Co to jest RF i dlaczego go używamy?

Poznaj promieniowanie elektromagnetyczne i dowiedz się, dlaczego jest ono tak przydatne w komunikacji bezprzewodowej.

Gdy myślimy o elektryczności, naturalnie myślimy o przewodach. Od linii przesyłowych wysokiego napięcia po maleńkie ślady na płytce drukowanej, przewody są nadal podstawowym środkiem przenoszenia energii elektrycznej z jednego miejsca do drugiego.

Historia jednak konsekwentnie pokazuje, że istoty ludzkie rzadko, jeśli w ogóle, są zadowolone z podstawowego sposobu robienia rzeczy, dlatego nie powinniśmy być zaskoczeni, gdy dowiemy się, że po upowszechnieniu elektryczności nastąpiły szeroko zakrojone wysiłki mające na celu uwolnienie funkcji elektrycznych od ograniczeń fizycznych połączeń.

Istnieją różne sposoby włączenia funkcji „bezprzewodowych” do systemu elektrycznego. Jednym z nich jest wykorzystanie promieniowania elektromagnetycznego, które jest podstawą komunikacji RF. Jednak ważne jest, aby pamiętać, że promieniowanie elektromagnetyczne nie jest unikalne w swojej zdolności do rozszerzania obwodów elektrycznych w domenie bezprzewodowej. Wszystko, co może przemieszczać się przez materiał nieprzewodzący – ruch mechaniczny, fale dźwiękowe, ciepło – może być wykorzystane jako (być może prymitywny) sposób przekształcania energii elektrycznej w informacje, które nie polegają na połączeniach przewodzących.

Skrupulatnie manipulowane sinusoidalne sygnały napięciowe (lub prądowe) są podstawą nowoczesnej ery bezprzewodowej.

Mając to na uwadze, możemy zadać sobie bardziej istotne pytania: Dlaczego promieniowanie elektromagnetyczne jest preferowaną metodą? Dlaczego inne rodzaje komunikacji bezprzewodowej mają tak drugorzędne znaczenie? Zanim odpowiemy na te pytania, upewnijmy się, że rozumiemy, czym jest promieniowanie elektromagnetyczne.

Pole i fale

Możesz spędzić lata na studiowaniu szczegółów elektromagnetyzmu. Na szczęście, nie potrzebujesz tego rodzaju wiedzy, aby z powodzeniem projektować i implementować obwody RF. Ale musisz mieć podstawowe pojęcie o tajemniczej energii emitowanej z anteny Twojego urządzenia.

Jak sama nazwa wskazuje, promieniowanie elektromagnetyczne obejmuje zarówno pola elektryczne jak i magnetyczne. Jeśli masz napięcie – takie jak napięcie na impedancji anteny – masz pole elektryczne (z matematycznego punktu widzenia, pole elektryczne jest proporcjonalne do przestrzennej szybkości zmiany napięcia). Jeśli masz prąd elektryczny – taki jak prąd przechodzący przez impedancję anteny – masz pole magnetyczne (natężenie pola jest proporcjonalne do wielkości prądu).

Pole elektryczne i magnetyczne są obecne nawet jeśli wielkość napięcia lub prądu jest stała. Jednak te pola nie będą się rozchodzić. Jeśli chcemy, aby fala rozchodziła się we wszechświecie, potrzebujemy zmian w napięciu i natężeniu prądu.

Składowe elektryczna i magnetyczna fali elektromagnetycznej są reprezentowane jako prostopadłe sinusoidy.

Kluczem do tego zjawiska propagacji jest samopodtrzymująca się zależność między składową elektryczną i magnetyczną promieniowania elektromagnetycznego. Zmieniające się pole elektryczne generuje pole magnetyczne, a zmieniające się pole magnetyczne generuje pole elektryczne. Ta wzajemna regeneracja objawia się jako odrębny byt, jakim jest fala elektromagnetyczna. Po wygenerowaniu, fala ta będzie podróżować na zewnątrz od swojego źródła, pędząc dzień po dniu, z prędkością światła, w kierunku głębi nieznanego.

Tworzenie EMR vs. Kontrolowanie EMR

Zaprojektowanie całego systemu komunikacji RF nie jest łatwe. Jednak niezwykle łatwo jest generować promieniowanie elektromagnetyczne (EMR), a w rzeczywistości generujemy je nawet wtedy, gdy tego nie chcemy. Każdy zmieniający się w czasie sygnał w dowolnym obwodzie będzie generował EMR, dotyczy to również sygnałów cyfrowych. W większości przypadków ten EMR jest po prostu szumem. Jeśli nie powoduje on żadnych problemów, można go zignorować. W niektórych przypadkach może on faktycznie zakłócać pracę innych obwodów, w którym to przypadku staje się EMI (zakłócenia elektromagnetyczne).

Widzimy więc, że projektowanie RF nie polega jedynie na generowaniu EMR; projekt RF jest raczej sztuką i nauką generowania, manipulowania i interpretowania EMR w sposób, który pozwala na niezawodne przesyłanie znaczących informacji pomiędzy dwoma obwodami, które nie mają bezpośredniego połączenia elektrycznego.

