Grundlæggende om trådløs teknologi: Sådan fungerer radiobølger

Grundlæggende om trådløs teknologi: Sådan fungerer radiobølger

Kan du tælle, hvor mange enheder du bruger hver dag takket være radiobølger? Det kan være en smule overvældende at tænke på, hvor meget vores liv er påvirket af brugen af denne teknologi. Fra smartphones til bærbare computere, GPS til babyalarmer og meget mere, vi er kommet til at udnytte denne form for elektromagnetisk energi til at skabe nogle fantastiske ting. Men selv om vi bruger disse enheder hver eneste dag, forstår vi så virkelig, hvordan de fungerer?

Det er her, at vores serie Wireless Electronic Basics vil hjælpe dig med at forstå grundlaget for vores trådløse verden og forhåbentlig fjerne nogle af mysterierne undervejs.

Den store verden af trådløse

Hvor vi overhovedet dykker ned i noget af videnskaben omkring radiobølger, er vi nødt til at give dette emne lidt retfærdighed ved at vise, hvor meget radiobølger har påvirket vores hverdag. Lad os starte med en almindelig dag, og måske vågner du op til den ikke så beroligende lyd af et vækkeur takket være din smartphone. Du kan takke radiobølgerne for det tidlige morgenrysten.

Når du sætter dig til morgenmad, tænder du måske for radioen eller fjernsynet for at lytte til, hvad der sker ude i verden. Hvordan kommer disse bidder af lyd- og videoinformationer frem til dig? Endnu en gang med radiobølger. Og når du gør dig klar til at tage på arbejde, kan du måske godt lide at tjekke trafikken og planlægge den mest effektive rute, så du bruger GPS’en på instrumentbrættet i din bil. Flere radiobølger.

Under din morgenpendling vil du måske gerne stille ind på dit yndlingsmorgen-talkshow. Den radiostation, som du tilslutter, er en af de mange specifikke radiobølgefrekvenser, der sendes på alle tidspunkter af døgnet. Når du kommer på arbejde, sætter du dig måske foran en computer og opretter trådløs forbindelse til World Wide Web. Du indlæser dine Google-dokumenter, websteder og e-mails, som alle bruger radiobølger til at oprette trådløs forbindelse til internettet via WiFi.

Du kan se, at radiobølger bruges i mange flere ting end de firkantede bokse, som vi bruger til at afspille musik og lytte til talkshows. Moderne trådløs kommunikation bygger på et simpelt design inde i den konventionelle radio og giver os mulighed for at forbinde menneskeheden over hele verden med information, video, lyd, data og meget mere. Men i betragtning af hvor udbredt radiobølger er i deres anvendelse i dag, hvordan fungerer de så præcist, og hvad er en radiobølge? Lad os undersøge det.

Hanging Out with Electromagnetics

Radiobølger er blot én type bølge i det, der kaldes det elektromagnetiske spektrum, som består af en række bølger, der alle tjener en bestemt funktion, som f.eks. infrarød, røntgen, gammastråler og radio. Alle disse bølger formår at trodse fysiske barrierer og suse gennem rummets vakuum med lysets hastighed.

Organiseringen af dette spektrum er kategoriseret ved to målinger, frekvens og bølgelængde. Her er, hvordan de fordeler sig:

• Frekvens. Dette er grundlæggende set, hvor mange elektromagnetiske bølger der passerer gennem et givet punkt hvert sekund. Du kan måle dette ved at tælle toppene i hver bølge (det højeste punkt i bølgen), hvilket giver en værdi i hertz.
• Bølgelængde. Dette er den faktiske afstand, som du kan måle mellem to af de højeste punkter i en bølge, eller perioden. Bølgelængder kan være kortere end størrelsen af et atom for nogle bølgers vedkommende og længere end diameteren af hele vores planet!

