Wszystko o falach radiowych

Widmo

Grafika poniżej obrazuje spektrum fal elektromagnetycznych, znane również jako widmo. Obejmuje różnorodne zakresy fal, takie jak fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne i promienie rentgenowskie. Każde z tych pasm wykazuje swoje unikalne cechy. Niektóre z nich mogą przenikać atmosferę, inne są pochłaniane przez nią (co sprawia, że atmosfera staje się dla nich „czarna”). A jeszcze inne odbijają się od atmosfery jak od lustra!

Czym są w ogóle te fale?

Zakładając, że przez przewodnik, na przykład prosty miedziany drut, płynie prąd elektryczny o stałym napięciu 20V, gdy napięcie ulega zmianie, na przykład na odwrotne (-20V), prąd zaczyna płynąć w przeciwnym kierunku, a w otoczeniu przewodnika tymczasowo zachodzi zaburzenie pola magnetycznego. Sytuacja ta ma także miejsce, gdy przepływ prądu zostaje przerwany, na przykład po przecięciu kabla.

Jeśli taka zmiana występuje określoną ilość razy w ciągu sekundy, a kolejne powtórzenia następują w równych odstępach czasowych, generujemy falę elektromagnetyczną o częstotliwości równającej się liczbie tych zdarzeń w ciągu sekundy. Na przykład, aby wygenerować falę o częstotliwości 20 MHz, należałoby powtarzać taką zmianę 40 milionów razy w ciągu sekundy, czyli np. 40 milionów razy odwracając napięcie lub przerywając przepływ prądu. Liczba 40, a nie 20, wynika z faktu, że pełny okres fali obejmuje zarówno zmianę, jak i powrót do pozycji wyjściowej, czyli kolejną zmianę.

Najczęściej do generowania fal elektromagnetycznych wykorzystuje się prąd przemienny o kształcie sinusoidy, regularnie przechodzący przez „zero” (np. od 20V do -20V). Jest to optymalne rozwiązanie, ponieważ wówczas nie powstają dodatkowe fale o harmonicznych częstotliwościach, co miałoby negatywny wpływ na otoczenie elektromagnetyczne (szereg Fouriera, dokładne wyjaśnienie w 7. komentarzu).

Fala elektromagnetyczna
Fala elektromagnetyczna

Wracając…

Im wyższa częstotliwość, tym większy obszar spektrum możemy przyjąć wokół niej. Na przykład, jeśli sygnał zajmuje pasmo o szerokości 200 kHz i umieścimy go wokół fali nośnej o częstotliwości 1500 kHz, to zajmie on zakres od 1400 do 1600 kHz. W ten sposób stracimy znaczną część dostępnego pasma. Z drugiej strony, jeśli szeroki sygnał o szerokości 200 kHz umieścimy w zakresie mikrofal, na przykład 5 GHz, to zajmie on jedynie marginalną część spektrum – od 4,9999 do 5,0001 GHz. Większa szerokość pasma bezpośrednio przekłada się na zdolność przesłania większej ilości bitów w jednostce czasu, szczególnie w przypadku sygnałów cyfrowych. Dlatego niskie częstotliwości (a co za tym idzie, długość fal większa) nie są odpowiednie do transmisji sygnałów cyfrowych. Ponadto, wymusza to stosowanie modulacji o mniejszym zajęciu pasma dla sygnałów analogowych, co z kolei wpływa na niższą jakość dźwięku.

Fale radiowe bardzo długie, długie i średnie

Fale o bardzo długich (VLF – Very Low Frequency, 3-30 kHz, 100-10 km), długich (LF – Low Frequency, 30-300 kHz, 10-1 km) i średnich (Medium Frequency, 300-3000 kHz, 1000-100 m) falach charakteryzują się zdolnością do pokonywania dużych odległości, bez przeszkód w postaci budynków czy terenu. Posiadają unikalną zdolność penetracji ścian i podążania za krzywizną powierzchni ziemi. Te fale powierzchniowe, w zależności od częstotliwości, mogą być odbierane na odległość nawet tysięcy kilometrów. Ze względu na swoją naturę wielokierunkową, nie podlegają skupianiu za pomocą anten kierunkowych. Aby je nadawać, wymagane są ogromne anteny, których długości, w ekstremalnych przypadkach, równają się połowie długości fal, osiągając dziesiątki kilometrów.

