru mají rádiové vlny jak nejdelší vlnovou délku, tak nejnižší frekvenci, což z nich činí pomalé a stálé běžce na dlouhé vzdálenosti. Když jsme však ze všech stran bombardováni rádiovými vlnami FM a AM, signály mobilních telefonů, signály WiFi a dalšími, lze předpokládat, že všechny tyto signály sdílejí stejný prostor? Dělají to tak, že sdílejí určitá pásma ve spektru rádiových vln, a mezi ně patří např:

Název	Zkratka	Frekvence	Vlnová délka
Extrémně nízká-frekvence	ELF	3-30 Hz	105-104 km
Supernízkofrekvenční	SLEF	30-300 Hz	104-103 km
Ultra nízkofrekvenčnífrekvence	ULF	300-3000 Hz	103-100 km
Velmi nízká frekvence	VLF	3-30 kHz	100-10 km
Nízká-frekvence	LF	30-300 kHz	10-1 km
Střední frekvence	MF	300 kHz – 3 MHz	1 km – 100 m
Vysoká-frekvence	HAF	3-30 MHz	100-10 m
Velmi vysokofrekvenční	VHF	30-300 MHz	10-1 m
Ultra vysokofrekvenčnífrekvence	UHF	300 MHz – 3 GHz	1 m – 10 cm
Supervysoká frekvence	Super highfrekvence	SHF	3-30 GHz	10-1 cm
Extrémně vysokýfrekvence	EHF	30-300 GHz	1 cm – 1 mm
Trémně vysokofrekvenční	THF	300 GHz – 3 THz	1 mm – 0.1 mm

Pásmo velmi vysokých frekvencí (UHF) má frekvenci mezi 300 megahertzy (MHz) a 3 gigahertzy (GHz). Pásmo UHF se používá pro specifické technologie, jako je WiFi, Bluetooth, GPS, vysílačky a další. Na druhé straně najdete velmi nízké frekvence (VLF) v rozsahu 3 – 30 hertzů a toto pásmo je vyhrazeno výhradně pro vládní radiostanice, zabezpečenou vojenskou komunikaci a ponorky. Spojené státy každoročně zveřejňují tabulku přidělování kmitočtů rádiového spektra, která ukazuje, jak jsou všechny tyto rádiové služby rozděleny na jednotlivé frekvence.

Vestavěné komunikace

Teď vás možná zajímá, jak přesně se tyto rádiové vlny na svých konkrétních frekvencích dostávají z místa na místo? Kouzlo možnosti hovořit s někým přes smartphone na druhém konci světa spočívá v několika velmi jednoduchých principech. Každé rádio, ať už jde o tradiční AM/FM rádio nebo rádio, které najdete ve smartphonu, používá stejnou základní metodu přenosu informací pomocí vysílače i přijímače.

Vysílač, jak už jeho název napovídá, přenáší informace vzduchem ve formě sinusové vlny. Tato vlna letí vzduchem a nakonec ji zachytí přijímač, který informace v sinusoidě dekóduje a získá z ní to, co chceme, například hudbu, lidský hlas nebo jiný bit dat.

Zajímavé je, že samotná sinusoida neobsahuje žádná data, která potřebujeme, je to v podstatě prázdný signál. Proto musíme tuto sinusovku vzít a modulovat ji, což je proces přidání další vrstvy užitečných informací. Existují tři způsoby modulace, mezi něž patří:

• Pulzní modulace. Při této metodě zapínáte a vypínáte sinusovou vlnu, která bude vysílat bity signálu v oddělených částech. Slyšeli jste někdy o Morseově abecedě pro vysílání nouzových signálů? Ta používá pulzní modulaci.
• Amplitudová modulace. Tato metoda se používá v rozhlasových stanicích AM i v těch starých analogových televizních signálech. Zde se sinusová vlna překrývá jinou informační vlnou, například hlasem člověka. Vložení další vrstvy informace do této vlny vytvoří kolísání amplitudy původní sinusové vlny, což může vytvořit statickou elektřinu.

• Frekvenční modulace. Tuto metodu používají rozhlasové stanice FM a prakticky všechny ostatní bezdrátové technologie. Na rozdíl od amplitudové modulace, která vytváří v sinusoidě určité výrazné výkyvy, frekvenční modulace mění sinusoidu jen velmi málo, což má navíc tu výhodu, že výsledkem je méně statických ruchů.

Když jsou všechny tyto modulované sinusové vlny vyslány prostřednictvím vysílače a přijaty přijímačem, vložená informační vlna se extrahuje, což nám umožňuje s ní naložit, jak se nám zlíbí, například ji přehrát jako zvuk přes reproduktor nebo ji zobrazit jako video na televizní obrazovce.

