Notions de base sur le sans fil : comment fonctionnent les ondes radio

Notions de base sur le sans fil : comment fonctionnent les ondes radio

Pouvez-vous compter le nombre d’appareils que vous utilisez chaque jour grâce aux ondes radio ? Il peut être un peu écrasant de penser à quel point nos vies sont impactées par l’utilisation de cette technologie. Des smartphones aux ordinateurs portables, des GPS aux interphones pour bébés et bien d’autres encore, nous en sommes venus à exploiter cette forme d’énergie électromagnétique pour créer des choses étonnantes. Mais alors que nous utilisons ces appareils chaque jour, comprenons-nous vraiment comment ils fonctionnent ?

C’est là que notre série sur les bases de l’électronique sans fil vous aidera à comprendre les fondements de notre monde sans fil et, espérons-le, à dissiper quelques mystères en cours de route.

Le vaste monde du sans fil

Avant même de plonger dans toute la science entourant les ondes radio, nous devons rendre justice à ce sujet en montrant à quel point les ondes radio ont affecté notre vie quotidienne. Commençons par une journée ordinaire. Peut-être vous réveillez-vous au son pas si apaisant d’un réveil grâce à votre smartphone. Vous pouvez remercier les ondes radio pour cette secousse matinale.

En vous installant pour votre petit-déjeuner matinal, peut-être allumez-vous la radio ou la télévision pour écouter ce qui se passe dans le monde. Comment ces bribes d’informations audio et vidéo vous parviennent-elles ? Par les ondes radio, encore une fois. Et lorsque vous vous préparez à partir au travail, vous aimez peut-être vérifier le trafic et planifier l’itinéraire le plus efficace, alors vous utilisez le GPS sur le tableau de bord de votre voiture. Encore des ondes radio.

Pendant votre trajet du matin, vous aimeriez peut-être écouter votre talk-show matinal préféré. La station de radio que vous branchez est l’une des nombreuses fréquences d’ondes radio spécifiques émises à toute heure de la journée. Lorsque vous arrivez au travail, vous vous installez peut-être devant un ordinateur et vous vous connectez à la toile mondiale, sans fil. Vous chargez vos docs Google, vos sites web et votre courrier électronique, le tout en utilisant des ondes radio pour vous connecter sans fil à l’internet par le biais du WiFi.

Vous voyez, les ondes radio sont utilisées dans bien d’autres choses que les boîtes carrées que nous utilisons pour jouer de la musique et écouter des talk-shows. La communication sans fil moderne s’appuie sur une conception simple à l’intérieur de la radio conventionnelle, ce qui nous permet de connecter l’humanité tout autour du monde avec des informations, de la vidéo, de l’audio, des données, et bien plus encore. Mais pour la façon dont les ondes radio sont répandues dans leur utilisation aujourd’hui, comment fonctionnent-ils exactement, et qu’est-ce qu’une onde radio ? Explorons-le.

Hanging Out with Electromagnetics

Les ondes radio ne sont qu’un type d’onde dans ce qu’on appelle le spectre électromagnétique, qui se compose d’une variété d’ondes qui ont toutes une fonction spécifique, comme l’infrarouge, les rayons X, les rayons gamma et la radio. Toutes ces ondes parviennent à défier les barrières physiques, se précipitant dans le vide de l’espace à la vitesse de la lumière.

L’organisation de ce spectre est catégorisée par deux mesures, la fréquence, et la longueur d’onde. Voici comment elles se décomposent:

• Fréquence. Il s’agit essentiellement du nombre d’ondes électromagnétiques qui passeront par un point donné chaque seconde. Vous pouvez la mesurer en comptant les crêtes de chaque onde (le point le plus haut de l’onde), ce qui fournit une valeur en Hertz.
• Longueur d’onde. C’est la distance réelle que vous pouvez mesurer entre deux des points les plus élevés d’une onde, ou la période. Les longueurs d’onde peuvent être plus courtes que la taille d’un atome pour certaines ondes, et plus longues que le diamètre de notre planète entière !