Dlaczego EMR?

Powróćmy teraz do pytania, dlaczego systemy oparte na EMR są tak powszechne w porównaniu z innymi formami komunikacji bezprzewodowej. Innymi słowy, dlaczego „bezprzewodowy” prawie zawsze odnosi się do RF, skoro różne inne zjawiska mogą przesyłać informacje bez pomocy przewodów? Jest kilka powodów:

Wszechstronność

EMR jest naturalnym rozszerzeniem sygnałów elektrycznych używanych w obwodach przewodowych. Zmienne w czasie napięcia i prądy generują EMR, czy tego chcemy czy nie, a co więcej, EMR jest dokładną reprezentacją składowych AC oryginalnego sygnału.

Każda porcja tej skomplikowanej fali QPSK przenosi dwa bity informacji cyfrowej.

Rozważmy skrajny (i całkowicie niepraktyczny) kontrprzykład: system komunikacji bezprzewodowej oparty na cieple. Wyobraźmy sobie, że w pomieszczeniu znajdują się dwa oddzielne urządzenia. Urządzenie nadawcze ogrzewa pomieszczenie do określonej temperatury w oparciu o wiadomość, którą chce wysłać, a urządzenie odbiorcze mierzy i interpretuje temperaturę otoczenia. Jest to powolny i kłopotliwy system, ponieważ temperatura w pomieszczeniu nie może precyzyjnie podążać za zmianami skomplikowanego sygnału elektrycznego. EMR, z drugiej strony, jest bardzo czuły. Transmitowane sygnały RF mogą wiernie odtworzyć nawet złożone, wysokoczęstotliwościowe przebiegi używane w najnowocześniejszych systemach bezprzewodowych.

Szybkość

W systemach sprzężonych AC, szybkość, z jaką dane mogą być przesyłane zależy od tego, jak szybko sygnał może doświadczać zmian. Innymi słowy, sygnał musi coś robić – np. zwiększać i zmniejszać swoją amplitudę – aby przekazać informację. Okazuje się, że EMR jest praktycznym medium komunikacyjnym nawet przy bardzo wysokich częstotliwościach, co oznacza, że systemy RF mogą osiągać niezwykle wysokie prędkości transferu danych.

Zasięg

Dążenie do komunikacji bezprzewodowej jest ściśle związane z dążeniem do komunikacji na duże odległości; jeśli nadajnik i odbiornik znajdują się w bliskiej odległości, często prostsze i bardziej opłacalne jest użycie przewodów. Chociaż siła sygnału RF maleje zgodnie z prawem odwrotności kwadratu, EMR – w połączeniu z technikami modulacji i wyrafinowanymi obwodami odbiorników – nadal ma niezwykłą zdolność do przenoszenia użytecznych sygnałów na duże odległości.

Intensywność EMR maleje wykładniczo w miarę jak emitowana energia rozchodzi się we wszystkich kierunkach.

No Line of Sight Needed

Jedynym medium komunikacji bezprzewodowej, które może konkurować z EMR jest światło; nie jest to może zbyt zaskakujące, ponieważ światło jest w rzeczywistości EMR o bardzo wysokiej częstotliwości. Jednak natura transmisji optycznej uwydatnia to, co jest być może ostateczną zaletą komunikacji radiowej: nie jest wymagana wyraźna linia wzroku.

Nasz świat jest pełen obiektów stałych, które blokują światło – nawet bardzo silne światło. Wszyscy doświadczyliśmy intensywnego blasku letniego słońca, ale jego intensywność jest znacznie zmniejszona przez nic więcej niż cienki kawałek tkaniny. W przeciwieństwie do tego, EMR o niższej częstotliwości wykorzystywany w systemach RF przechodzi przez ściany, plastikowe obudowy, chmury i – choć może się to wydawać nieco dziwne – każdą komórkę ludzkiego ciała. Sygnały RF nie są całkowicie pozbawione wpływu tych materiałów, a w niektórych przypadkach może wystąpić znaczne tłumienie. Jednak w porównaniu do światła, (niższa częstotliwość) EMR dociera prawie wszędzie.

Podsumowanie

• „RF” odnosi się do wykorzystania promieniowania elektromagnetycznego do przekazywania informacji pomiędzy dwoma obwodami, które nie mają bezpośredniego połączenia elektrycznego.
• Zmieniające się w czasie napięcia i prądy generują energię elektromagnetyczną, która rozchodzi się w postaci fal. Możemy bezprzewodowo przesyłać dane analogowe i cyfrowe poprzez manipulowanie i interpretowanie tych fal.
• EMR jest dominującą formą komunikacji bezprzewodowej. Jedną z alternatyw jest wykorzystanie światła (np. w światłowodach), ale RF jest znacznie bardziej wszechstronny, ponieważ niższe częstotliwości EMR nie jest blokowany przez nieprzezroczyste obiekty.