Langattoman viestinnän perusteet: miten radioaallot toimivat

Langattoman viestinnän perusteet: miten radioaallot toimivat

Voitteko laskea, kuinka monta laitetta käytätte päivittäin radioaaltojen ansiosta? Voi olla hieman häkellyttävää ajatella, kuinka paljon tämän teknologian hyödyntäminen vaikuttaa elämäämme. Älypuhelimista kannettaviin tietokoneisiin, GPS:stä itkuhälyttimiin ja paljon muuta, olemme valjastaneet tämän sähkömagneettisen energian muodon luomaan hämmästyttäviä asioita. Mutta vaikka käytämme näitä laitteita joka päivä, ymmärrämmekö todella, miten ne toimivat?

Tässä langattoman elektroniikan perusteet -sarjamme auttaa sinua ymmärtämään langattoman maailmamme perusteita ja toivottavasti hälventää joitakin mysteerejä matkan varrella.

Langattomuuden laaja maailma

Ennen kuin edes sukellamme mihinkään radioaaltoja ympäröivään tieteeseen, meidän on annettava tälle aiheelle hieman oikeutta näyttämällä, kuinka paljon radioaallot ovat vaikuttaneet jokapäiväiseen elämäämme. Aloitetaan tavallisesta päivästä, jolloin ehkä heräät älypuhelimesi ansiosta herätyskellon ei niinkään rauhoittavaan ääneen. Voit kiittää radioaaltoja varhaisesta aamuherätyksestä.

Kun istut alas aamupalalle, laitat ehkä radion tai television päälle kuunnellaksesi, mitä maailmalla tapahtuu. Miten nämä ääni- ja videotiedonpätkät pääsevät perille? Jälleen kerran radioaaltojen avulla. Ja kun valmistaudut lähtemään töihin, ehkä haluat tarkistaa liikennetilanteen ja suunnitella tehokkaimman reitin, joten käytät autosi kojelaudassa olevaa GPS-laitetta. Lisää radioaaltoja.

Aamuisen työmatkasi aikana saatat haluta virittää suosikkiaamuisen keskusteluohjelmasi. Radioasema, johon kytkeydyt, on yksi monista tietyistä radioaaltotaajuuksista, joita lähetetään kaikkina vuorokauden aikoina. Kun pääset töihin, ehkä istahdat tietokoneen ääreen ja otat yhteyden langattomasti maailmanverkkoon. Lataat Google-dokumenttisi, verkkosivustosi ja sähköpostisi, ja kaikki nämä käyttävät radioaaltoja muodostaaksesi langattoman yhteyden internetiin WiFin kautta.

Radioaaltoja käytetään näet monissa muissakin asioissa kuin neliönmuotoisissa laatikoissa, joita käytämme musiikin soittamiseen ja keskusteluohjelmien kuuntelemiseen. Nykyaikainen langaton viestintä rakentuu perinteisen radion sisällä olevan yksinkertaisen rakenteen varaan, ja sen avulla voimme yhdistää ihmiskunnan ympäri maailmaa tiedon, videon, äänen, datan ja paljon muuta. Mutta miten laajalti radioaaltoja käytetään nykyään, miten ne tarkalleen ottaen toimivat ja mikä on radioaalto? Tutkitaanpa asiaa.

Hanging Out with Electromagnetics

Radioaallot ovat vain yksi aaltotyyppi niin sanotussa sähkömagneettisessa spektrissä, joka koostuu erilaisista aalloista, jotka kaikki palvelevat tiettyä tehtävää, kuten infrapuna, röntgensäteet, gammasäteet ja radio. Kaikki nämä aallot onnistuvat uhmaamaan fysikaalisia esteitä ja syöksyvät avaruuden tyhjiön läpi valon nopeudella.

