Bezprzewodowe podstawy: Jak działają fale radiowe

Bezprzewodowe podstawy: Jak działają fale radiowe

Czy potrafisz policzyć, z ilu urządzeń korzystasz każdego dnia dzięki falom radiowym? Myślenie o tym, jak duży wpływ na nasze życie ma wykorzystanie tej technologii, może być nieco przytłaczające. Od smartfonów do laptopów, GPS do baby monitorów i więcej, przyszliśmy do wykorzystania tej formy energii elektromagnetycznej, aby stworzyć kilka niesamowitych rzeczy. Ale podczas gdy używamy tych urządzeń każdego dnia, czy naprawdę rozumiemy jak one działają?

To właśnie tutaj nasza seria Bezprzewodowe Podstawy Elektroniki pomoże ci zrozumieć podstawy naszego bezprzewodowego świata i miejmy nadzieję, rozwieje niektóre tajemnice po drodze.

Szeroki świat sieci bezprzewodowych

Zanim jeszcze zagłębimy się w jakąkolwiek naukę związaną z falami radiowymi, musimy oddać temu tematowi trochę sprawiedliwości pokazując jak bardzo fale radiowe wpłynęły na nasze codzienne życie. Zacznijmy od przeciętnego dnia, w którym być może budzisz się przy nie tak kojącym dźwięku budzika dzięki swojemu smartfonowi. Możesz podziękować falom radiowym za poranny wstrząs.

Kiedy siadasz do porannego śniadania, być może włączasz radio lub telewizor, aby posłuchać, co dzieje się na świecie. Jak te kawałki informacji audio i wideo docierają do Ciebie? Znowu za pomocą fal radiowych. A kiedy szykujesz się do wyjścia do pracy, może chcesz sprawdzić natężenie ruchu i zaplanować najbardziej efektywną trasę, więc korzystasz z GPS na desce rozdzielczej swojego samochodu. Więcej fal radiowych.

Podczas porannego dojazdu do pracy, możesz chcieć włączyć swój ulubiony poranny talk show. Stacja radiowa, do której się podłączasz, jest jedną z wielu określonych częstotliwości fal radiowych nadawanych o każdej porze dnia. Kiedy dotrzesz do pracy, być może usiądziesz przed komputerem i połączysz się bezprzewodowo z internetem. Ładujesz swoje dokumenty Google, strony internetowe i pocztę elektroniczną, wszystkie za pomocą fal radiowych, aby połączyć się bezprzewodowo z Internetem przez WiFi.

Widzisz, fale radiowe są używane w wielu innych rzeczach niż kwadratowe pudełka, których używamy do odtwarzania muzyki i słuchania talk show. Nowoczesna komunikacja bezprzewodowa opiera się na prostym projekcie wewnątrz konwencjonalnego radia, pozwalając nam łączyć ludzkość na całym świecie za pomocą informacji, wideo, audio, danych i wielu innych. Ale jak powszechne są fale radiowe w ich dzisiejszym użyciu, jak dokładnie one działają i czym jest fala radiowa? Let’s explore.

Hanging Out with Electromagnetics

Fale radiowe są ale jeden rodzaj fali w co nazywa się spektrum elektromagnetyczne, który składa się z różnych fal, które wszystkie służyć konkretnej funkcji, jak podczerwień, rentgenowskie, promieni gamma i radio. Wszystkie te fale są w stanie pokonać bariery fizyczne, przemierzając próżnię kosmiczną z prędkością światła.

Organizacja tego widma jest skategoryzowana przez dwa pomiary, częstotliwość i długość fali. Oto jak one podział:

• Częstotliwość. Jest to w zasadzie, jak wiele fal elektromagnetycznych będzie przechodzić przez dany punkt w każdej sekundzie. Można to zmierzyć licząc wierzchołki każdej fali (najwyższy punkt fali), co daje wartość w hercach.
• Długość fali. Jest to rzeczywista odległość, którą można zmierzyć między dwoma najwyższymi punktami fali, czyli okres. Długość fali może być krótsza niż rozmiar atomu w przypadku niektórych fal, a dłuższa niż średnica całej naszej planety!

Na tym spektrum elektromagnetycznym fale radiowe mają zarówno najdłuższe fale, jak i najniższe częstotliwości, co czyni je powolnymi i stałymi, długodystansowymi biegaczami z grupy. Jednak, gdy jesteśmy bombardowani ze wszystkich kierunków z FM i AM fale radiowe, sygnały telefonów komórkowych, sygnały WiFi, i więcej, może wszystkie te sygnały mają dzielić tę samą przestrzeń? Robią to poprzez dzielenie konkretnych pasm w widmie fal radiowych, a te obejmują:

Nazwa	Krótki skrót	Częstotliwość	Długość fali
Extremalnie niska-.częstotliwość	ELF	3-30 Hz	105-104 km
Super low-frequency	SLEF	30-300 Hz	104-103 km
Ultra low-Częstotliwość	ULF	300-3000 Hz	103-100 km
Bardzo niska częstotliwość	VLF	3-30 kHz	100-10 km
Low-Częstotliwość	LF	30-300 kHz	10-1 km
Średnia częstotliwość	MF	300 kHz – 3 MHz	1 km – 100 m
Wysoka-Częstotliwość	HAF	3-30 MHz	100-10 m
Bardzo wysoka częstotliwość	VHF	30-300 MHz	10-1 m
Ultra wysokaczęstotliwości	UHF	300 MHz – 3 GHz	1 m – 10 cm
Super wysokaczęstotliwości	SHF	3-30 GHz	10-1 cm
Extremalnie wysokaczęstotliwości	EHF	30-300 GHz	1 cm – 1 mm
Tremalnie wysoka częstotliwość	THF	300 GHz – 3 THz	1 mm – 0.1 mm

Pasmo ultra wysokiej częstotliwości (UHF) ma częstotliwość od 300 megaherców (MHz) do 3 gigaherców (GHz). Znajdziesz UHF pasmo używane do konkretnych technologii, takich jak WiFi, Bluetooth, GPS, walkie-talkies, i więcej. Po przeciwnej stronie, znajdziesz bardzo niskiej częstotliwości (VLF) w zakresie 3 – 30 herców i to pasmo jest zarezerwowane wyłącznie dla rządowych stacji radiowych, bezpiecznej komunikacji wojskowej i łodzi podwodnych. Stany Zjednoczone publikują roczny wykres alokacji częstotliwości widma radiowego, który pokazuje, jak wszystkie te usługi radiowe są przydzielane na częstotliwość.

Komunikacja wbudowana

Teraz możesz się zastanawiać, jak dokładnie te fale radiowe w ich poszczególnych częstotliwościach dostają się z miejsca na miejsce? Magia bycia w stanie rozmawiać z kimś na swoim smartfonie w połowie drogi dookoła świata sprowadza się do kilku bardzo prostych zasad. Każde radio, czy to tradycyjne radio AM/FM, czy radio znajdujące się w smartfonie, wykorzystuje tę samą podstawową metodę przekazywania informacji za pomocą zarówno nadajnika, jak i odbiornika.

Nadajnik, jak sama nazwa wskazuje, przekazuje informacje w powietrzu w postaci fali sinusoidalnej. Ta fala leci przez powietrze, w końcu jest złapany przez odbiornik, który dekoduje informacje w ramach fali sinusoidalnej, aby wydobyć rzeczy, które chcemy, jak muzyka, ludzki głos, lub inny bit danych.

Co ciekawe, sama sinusoida nie zawiera żadnych danych, które są nam potrzebne, jest to w zasadzie pusty sygnał. Dlatego właśnie musimy wziąć tę sinusoidę i zmodulować ją, co jest procesem dodawania kolejnej warstwy użytecznych informacji. Istnieją trzy metody modulacji, w tym:

• Modulacja impulsowa. W tej metodzie, jesteś włączanie i wyłączanie fali sinusoidalnej, która będzie wysyłać bity sygnału w oddzielnych kawałkach. Słyszałeś kiedyś o alfabecie Morse’a do wysyłania sygnałów w niebezpieczeństwie? Używa on modulacji impulsowej.
• Modulacja amplitudy. Ta metoda jest używana zarówno w stacjach radiowych AM i tych starych analogowych sygnałów telewizyjnych. Tutaj, fala sinusoidalna jest nakładana na inną falę informacji, jak głos osoby. Osadzenie kolejnej warstwy informacji w tej fali stworzy fluktuacje w amplitudzie oryginalnej fali sinusoidalnej, która może tworzyć zakłócenia statyczne.

• Modulacja częstotliwości. Ta metoda jest używana przez stacje radiowe FM i praktycznie każdą inną technologię bezprzewodową. W przeciwieństwie do modulacji amplitudy, która tworzy pewne znaczące wahania w fali sinusoidalnej, modulacja częstotliwości zmienia falę sinusoidalną w bardzo niewielkim stopniu, co ma dodatkową korzyść w postaci mniejszej ilości zakłóceń statycznych.

Gdy wszystkie te modulowane fale sinusoidalne są wysyłane przez nadajnik i odbierane przez odbiornik, fala informacji, którą osadziliśmy zostaje wyodrębniona, pozwalając nam zrobić z nią co chcemy, jak odtwarzać ją jako dźwięk przez głośnik, lub oglądać ją jako wideo na ekranie telewizora.

Gdzieś pomiędzy A i B

W naszych wyjaśnieniach powyżej o modulacji, nadajnikach i odbiornikach, można by pomyśleć, że wysyłanie fali radiowej jest prostym procesem podróży z punktu A do punktu B, ale nie zawsze tak jest. Fale nie zawsze przelatują przez cienkie powietrze prosto z nadajnika do odbiornika, a sposób ich przemieszczania się ostatecznie zależy od tego, jaki rodzaj częstotliwości fali chcesz wysłać i kiedy. Istnieją trzy sposoby tej podróży, w tym:

Linia widzenia (fala kosmiczna)

W przypadku tej metody podróży, fale radiowe są wysyłane jako prosta wiązka światła z punktu A do punktu B. Ta metoda była powszechnie stosowana w staroświeckich sieciach telefonicznych, które musiały przekazywać połączenia na dużą odległość między dwiema masywnymi wieżami komunikacyjnymi.

