O que é RF e por que a usamos?

Saiba sobre radiação eletromagnética e por que ela é tão útil para a comunicação sem fio.

Quando pensamos em eletricidade, naturalmente pensamos em fios. Desde linhas de transmissão de alta tensão até pequenos traços em uma placa de circuito impresso, os fios ainda são o meio fundamental de transferir energia elétrica de um local para outro.

Mas a história tem demonstrado consistentemente que os seres humanos raramente, se é que alguma vez, estão satisfeitos com a forma fundamental de fazer as coisas, e assim não devemos nos surpreender ao saber que a proliferação da eletricidade foi seguida por esforços generalizados para liberar a funcionalidade elétrica das restrições das interconexões físicas.

Há várias maneiras de incorporar a funcionalidade “sem fio” em um sistema elétrico. Uma delas é o uso de radiação eletromagnética, que é a base da comunicação por RF. Entretanto, é importante reconhecer que a radiação eletromagnética não é única em sua capacidade de estender os circuitos elétricos para o domínio sem fio. Qualquer coisa que possa percorrer um material não condutor – movimento mecânico, ondas sonoras, calor – pode ser usada como um meio (talvez bruto) de converter energia elétrica em informação que não depende de interconexões condutivas.

Sinais de tensão (ou corrente) sinusoidal cuidadosamente manipulados são a base da era sem fio moderna.

Com isto em mente, podemos nos fazer as perguntas mais relevantes: Porque é que a radiação electromagnética é o método preferido? Por que outros tipos de comunicação sem fio são de tamanha importância secundária? Antes de respondermos a estas perguntas, vamos nos certificar de entender o que é radiação eletromagnética.

Campos e Ondas

Você poderia passar anos estudando os detalhes do eletromagnetismo. Felizmente, você não precisa desse tipo de conhecimento para projetar e implementar circuitos de RF com sucesso. Mas você precisa ter uma idéia básica da misteriosa energia sendo emitida pela antena do seu dispositivo.

Como o nome indica, a radiação eletromagnética envolve tanto campos elétricos quanto campos magnéticos. Se você tem voltagem – como a voltagem através da impedância de uma antena – você tem um campo elétrico (do ponto de vista matemático, o campo elétrico é proporcional à taxa espacial de mudança de voltagem). Se você tem corrente elétrica – como a corrente que passa através da impedância de uma antena – você tem um campo magnético (a força do campo é proporcional à magnitude da corrente).

Os campos elétricos e magnéticos estão presentes mesmo que a magnitude da voltagem ou corrente seja constante. No entanto, estes campos não se propagariam. Se queremos uma onda que se propagará para fora do universo, precisamos de mudanças na tensão e corrente.

Os componentes eléctricos e magnéticos de uma onda electromagnética são representados como sinusoidais perpendiculares.

A chave para este fenómeno de propagação é a relação auto-sustentável entre os componentes eléctricos e magnéticos da radiação electromagnética. Um campo eléctrico em mudança gera um campo magnético, e um campo magnético em mudança gera um campo eléctrico. Esta regeneração mútua é manifestada como uma entidade distinta, ou seja, uma onda electromagnética. Uma vez gerada, esta onda viajará para fora da sua fonte, cuidando dia após dia, à velocidade da luz, em direção às profundezas do desconhecido.

Criar EMR vs. Controlar EMR

Desenhar todo um sistema de comunicação RF não é fácil. No entanto, é extremamente fácil gerar radiação eletromagnética (EMR), e na verdade você a gera mesmo quando você não quer. Qualquer sinal variável de tempo em qualquer circuito irá gerar EMR, e isto inclui sinais digitais. Na maioria dos casos, este EMR é simplesmente ruído. Se não estiver causando nenhum problema, você pode ignorá-lo. Em alguns casos, ele pode realmente interferir com outros circuitos, e nesse caso ele se torna EMI (interferência eletromagnética).

Vemos, então, que o projeto de RF não se trata apenas de gerar EMR; ao contrário, o projeto de RF é a arte e a ciência de gerar e manipular e interpretar EMR de uma forma que lhe permite transferir de forma confiável informações significativas entre dois circuitos que não têm conexão elétrica direta.