Tämän spektrin järjestäytyminen luokitellaan kahdella mittarilla, taajuudella ja aallonpituudella. Näin ne jakautuvat:

• Taajuus. Tämä on periaatteessa se, kuinka monta sähkömagneettista aaltoa kulkee tietyn pisteen läpi joka sekunti. Voit mitata tämän laskemalla kunkin aallon huiput (aallon korkein kohta), jolloin saadaan arvo hertseinä.
• Aallonpituus. Tämä on todellinen etäisyys, jonka voit mitata aallon kahden korkeimman pisteen välillä, eli jakso. Joidenkin aaltojen aallonpituudet voivat olla lyhyempiä kuin atomin koko ja pidempiä kuin koko planeettamme halkaisija!

Tässä sähkömagneettisessa spektrissä radioaalloilla on sekä pisimmät aallonpituudet että matalimmat taajuudet, mikä tekee niistä hitaita ja tasaisia, joukon pitkän matkan juoksijoita. Kun meitä kuitenkin pommitetaan joka suunnasta FM- ja AM-radioaalloilla, matkapuhelinsignaaleilla, WiFi-signaaleilla ja muilla, voivatko kaikki nämä signaalit muka jakaa saman tilan? Ne tekevät tämän jakamalla radioaaltospektrin tiettyjä taajuusalueita, joita ovat muun muassa seuraavat:

Nimi	Lyhenne	Taajuus	Aallonpituus
Erittäin matalalla-frequency	ELF	3-30 Hz	105-104 km
Super low-frequency	SLEF	30-300 Hz	104-103 km
Ultra low-taajuus	ULF	300-3000 Hz	103-100 km
Erittäin matalataajuinen	VLF	3-30 kHz	100-10 km
Matalataajuus
Matala-taajuus	LF	30-300 kHz	10-1 km
Keskitaajuus	MF	300 kHz – 3 MHz	1 km – 100 m
Korkea…taajuus	HAF	3-30 MHz	100-10 m
Erittäin korkeataajuinen	VHF	30-300 MHz	10-1 m
Ultra korkeataajuinen
Ultra korkeataajuus	UHF	300 MHz – 3 GHz	1 m – 10 cm
Super korkeataajuus	SHF	3-30 GHz	10-1 cm
Erittäin korkean taajuudentaajuus	EHF	30-300 GHz	1 cm – 1 mm
Erittäin korkeataajuinen	THF	300 GHz – 3 THz	1 mm – 0.1 mm

Ulkotaajuuskaistalla (UHF) on taajuus 300 megahertsin (MHz) ja 3 gigahertsin (GHz) välillä. UHF-taajuusaluetta käytetään tietyissä tekniikoissa, kuten WiFi, Bluetooth, GPS, radiopuhelimet ja muut. Kääntöpuolena on erittäin matala taajuus (VLF) 3-30 hertsin alueella, ja tämä kaista on varattu yksinomaan valtion radioasemille, turvalliselle sotilasviestinnälle ja sukellusveneille. Yhdysvallat julkaisee vuosittain radiotaajuuksien taajuusjakokaavion, josta käy ilmi, miten kaikki nämä radiopalvelut on jaettu taajuusalueittain.

Sisäänrakennettu tietoliikenne

Voit nyt ihmetellä, miten tarkalleen ottaen nuo radioaallot kulkeutuvat omilla taajuuksillaan paikasta toiseen? Se taika, että voit puhua jonkun kanssa älypuhelimellasi toisella puolella maailmaa, perustuu muutamaan hyvin yksinkertaiseen periaatteeseen. Jokainen radio, olipa kyseessä sitten perinteinen AM/FM-radio tai älypuhelimesta löytyvä radio, käyttää samaa perusmenetelmää tiedonsiirtoon sekä lähettimen että vastaanottimen avulla.

Lähetin, kuten nimikin kertoo, lähettää tietoa ilman kautta siniaallon muodossa. Tämä aalto lentää ilmassa ja päätyy lopulta vastaanottimeen, joka purkaa siniaallon sisältämän informaation ja poimii siitä haluamamme asiat, kuten musiikin, ihmisäänen tai jonkin muun tiedon.

