Vezeték nélküli alapismeretek: Hogyan működnek a rádióhullámok

Vezeték nélküli alapismeretek: Hogyan működnek a rádióhullámok

Meg tudod számolni, hány eszközt használsz naponta a rádióhullámoknak köszönhetően? Kicsit megdöbbentő lehet belegondolni, hogy milyen hatással van az életünkre ennek a technológiának a használata. Az okostelefonoktól a laptopokig, a GPS-től a bébimonitorokig és még sorolhatnánk, az elektromágneses energiának ezt a formáját elképesztő dolgok létrehozására használjuk fel. De miközben minden nap használjuk ezeket az eszközöket, vajon valóban értjük-e, hogyan működnek?

Ez az a pont, ahol a Vezeték nélküli elektronika alapjai sorozatunk segít megérteni a vezeték nélküli világunk alapjait, és remélhetőleg eloszlatni néhány rejtélyt az út során.

A vezeték nélküli világ széles világa

Még mielőtt belemerülnénk a rádióhullámokat körülvevő tudományba, némi igazságot kell szolgáltatnunk ennek a témának azzal, hogy bemutatjuk, milyen nagy hatással vannak a rádióhullámok mindennapi életünkre. Kezdjük egy átlagos nappal, és talán az okostelefonodnak köszönhetően az ébresztőóra nem éppen megnyugtató hangjára ébredsz. A rádióhullámoknak köszönheti a kora reggeli ébresztést.

Amint leülsz a reggelihez, talán bekapcsolod a rádiót vagy a tévét, hogy meghallgasd, mi történik kint a világban. Hogyan jutnak el hozzád ezek az audio- és videoinformációk? Megint csak rádióhullámokkal. És amikor munkába indulni készülsz, talán szereted ellenőrizni a forgalmat, és megtervezni a leghatékonyabb útvonalat, ezért használod az autód műszerfalán lévő GPS-t. Még több rádióhullám.

A reggeli ingázás közben talán szívesen bekapcsolja kedvenc reggeli talkshow-ját. A rádióállomás, amelyhez csatlakozik, egy a sok különleges rádióhullám frekvencia közül, amelyet a nap minden órájában sugároznak. Amikor beérsz a munkahelyedre, talán leülsz a számítógép elé, és vezeték nélkül csatlakozol a világhálóra. Feltöltöd a Google-dokumentumokat, a weboldalakat és az e-maileket, mindezt rádióhullámok segítségével, hogy vezeték nélkül csatlakozz az internethez a WiFi-n keresztül.

Nézd, a rádióhullámokat sokkal több dologban használják, mint a négyzet alakú dobozokban, amelyeket a zenelejátszáshoz és a talk show-k meghallgatásához használunk. A modern vezeték nélküli kommunikáció a hagyományos rádiókon belüli egyszerű kialakításra épül, lehetővé téve számunkra, hogy az emberiséget a világ minden táján összekapcsoljuk információkkal, videóval, hanggal, adatokkal és még sok mással. De hogy mennyire elterjedt a rádióhullámok mai használata, hogyan is működnek pontosan, és mi is az a rádióhullám? Vizsgáljuk meg.

Hanging Out with Electromagnetics

A rádióhullámok csak egy hullámtípus az úgynevezett elektromágneses spektrumban, amely különféle hullámokból áll, amelyek mindegyike meghatározott funkciót szolgál, mint például az infravörös, a röntgen- és a gammasugárzás, valamint a rádió. Mindezek a hullámok képesek dacolni a fizikai korlátokkal, és fénysebességgel száguldanak át az űr vákuumán.

A spektrum szerveződését két mérőszám, a frekvencia és a hullámhossz alapján kategorizáljuk. Ezek felosztása a következő:

• Frekvencia. Ez alapvetően azt jelenti, hogy egy adott ponton másodpercenként hány elektromágneses hullám halad át. Ezt úgy mérhetjük, hogy megszámoljuk az egyes hullámok csúcspontjait (a hullám legmagasabb pontját), ami egy Hertz-ben megadott értéket ad.
• Hullámhossz. Ez a hullám két legmagasabb pontja között mérhető tényleges távolság, vagyis a periódus. A hullámhossz egyes hullámok esetében rövidebb lehet, mint egy atom mérete, és hosszabb, mint az egész bolygónk átmérője!

