Wireless Basics: How Radio Waves Work

Wireless Basics: How Radio Waves Work

Kunt u tellen hoeveel apparaten u elke dag gebruikt dankzij radiogolven? Het kan een beetje overweldigend zijn om te bedenken hoe ons leven wordt beïnvloed door het gebruik van deze technologie. Van smartphones tot laptops, GPS tot babyfoons en nog veel meer, we zijn deze vorm van elektromagnetische energie gaan gebruiken om verbazingwekkende dingen te creëren. Maar terwijl we deze apparaten elke dag gebruiken, begrijpen we echt hoe ze werken?

Dat is waar onze Wireless Electronic Basics-serie u zal helpen de fundamenten van onze draadloze wereld te begrijpen, en hopelijk, een aantal mysteries onderweg te ontzenuwen.

De wijde wereld van draadloze

Voordat we zelfs maar in de wetenschap rond radiogolven duiken, moeten we dit onderwerp eerst recht doen door te laten zien hoezeer radiogolven ons dagelijks leven hebben beïnvloed. Laten we beginnen met een gemiddelde dag, en misschien wordt u wakker met het niet zo rustgevende geluid van een wekker dankzij uw smartphone. U kunt radiogolven bedanken voor de vroege ochtendstoot.

Als u ’s ochtends gaat ontbijten, zet u misschien de radio of televisie aan om te luisteren naar wat er in de wereld gebeurt. Hoe komen deze stukjes audio- en video-informatie bij u? Alweer via radiogolven. En als u zich klaarmaakt om naar uw werk te vertrekken, wilt u misschien het verkeer controleren en de meest efficiënte route plannen, dus gebruikt u de GPS op het dashboard van uw auto. Nog meer radiogolven.

Tijdens uw ochtendlijke woon-werkverkeer wilt u misschien afstemmen op uw favoriete ochtendprogramma. Het radiostation waar u op inplugt, is een van de vele specifieke radiogolffrequenties die op elk uur van de dag worden uitgezonden. Wanneer u op uw werk aankomt, ploft u misschien achter een computer en maakt u draadloos verbinding met het world wide web. U laadt uw Google-docs, websites en e-mail, allemaal met behulp van radiogolven om draadloos verbinding te maken met het internet via WiFi.

U ziet, radiogolven worden in veel meer dingen gebruikt dan de vierkante dozen die we gebruiken om muziek af te spelen en naar talkshows te luisteren. Moderne draadloze communicatie bouwt voort op een eenvoudig ontwerp binnen de conventionele radio, waardoor we de mensheid over de hele wereld te verbinden met informatie, video, audio, data, en nog veel meer. Maar hoe wijdverbreid zijn radiogolven vandaag de dag in hun gebruik, hoe werken ze precies, en wat is een radiogolf?

Hanging Out with Electromagnetics

Radiogolven zijn slechts één type golf in wat het elektromagnetisch spectrum wordt genoemd, dat bestaat uit een verscheidenheid van golven die allemaal een specifieke functie hebben, zoals infrarood, röntgenstraling, gammastraling en radio. Al deze golven slagen erin de fysieke barrières te trotseren en razen met de snelheid van het licht door het vacuüm van de ruimte.

De organisatie van dit spectrum wordt ingedeeld door twee metingen, frequentie, en golflengte. Hier is hoe ze uitsplitsen:

• Frequentie. Dit is in feite hoeveel elektromagnetische golven er per seconde door een bepaald punt gaan. U kunt dit meten door de toppen van elke golf te tellen (het hoogste punt in de golf), wat een waarde in Hertz oplevert.
• Golflengte. Dit is de werkelijke afstand die u kunt meten tussen twee van de hoogste punten in een golf, of de periode. Golflengten kunnen voor sommige golven korter zijn dan de grootte van een atoom, en langer dan de diameter van onze hele planeet!

In dit elektromagnetische spectrum hebben radiogolven zowel de langste golflengte als de laagste frequentie, waardoor ze traag en stabiel zijn, de langeafstandslopers van het stel. Wanneer we echter vanuit alle richtingen worden bestookt met FM- en AM-radiogolven, signalen van mobiele telefoons, WiFi-signalen, enzovoort, kunnen al deze signalen dan geacht worden dezelfde ruimte te delen? Ze doen dit door specifieke banden in het radiogolfspectrum te delen, en deze omvatten:

Naam	Afkorting	Frequentie	Golflengte
Extreem lage-frequentie	ELF	3-30 Hz	105-104 km
Super lage-frequentie	SLEF	30-300 Hz	104-103 km
Ultra lage-frequentie	ULF	300-3000 Hz	103-100 km
Zeer laagfrequent	VLF	3-30 kHz	100-10 km
Laag-frequentie	LF	30-300 kHz	10-1 km
Middelfrequentie	MF	300 kHz – 3 MHz	1 km – 100 m
Hoogfrequent	MF	300 kHz – 3 MHz	1 km – 100 m
hoge-frequentie	HAF	3-30 MHz	100-10 m
Zeer hoogfrequent	VHF	30-300 MHz	10-1 m
Ultra hogefrequentie	UHF	300 MHz – 3 GHz	1 m – 10 cm
Super-hogefrequentie	SHF	3-30 GHz	10-1 cm
Extreem hogefrequentie	EHF	30-300 GHz	1 cm – 1 mm
Tremend hoogfrequent	THF	300 GHz – 3 THz	1 mm – 0.1 mm

De ultrahoge frequentieband (UHF) heeft een frequentie tussen 300 megahertz (MHz) en 3 gigahertz (GHz). De UHF-band wordt gebruikt voor specifieke technologieën zoals WiFi, Bluetooth, GPS, walkietalkies, enzovoort. Aan de andere kant is er de zeer lage frequentie (VLF) in het bereik van 3 – 30 hertz en deze band is uitsluitend gereserveerd voor radiostations van de overheid, beveiligde militaire communicatie en onderzeeërs. De Verenigde Staten publiceren jaarlijks een radiofrequentietoewijzingsgrafiek die laat zien hoe al deze radiodiensten per frequentie worden toegewezen.

Embedded Communications

Nu vraagt u zich misschien af, hoe komen die radiogolven in hun specifieke frequenties nu precies van plaats tot plaats? De magie van het kunnen praten met iemand op je smartphone halverwege de wereld komt neer op enkele zeer eenvoudige principes. Elke radio, of het nu een traditionele AM/FM-radio is of een radio in een smartphone, gebruikt allemaal dezelfde basismethode om informatie over te brengen met behulp van zowel een zender als een ontvanger.

Een zender, zoals de naam al aangeeft, zendt informatie door de lucht in de vorm van een sinusgolf. Deze golf vliegt door de lucht en wordt uiteindelijk opgevangen door een ontvanger, die de informatie in de sinus decodeert om er datgene uit te halen wat wij willen, zoals muziek, een menselijke stem, of een ander stukje data.

Wat interessant is, is dat een sinusgolf alleen geen van de gegevens bevat die we nodig hebben, het is in feite een leeg signaal. Daarom moeten we deze sinus nemen en moduleren, wat het proces is van het toevoegen van een extra laag van nuttige informatie. Er zijn drie methoden van modulatie, waaronder:

• Pulsmodulatie. Bij deze methode zet je een sinusgolf aan en uit, waardoor bits van een signaal in afzonderlijke brokjes worden verzonden. Ooit gehoord van Morse Code om noodsignalen te versturen? Het gebruikt puls modulatie.
• Amplitude Modulatie. Deze methode wordt gebruikt in zowel AM radiostations als in die oude analoge TV signalen. Hier wordt een sinusgolf bedekt met een andere informatiegolf, zoals de stem van een persoon. Door een andere informatielaag in deze golf op te nemen, ontstaat een schommeling in de amplitude van de oorspronkelijke sinus, waardoor statische elektriciteit kan ontstaan.

• Frequentiemodulatie. Deze methode wordt gebruikt door FM-radiozenders en vrijwel elke andere draadloze technologie die er is. In tegenstelling tot amplitudemodulatie, die aanzienlijke fluctuaties in een sinusgolf teweegbrengt, verandert een sinusgolf bij frequentiemodulatie nauwelijks, wat als bijkomend voordeel heeft dat er minder ruis optreedt.

Wanneer al die gemoduleerde sinusgolven eenmaal via een zender zijn verzonden en door een ontvanger zijn ontvangen, wordt de informatiegolf die wij hebben ingesloten, geëxtraheerd, zodat wij ermee kunnen doen wat wij willen, zoals het afspelen als audio via een luidspreker, of het bekijken als video op een televisiescherm.

Ergens tussen A en B

In onze uitleg hierboven over modulatie, zenders en ontvangers, zou je kunnen denken dat het zenden van een radiogolf een eenvoudig proces is van punt A naar punt B, maar dat is niet altijd het geval. Golven vliegen niet altijd door de ijle lucht rechtstreeks van een zender naar een ontvanger, en hoe ze reizen hangt uiteindelijk af van wat voor soort golffrequentie je wilt zenden, en wanneer. Er zijn drie manieren waarop deze reis kan gebeuren, waaronder:

Line of Sight (Ruimtegolf)

Bij deze manier van reizen worden radiogolven als een eenvoudige lichtstraal van punt A naar punt B gezonden. Deze methode werd vaak gebruikt in ouderwetse telefoonnetwerken die gesprekken over een lange afstand tussen twee enorme communicatietorens moesten verzenden.