Fala naziemna (Surface Wave)

Możesz również wysyłać fale radiowe wzdłuż krzywizny powierzchni ziemi w postaci fali naziemnej. Fale radiowe AM przemieszczają się w ten sposób na krótkie i średnie odległości, dlatego można nadal słyszeć sygnały radiowe, nawet jeśli w linii wzroku nie ma nadajnika ani odbiornika.

Jonosfera (fala podniebna)

Ostatnio, możesz również wysłać fale radiowe prosto w niebo, co kończy się odbiciem od ziemskiej jonosfery, która jest elektrycznie naładowaną częścią atmosfery. Kiedy to zrobisz, fale radiowe uderzą w jonosferę, odbiją się od niej w dół, na ziemię, a następnie ponownie w górę. Jest to proces odzwierciedlania fali, odbijania jej tam i z powrotem do miejsca docelowego.

W tym momencie zebraliśmy kilka rzeczy o falach radiowych, a mianowicie, że podróżują one na bardzo określonych częstotliwościach, komunikują się zarówno z nadajnikiem, jak i odbiornikiem, i mogą podróżować na różne sposoby po Ziemi. Ale z wszystkich różnych częstotliwości radiowych pływających o, jak twój smartfon lub radio samochodowe wiedzieć, które konkretne częstotliwości odbierać, a które ignorować? To właśnie tam anteny wchodzą do gry.

It’s All About Antennas

Anteny występują w mnóstwie różnych kształtów i rozmiarów, ale wszystkie są zaprojektowane w tym samym celu – aby odebrać bardzo specyficzną częstotliwość fal radiowych. Znajdziesz anteny od długich metalowych drutów wystających z radia FM do czegoś bardziej okrągłego, jak antena satelitarna, lub nawet ściśle zestrojony kawałek miedzi na płytce PCB. W nadajniku, anteny są używane do wysyłania fal radiowych, a w odbiornikach, będą one używane do odbioru na częstotliwości radiowej. Anteny wszystkie mają trzy różne cechy, że są one mierzone przez, w tym:

• Kierunek. Dla niektórych typów anten, takich jak dipol, antena musi być zamontowana w odpowiednim kierunku, skierowana w kierunku transmisji fal radiowych. Niektóre typy anten, takie jak te, które można znaleźć w radiu FM, nie muszą być zorientowane w określonym kierunku i mogą przechwytywać sygnały fal radiowych pod dowolnym kątem.
• Wzmocnienie. Zysk anteny opisuje, jak bardzo będzie ona wzmacniać sygnał. Na przykład, jeśli włączysz stary telewizor analogowy, to nadal prawdopodobnie otrzymasz obraz, tylko niewyraźny. To dlatego, że metalowa obudowa i elementy w telewizorze działają jak antena. Ale podłącz rzeczywistą antenę kierunkową w, i będzie w stanie zwiększyć sygnał, i uzyskać lepszy obraz. Im większy zysk, mierzony w decybelach (dB), tym lepszy odbiór uzyskasz.
• Szerokość pasma. Wreszcie, szerokość pasma anteny jest jego szczególny zakres użytecznych częstotliwości. Im wyższa szerokość pasma, tym więcej fal radiowych, które może odebrać. Jest to idealne rozwiązanie dla telewizorów, ponieważ pozwala im uzyskać więcej kanałów. Ale dla rzeczy takich jak smartfon, które potrzebują tylko określonej fali radiowej, pełna szerokość pasma nie jest tak konieczna.

Czas na telefon do domu

Fale radiowe są wszędzie! Wyobraź sobie, że możesz je zobaczyć na własne oczy. Miałbyś fale radiowe wszędzie, bijące z twojego routera, z twojego telefonu komórkowego i wszędzie wokół ciebie z bezprzewodowej elektroniki twojego sąsiada. Fale radiowe rzeczywiście ukształtowały nasze współczesne życie jak nic innego, a bez nich nigdy nie moglibyśmy cieszyć się takimi użytecznymi wynalazkami jak GPS, WiFi, Bluetooth i inne. Ale radio wykracza daleko poza naszą fizyczną, ziemską egzystencję. Niektóre z najdalszych zakątków znanego nam wszechświata zostały zbadane za pomocą radioastronomii w celu odkrycia kwazarów, cząsteczek i innych galaktyk!

Czy jesteś gotowy, aby zadzwonić do domu i rozpocząć swój własny projekt elektroniki bezprzewodowej? Wypróbuj Autodesk EAGLE za darmo już dziś.