Ce este RF și de ce îl folosim?

Învățați despre radiația electromagnetică și de ce este atât de utilă pentru comunicațiile fără fir.

Când ne gândim la electricitate, ne gândim în mod natural la fire. De la liniile de transmisie de înaltă tensiune până la urmele minuscule de pe o placă de circuite imprimate, firele sunt încă mijloacele fundamentale de transfer al energiei electrice dintr-o locație în alta.

Dar istoria a demonstrat în mod constant că ființele umane sunt rareori, dacă nu chiar niciodată, mulțumite de modul fundamental de a face lucrurile și, prin urmare, nu ar trebui să fim surprinși să aflăm că proliferarea electricității a fost urmată de eforturi pe scară largă pentru a elibera funcționalitatea electrică de constrângerile interconexiunilor fizice.

Există diverse moduri de a încorpora funcționalitatea „fără fir” într-un sistem electric. Unul dintre acestea este utilizarea radiațiilor electromagnetice, care reprezintă baza comunicațiilor RF. Cu toate acestea, este important să recunoaștem că radiația electromagnetică nu este unică în capacitatea sa de a extinde circuitele electrice în domeniul wireless. Orice lucru care se poate deplasa printr-un material neconductor – mișcarea mecanică, undele sonore, căldura – ar putea fi folosit ca mijloc (poate rudimentar) de conversie a energiei electrice în informații care nu se bazează pe interconexiuni conductoare.

Semnale sinusoidale de tensiune (sau de curent) manipulate cu grijă reprezintă fundamentul erei moderne fără fir.

Cu acest lucru în minte, ne putem pune întrebări mai relevante: De ce este radiația electromagnetică metoda preferată? De ce alte tipuri de comunicare fără fir au o importanță atât de secundară? Înainte de a răspunde la aceste întrebări, să ne asigurăm că înțelegem ce este radiația electromagnetică.

Câmpuri și unde

Ați putea petrece ani de zile studiind detaliile electromagnetismului. Din fericire, nu aveți nevoie de o astfel de expertiză pentru a proiecta și implementa cu succes circuite RF. Dar trebuie să aveți o idee de bază despre misterioasa energie emisă de antena dispozitivului dumneavoastră.

După cum sugerează și numele, radiația electromagnetică implică atât câmpuri electrice, cât și câmpuri magnetice. Dacă aveți tensiune – cum ar fi tensiunea pe impedanța unei antene – aveți un câmp electric (din punct de vedere matematic, câmpul electric este proporțional cu rata de variație spațială a tensiunii). Dacă aveți curent electric – cum ar fi curentul care trece prin impedanța unei antene – aveți un câmp magnetic (intensitatea câmpului este proporțională cu magnitudinea curentului).

Câmpurile electrice și magnetice sunt prezente chiar dacă magnitudinea tensiunii sau a curentului este constantă. Cu toate acestea, aceste câmpuri nu s-ar propaga. Dacă dorim o undă care să se propage în univers, avem nevoie de modificări ale tensiunii și curentului.

Componentele electrice și magnetice ale unei unde electromagnetice sunt reprezentate sub forma unor sinusoide perpendiculare.

Cheia acestui fenomen de propagare este relația de autosusținere între componentele electrice și magnetice ale radiației electromagnetice. Un câmp electric în schimbare generează un câmp magnetic, iar un câmp magnetic în schimbare generează un câmp electric. Această regenerare reciprocă se manifestă ca o entitate distinctă, și anume, o undă electromagnetică. Odată generată, această undă se va deplasa spre exteriorul sursei sale, călătorind zi după zi, cu viteza luminii, spre adâncurile necunoscutului.

Crearea EMR vs. controlul EMR

Proiectarea unui întreg sistem de comunicații RF nu este ușoară. Cu toate acestea, este extrem de ușor să generezi radiații electromagnetice (EMR) și, de fapt, le generezi chiar și atunci când nu vrei să o faci. Orice semnal care variază în timp în orice circuit va genera EMR, iar acest lucru include semnalele digitale. În majoritatea cazurilor, acest EMR este pur și simplu zgomot. Dacă nu cauzează probleme, îl puteți ignora. În unele cazuri, poate chiar să interfereze cu alte circuite, caz în care devine EMI (interferență electromagnetică).