Sur ce spectre électromagnétique, les ondes radio ont à la fois les plus grandes longueurs d’onde et les plus basses fréquences, ce qui en fait des ondes lentes et régulières, les coureurs de fond du peloton. Cependant, alors que nous sommes bombardés de toutes parts d’ondes radio FM et AM, de signaux de téléphones portables, de signaux WiFi et autres, tous ces signaux sont-ils censés partager le même espace ? Ils le font en partageant des bandes spécifiques dans le spectre des ondes radio, et celles-ci incluent :

Nom	Abréviation	Fréquence	Longueur d’onde
Extrêmement basse…fréquence	ELF	3-30 Hz	105-104 km
Super basse fréquence	SLEF	30-300 Hz	104-103 km
Ultra bassefréquence	ULF	300-3000 Hz	103-100 km
Très basse fréquence	VLF	3-30 kHz	100-10 km
Basse-fréquence	LF	30-300 kHz	10-1 km
Fréquence moyenne	MF	300 kHz – 3 MHz	1 km – 100 m
Hautefréquence	HAF	3-30 MHz	100-10 m
Très haute fréquence	VHF	30-300 MHz	10-1 m
Ultra hautefréquence	UHF	300 MHz – 3 GHz	1 m – 10 cm
Super hautefréquence	SHF	3-30 GHz	10-1 cm
Extrêmement hautefréquence	EHF	30-300 GHz	1 cm – 1 mm
Très haute fréquence	THF	300 GHz – 3 THz	1 mm – 0.1 mm

La bande ultra haute fréquence (UHF) a une fréquence comprise entre 300 mégahertz (MHz) et 3 gigahertz (GHz). Vous trouverez la bande UHF utilisée pour des technologies spécifiques comme le WiFi, le Bluetooth, le GPS, les talkies-walkies, et plus encore. De l’autre côté, vous trouverez la très basse fréquence (VLF) dans la gamme 3 – 30 hertz et cette bande est réservée exclusivement aux stations radio gouvernementales, aux communications militaires sécurisées et aux sous-marins. Les États-Unis publient un tableau annuel d’attribution des fréquences du spectre radioélectrique qui montre comment tous ces services radio sont attribués par fréquence.

Communications intégrées

Maintenant, vous vous demandez peut-être comment exactement ces ondes radio dans leurs fréquences particulières se rendent d’un endroit à l’autre ? La magie de pouvoir parler avec quelqu’un sur votre smartphone à l’autre bout du monde se résume à quelques principes très simples. Chaque radio, qu’il s’agisse d’une radio AM/FM traditionnelle ou d’une radio présente dans un smartphone, utilise la même méthode de base pour transmettre des informations à l’aide d’un émetteur et d’un récepteur.

Un émetteur, comme son nom l’indique, transmet des informations dans l’air sous la forme d’une onde sinusoïdale. Cette onde s’envole dans l’air et finit par être captée par un récepteur, qui décode l’information contenue dans l’onde sinusoïdale pour en extraire ce que nous voulons, comme de la musique, une voix humaine ou un autre bit de données.

Ce qui est intéressant, c’est qu’une onde sinusoïdale seule ne contient aucune des données dont nous avons besoin, c’est essentiellement un signal vide. C’est pourquoi nous devons prendre cette onde sinusoïdale et la moduler, ce qui consiste à ajouter une autre couche d’informations utiles. Il existe trois méthodes de modulation, dont :

• La modulation par impulsions. Dans cette méthode, vous activez et désactivez une onde sinusoïdale, qui enverra les bits d’un signal en morceaux séparés. Vous avez déjà entendu parler du code morse pour envoyer des signaux de détresse ? Il utilise la modulation par impulsions.
• Modulation d’amplitude. Cette méthode est utilisée à la fois dans les stations de radio AM et dans ces vieux signaux de télévision analogiques. Ici, une onde sinusoïdale est superposée à une autre onde d’information, comme la voix d’une personne. L’incorporation d’une autre couche d’information dans cette onde créera une fluctuation de l’amplitude de l’onde sinusoïdale originale, ce qui peut créer des parasites.

• Modulation de fréquence. Cette méthode est utilisée par les stations de radio FM et pratiquement toutes les autres technologies sans fil existantes. Contrairement à la modulation d’amplitude qui crée quelques fluctuations importantes dans une onde sinusoïdale, la modulation de fréquence modifie très peu une onde sinusoïdale, ce qui a l’avantage supplémentaire de donner lieu à moins de statique.

Une fois que toutes ces ondes sinusoïdales modulées sont envoyées via un émetteur et reçues par un récepteur, la vague d’informations que nous avons intégrée est extraite, ce qui nous permet d’en faire ce que nous voulons, comme la jouer en tant que son par un haut-parleur, ou la visualiser en tant que vidéo sur un écran de télévision.

Un endroit entre A et B

Dans nos explications ci-dessus sur la modulation, les émetteurs et les récepteurs, vous pourriez penser qu’envoyer une onde radio est un simple processus de déplacement d’un point A à un point B, mais ce n’est pas toujours le cas. Les ondes ne traversent pas toujours l’air en ligne droite d’un émetteur à un récepteur, et la façon dont elles voyagent dépend en fin de compte du type de fréquence d’onde que vous voulez envoyer, et du moment où vous le faites. Il existe trois façons dont ce voyage peut se produire, notamment :

Ligne de visée (onde spatiale)

Avec cette méthode de voyage, les ondes radio sont envoyées comme un simple faisceau de lumière d’un point A à un point B. Cette méthode était couramment utilisée dans les réseaux téléphoniques d’antan qui devaient transmettre les appels sur une longue distance entre deux tours de communication massives.

