Trådlösa grunder: Hur radiovågor fungerar

Trådlösa grunder: Hur radiovågor fungerar

Kan du räkna hur många enheter du använder varje dag tack vare radiovågor? Det kan vara lite överväldigande att tänka på hur våra liv påverkas av användningen av denna teknik. Från smartphones till bärbara datorer, GPS till babyvakter och mycket mer, vi har kommit att utnyttja denna form av elektromagnetisk energi för att skapa fantastiska saker. Men även om vi använder dessa enheter varje dag, förstår vi verkligen hur de fungerar?

Det är där vår serie Wireless Electronic Basics kommer att hjälpa dig att förstå grunderna för vår trådlösa värld, och förhoppningsvis skingra några mysterier på vägen.

Den trådlösa världens stora värld

Innan vi ens dyker ner i vetenskapen kring radiovågor måste vi ge ämnet lite rättvisa genom att visa hur mycket radiovågorna har påverkat vår vardag. Låt oss börja med en vanlig dag, och kanske vaknar du till det inte så lugnande ljudet av en väckarklocka tack vare din smartphone. Du kan tacka radiovågorna för den tidiga morgonryckningen.

När du sätter dig ner för din morgonfrukost kanske du sätter på radion eller tv:n för att lyssna på vad som händer ute i världen. Hur kommer dessa bitar av ljud- och videoinformation till dig? Med radiovågor ännu en gång. Och när du gör dig redo att åka till jobbet kanske du vill kolla trafiken och planera den mest effektiva rutten, så du använder GPS:en på din bils instrumentbräda. Mer radiovågor.

Under din pendling på morgonen kanske du vill lyssna på din favoritsändning på morgonen. Den radiostation som du kopplar in är en av många specifika radiovågsfrekvenser som sänds under dygnets alla timmar. När du kommer till jobbet kanske du sätter dig framför en dator och ansluter dig trådlöst till World Wide Web. Du laddar upp dina Google-dokument, webbplatser och e-post, som alla använder radiovågor för att ansluta trådlöst till internet via WiFi.

Du förstår, radiovågor används i många fler saker än de fyrkantiga lådor som vi använder för att spela musik och lyssna på pratshower. Modern trådlös kommunikation bygger på en enkel konstruktion inuti den konventionella radion, vilket gör att vi kan ansluta mänskligheten över hela världen med information, video, ljud, data och en hel del annat. Men för hur utbredda radiovågor är i sin användning idag, hur exakt fungerar de och vad är en radiovåg? Låt oss utforska detta.

Häng med elektromagnetiken

Radiovågor är bara en typ av våg i det som kallas det elektromagnetiska spektrumet, som består av en mängd olika vågor som alla fyller en specifik funktion, som infraröd, röntgen, gammastrålar och radio. Alla dessa vågor lyckas trotsa fysiska barriärer och rusar genom rymdens vakuum med ljusets hastighet.

Organisationen av detta spektrum kategoriseras av två mått, frekvens och våglängd. Här är hur de delas upp:

• Frekvens. Detta är i princip hur många elektromagnetiska vågor som passerar genom en viss punkt varje sekund. Du kan mäta detta genom att räkna topparna i varje våg (den högsta punkten i vågen), vilket ger ett värde i Hertz.
• Våglängd. Detta är det faktiska avståndet som du kan mäta mellan två av de högsta punkterna i en våg, eller perioden. Våglängder kan vara kortare än storleken på en atom för vissa vågor, och längre än diametern på hela vår planet!

I detta elektromagnetiska spektrum har radiovågorna både de längsta våglängderna och de lägsta frekvenserna, vilket gör att de är långsamma och stabila, långdistanslöparna av alla. Men när vi bombarderas från alla håll med FM- och AM-radiovågor, mobiltelefonsignaler, WiFi-signaler med mera, kan alla dessa signaler antas dela samma utrymme? Det gör de genom att dela specifika band i radiovågsspektrumet, och dessa inkluderar:

Namn	Förkortning	Frekvens	Våglängd
Extremt låg-frekvens	ELF	3-30 Hz	105-104 km
Superlåg frekvens	SLEF	30-300 Hz	104-103 km
Ultra låg-frekvens	ULF	300-3000 Hz	103-100 km
Very low-frequency	VLF	3-30 kHz	100-10 km
Låg-frekvens	LF	30-300 kHz	10-1 km
Medelfrekvens	MF	300 kHz – 3 MHz	1 km – 100 m
Hög-frekvens	HAF	3-30 MHz	100-10 m
Very high frequency	VHF	30-300 MHz	10-1 m
Ultra high-frekvens	UHF	300 MHz – 3 GHz	1 m – 10 cm
Superhögfrekventafrekvens	SHF	3-30 GHz	10-1 cm
Extremt högfrekventfrekvens	EHF	30-300 GHz	1 cm – 1 mm
Tremendously high-frequency	THF	300 GHz – 3 THz	1 mm – 0.1 mm

Utramet för ultrahögfrekventa frekvenser (UHF) har en frekvens mellan 300 megahertz (MHz) och 3 gigahertz (GHz). UHF-bandet används för specifika tekniker som WiFi, Bluetooth, GPS, walkie-talkies med mera. Å andra sidan finns det mycket låga frekvenser (VLF) i intervallet 3-30 hertz och detta band är uteslutande reserverat för statliga radiostationer, säker militär kommunikation och ubåtar. USA publicerar årligen ett diagram över radiospektrumets frekvenstilldelning som visar hur alla dessa radiotjänster fördelas per frekvens.

Inbäddad kommunikation

Nu kanske du undrar hur exakt dessa radiovågor i sina särskilda frekvenser kommer från plats till plats? Magin i att kunna prata med någon på din smartphone på andra sidan jordklotet kokar ner till några mycket enkla principer. Varje radio, oavsett om det är en traditionell AM/FM-radio eller en radio som finns i en smartphone, använder alla samma grundläggande metod för att överföra information med hjälp av både en sändare och en mottagare.

En sändare, som namnet antyder, överför information genom luften i form av en sinusvåg. Denna våg flyger genom luften och fångas så småningom upp av en mottagare, som avkodar informationen i sinusvågen för att utvinna det vi vill ha, som musik, en mänsklig röst eller någon annan bit data.

Det intressanta är att en sinusvåg i sig själv inte innehåller någon av de data som vi behöver, den är i princip en tom signal. Det är därför vi måste ta denna sinusvåg och modulera den, vilket är processen att lägga till ytterligare ett lager användbar information. Det finns tre metoder för modulering, bland annat:

• Pulsmodulering. I den här metoden slår du på och av en sinusvåg, vilket skickar bitar av en signal i separata bitar. Har du någonsin hört talas om morsekod för att skicka nödsignaler? Den använder sig av pulsmodulering.
• Amplitudmodulering. Denna metod används både i AM-radiostationer och de gamla analoga TV-signalerna. Här överlagras en sinusvåg med en annan informationsvåg, till exempel en persons röst. Genom att bädda in ytterligare ett lager information i denna våg skapas en fluktuation i amplituden för den ursprungliga sinusvågen, vilket kan skapa statisk elektricitet.

• Frekvensmodulering. Denna metod används av FM-radiostationer och praktiskt taget all annan trådlös teknik som finns. Till skillnad från amplitudmodulering, som skapar vissa betydande fluktuationer i en sinusvåg, förändrar frekvensmodulering en sinusvåg mycket lite, vilket har den extra fördelen att det resulterar i mindre statisk elektricitet.

När alla dessa modulerade sinusvågor sänds via en sändare och tas emot av en mottagare, extraheras den våg av information som vi har bäddat in, vilket gör det möjligt för oss att göra vad vi vill med den, t.ex. att spela upp den som ljud genom en högtalare eller se den som video på en tv-skärm.

Någonstans mellan A och B

I våra förklaringar ovan om modulering, sändare och mottagare kan man tro att sändning av en radiovåg är en enkel process där man reser från punkt A till punkt B, men så är inte alltid fallet. Vågor flyger inte alltid genom den tunna luften direkt från en sändare till en mottagare, och hur de färdas beror i slutändan på vilken typ av vågfrekvens du vill sända, och när. Det finns tre sätt som denna resa kan ske, bland annat:

Siktlinje (rymdvåg)

Med denna resemetod skickas radiovågor som en enkel ljusstråle från punkt A till punkt B. Denna metod användes ofta i gammaldags telefonnät som var tvungna att sända samtal över en lång sträcka mellan två massiva kommunikationstorn.