Fale o bardzo długich falach posiadają niemalże globalny zasięg i potrafią przenikać wodę, co wyróżnia je spośród innych fal, które są zazwyczaj odbijane przez wodę. Choć utrudnia to komunikację pod wodą, poprawia zasięg komunikacji na powierzchni (dzięki odbiciu od tafli wody). Wojsko wykorzystuje fale VLF do komunikacji z łodziami podwodnymi oraz do globalnej nawigacji. Przed erą GPS istniały systemy pozycjonowania o zasięgu globalnym, które nie wymagały satelitów. Przykładem jest system OMEGA, składający się z ośmiu nadajników rozmieszczonych na powierzchni Ziemi, umożliwiający ustalanie pozycji z dokładnością do jednej mili morskiej (około 2 km). Tego rodzaju systemy znajdowały zastosowanie głównie na statkach. Rosyjski odpowiednik systemu Omega, znany jako RSDN-20, pozostaje w użyciu do dziś. Warto zaznaczyć, że całkowite pasmo fal VLF wynosi 27 kHz, co nie wystarczyłoby nawet na jedno pasmo radiowe FM na częstotliwości ultra krótkiej (UKF), takie jak np. RMF FM. To również szerokość odpowiadająca 1/740 pojedynczego kanału WiFi.

Jeden z nadajników systemu Omega
Jeden z nadajników systemu Omega

W zakresie fal długich i średnich, fale nie przekraczają już barier wody. Niemniej jednak, istotną rolę w propagacji nadawanego sygnału odgrywa fala powierzchniowa. Mimo to, w porównaniu z falami bardzo długimi, jej zasięg jest ograniczony. Fale te są głównie wykorzystywane do celów radiodyfuzji, czyli transmitowania programów radiowych, takich jak na przykład Program Pierwszy Polskiego Radia. W przypadku fal długich, z uwagi na większy zasięg, nadawane są programy o charakterze ogólnokrajowym. Programy o zasięgu lokalnym są z kolei transmitowane na falach średnich. Listę lokalnych stacji radiowych można znaleźć na tej stronie.

Fale krótkie

Zdjęcia autorstwa PD0AC
Zdjęcia autorstwa PD0AC

Fale krótkie (High Frequency, 3-30 MHz, 10-100 m) wykazują mniejsze uginanie się niż fale długie i średnie, ale pojawia się tu zjawisko odbić od przeszkód oraz zjonizowanych warstw atmosfery. Choć zasadniczo to zjawisko występuje również w przypadku fal bardzo długich, nie odgrywa tam znaczącej roli w transmisji sygnału. Z powodu mniejszego stopnia ugięcia fal, komunikacja przy wykorzystaniu fali powierzchniowej staje się mniej efektywna.

To pasmo umożliwia komunikację na duże odległości (DX-y) przy stosunkowo niewielkich mocach i za pomocą małych anten. Jednak aby ustanowić tego rodzaju łączność, konieczne jest wykorzystanie odbić oraz znajomość zachowania fal. Z tego powodu fale krótkie znajdują największe zastosowanie w krótkofalarstwie i rzadko są używane do transmisji programów radiowych.

Fala powierzchniowa i odbita
Fala powierzchniowa i odbita

Fale w zakresie fal krótkich mogą podlegać wielokrotnym odbiciom od atmosfery oraz powierzchni ziemi, na przykład oceanu, zanim powrócą do odbiorcy na innym kontynencie. W obszarach, gdzie fala nie odbija się od powierzchni ziemi, sygnał staje się niesłyszalny na jej powierzchni.

Warunki propagacji fal krótkich są dynamiczne i ulegają zmianom w zależności od aktywności słońca, pory dnia i roku, a także aktualnych warunków pogodowych. W jednym dniu możemy doskonale słyszeć stacje w Brazylii, nawiązując bezproblemową łączność z Polski, podczas gdy następnego dnia komunikacja może być niemożliwa. Z kolei istnieje możliwość, że usłyszymy krótkofalowców z odległych miejsc, takich jak Alaska.

Okresowo, co jedenaście lat, zwiększona aktywność słoneczna wpływa na warstwy jonosfery, w których fale krótkie uginają się i odbijają. To zjawisko poprawia propagację fal krótkich, umożliwiając im wykonanie większej liczby odbić, co z kolei zwiększa zasięg naszego sygnału.

