Mi az RF és miért használjuk?

Tanuljon az elektromágneses sugárzásról és arról, hogy miért olyan hasznos a vezeték nélküli kommunikációban.

Amikor az elektromosságra gondolunk, természetesen a vezetékekre gondolunk. A nagyfeszültségű távvezetékektől a nyomtatott áramköri lapon található apró nyomvonalakig a vezetékek még mindig az elektromos energia egyik helyről a másikra történő átvitelének alapvető eszközei.

A történelem azonban következetesen bizonyította, hogy az emberek ritkán, vagy soha nem elégedettek a dolgok alapvető módjával, ezért nem kell meglepődnünk, hogy az elektromosság elterjedését széles körű erőfeszítések követték az elektromos funkcióknak a fizikai összeköttetések korlátaitól való megszabadítására.

A “vezeték nélküli” funkciók különböző módon építhetők be egy elektromos rendszerbe. Ezek egyike az elektromágneses sugárzás használata, amely az RF-kommunikáció alapja. Fontos azonban felismerni, hogy az elektromágneses sugárzás nem egyedülálló módon képes kiterjeszteni az elektromos áramköröket a vezeték nélküli tartományba. Bármi, ami nem vezető anyagon keresztül tud haladni – mechanikus mozgás, hanghullámok, hő – felhasználható az elektromos energia információvá alakításának (talán kezdetleges) eszközeként, amely nem támaszkodik vezető összeköttetésekre.

A modern vezeték nélküli korszak alapja a gondosan manipulált szinuszos feszültség- (vagy áram-) jelek.

Ezt szem előtt tartva feltehetjük magunknak a fontosabb kérdéseket: Miért az elektromágneses sugárzás a preferált módszer? A vezeték nélküli kommunikáció más típusai miért olyan másodlagos jelentőségűek? Mielőtt válaszolnánk ezekre a kérdésekre, győződjünk meg arról, hogy értjük, mi is az elektromágneses sugárzás.

Mezők és hullámok

Évekig tanulmányozhatná az elektromágnesesség részleteit. Szerencsére az RF-áramkörök sikeres tervezéséhez és megvalósításához nincs szükség ilyen jellegű szakértelemre. Szükséged van azonban arra, hogy legyen egy alapvető elképzelésed arról a titokzatos energiáról, amelyet a készüléked antennája bocsát ki.

Amint a neve is mutatja, az elektromágneses sugárzás elektromos és mágneses mezőt egyaránt magában foglal. Ha van feszültség – például az antenna impedanciáján átmenő feszültség -, akkor van elektromos mező (matematikai szempontból az elektromos mező arányos a feszültség térbeli változásának sebességével). Ha van elektromos áram – például az antenna impedanciáján áthaladó áram -, akkor mágneses mező van (a mező erőssége arányos az áram nagyságával).

Az elektromos és a mágneses mező akkor is jelen van, ha a feszültség vagy az áram nagysága állandó. Ezek a mezők azonban nem terjednének. Ha olyan hullámot akarunk, amely terjed a világegyetemben, akkor a feszültség és az áram változására van szükségünk.

Az elektromágneses hullám elektromos és mágneses összetevőit egymásra merőleges szinuszokként ábrázoljuk.

A terjedési jelenség kulcsa az elektromágneses sugárzás elektromos és mágneses összetevői közötti önfenntartó kapcsolat. A változó elektromos mező mágneses mezőt, a változó mágneses mező pedig elektromos mezőt hoz létre. Ez a kölcsönös újratermelődés egy különálló entitásként, nevezetesen elektromágneses hullámként jelenik meg. Ha egyszer létrejött, ez a hullám a forrásától kifelé halad, és napról napra, fénysebességgel száguld az ismeretlen mélységei felé.

ÉMR létrehozása vs. EMR szabályozása

Egy teljes RF kommunikációs rendszer tervezése nem könnyű. Elektromágneses sugárzást (EMR) azonban rendkívül könnyű létrehozni, sőt, még akkor is generáljuk, amikor nem akarjuk. Bármilyen időben változó jel bármely áramkörben EMR-t generál, és ez a digitális jeleket is magában foglalja. A legtöbb esetben ez az EMR egyszerűen zaj. Ha nem okoz semmilyen problémát, akkor figyelmen kívül hagyhatja. Bizonyos esetekben viszont zavarhatja más áramköröket, ilyenkor EMI (elektromágneses interferencia) keletkezik.

Láthatjuk tehát, hogy az RF-tervezés nem pusztán az EMR generálásáról szól; az RF-tervezés inkább az EMR generálásának, manipulálásának és értelmezésének művészete és tudománya oly módon, hogy lehetővé tegye az értelmes információ megbízható átvitelét két olyan áramkör között, amelyek között nincs közvetlen elektromos kapcsolat.