Vezi, așadar, că proiectarea RF nu se referă doar la simpla generare de EMR; mai degrabă, proiectarea RF este arta și știința generării, manipulării și interpretării EMR într-un mod care vă permite să transferați în mod fiabil informații semnificative între două circuite care nu au o conexiune electrică directă.

De ce EMR?

Acum să revenim la întrebarea de ce sistemele bazate pe EMR sunt atât de comune în comparație cu alte forme de comunicare fără fir. Cu alte cuvinte, de ce „fără fir” se referă aproape întotdeauna la RF, când diverse alte fenomene pot transfera informații fără ajutorul firelor? Există câteva motive:

Agilitate

EMR este o extensie naturală a semnalelor electrice utilizate în circuitele cu fir. Tensiunile și curenții care variază în timp generează EMR, fie că vreți sau nu, și, în plus, acel EMR este o reprezentare precisă a componentelor de curent alternativ ale semnalului original.

Fiecare porțiune a acestei forme de undă QPSK complicate transferă doi biți de informație digitală.

Să luăm în considerare un contraexemplu extrem (și complet nepractic): un sistem de comunicații fără fir bazat pe căldură. Imaginați-vă că o cameră conține două dispozitive separate. Dispozitivul emițător încălzește încăperea până la o anumită temperatură în funcție de mesajul pe care dorește să îl trimită, iar dispozitivul receptor măsoară și interpretează temperatura ambientală. Acesta este un sistem lent și incomod, deoarece temperatura din încăpere nu poate urmări cu precizie variațiile unui semnal electric complicat. EMR, pe de altă parte, este foarte receptiv. Semnalele RF transmise pot reproduce fidel chiar și formele de undă complexe, de înaltă frecvență, utilizate în sistemele wireless de ultimă generație.

Viteza

În sistemele cuplate în curent alternativ, viteza cu care pot fi transferate datele depinde de rapiditatea cu care un semnal poate suferi variații. Cu alte cuvinte, un semnal trebuie să facă ceva – cum ar fi creșterea și descreșterea amplitudinii – pentru a transmite informații. Se pare că EMR este un mediu de comunicare practic chiar și la frecvențe foarte înalte, ceea ce înseamnă că sistemele RF pot atinge rate extrem de ridicate de transfer de date.

Razem

Cercetarea comunicării fără fir este strâns legată de cea a comunicării pe distanțe lungi; dacă emițătorul și receptorul se află în imediata apropiere, este adesea mai simplu și mai rentabil să se utilizeze fire. Deși intensitatea unui semnal de radiofrecvență scade conform legii pătratului invers, EMR – împreună cu tehnicile de modulație și circuitele sofisticate ale receptorului – are încă o capacitate remarcabilă de a transfera semnale utilizabile pe distanțe lungi.

Intensitatea EMR scade exponențial pe măsură ce energia emisă se propagă în toate direcțiile.

Nu este nevoie de linie de vizibilitate

Singurul mediu de comunicare fără fir care poate concura cu EMR este lumina; acest lucru nu este poate prea surprinzător, deoarece lumina este de fapt EMR de frecvență foarte înaltă. Dar natura transmisiei optice evidențiază ceea ce este poate avantajul definitiv oferit de comunicarea RF: nu este necesară o linie de vedere clară.

Lumea noastră este plină de obiecte solide care blochează lumina – chiar și lumina foarte puternică. Am experimentat cu toții strălucirea intensă a soarelui de vară, însă această intensitate este mult redusă de nimic mai mult decât o bucată subțire de țesătură. În schimb, EMR-ul de frecvență mai joasă utilizat în sistemele RF trece prin pereți, carcase de plastic, nori și – deși poate părea puțin ciudat – prin fiecare celulă din corpul uman. Semnalele RF nu sunt complet neafectate de aceste materiale și, în unele cazuri, se poate produce o atenuare semnificativă. Dar, în comparație cu lumina, EMR (de frecvență mai joasă) merge cam peste tot.

Rezumat

• „RF” se referă la utilizarea radiației electromagnetice pentru transferul de informații între două circuite care nu au o conexiune electrică directă.
• Tensiuni și curenți care variază în timp generează energie electromagnetică care se propagă sub formă de unde. Putem transfera fără fir date analogice și digitale prin manipularea și interpretarea acestor unde.
• REM este forma dominantă de comunicare fără fir. O alternativă este utilizarea luminii (cum ar fi în fibrele optice), dar RF este mult mai versatilă, deoarece EMR de frecvență mai joasă nu este blocată de obiecte opace.