Wireless Basics: How Radio Waves Work

Wireless Basics: How Radio Waves Work

Can’t you count quantos dispositivos você usa todos os dias graças às ondas de rádio? Pode ser um pouco avassalador pensar no impacto que a utilização desta tecnologia tem sobre as nossas vidas. De smartphones a laptops, GPS a babás eletrônicas e muito mais, viemos para aproveitar esta forma de energia eletromagnética para criar algumas coisas incríveis. Mas enquanto usamos esses dispositivos todos os dias, nós realmente entendemos como eles funcionam?

É aí que nossa série Wireless Electronic Basics ajudará você a entender os fundamentos do nosso mundo sem fio e, com sorte, dissipar alguns mistérios ao longo do caminho.

The Wide World of Wireless

Antes mesmo de mergulhar em qualquer uma das ciências que cercam as ondas de rádio, temos que dar alguma justiça a este assunto, mostrando o quanto as ondas de rádio têm afetado nossas vidas diárias. Vamos começar com um dia normal, e talvez você acorde com o som não tão suave de um despertador graças ao seu smartphone. Você pode agradecer às ondas de rádio pelo abalo matinal.

Quando você se senta para o seu café da manhã, talvez você ligue o rádio ou a televisão para ouvir o que está acontecendo no mundo. Como é que estas informações de áudio e vídeo estão a chegar até si? Com ondas de rádio mais uma vez. E quando você se prepara para sair para o trabalho, talvez você goste de verificar o tráfego e planejar a rota mais eficiente, então você usa o GPS no painel do seu carro. Mais ondas de rádio.

Durante o seu trajeto matinal, você pode gostar de sintonizar no seu talk show matinal favorito. A estação de rádio que você liga é uma das muitas frequências de ondas de rádio específicas que são transmitidas em todas as horas do dia. Quando você chegar ao trabalho, talvez você mergulhe na frente de um computador e se conecte à rede mundial de computadores, sem fio. Você carrega seus documentos do Google, sites e e-mails, todos usando ondas de rádio para se conectar sem fio à internet através de WiFi.

Você vê, ondas de rádio são usadas em muito mais coisas do que as caixas quadradas que usamos para tocar música e ouvir talk shows. A comunicação sem fio moderna se baseia em um design simples dentro do rádio convencional, permitindo-nos conectar a humanidade em todo o mundo com informação, vídeo, áudio, dados, e muito mais. Mas como as ondas de rádio estão difundidas em seu uso hoje, como elas funcionam exatamente e o que é uma onda de rádio? Vamos explorar.

Sair com Electromagnetismo

Ondas de rádio são apenas um tipo de onda no que é chamado de espectro electromagnético, que consiste numa variedade de ondas que servem todas uma função específica, como infravermelhos, raios-x, raios gama e rádio. Todas estas ondas conseguem desafiar as barreiras físicas, atravessando o vácuo do espaço à velocidade da luz.

A organização deste espectro é categorizada por duas medidas, frequência e comprimento de onda. Veja como eles se decompõem:

• Frequência. Isto é basicamente quantas ondas eletromagnéticas passarão por um determinado ponto a cada segundo. Você pode medir isso contando as cristas de cada onda (o ponto mais alto da onda), o que fornece um valor em Hertz.
• Comprimento de onda. Esta é a distância real que você pode medir entre dois dos pontos mais altos de uma onda, ou o ponto mais alto de uma onda. Comprimento de onda pode ser menor que o tamanho de um átomo para algumas ondas, e maior que o diâmetro de todo o nosso planeta!

Neste espectro eletromagnético, as ondas de rádio têm tanto os comprimentos de onda mais longos quanto as freqüências mais baixas, o que as torna lentas e estáveis, os corredores de longa distância do cacho. No entanto, quando estamos sendo bombardeados de todas as direções com ondas de rádio FM e AM, sinais de telefonia celular, sinais WiFi, e mais, será que todos esses sinais podem compartilhar o mesmo espaço? Eles fazem isso compartilhando bandas específicas no espectro de ondas de rádio, e estas incluem:

Nome	A abreviatura	Frequência	Comprimento de onda
Extremamente baixofrequência	ELF	3-30 Hz	105-104 km
Super baixa frequência	SLEF	30-300 Hz	104-103 km
Ultra baixafrequência	ULF	300-3000 Hz	103-100 km
Muita baixa frequência	VLF	3-30 kHz	100-10 km
>Baixa…frequência	LF	30-300 kHz	10-1 km
F	MF	300 kHz – 3 MHz	1 km – 100 m
Alto…frequência	HAF	3-30 MHz	100-10 m
Muita alta frequência	VHF	30-300 MHz	10-1 m
Ultra altafrequência	UHF	300 MHz – 3 GHz	1 m – 10 cm
Super altafrequência	SHF	3-30 GHz	10-1 cm
Extremamente altofrequência	EHF	30-300 GHz	1 cm – 1 mm
Tremendamente alta frequência	THF	300 GHz – 3 THz	1 mm – 0.1 mm

A banda de ultra-alta frequência (UHF) tem uma frequência entre 300 megahertz (MHz) e 3 gigahertz (GHz). Você encontrará a banda UHF usada para tecnologias específicas como WiFi, Bluetooth, GPS, walkie-talkies, e muito mais. No lado oposto, você encontrará a freqüência muito baixa (VLF) na faixa de 3 – 30 hertz e esta faixa é reservada exclusivamente para estações de rádio governamentais, comunicações militares seguras e submarinos. Os Estados Unidos publicam um gráfico anual de alocação de frequências de rádio que mostra como todos esses serviços de rádio são alocados por frequência.

Comunicações Embutidas

Agora você pode estar se perguntando, como exatamente essas ondas de rádio em suas frequências particulares vão de lugar em lugar? A magia de poder falar com alguém no seu smartphone no meio do mundo resume-se a alguns princípios muito simples. Todo rádio, seja um rádio tradicional AM/FM ou um rádio encontrado em um smartphone, todos usam o mesmo método básico de transmitir informações com a ajuda de um transmissor e um receptor.

Um transmissor, como seu nome indica, transmite informações pelo ar na forma de uma onda sinusoidal. Esta onda vai voando pelo ar, eventualmente sendo capturada por um receptor, que descodifica a informação dentro da onda sinusoidal para extrair as coisas que queremos, como música, uma voz humana, ou algum outro bit de dados.

O interessante é que uma onda senoidal sozinha não contém nenhum dos dados que precisamos, é basicamente um sinal vazio. É por isso que precisamos pegar essa onda sinusoidal e modulá-la, que é o processo de adicionar outra camada de informação útil. Existem três métodos de modulação, incluindo:

• Modulação de Pulso. Neste método, você está ligando e desligando uma onda sinusoidal, que enviará bits de um sinal em pedaços separados. Já ouviu falar em Código Morse para enviar sinais de socorro? Ele usa a modulação de pulso.
• Modulação de Amplitude. Este método é usado tanto em estações de rádio AM como naqueles sinais de TV analógicos antigos. Aqui, uma onda senoidal é sobreposta a outra onda de informação, como a voz de uma pessoa. Incorporar outra camada de informação nesta onda irá criar uma flutuação na amplitude da onda senoidal original, o que pode criar estática.

• Modulação de Frequência. Este método é usado por estações de rádio FM e praticamente todas as outras tecnologias sem fio por aí. Ao contrário da modulação de amplitude que cria algumas flutuações significativas em uma onda senoidal, a modulação de freqüência muda muito pouco uma onda senoidal, o que tem o benefício adicional de resultar em menos estática.

Após todas essas ondas senoidais moduladas serem enviadas por um transmissor e recebidas por um receptor, a onda de informação que embutimos é extraída, permitindo-nos fazer com ela o que quisermos, como tocá-la como áudio através de um alto-falante, ou vê-la como vídeo em uma tela de televisão.

Em algum lugar Entre A e B

Em nossas explicações acima sobre modulação, transmissores e receptores, você pode pensar que enviar uma onda de rádio é um simples processo de viagem do ponto A para o ponto B, mas nem sempre é assim. As ondas nem sempre voam pelo ar direto de um transmissor para um receptor, e como elas viajam depende em última análise do tipo de freqüência de onda que você quer enviar, e quando. Há três maneiras de esta viagem poder acontecer, incluindo:

Line of Sight (Space Wave)

Com este método de viagem, as ondas de rádio são enviadas como um simples feixe de luz do ponto A ao ponto B. Este método era comumente usado em redes telefônicas antiquadas que tinham que transmitir chamadas a uma longa distância entre duas torres de comunicação maciças.