Porquê EMR?

Agora vamos voltar à questão de porque os sistemas baseados em EMR são tão comuns em comparação com outras formas de comunicação sem fio. Em outras palavras, por que “wireless” quase sempre se refere à RF quando vários outros fenômenos podem transferir informações sem a ajuda de fios? Existem algumas razões:

Agilidade

EMR é uma extensão natural dos sinais elétricos usados em circuitos com fio. Tensões e correntes variáveis no tempo geram EMR quer você queira ou não, e além disso, que EMR é uma representação precisa dos componentes AC do sinal original.

Cada porção desta intrincada forma de onda QPSK transfere dois bits de informação digital.

Vamos considerar um contra-exemplo extremo (e completamente impraticável): um sistema de comunicação sem fio baseado em calor. Imagine que uma sala contém dois dispositivos separados. O dispositivo transmissor aquece a sala até uma certa temperatura baseada na mensagem que deseja enviar, e o dispositivo receptor mede e interpreta a temperatura ambiente. Este é um sistema lento e incômodo porque a temperatura da sala não pode acompanhar com precisão as variações de um sinal elétrico intrincado. O EMR, por outro lado, é altamente responsivo. Os sinais RF transmitidos podem reproduzir fielmente até mesmo as formas de onda complexas e de alta freqüência usadas em sistemas sem fio de última geração.

velocidade

Em sistemas acoplados AC, a taxa na qual os dados podem ser transferidos depende da rapidez com que um sinal pode sofrer variações. Em outras palavras, um sinal deve estar fazendo algo – como aumentar e diminuir a amplitude – a fim de transmitir informações. Acontece que a EMR é um meio de comunicação prático mesmo em freqüências muito altas, o que significa que os sistemas de RF podem alcançar taxas extremamente altas de transferência de dados.

Alcance

A busca da comunicação sem fio está intimamente ligada à busca da comunicação de longa distância; se o transmissor e o receptor estão próximos, muitas vezes é mais simples e mais econômico usar fios. Embora a força de um sinal de RF diminua de acordo com a lei do quadrado inverso, EMR-in em conjunto com técnicas de modulação e circuitos sofisticados do receptor – ainda tem uma notável capacidade de transferir sinais utilizáveis em longas distâncias.

A intensidade do EMR diminui exponencialmente à medida que a energia emitida se propaga para fora em todas as direções.

Não é necessária uma linha de visão

O único meio de comunicação sem fio que pode competir com o EMR é a luz; isto talvez não seja muito surpreendente, uma vez que a luz é, na verdade, EMR de muito alta frequência. Mas a natureza da transmissão óptica destaca talvez a vantagem definitiva oferecida pela comunicação RF: uma linha de visão clara não é necessária.

Nosso mundo está cheio de objetos sólidos que bloqueiam a luz – mesmo a luz muito poderosa. Todos nós experimentamos o brilho intenso do sol de verão, mas essa intensidade é grandemente reduzida por nada mais do que um fino pedaço de tecido. Em contraste, o EMR de baixa frequência utilizado nos sistemas RF passa através de paredes, recintos plásticos, nuvens e – embora possa parecer um pouco estranho – todas as células do corpo humano. Os sinais de RF não são completamente afetados por esses materiais e, em alguns casos, pode ocorrer uma atenuação significativa. Mas em comparação com a luz, (frequência mais baixa) a EMR vai para praticamente qualquer lugar.

Sumário

• “RF” refere-se ao uso da radiação eletromagnética para transferir informações entre dois circuitos que não têm conexão elétrica direta.
• Time-variações de tensões e correntes geram energia eletromagnética que se propaga sob a forma de ondas. Podemos transferir dados analógicos e digitais sem fio manipulando e interpretando estas ondas.
• EMR é a forma dominante de comunicação sem fio. Uma alternativa é o uso da luz (como na fibra óptica), mas a RF é muito mais versátil porque a EMR de baixa freqüência não é bloqueada por objetos opacos.