På dette elektromagnetiske spektrum har radiobølgerne både de længste bølgelængder og de laveste frekvenser, hvilket gør dem langsomme og stabile, langdistanceløberne af dem alle. Men når vi bliver bombarderet fra alle retninger med FM- og AM-radiobølger, mobiltelefonsignaler, WiFi-signaler og meget andet, kan alle disse signaler så formodes at dele det samme rum? Det gør de ved at dele specifikke bånd i radiobølgespektret, og disse omfatter bl.a:

Navn	Abkortning	Frekvens	Bølgelængde
Ekstremt lav-frekvens	ELF	3-30 Hz	105-104 km
Super lavfrekvent	SLEF	30-300 Hz	104-103 km
Ultra lav-frekvens	ULF	300-3000 Hz	103-100 km
Værst lavfrekvent	VLF	3-30 kHz	100-10 km
Lav-frekvens	LF	30-300 kHz	10-1 km
Mediumfrekvens	MF	300 kHz – 3 MHz	1 km – 100 m
Høj-frekvens	HAF	3-30 MHz	100-10 m
Meget højfrekvent	VHF	30-300 MHz	10-1 m
Ultra højfrekvens	UHF	300 MHz – 3 GHz	1 m – 10 cm
Superhøjfrekvens	frekvens	SHF	3-30 GHz	10-1 cm
Ekstremt højfrekvens	EHF	30-300 GHz	1 cm – 1 mm
Tremendously high-frequency	THF	300 GHz – 3 THz	1 mm – 0.1 mm

Det ultrahøjfrekvente bånd (UHF) har en frekvens mellem 300 megahertz (MHz) og 3 gigahertz (GHz). Du finder UHF-båndet brugt til specifikke teknologier som WiFi, Bluetooth, GPS, walkie-talkies og meget mere. På den anden side finder du meget lavfrekvente frekvenser (VLF) i intervallet 3-30 hertz, og dette bånd er udelukkende reserveret til statslige radiostationer, sikker militær kommunikation og ubåde. USA offentliggør hvert år et diagram over radiospektrumsfrekvensallokering, der viser, hvordan alle disse radiotjenester er tildelt pr. frekvens.

Indlejret kommunikation

Nu undrer du dig måske over, hvordan disse radiobølger i deres særlige frekvenser kommer fra sted til sted? Det magiske i at kunne tale med nogen på din smartphone på den anden side af jorden kan koges ned til nogle meget enkle principper. Alle radioer, uanset om det er en traditionel AM/FM-radio eller en radio, der findes i en smartphone, bruger alle den samme grundlæggende metode til at transmittere oplysninger ved hjælp af både en sender og en modtager.

En sender sender, som navnet antyder, sender oplysninger gennem luften i form af en sinusbølge. Denne bølge flyver gennem luften og bliver til sidst fanget af en modtager, som afkoder informationen i sinusbølgen for at udtrække de ting, vi ønsker, f.eks. musik, en menneskelig stemme eller en anden data.

Det interessante er, at en sinusbølge alene ikke indeholder nogen af de data, vi har brug for, den er i bund og grund et tomt signal. Derfor er vi nødt til at tage denne sinusbølge og modulere den, hvilket er processen med at tilføje endnu et lag af nyttig information. Der findes tre metoder til modulering, herunder:

• Pulsmodulation. Ved denne metode tænder og slukker du en sinusbølge, hvilket sender bits af et signal i separate bidder. Har du nogensinde hørt om morsekode til at sende nødsignaler? Den anvender pulsmodulation.
• Amplitudemodulation. Denne metode bruges både i AM-radiostationer og i de gamle analoge tv-signaler. Her overlejres en sinusbølge med en anden bølge med information, f.eks. en persons stemme. Ved at indlejre et andet informationslag i denne bølge skabes der et udsving i amplituden af den oprindelige sinusbølge, hvilket kan skabe statisk støj.

• Frekvensmodulation. Denne metode anvendes af FM-radiostationer og stort set alle andre trådløse teknologier derude. I modsætning til amplitudemodulation, som skaber nogle betydelige udsving i en sinusbølge, ændrer frekvensmodulation en sinusbølge meget lidt, hvilket har den ekstra fordel, at det resulterer i mindre statisk støj.

Når alle disse modulerede sinusbølger er sendt via en sender og modtaget af en modtager, bliver den bølge af information, som vi har indlejret, ekstraheret, så vi kan gøre med den, som vi vil, f.eks. afspille den som lyd gennem en højttaler eller se den som video på en tv-skærm.