Az elektromágneses spektrumban a rádióhullámok rendelkeznek a legnagyobb hullámhosszal és a legkisebb frekvenciával is, ami lassúvá és egyenletessé teszi őket, a hosszútávfutók közé sorolja őket. Amikor azonban minden irányból FM és AM rádióhullámokkal, mobiltelefon-jelekkel, WiFi jelekkel és egyebekkel bombáznak minket, vajon mindezeknek a jeleknek meg kellene-e osztaniuk ugyanazt a teret? Ezt úgy teszik, hogy a rádióhullámok spektrumának meghatározott sávjain osztoznak, és ezek közé tartoznak a következők:

Név	Abbreviáció	Frekvencia	Hullámhossz
Extrém alacsony…frekvencia	ELF	3-30 Hz	105-104 km
Szuper alacsony frekvencia	SLEF	30-300 Hz	104-103 km
Ultra alacsony-frekvencia	ULF	300-3000 Hz	103-100 km
Nagyon alacsony frekvencia	VLF	3-30 kHz	100-10 km
Low-frekvencia	LF	30-300 kHz	10-1 km
közepes frekvencia	MF	300 kHz – 3 MHz	1 km – 100 m
magas-frekvencia	HAF	3-30 MHz	100-10 m
Nagyon nagyfrekvenciás	VHF	30-300 MHz	10-1 m
Ultra nagyfrekvenciás
Ultra magasfrekvencia	UHF	300 MHz – 3 GHz	1 m – 10 cm
Supernagyfrekvenciásfrekvencia	SHF	3-30 GHz	10-1 cm
Extrémen magas frekvenciájúfrekvencia	EHF	30-300 GHz	1 cm – 1 mm
Rendkívül nagyfrekvenciás	THF	300 GHz – 3 THz	1 mm – 0.1 mm

Az ultranagyfrekvenciás (UHF) sáv 300 megahertz (MHz) és 3 gigahertz (GHz) közötti frekvenciával rendelkezik. Az UHF-sávot olyan speciális technológiákhoz használják, mint a WiFi, a Bluetooth, a GPS, a walkie-talkie és más technológiák. A másik oldalon a 3-30 hertzes tartományban található a nagyon alacsony frekvencia (VLF), és ez a sáv kizárólag a kormányzati rádióállomások, a biztonságos katonai kommunikáció és a tengeralattjárók számára van fenntartva. Az Egyesült Államok évente közzéteszi a rádióspektrum frekvenciakiosztási táblázatát, amely megmutatja, hogy ezeket a rádiószolgáltatásokat frekvenciánként hogyan osztják el.

Beépített kommunikáció

Most azon tűnődhet, hogy pontosan hogyan jutnak el ezek a rádióhullámok az adott frekvenciákon egyik helyről a másikra? Az a varázslat, hogy az okostelefonodon keresztül a világ másik felén beszélhetsz valakivel, néhány nagyon egyszerű alapelvre vezethető vissza. Minden rádió, legyen szó hagyományos AM/FM rádióról vagy egy okostelefonban található rádióról, ugyanazt az alapvető módszert használja az információ továbbítására egy adó és egy vevő segítségével.

Az adó, ahogy a neve is mutatja, szinuszhullám formájában továbbítja az információt a levegőben. Ez a hullám repül a levegőben, és végül elkapja egy vevő, amely dekódolja a szinuszhullámban lévő információt, hogy kivonja belőle a kívánt anyagot, például zenét, emberi hangot vagy más adatot.

Az érdekes az, hogy a szinuszhullám önmagában nem tartalmaz semmilyen adatot, amire szükségünk van, ez lényegében egy üres jel. Ezért kell fognunk ezt a szinuszhullámot, és modulálnunk kell, ami egy újabb réteg hasznos információ hozzáadásának folyamata. A modulációnak három módja van, többek között:

• Impulzusmoduláció. Ennél a módszernél egy szinuszhullámot kapcsol be és ki, amely a jel bitjeit különálló darabokban küldi. Hallottál már a vészjelzések küldésére szolgáló Morse-kódról? Ez impulzusmodulációt használ.
• Amplitúdó moduláció. Ezt a módszert használják mind az AM rádióállomások, mind a régi analóg TV-jelek. Itt egy szinuszhullámot egy másik információs hullámmal, például egy személy hangjával fednek fel. Egy másik információs réteg beágyazása ebbe a hullámba az eredeti szinuszhullám amplitúdójának ingadozását hozza létre, ami statikus zajt hozhat létre.

• Frekvenciamoduláció. Ezt a módszert használják az FM rádióállomások és gyakorlatilag minden más vezeték nélküli technológia. Az amplitúdómodulációval ellentétben, amely jelentős ingadozásokat hoz létre a szinuszhullámban, a frekvenciamoduláció csak nagyon kis mértékben változtatja meg a szinuszhullámot, aminek további előnye, hogy kevesebb statikus zavart eredményez.

Mihelyt az összes ilyen modulált szinuszhullámot egy adón keresztül elküldjük, és egy vevő fogadja, az általunk beágyazott információhullámot kivonjuk, lehetővé téve számunkra, hogy tetszésünk szerint bánjunk vele, például hangként játsszuk le egy hangszórón keresztül, vagy videóként nézzük meg egy televízió képernyőjén.