Onde de sol (onde de surface)

Vous pouvez également envoyer des ondes radio le long de la courbure de la surface de la terre sous la forme d’une onde de sol. Vous trouverez des ondes radio AM voyageant de cette manière sur des distances courtes à moyennes, ce qui explique pourquoi vous pouvez toujours entendre des signaux radio même lorsqu’il n’y a pas d’émetteur et de récepteur dans votre ligne de vue.

Ionosphère (onde du ciel)

Enfin, vous pouvez également envoyer des ondes radio directement dans le ciel, ce qui finit par rebondir sur l’ionosphère de la terre, qui est une partie de l’atmosphère chargée électriquement. Dans ce cas, les ondes radio frappent l’ionosphère, rebondissent vers la terre, puis remontent. C’est le processus de miroir d’une onde, la faisant rebondir vers sa destination finale.

À ce stade, nous avons rassemblé plusieurs choses sur les ondes radio, à savoir qu’elles voyagent à des fréquences très spécifiques, qu’elles communiquent à la fois avec un émetteur et un récepteur, et qu’elles peuvent voyager de diverses manières sur la terre. Mais avec toutes les différentes fréquences radio qui circulent, comment votre smartphone ou votre autoradio sait-il quelle fréquence particulière recevoir et lesquelles ignorer ? C’est là que les antennes entrent en jeu.

Il est tout au sujet des antennes

Les antennes viennent dans un tas de formes et de tailles différentes, mais elles sont toutes conçues dans le même but – pour capter une fréquence d’onde radio très spécifique. Vous trouverez des antennes allant des longs fils métalliques qui dépassent d’une radio FM à quelque chose de plus rond comme une antenne satellite, ou même un morceau de cuivre étroitement ajusté sur un circuit imprimé. Dans un émetteur, les antennes sont utilisées pour envoyer des ondes radio, et dans les récepteurs, elles sont utilisées pour capter une fréquence radio. Les antennes ont toutes trois caractéristiques distinctes selon lesquelles elles sont mesurées, notamment :

• La direction. Pour certains types d’antennes, comme un dipôle, l’antenne doit être montée dans la bonne direction, face à la direction de la transmission des ondes radio. Certains types d’antennes, comme celles que l’on trouve dans une radio FM, n’ont pas besoin d’être orientées dans une direction spécifique et peuvent capter les signaux d’ondes radio depuis n’importe quel angle.
• Gain. Le gain d’une antenne décrit de combien elle va amplifier un signal. Par exemple, si vous allumez un vieux téléviseur analogique, alors vous obtiendrez probablement encore une image, juste une image floue. Cela est dû au fait que le boîtier métallique et les composants du téléviseur agissent comme une antenne. Mais si vous branchez une antenne directionnelle, vous serez en mesure d’augmenter le signal et d’obtenir une meilleure image. Plus le gain est important, mesuré en décibels (dB), meilleure est la réception que vous obtiendrez.
• La bande passante. Enfin, la largeur de bande d’une antenne est sa gamme particulière de fréquences utiles. Plus la largeur de bande est élevée, plus elle peut capter d’ondes radio. C’est idéal pour les téléviseurs, car cela leur permet d’obtenir plus de chaînes. Mais pour des choses comme votre smartphone qui n’ont besoin que d’une onde radio spécifique, une largeur de bande complète n’est pas aussi nécessaire.

Time to Phone Home

Les ondes radio sont partout ! Imaginez si vous pouviez les voir de vos propres yeux. Vous auriez des ondes radio partout, émises par votre routeur, par votre téléphone portable et tout autour de vous par les appareils électroniques sans fil de votre voisin. Les ondes radio ont en effet façonné notre vie moderne comme rien d’autre, et sans elles, nous ne pourrions jamais profiter d’inventions aussi utiles que le GPS, le WiFi, le Bluetooth, etc. Mais la radio s’étend bien au-delà de notre existence physique, terrestre. Certaines des zones les plus éloignées de notre univers connu ont été explorées grâce à l’utilisation de la radioastronomie pour découvrir des quasars, des molécules et d’autres galaxies !

Prêts à téléphoner à la maison et à vous lancer dans votre propre projet d’électronique sans fil ? Essayez gratuitement Autodesk EAGLE dès aujourd’hui.