Onda Terrestre (Surface Wave)

É possível também enviar ondas de rádio ao longo da curvatura da superfície da terra sob a forma de uma onda terrestre. Você encontrará ondas de rádio AM viajando desta forma para distâncias curtas a médias, e é por isso que você ainda pode ouvir sinais de rádio mesmo quando não há um transmissor e um receptor na sua linha de visão.

Ionosfera (Onda do Céu)

Pois, você também pode enviar ondas de rádio diretamente para o céu, que acaba saltando da ionosfera da Terra, que é uma parte da atmosfera carregada eletricamente. Quando você fizer isso, as ondas de rádio atingirão a ionosfera, ricochetearão na Terra e ressaltarão novamente para cima. Este é o processo de espelhar uma onda, fazendo-a saltar para trás e para a frente até ao seu destino final.

Neste ponto reunimos várias coisas sobre ondas de rádio, nomeadamente que elas viajam em frequências muito específicas, comunicam-se tanto com um transmissor como com um receptor, e podem viajar de várias maneiras através da Terra. Mas com todas as diferentes freqüências de rádio flutuando, como seu smartphone ou auto-rádio sabe qual freqüência em particular recebe, e quais ignorar? É aí que as antenas entram em jogo.

É Tudo Sobre Antenas

As antenas vêm em um monte de formas e tamanhos diferentes, mas todas elas são projetadas para o mesmo propósito – captar uma freqüência de onda de rádio muito específica. Você encontrará antenas que vão desde os longos fios de metal que saem de um rádio FM até algo mais redondo como uma antena parabólica, ou até mesmo um pedaço de cobre bem afinado em um PCB. Em um transmissor, as antenas são usadas para enviar ondas de rádio, e em receptores, elas serão usadas para captar em uma freqüência de rádio. Todas as antenas têm três características distintas pelas quais são medidas, incluindo:

• Direção. Para alguns tipos de antena, como uma dipolo, a antena tem que ser montada na direção correta, voltada para a direção da transmissão das ondas de rádio. Alguns tipos de antena, como as encontradas em um rádio FM, não precisam ser orientadas em uma direção específica e podem capturar sinais de ondas de rádio de qualquer ângulo.
• Ganho. O ganho de uma antena descreve o quanto ela vai impulsionar um sinal. Por exemplo, se você ligar uma TV analógica antiga, então provavelmente você ainda terá uma imagem, apenas difusa. Isto é por causa da caixa metálica e os componentes da TV agem como uma antena. Mas ligue uma antena direcional real, e você será capaz de impulsionar o sinal, e obter uma imagem melhor. Quanto maior for o ganho, medido em decibéis (dB), melhor será a recepção que terá.
• Largura de banda. Por último, a largura de banda de uma antena é a sua gama particular de frequências úteis. Quanto maior a largura de banda, mais ondas de rádio pode captar. Isto é ideal para televisões, uma vez que lhes permite obter mais canais. Mas para coisas como seu smartphone que só precisam de uma onda de rádio específica, uma largura de banda total não é tão necessária.

Time to Phone Home

Ondas de rádio estão em todo lugar! Imagine se você pudesse vê-las com seus próprios olhos. Você teria ondas de rádio por toda parte, irradiando do seu roteador, do seu telefone celular e de todos ao seu redor, da eletrônica sem fio do seu vizinho. As ondas de rádio realmente moldaram nossas vidas modernas como nada mais, e sem elas, nunca conseguiríamos desfrutar de invenções tão úteis como GPS, WiFi, Bluetooth, e muito mais. Mas o rádio vai muito além da nossa existência física e terrena. Alguns dos alcances mais distantes do nosso universo conhecido foram explorados através do uso da radioastronomia para descobrir quasares, moléculas e outras galáxias!

Pronto para telefonar para casa e começar com o seu próprio projeto de eletrônica sem fio? Experimente hoje mesmo o Autodesk EAGLE gratuitamente.