Noțiuni de bază privind tehnologia fără fir: cum funcționează undele radio

Noțiuni de bază privind tehnologia fără fir: cum funcționează undele radio

Puteți număra câte dispozitive folosiți în fiecare zi datorită undelor radio? Poate fi un pic copleșitor să te gândești cât de mult este influențată viața noastră de utilizarea acestei tehnologii. De la smartphone-uri la laptopuri, de la GPS la monitoare pentru copii și multe altele, am ajuns să valorificăm această formă de energie electromagnetică pentru a crea lucruri uimitoare. Dar, în timp ce folosim aceste dispozitive în fiecare zi, înțelegem cu adevărat cum funcționează?

În acest sens, seria noastră de noțiuni de bază despre electronica fără fir vă va ajuta să înțelegeți bazele lumii noastre fără fir și, sperăm, să risipim câteva mistere pe parcurs.

Lumea largă a wireless-ului

Înainte de a ne scufunda în știința care înconjoară undele radio, trebuie să facem dreptate acestui subiect, arătând cât de mult au afectat undele radio viața noastră de zi cu zi. Să începem cu o zi obișnuită, și poate că vă treziți la sunetul nu atât de liniștitor al unui ceas deșteptător datorită smartphone-ului dumneavoastră. Puteți mulțumi undelor radio pentru zvâcnetul de dimineață devreme.

În timp ce vă așezați la micul dejun de dimineață, poate că dați drumul la radio sau la televizor pentru a asculta ce se întâmplă în lume. Cum ajung la dumneavoastră aceste bucăți de informații audio și video? Cu ajutorul undelor radio încă o dată. Iar când vă pregătiți să plecați la serviciu, poate vă place să verificați traficul și să planificați cel mai eficient traseu, așa că folosiți GPS-ul de pe bordul mașinii dumneavoastră. Mai multe unde radio.

În timpul călătoriei de dimineață, s-ar putea să vă doriți să ascultați talk-show-ul matinal preferat. Postul de radio la care vă conectați este unul dintre numeroasele frecvențe specifice de unde radio care sunt transmise la orice oră din zi. Când ajungeți la serviciu, poate că vă veți așeza în fața unui computer și vă veți conecta la world wide web, fără fir. Vă încărcați documentele Google, site-urile web și e-mailurile, toate folosind undele radio pentru a vă conecta fără fir la internet prin WiFi.

Vezi, undele radio sunt folosite în mult mai multe lucruri decât cutiile pătrate pe care le folosim pentru a reda muzică și a asculta talk-show-uri. Comunicarea wireless modernă se bazează pe un design simplu din interiorul radioului convențional, permițându-ne să conectăm omenirea din întreaga lume cu informații, video, audio, date și multe altele. Dar pentru cât de răspândite sunt undele radio în utilizarea lor în prezent, cum anume funcționează acestea și ce este o undă radio? Haideți să explorăm.

Scoaterea cu Electromagnetismul

Undele radio sunt doar un tip de undă în ceea ce se numește spectrul electromagnetic, care constă dintr-o varietate de unde care servesc toate la o funcție specifică, cum ar fi infraroșu, raze X, raze gamma și radio. Toate aceste unde reușesc să sfideze barierele fizice, străbătând vidul din spațiu cu viteza luminii.

Organizarea acestui spectru este clasificată în funcție de două măsuri, frecvența și lungimea de undă. Iată cum se împart acestea:

• Frecvența. Aceasta este, practic, câte unde electromagnetice vor trece printr-un anumit punct în fiecare secundă. Puteți măsura acest lucru prin numărarea crestelor fiecărei unde (cel mai înalt punct al undei), ceea ce oferă o valoare în Hertz.
• Lungime de undă. Aceasta este distanța reală pe care o puteți măsura între două dintre cele mai înalte puncte ale unei unde, sau perioada. Lungimile de undă pot fi mai scurte decât dimensiunea unui atom pentru unele unde și mai lungi decât diametrul întregii noastre planete!

În acest spectru electromagnetic, undele radio au atât cele mai mari lungimi de undă, cât și cele mai mici frecvențe, ceea ce le face să fie lente și constante, fiind alergătorii pe distanțe lungi ai grupului. Cu toate acestea, atunci când suntem bombardați din toate direcțiile cu unde radio FM și AM, semnale de telefonie mobilă, semnale WiFi și multe altele, se poate presupune că toate aceste semnale ar trebui să împartă același spațiu? Ele fac acest lucru prin partajarea unor benzi specifice din spectrul de unde radio, iar acestea includ:

Nume	Abbreviație	Frecvență	Lungime de undă
Lungime de undă
Extrem de joasăfrecvență	ELF	3-30 Hz	105-104 km
Frecvență extrem de joasă	Super joasă	SLEF	30-300 Hz	104-103 km
Frecvență extrem de joasăfrecvență	ULF	300-3000 Hz	103-100 km
Frecvență foarte joasă	VLF	3-30 kHz	100-10 km
Frecvență joasă-frequency	LF	30-300 kHz	10-1 km
Medium frequency	MF	300 kHz – 3 MHz	1 km – 100 m
High-frecvență	HAF	3-30 MHz	100-10 m
Frecvență foarte înaltă	VHF	30-300 MHz	10-1 m
Ultra înaltăfrecvență	UHF	300 MHz – 3 GHz	1 m – 10 cm
Super highfrecvență	SHF	3-30 GHz	10-1 cm
Frecvență extrem de înaltăfrequency	EHF	30-300 GHz	1 cm – 1 mm
Tremendously high-frequency	THF	300 GHz – 3 THz	1 mm – 0.1 mm

Banda de frecvență foarte înaltă (UHF) are o frecvență cuprinsă între 300 megahertzi (MHz) și 3 gigahertzi (GHz). Veți găsi banda UHF utilizată pentru tehnologii specifice, cum ar fi WiFi, Bluetooth, GPS, walkie-talkie și multe altele. Pe de altă parte, veți găsi frecvența foarte joasă (VLF) în intervalul 3 – 30 hertzi, iar această bandă este rezervată exclusiv stațiilor radio guvernamentale, comunicațiilor militare securizate și submarinelor. Statele Unite ale Americii publică anual o diagramă de alocare a frecvențelor din spectrul radio care arată modul în care toate aceste servicii radio sunt alocate pe frecvențe.

Comunicații încorporate

Acum s-ar putea să vă întrebați, cum anume ajung aceste unde radio în frecvențele lor specifice dintr-un loc în altul? Magia de a putea vorbi cu cineva de pe smartphone-ul tău în cealaltă parte a lumii se reduce la câteva principii foarte simple. Fiecare radio, fie că este un radio AM/FM tradițional sau un radio care se găsește într-un smartphone, toate folosesc aceeași metodă de bază de transmitere a informațiilor cu ajutorul unui emițător și al unui receptor.

Un emițător, după cum îi spune și numele, transmite informații prin aer sub forma unei unde sinusoidale. Această undă zboară prin aer, fiind captată în cele din urmă de un receptor, care decodifică informația din cadrul undei sinusoidale pentru a extrage ceea ce dorim, cum ar fi muzică, o voce umană sau alte date.

Ceea ce este interesant este că o undă sinusoidală singură nu conține niciuna dintre datele de care avem nevoie, este practic un semnal gol. Acesta este motivul pentru care trebuie să luăm această undă sinusoidală și să o modulăm, care este procesul de adăugare a unui alt strat de informații utile. Există trei metode de modulare, printre care:

• Modulația prin impulsuri. În această metodă, activați și dezactivați o undă sinusoidală, care va trimite biți ai unui semnal în bucăți separate. Ați auzit vreodată de Codul Morse pentru a trimite semnale de ajutor? Acesta folosește modulația prin impulsuri.
• Modulație de amplitudine. Această metodă este utilizată atât la posturile de radio AM, cât și la acele vechi semnale TV analogice. Aici, o undă sinusoidală este suprapusă cu o altă undă de informație, cum ar fi vocea unei persoane. Încorporarea unui alt strat de informații în această undă va crea o fluctuație în amplitudinea undei sinusoidale originale, ceea ce poate crea statică.

• Modulație de frecvență. Această metodă este utilizată de posturile de radio FM și de aproape orice altă tehnologie wireless existentă. Spre deosebire de modulația de amplitudine, care creează unele fluctuații semnificative într-o undă sinusoidală, modulația de frecvență modifică foarte puțin o undă sinusoidală, ceea ce are avantajul suplimentar de a duce la mai puțină statică.

După ce toate aceste unde sinusoidale modulate sunt trimise prin intermediul unui emițător și recepționate de un receptor, unda de informații pe care am încorporat-o este extrasă, permițându-ne să facem cu ea ce dorim, cum ar fi să o redăm sub formă de sunet prin intermediul unui difuzor sau să o vizualizăm sub formă de video pe ecranul unui televizor.