Někde mezi bodem A a B

Ve výše uvedených výkladech o modulaci, vysílačích a přijímačích si možná myslíte, že vysílání rádiové vlny je jednoduchý proces cesty z bodu A do bodu B, ale není tomu tak vždy. Vlny ne vždy letí řídkým vzduchem přímo od vysílače k přijímači a způsob jejich šíření nakonec závisí na tom, jakou frekvenci vln chcete vyslat a kdy. Existují tři způsoby této cesty, mezi které patří:

Line of Sight (prostorové vlny)

Při tomto způsobu cestování jsou rádiové vlny vysílány jako prostý světelný paprsek z bodu A do bodu B. Tento způsob se běžně používal ve staromódních telefonních sítích, které musely přenášet hovory na velkou vzdálenost mezi dvěma mohutnými komunikačními věžemi.

Zemní vlna (povrchová vlna)

Rádiové vlny můžete vysílat také podél zakřivení zemského povrchu ve formě zemní vlny. Rádiové vlny AM se tímto způsobem šíří na krátké až střední vzdálenosti, a proto můžete slyšet rádiové signály, i když v zorném poli není vysílač a přijímač.

Ionosféra (nebeské vlny)

Naposledy můžete také vysílat rádiové vlny přímo na oblohu, které se nakonec odrazí od zemské ionosféry, což je elektricky nabitá část atmosféry. Když to uděláte, rádiové vlny narazí na ionosféru, odrazí se zpět k Zemi a znovu se odrazí nahoru. Jedná se o proces zrcadlení vlny, kdy se vlna odráží tam a zpět ke svému cíli.

V tomto okamžiku jsme o rádiových vlnách shromáždili několik informací, a sice že se šíří na velmi specifických frekvencích, komunikují s vysílačem i přijímačem a mohou se po zemi šířit různými způsoby. Jak ale při všech těch různých rádiových frekvencích, které se kolem vás vznášejí, váš chytrý telefon nebo autorádio pozná, které konkrétní frekvence přijímá a které má ignorovat? Zde přicházejí ke slovu antény.

Je to všechno o anténách

Antenny mají spoustu různých tvarů a velikostí, ale všechny jsou určeny ke stejnému účelu – k zachycení zcela konkrétní frekvence rádiových vln. Najdete zde antény od dlouhých kovových drátů trčících z FM rádia až po něco kulatějšího, jako je satelitní anténa, nebo dokonce pevně naladěný kus mědi na desce plošných spojů. Ve vysílači se antény používají k vysílání rádiových vln a v přijímači budou sloužit k zachycení na rádiové frekvenci. Všechny antény mají tři různé vlastnosti, podle kterých se měří, a to:

• Směr. U některých typů antén, jako je například dipól, musí být anténa namontována ve správném směru, tedy proti směru přenosu rádiových vln. Některé typy antén, například ty, které se nacházejí v FM rádiu, nemusí být orientovány určitým směrem a mohou zachycovat signály rádiových vln z libovolného úhlu.
• Zisk. Zisk antény popisuje, jak moc zesílí signál. Pokud například zapnete starý analogový televizor, pak pravděpodobně stále dostanete obraz, jen rozmazaný. Je to proto, že kovové pouzdro a součástky v televizoru fungují jako anténa. Pokud však připojíte skutečnou směrovou anténu, budete schopni signál zesílit a získáte lepší obraz. Čím větší je zisk, měřený v decibelech (dB), tím lepšího příjmu dosáhnete.
• Šířka pásma. A konečně, šířka pásma antény je její konkrétní rozsah užitečných frekvencí. Čím větší je šířka pásma, tím více rádiových vln může zachytit. To je ideální pro televizory, protože jim to umožňuje přijímat více kanálů. Ale pro věci, jako je váš chytrý telefon, které potřebují pouze konkrétní rádiové vlny, není plná šířka pásma tak nutná.

Čas zavolat domů

Rádiové vlny jsou všude! Představte si, že byste je mohli vidět na vlastní oči. Rádiové vlny by byly všude kolem vás, vyzařovaly by z vašeho routeru, z vašeho mobilního telefonu a všude kolem vás z bezdrátové elektroniky vašich sousedů. Rádiové vlny skutečně utvářely náš moderní život jako nic jiného a bez nich bychom se nikdy nemohli těšit z tak užitečných vynálezů, jako je GPS, WiFi, Bluetooth a další. Rádio však sahá daleko za hranice naší fyzické, pozemské existence. Pomocí radioastronomie byly prozkoumány některé z nejvzdálenějších koutů našeho známého vesmíru a objeveny kvazary, molekuly a jiné galaxie!“

Jste připraveni zavolat domů a začít s vlastním projektem bezdrátové elektroniky? Vyzkoušejte si Autodesk EAGLE zdarma ještě dnes.