Et sted mellem A og B

I vores forklaringer ovenfor om modulation, sendere og modtagere tror man måske, at det at sende en radiobølge er en simpel rejseproces fra punkt A til punkt B, men det er ikke altid tilfældet. Bølger flyver ikke altid gennem den tynde luft direkte fra en sender til en modtager, og hvordan de rejser afhænger i sidste ende af, hvilken slags bølgefrekvens du ønsker at sende, og hvornår. Der er tre måder, hvorpå denne rejse kan foregå, herunder:

Sigtelinje (rumbølge)

Med denne rejsemetode sendes radiobølger som en simpel lysstråle fra punkt A til punkt B. Denne metode blev almindeligvis brugt i gammeldags telefonnetværk, som skulle sende opkald over en lang afstand mellem to massive kommunikationstårne.

Grundbølge (overfladebølge)

Du kan også sende radiobølger langs jordoverfladens krumning i form af en grundbølge. Du finder AM-radiobølger, der bevæger sig på denne måde over korte til mellemlange afstande, hvilket er grunden til, at du stadig kan høre radiosignaler, selv når der ikke er en sender og modtager i din sigtelinje.

Ionosfære (Himmelbølge)

Sidst kan du også sende radiobølger direkte op i himlen, som ender med at prelle af på jordens ionosfære, som er en elektrisk ladet del af atmosfæren. Når man gør dette, vil radiobølgerne ramme ionosfæren, hoppe tilbage ned til jorden og hoppe op igen. Dette er processen med at spejle en bølge, der studser den frem og tilbage til sit endelige bestemmelsessted.

På dette tidspunkt har vi samlet flere ting om radiobølger, nemlig at de bevæger sig med meget specifikke frekvenser, at de kommunikerer med både en sender og en modtager, og at de kan bevæge sig på forskellige måder over jorden. Men med alle de forskellige radiofrekvenser, der flyder rundt, hvordan ved din smartphone eller bilradio så, hvilken bestemt frekvens du skal modtage, og hvilke du skal ignorere? Det er her, at antenner kommer ind i billedet.

Det handler om antenner

Antenner findes i en masse forskellige former og størrelser, men de er alle designet til det samme formål – at opfange en meget specifik radiobølgefrekvens. Du kan finde antenner lige fra de lange metaltråde, der stikker ud fra en FM-radio, til noget mere rundt som en parabolantenne eller endog et stykke kobber på et printkort, der er stramt afstemt. I en sender bruges antennerne til at sende radiobølger, og i modtagere bruges de til at opfange en radiofrekvens. Antenner har alle tre forskellige egenskaber, som de måles ud fra, herunder:

• Retning. For nogle antennetyper, f.eks. en dipol, skal antennen monteres i den rigtige retning, så den vender i retning af radiobølgetransmissionen. Nogle antennetyper, som f.eks. dem, der findes i en FM-radio, behøver ikke at være orienteret i en bestemt retning og kan opfange radiobølgesignaler fra enhver vinkel.
• Forstærkning. Forstærkning af en antenne beskriver, hvor meget den vil forstærke et signal. Hvis du f.eks. tænder for et gammelt analogt tv, så vil du sandsynligvis stadig få et billede, bare et sløret billede. Dette skyldes, at metalhuset og komponenterne i tv’et fungerer som en antenne. Men hvis du tilslutter en rigtig retningsbestemt antenne, kan du forstærke signalet og få et bedre billede. Jo større forstærkning, målt i decibel (dB), jo bedre modtagelse får du.
• Båndbredde. Endelig er en antennes båndbredde dens særlige område af nyttige frekvenser. Jo større båndbredden er, jo flere radiobølger kan den opfange. Dette er ideelt for fjernsyn, da det giver dem mulighed for at modtage flere kanaler. Men for ting som din smartphone, der kun har brug for en bestemt radiobølge, er en fuld båndbredde ikke så nødvendig.

Tid til at ringe hjem

Radiobølger er overalt! Tænk, hvis du kunne se dem med dine egne øjne. Du ville have radiobølger over det hele, de ville stråle ud fra din router, fra din mobiltelefon og rundt omkring dig fra din nabos trådløse elektronik. Radiobølger har faktisk formet vores moderne liv som intet andet, og uden dem ville vi aldrig kunne nyde godt af så nyttige opfindelser som GPS, WiFi, Bluetooth og meget mere. Men radiobølger rækker langt ud over vores fysiske, jordiske eksistens. Nogle af de fjerneste dele af vores kendte univers er blevet udforsket ved hjælp af radioastronomi for at opdage kvasarer, molekyler og andre galakser!

Er du klar til at ringe hjem og komme i gang med dit helt eget trådløse elektronikprojekt? Prøv Autodesk EAGLE gratis i dag.