Grondgolf (Surface Wave)

U kunt ook radiogolven langs de kromming van het aardoppervlak zenden in de vorm van een grondgolf. AM-radiogolven verplaatsen zich op deze manier over korte tot middellange afstanden. Daarom kunt u nog steeds radiosignalen horen, zelfs als er zich geen zender en ontvanger in uw gezichtsveld bevinden.

Ionosfeer (Hemelse golven)

Ten slotte kunt u radiogolven ook recht omhoog de hemel in sturen, die dan weerkaatsen op de ionosfeer van de aarde, een elektrisch geladen deel van de atmosfeer. Wanneer je dit doet, zullen de radiogolven de ionosfeer raken, terug naar de aarde kaatsen, en weer omhoog kaatsen. Dit is het proces van het spiegelen van een golf, het heen en weer kaatsen naar zijn eindbestemming.

Op dit punt hebben we een aantal dingen over radiogolven verzameld, namelijk dat ze op zeer specifieke frequenties reizen, dat ze zowel met een zender als met een ontvanger communiceren, en dat ze op verschillende manieren over de aarde kunnen reizen. Maar met al die verschillende radiofrequenties die rondzweven, hoe weet je smartphone of autoradio welke specifieke frequentie te ontvangen, en welke te negeren? Dat is waar antennes in het spel komen.

Het draait allemaal om antennes

Antennes zijn er in een heleboel verschillende vormen en maten, maar ze zijn allemaal ontworpen voor hetzelfde doel – om een zeer specifieke radiogolffrequentie op te pikken. Je vindt antennes variërend van de lange metalen draden die uit een FM-radio steken tot iets ronders als een satellietschotel, of zelfs een strak gespannen stukje koper op een printplaat. In een zender worden antennes gebruikt om radiogolven uit te zenden, en in ontvangers worden ze gebruikt om een radiofrequentie op te pikken. Antennes hebben alle drie verschillende kenmerken waarmee ze worden gemeten, waaronder:

• Richting. Bij sommige antennetypes, zoals een dipool, moet de antenne in de juiste richting worden gemonteerd, in de richting waarin de radiogolven worden uitgezonden. Sommige antennetypes, zoals die in een FM-radio, hoeven niet in een bepaalde richting te worden gericht en kunnen radiogolfsignalen uit elke hoek opvangen.
• Versterking. De versterking van een antenne beschrijft hoeveel het een signaal zal versterken. Als u bijvoorbeeld een oude analoge TV aanzet, zult u waarschijnlijk nog steeds beeld krijgen, alleen een wazig beeld. Dit komt door de metalen behuizing en onderdelen in de TV die als antenne werken. Maar sluit je een echte richtantenne aan, dan kun je het signaal versterken en krijg je een beter beeld. Hoe groter de versterking, gemeten in decibels (dB), hoe beter de ontvangst.
• Bandbreedte. Ten slotte is de bandbreedte van een antenne het specifieke bereik van bruikbare frequenties. Hoe hoger de bandbreedte, hoe meer radiogolven hij kan opvangen. Dit is ideaal voor televisies, omdat ze dan meer kanalen kunnen ontvangen. Maar voor dingen als uw smartphone, die slechts een specifieke radiogolf nodig hebben, is een volledige bandbreedte niet zo noodzakelijk.

Time to Phone Home

Radiogolven zijn overal! Stel je voor dat je ze met je eigen ogen zou kunnen zien. Je zou overal radiogolven hebben, die uit je router stralen, uit je mobiele telefoon, en overal om je heen van de draadloze elektronica van je buren. Radiogolven hebben ons moderne leven inderdaad als geen ander gevormd, en zonder radiogolven zouden we nooit kunnen genieten van nuttige uitvindingen als GPS, WiFi, Bluetooth, enzovoort. Maar radio reikt veel verder dan ons fysieke, aardse bestaan. Sommige van de verste uithoeken van ons bekende universum zijn verkend door middel van radioastronomie om quasars, moleculen en andere sterrenstelsels te ontdekken!

Klaar om naar huis te bellen en aan de slag te gaan met uw eigen draadloze elektronicaproject? Probeer Autodesk EAGLE vandaag nog gratis uit.