Gjordvåg (ytvåg)

Du kan också skicka radiovågor längs krökningen av jordytan i form av en jordvåg. Du hittar AM-radiovågor som färdas på detta sätt på korta till medelstora avstånd, vilket är anledningen till att du fortfarande kan höra radiosignaler även när det inte finns någon sändare och mottagare i din siktlinje.

Ionosfären (himmelsvåg)

Sist kan man också skicka radiovågor rakt upp i himlen, vilket slutar med att de studsar mot jordens jonosfär, som är en elektriskt laddad del av atmosfären. När man gör detta kommer radiovågorna att träffa jonosfären, studsa tillbaka ner till jorden och studsa upp igen. Detta är processen att spegla en våg, att studsa den fram och tillbaka till sin slutdestination.

I det här läget har vi samlat in flera saker om radiovågor, nämligen att de färdas på mycket specifika frekvenser, att de kommunicerar med både en sändare och en mottagare och att de kan färdas på olika sätt över jorden. Men med alla olika radiofrekvenser som flyter omkring, hur vet din smartphone eller bilradio vilka särskilda frekvenser som tas emot och vilka som ska ignoreras? Det är där antennerna kommer in i bilden.

Det handlar om antenner

Antenner finns i en massa olika former och storlekar, men de är alla utformade för samma syfte – att fånga upp en mycket specifik radiovågsfrekvens. Du hittar antenner som sträcker sig från de långa metalltrådar som sticker ut från en FM-radio till något rundare som en parabolantenn, eller till och med ett tätt stämt stycke koppar på ett kretskort. I en sändare används antennerna för att sända radiovågor, och i mottagare används de för att fånga upp en radiofrekvens. Alla antenner har tre olika egenskaper som de mäts efter, bland annat:

• Riktning. För vissa antenntyper, t.ex. en dipol, måste antennen monteras i rätt riktning, i riktning mot radiovågsöverföringen. Vissa antenntyper, som de som finns i en FM-radio, behöver inte vara orienterade i en viss riktning och kan fånga upp radiovågssignaler från vilken vinkel som helst.
• Förstärkning. Förstärkningen av en antenn beskriver hur mycket den kommer att förstärka en signal. Om du t.ex. sätter på en gammal analog TV kommer du troligen fortfarande att få en bild, bara en suddig bild. Detta beror på att metallhöljet och komponenterna i TV:n fungerar som en antenn. Men om du kopplar in en riktig riktantenn kan du förstärka signalen och få en bättre bild. Ju större förstärkning, mätt i decibel (dB), desto bättre mottagning får du.
• Bandbredd. Slutligen är en antenns bandbredd dess särskilda område av användbara frekvenser. Ju högre bandbredd desto fler radiovågor kan den ta upp. Detta är idealiskt för tv-apparater eftersom det gör att de kan ta emot fler kanaler. Men för saker som din smartphone som bara behöver en specifik radiovåg är en full bandbredd inte lika nödvändig.

Tid att ringa hem

Radiovågor finns överallt! Tänk om du kunde se dem med dina egna ögon. Du skulle ha radiovågor överallt, de strålar ut från din router, från din mobiltelefon och runt omkring dig från din grannes trådlösa elektronik. Radiovågor har verkligen format våra moderna liv som inget annat, och utan dem skulle vi aldrig få njuta av så användbara uppfinningar som GPS, WiFi, Bluetooth med mera. Men radiovågor sträcker sig långt bortom vår fysiska, jordiska existens. Några av de mest avlägsna delarna av vårt kända universum har utforskats med hjälp av radioastronomi för att upptäcka kvasarer, molekyler och andra galaxer!

Är du redo att ringa hem och komma igång med ditt alldeles egna trådlösa elektronikprojekt? Prova Autodesk EAGLE gratis idag.