Undeva între A și B

În explicațiile noastre de mai sus despre modulație, emițătoare și receptoare, ați putea crede că trimiterea unei unde radio este un proces simplu de deplasare din punctul A în punctul B, dar nu este întotdeauna așa. Undele nu zboară întotdeauna prin aerul subțire direct de la un emițător la un receptor, iar modul în care se deplasează depinde, în cele din urmă, de tipul de frecvență de undă pe care doriți să o trimiteți și de momentul în care doriți să o trimiteți. Există trei moduri în care se poate întâmpla această călătorie, inclusiv:

Linia de vizibilitate (undă spațială)

Cu această metodă de călătorie, undele radio sunt trimise ca un simplu fascicul de lumină din punctul A în punctul B. Această metodă a fost folosită în mod obișnuit în rețelele de telefonie de modă veche care trebuiau să transmită apeluri pe o distanță mare între două turnuri masive de comunicații.

Unda terestră (Unda de suprafață)

De asemenea, puteți trimite unde radio de-a lungul curburii suprafeței pământului sub forma unei unde terestre. Veți găsi undele radio AM care se deplasează în acest mod pe distanțe scurte și medii, motiv pentru care puteți auzi semnale radio chiar și atunci când nu există un emițător și un receptor în raza voastră vizuală.

Ionosfera (Unda cerului)

În sfârșit, puteți trimite, de asemenea, unde radio direct în cer, care ajung să ricoșeze în ionosfera Pământului, care este o parte a atmosferei încărcată electric. Când faceți acest lucru, undele radio se vor lovi de ionosferă, vor sări înapoi pe pământ și vor sări din nou în sus. Acesta este procesul de oglindire a unei unde, care ricoșează înainte și înapoi până la destinația sa finală.

În acest moment am adunat mai multe lucruri despre undele radio, și anume că acestea se deplasează la frecvențe foarte specifice, comunică atât cu un emițător, cât și cu un receptor și se pot deplasa în diverse moduri pe Pământ. Dar, cu toate frecvențele radio diferite care plutesc, cum știe smartphone-ul sau radioul din mașină ce frecvență anume primește și pe care să le ignore? Aici intră în joc antenele.

Este vorba despre antene

Antenele vin într-o grămadă de forme și dimensiuni diferite, dar toate sunt concepute cu același scop – de a capta o frecvență de unde radio foarte specifică. Veți găsi antene care variază de la firele lungi de metal care ies de la un radio FM la ceva mai rotund, cum ar fi o antenă de satelit, sau chiar o bucată de cupru bine acordată pe un PCB. Într-un emițător, antenele sunt folosite pentru a trimite unde radio, iar în receptoare, acestea vor fi folosite pentru a capta o frecvență radio. Antenele au toate trei caracteristici distincte după care sunt măsurate, inclusiv:

• Direcție. Pentru unele tipuri de antene, cum ar fi un dipol, antena trebuie să fie montată în direcția corectă, cu fața spre direcția de transmisie a undelor radio. Unele tipuri de antene, cum ar fi cele care se găsesc într-un radio FM, nu trebuie să fie orientate într-o anumită direcție și pot capta semnale de unde radio din orice unghi.
• Câștig. Câștigul unei antene descrie cât de mult va amplifica aceasta un semnal. De exemplu, dacă porniți un televizor analogic vechi, atunci probabil că veți primi în continuare o imagine, doar că una neclară. Acest lucru se datorează faptului că carcasa metalică și componentele din televizor acționează ca o antenă. Dar dacă conectați o antenă direcțională reală, veți putea amplifica semnalul și veți obține o imagine mai bună. Cu cât este mai mare câștigul, măsurat în decibeli (dB), cu atât mai bună va fi recepția pe care o veți obține.
• Lățime de bandă. În cele din urmă, lățimea de bandă a unei antene este gama sa particulară de frecvențe utile. Cu cât lățimea de bandă este mai mare, cu atât mai multe unde radio pe care le poate capta. Acest lucru este ideal pentru televizoare, deoarece le permite să recepționeze mai multe canale. Dar pentru lucruri precum smartphone-ul, care au nevoie doar de o anumită undă radio, o lățime de bandă completă nu este la fel de necesară.

Time to Phone Home

Undele radio sunt peste tot! Imaginați-vă dacă le-ați putea vedea cu ochii voștri. Ai avea unde radio peste tot, emise de routerul tău, de telefonul tău mobil și peste tot în jurul tău de la aparatele electronice fără fir ale vecinilor tăi. Într-adevăr, undele radio au modelat viața noastră modernă ca nimic altceva și, fără ele, nu ne-am fi bucurat niciodată de invenții atât de utile precum GPS, WiFi, Bluetooth și multe altele. Dar undele radio se extind cu mult dincolo de existența noastră fizică, terestră. Unele dintre cele mai îndepărtate zone ale universului nostru cunoscut au fost explorate prin utilizarea radioastronomiei pentru a descoperi quasari, molecule și alte galaxii!

Pregătit să telefonezi acasă și să începi cu propriul tău proiect electronic fără fir? Încercați Autodesk EAGLE gratuit astăzi.