Mielenkiintoista on se, että pelkkä siniaalto ei sisällä mitään tarvitsemaamme dataa, se on käytännössä tyhjä signaali. Siksi meidän on otettava tämä siniaalto ja moduloitava sitä, mikä on prosessi, jossa lisätään toinen kerros hyödyllistä tietoa. Modulaatiomenetelmiä on kolme:

• Pulssimodulaatio. Tässä menetelmässä kytket siniaallon päälle ja pois päältä, jolloin signaalin bitit lähetetään erillisinä palasina. Oletko koskaan kuullut morsetusta hätäsignaalien lähettämiseen? Siinä käytetään pulssimodulaatiota.
• Amplitudimodulaatio. Tätä menetelmää käytetään sekä AM-radioasemissa että niissä vanhoissa analogisissa TV-signaaleissa. Siinä siniaalto peittyy toiseen informaatioaaltoon, kuten ihmisen ääneen. Toisen informaatiokerroksen upottaminen tähän aaltoon aiheuttaa vaihtelua alkuperäisen siniaallon amplitudissa, mikä voi aiheuttaa staattista häiriötä.

• Taajuusmodulaatio. Tätä menetelmää käyttävät FM-radioasemat ja lähes kaikki muutkin langattomat tekniikat. Toisin kuin amplitudimodulaatio, joka synnyttää siniaaltoon huomattavia vaihteluita, taajuusmodulaatio muuttaa siniaaltoa hyvin vähän, minkä lisähyötynä on, että staattista häiriötä syntyy vähemmän.

Kun kaikki nuo moduloidut siniaallot lähetetään lähettimen kautta ja vastaanotetaan vastaanottimella, upotettu informaatioaalto uutetaan, jolloin voimme tehdä sillä mitä haluamme, kuten toistaa sen äänenä kaiuttimen kautta tai katsella sitä videona televisioruudulla.

Jossain A:n ja B:n välissä

Yllä olevissa selityksissämme modulaatiosta, lähettimistä ja vastaanottimista voisi ajatella, että radioaallon lähettäminen on yksinkertainen prosessi, jossa matka tapahtuu pisteestä A pisteeseen B, mutta näin ei aina ole. Aallot eivät aina lennä ohuen ilman läpi suoraan lähettimestä vastaanottimeen, ja se, miten ne kulkevat, riippuu viime kädessä siitä, millaista aaltotaajuutta halutaan lähettää ja milloin. Tämä matka voi tapahtua kolmella eri tavalla, muun muassa:

Linjayhteys (avaruusaalto)

Tässä matkustusmenetelmässä radioaallot lähetetään yksinkertaisena valonsäteenä pisteestä A pisteeseen B. Tätä menetelmää käytettiin yleisesti vanhanaikaisissa puhelinverkoissa, joissa puheluita jouduttiin lähettämään pitkien matkojen yli kahden massiivisen tietoliikennetornin välillä.

Maa-aalto (pinta-aalto)

Radioaaltoja voidaan lähettää myös maan pinnan kaarevuutta pitkin maa-aallon muodossa. AM-radioaallot kulkevat tällä tavoin lyhyillä tai keskipitkillä etäisyyksillä, minkä vuoksi radiosignaaleja voi kuulla silloinkin, kun näköetäisyydelläsi ei ole lähetintä ja vastaanotinta.

Ionosfääri (taivaanaalto)

Viimeiseksi voit lähettää radioaaltoja myös suoraan taivaalle, jolloin ne päätyvät kimpoamaan maan ionosfääriin, joka on sähköisesti varautunut ilmakehän osa. Kun teet näin, radioaallot osuvat ionosfääriin, kimpoavat takaisin maahan ja kimpoavat taas ylös. Tämä on aallon peilausprosessi, jossa aalto kimpoaa edestakaisin lopulliseen määränpäähänsä.