A és B között

A modulációról, adókról és vevőkről szóló fenti magyarázataink alapján azt gondolhatnánk, hogy egy rádióhullám elküldése egy egyszerű folyamat, amelynek során A pontból B pontba utazunk, de ez nem mindig van így. A hullámok nem mindig repülnek a vékony levegőn keresztül egyenesen az adótól a vevőig, és az, hogy hogyan terjednek, végső soron attól függ, hogy milyen hullámfrekvenciát akarsz küldeni, és mikor. Ez az utazás háromféleképpen történhet:

Látóvonal (térhullám)

Ezzel az utazási móddal a rádióhullámok egyszerű fénysugárként jutnak el A pontból B pontba. Ezt a módszert gyakran használták a régimódi telefonhálózatokban, ahol a hívásokat nagy távolságon keresztül kellett továbbítani két hatalmas kommunikációs torony között.

Földhullám (felszíni hullám)

A rádióhullámokat a földfelszín görbülete mentén is lehet küldeni földhullám formájában. Az AM rádióhullámok rövid és közepes távolságokon ilyen módon terjednek, ezért a rádiójeleket akkor is lehet hallani, ha nincs adó és vevő a látóterünkben.

Ionoszféra (Égi hullám)

Végül rádióhullámokat küldhetsz egyenesen az égbe is, amelyek végül visszaverődnek a Föld ionoszférájáról, amely a légkör elektromosan töltött része. Ilyenkor a rádióhullámok az ionoszférába csapódnak, visszapattannak a Földre, majd újra visszapattannak a magasba. Ez a folyamat a hullámok tükrözése, oda-vissza pattogása a végső célállomásig.

Ezzel a ponttal több dolgot is összegyűjtöttünk a rádióhullámokról, nevezetesen, hogy nagyon meghatározott frekvencián terjednek, egy adóval és egy vevővel kommunikálnak, és többféle módon tudnak utazni a Földön. De a rengeteg különböző rádiófrekvencia között hogyan tudja az okostelefonod vagy az autórádiód, hogy melyik adott frekvenciát fogadja, és melyiket hagyd figyelmen kívül? Itt jönnek a képbe az antennák.

Az antennákról szól

Az antennáknak rengeteg különböző formája és mérete van, de mindegyiket ugyanarra a célra tervezték – egy nagyon speciális rádióhullám-frekvencia vételére. Az FM-rádióból kilógó hosszú fémhuzaloktól kezdve az olyan kerekebb antennákig, mint egy parabolaantenna, vagy akár egy szorosan egymáshoz simuló rézdarab a nyomtatott áramköri lapon. Az adókban az antennákat rádióhullámok küldésére használják, a vevőkben pedig a rádiófrekvencia felvételére. Az antennák mindegyike három különböző tulajdonsággal rendelkezik, amelyek alapján mérik őket, többek között:

• Irány. Egyes antennatípusok, például a dipólus esetében az antennát a megfelelő irányban kell felszerelni, a rádióhullámok átvitelének irányával szemben. Egyes antennatípusok, például az FM-rádióban találhatóak, nem kell meghatározott irányba tájolni, és bármilyen szögből képesek a rádióhullámok jeleit befogni.
• Erősítés. Az antenna erősítése azt írja le, hogy mennyire erősíti fel a jelet. Ha például bekapcsolsz egy régi analóg tévét, akkor valószínűleg még mindig lesz kép, csak homályos. Ez azért van, mert a tévé fémháza és alkatrészei antennaként működnek. Ha azonban egy valódi irányított antennát csatlakoztat, akkor képes lesz felerősíteni a jelet, és jobb képet fog kapni. Minél nagyobb az erősítés, decibelben (dB) mérve, annál jobb a vétel.
• Sávszélesség. Végül egy antenna sávszélessége a hasznos frekvenciák adott tartománya. Minél nagyobb a sávszélesség, annál több rádióhullámot képes befogni. Ez ideális a televíziók számára, mivel így több csatornát tudnak fogni. De az olyan dolgoknál, mint az okostelefon, amelyeknek csak egy bizonyos rádióhullámra van szükségük, a teljes sávszélesség nem annyira szükséges.

Idő hazatelefonálni

Rádióhullámok mindenütt vannak! Képzeld el, ha a saját szemeddel láthatnád őket. Mindenhol rádióhullámok sugároznának a routeredből, a mobiltelefonodból és körülötted a szomszédod vezeték nélküli elektronikájából. A rádióhullámok valóban úgy alakították modern életünket, mint semmi más, és nélkülük soha nem élvezhetnénk olyan hasznos találmányokat, mint a GPS, a WiFi, a Bluetooth és még sok más. A rádiózás azonban messze túlmutat fizikai, földi létünkön. Ismert világegyetemünk néhány legtávolabbi területét is felfedeztük a rádiócsillagászat segítségével, hogy kvazárokat, molekulákat és más galaxisokat fedezzünk fel!

Készen állsz arra, hogy hazatelefonálj, és belevágj a saját vezeték nélküli elektronikai projektedbe? Próbálja ki az Autodesk EAGLE-t még ma ingyenesen.