Miért EMR?

Most térjünk vissza arra a kérdésre, hogy miért olyan gyakoriak az EMR-alapú rendszerek a vezeték nélküli kommunikáció más formáihoz képest. Más szóval, miért utal a “vezeték nélküli” kifejezés szinte mindig az RF-re, amikor különböző más jelenségek is képesek vezetékek nélkül információt továbbítani? Van néhány ok:

Az alkalmazhatóság

Az EMR a vezetékes áramkörökben használt elektromos jelek természetes kiterjesztése. Az időben változó feszültségek és áramok EMR-t generálnak, akár akarjuk, akár nem, ráadásul ez az EMR az eredeti jel váltakozó áramú összetevőinek pontos megjelenítése.

Ennek a bonyolult QPSK hullámformának minden egyes része két bit digitális információt továbbít.

Lássunk egy szélsőséges (és teljesen kivitelezhetetlen) ellenpéldát: egy hőalapú vezeték nélküli kommunikációs rendszert. Képzeljük el, hogy egy szobában két különálló eszköz található. Az adóeszköz az elküldeni kívánt üzenet alapján felmelegíti a szobát egy bizonyos hőmérsékletre, a vevőeszköz pedig méri és értelmezi a környezeti hőmérsékletet. Ez egy lomha, nehézkes rendszer, mivel a szoba hőmérséklete nem tudja pontosan követni egy bonyolult elektromos jel változásait. Az EMR ezzel szemben rendkívül érzékeny. Az átvitt RF jelek még a legmodernebb vezeték nélküli rendszerekben használt bonyolult, nagyfrekvenciás hullámformákat is hűen reprodukálják.

Gyorsaság

A váltakozó áramú rendszerekben az adatátvitel sebessége attól függ, hogy a jel milyen gyorsan képes változásokat tapasztalni. Más szóval, a jelnek valamit tennie kell – például növelnie és csökkentenie kell az amplitúdóját – ahhoz, hogy információt közvetítsen. Kiderült, hogy az EMR még nagyon magas frekvenciákon is praktikus kommunikációs közeg, ami azt jelenti, hogy az RF-rendszerek rendkívül nagy adatátviteli sebességet érhetnek el.

Távolság

A vezeték nélküli kommunikációra való törekvés szorosan kapcsolódik a nagy távolságokra való törekvéshez; ha az adó és a vevő közel van egymáshoz, gyakran egyszerűbb és költséghatékonyabb vezetékek használata. Bár a rádiófrekvenciás jel erőssége a fordított négyzetes törvény szerint csökken, az EMR – modulációs technikákkal és kifinomult vevőáramkörökkel együtt – még mindig figyelemre méltóan képes nagy távolságokra használható jeleket továbbítani.

Az EMR intenzitása exponenciálisan csökken, ahogy a kibocsátott energia minden irányban terjed kifelé.

Nincs szükség látótávolságra

Az egyetlen vezeték nélküli kommunikációs médium, amely felveszi a versenyt az EMR-rel, a fény; ez talán nem túl meglepő, mivel a fény valójában nagyon magas frekvenciájú EMR. Az optikai átvitel természete azonban rávilágít a rádiófrekvenciás kommunikáció talán legmeghatározóbb előnyére: nincs szükség tiszta látóvonalra.

Világunk tele van szilárd tárgyakkal, amelyek blokkolják a fényt – még a nagyon erős fényt is. Mindannyian tapasztaltuk már a nyári nap intenzív fényességét, de ezt az intenzitást semmi más nem csökkenti, mint egy vékony szövetdarab. Ezzel szemben az RF-rendszerekben használt alacsonyabb frekvenciájú EMR áthatol a falakon, műanyag burkolatokon, felhőkön, és – bár kissé furcsának tűnhet – az emberi test minden sejtjén. Az RF-jeleket ezek az anyagok nem hagyják teljesen érintetlenül, és bizonyos esetekben jelentős csillapítás léphet fel. De a fényhez képest az (alacsonyabb frekvenciájú) EMR szinte bárhová eljut.

Összefoglaló

• A “RF” kifejezés az elektromágneses sugárzás használatára utal két olyan áramkör közötti információátvitelre, amelyek között nincs közvetlen elektromos kapcsolat.
• Az időben változó feszültségek és áramok elektromágneses energiát hoznak létre, amely hullámok formájában terjed. E hullámok manipulálásával és értelmezésével analóg és digitális adatokat tudunk vezeték nélkül továbbítani.
• Az EMR a vezeték nélküli kommunikáció domináns formája. Az egyik alternatíva a fény használata (például az üvegszáloptikában), de az RF sokkal sokoldalúbb, mivel az alacsonyabb frekvenciájú EMR-t nem blokkolják az átlátszatlan tárgyak.