Tässä vaiheessa olemme koonneet useita asioita radioaalloista, nimittäin sen, että ne kulkevat hyvin tarkoin määritellyillä taajuuksilla, ne kommunikoivat sekä lähettimen että vastaanottimen kanssa ja ne voivat kulkea eri tavoin maapallon halki. Mutta kun kaikki erilaiset radiotaajuudet leijuvat ympäriinsä, miten älypuhelimesi tai autoradiosi tietää, mitä tiettyä taajuutta vastaanottaa ja mitkä jättää huomiotta? Tässä kohtaa antennit astuvat kuvaan.

Kaikki on kiinni antenneista

Antenneja on monenmuotoisia ja -kokoisia, mutta ne on kaikki suunniteltu samaan tarkoitukseen – vastaanottamaan hyvin tiettyä radioaaltotaajuutta. Löydät erilaisia antenneja FM-radiosta työntyvistä pitkistä metallilangoista johonkin pyöreämpään, kuten satelliittiantenniin, tai jopa tiukasti viritettyyn kuparinpalaseen piirilevyllä. Lähettimissä antenneja käytetään radioaaltojen lähettämiseen, ja vastaanottimissa niitä käytetään radiotaajuuksien vastaanottamiseen. Kaikilla antenneilla on kolme erillistä ominaisuutta, joiden mukaan niitä mitataan:

• Suunta. Joidenkin antennityyppien, kuten dipolin, antenni on asennettava oikeaan suuntaan, radioaaltojen lähetyssuuntaan päin. Joitakin antennityyppejä, kuten FM-radiossa olevia antenneja, ei tarvitse suunnata tiettyyn suuntaan, vaan ne voivat ottaa vastaan radioaaltosignaaleja mistä tahansa kulmasta.
• Vahvistus. Antennin vahvistus kuvaa, kuinka paljon se vahvistaa signaalia. Jos esimerkiksi laitat vanhan analogisen television päälle, saat todennäköisesti edelleen kuvan, vain epätarkan. Tämä johtuu siitä, että television metallikotelo ja komponentit toimivat antennina. Kytke kuitenkin varsinainen suunta-antenni, niin voit vahvistaa signaalia ja saada paremman kuvan. Mitä suurempi vahvistus on desibeleinä (dB) mitattuna, sitä paremman vastaanoton saat.
• Kaistanleveys. Lopuksi, antennin kaistanleveys on sen tietty käyttökelpoisten taajuuksien alue. Mitä suurempi kaistanleveys, sitä enemmän radioaaltoja se voi vastaanottaa. Tämä on ihanteellista televisioille, koska ne voivat saada enemmän kanavia. Mutta älypuhelimen kaltaisissa laitteissa, jotka tarvitsevat vain tietyn radioaallon, täysi kaistanleveys ei ole yhtä tarpeellinen.

Aika soittaa kotiin

Radioaaltoja on kaikkialla! Kuvittele, jos voisit nähdä ne omin silmin. Sinulla olisi radioaaltoja kaikkialla, ne säteilevät reitittimestäsi, matkapuhelimestasi ja kaikkialla ympärilläsi naapurisi langattomasta elektroniikasta. Radioaallot ovat todellakin muokanneet nykyaikaista elämäämme enemmän kuin mikään muu, ja ilman niitä emme koskaan pääsisi nauttimaan sellaisista hyödyllisistä keksinnöistä kuin GPS, WiFi, Bluetooth ja monet muut. Mutta radio ulottuu paljon fyysisen, maallisen olemassaolomme ulkopuolelle. Joitakin tunnetun maailmankaikkeutemme kaukaisimpia alueita on tutkittu radioastronomian avulla kvasaarien, molekyylien ja muiden galaksien löytämiseksi!

Valmiina soittamaan kotiin ja aloittamaan ikioman langattoman elektroniikkaprojektisi? Kokeile Autodesk EAGLEa ilmaiseksi jo tänään.