Odbicia w różnych warstwach jonosfery
Odbicia w różnych warstwach jonosfery

Z racji tego, że fale o różnych częstotliwościach ulegają odbiciu od zróżnicowanych warstw jonosferycznych, aktywnych w różnych porach roku i dnia, każde z pasm krótkofalarskich, tworzących fale krótkie, charakteryzuje się unikalnymi właściwościami propagacyjnymi, opisanymi poniżej. Poniższy opis pasm został zaczerpnięty z publikacji pt. „ABC Krótkofalowca” autorstwa Krzysztofa Słomczyńskiego SP5HS.

Należy jednak zaznaczyć, że przedstawiona lista nie obejmuje wszystkich pasm amatorskich, a część z nich została przydzielona po wydaniu wspomnianej książki. Są to pasma zlokalizowane między wymienionymi, posiadające zbliżone charakterystyki.

W ramach fal krótkich, oprócz krótkofalowców, czasem można usłyszeć tajemnicze transmisje, gdzie spiker przez kilka minut odczytuje długą sekwencję cyfr, po czym zaprzestaje nadawania. Prawdopodobnie są to zakodowane komunikaty dla agentów wywiadu. Jak dotąd jedynie rząd Republiki Czeskiej oficjalnie potwierdził stosowanie takich „stacji numerycznych” w czasie konfliktu zbrojnego. Ostatnio odnaleziono lokalizację polskiego nadajnika stacji numerycznej. Więcej informacji na ten temat dostępnych jest na stronie Zaufanej Trzeciej Strony.

Nadajniki stacji numerycznej Lincolnshire Poacher
Nadajniki stacji numerycznej Lincolnshire Poacher

W zakresie fal krótkich znajduje się też pasmo CB radia (26 960 – 27 410 kHz). Ma ono podobną charakterystykę jak, opisane wyżej, krótkofalarskie pasmo 10m.

WebSDR

Jeden z odbiorników WebSDR bazujący na układzie FPGA/CPLD Xilinx Spartan
Jeden z odbiorników WebSDR bazujący na układzie FPGA/CPLD Xilinx Spartan

Pewnie chcielibyście już posłuchać jakiś transmisji?

Na globalną skalę istnieją odbiorniki fal długich, średnich, krótkich i innych zakresów częstotliwości, umożliwiające odbiór szerokiego spektrum fal jednocześnie, a także oferujące funkcję przeglądania odbieranych sygnałów za pośrednictwem przeglądarki internetowej. Znane są one jako WebSDR-y. W większości przypadków są sterowane przez podobne oprogramowanie, które umożliwia użytkownikowi dostosowanie częstotliwości, modulacji oraz prezentację graficzną widma odbieranego sygnału w formie „waterfalla”. Często są one dodatkowo wyposażone w funkcję czatu, co pozwala na interakcję i rozmowę z innymi użytkownikami podczas słuchania.

Ultra krótkie fale

W polskim żargonie, określenie „fal ultrakrótkich” odnosi się do dwóch zakresów fal radiowych: fal metrowych (Very High Frequency — VHF, 30—300 MHz, 1—10 m) i fal decymetrowych (Ultra High Frequency — UHF, 300—3000 MHz, 10—100 cm).

Charakterystyczne dla tych fal jest ich brak ugięcia, w przeciwieństwie do omawianych wcześniej zakresów. Wraz ze wzrostem częstotliwości, fale te zachowują się coraz bardziej jak światło, a coraz mniej jak opisane wcześniej fale radiowe. W okolicach częstotliwości 100 MHz fale praktycznie poruszają się w prostej linii, co pozwala na ich skupianie i kierowanie. Dlatego fale powierzchniowe, które nie podążają za krzywizną ziemi, umożliwiają komunikację jedynie w zasięgu horyzontu, czyli do około 100—150 kilometrów, jeśli nadajnik i odbiornik są umieszczone na masztach, wysokich budynkach lub na wzniesieniach. Warto jednak zaznaczyć, że w terenie zabudowanym istnieje możliwość odbioru sygnałów telewizyjnych, radiowych czy nawiązywania łączności z przemiennikiem, ponieważ fale odbijają się od przeszkód, nie przemieszczając się zbyt blisko, z charakterystyką zbliżoną do światła widzialnego, co pozwala na pokonanie cienkich przeszkód.

Fale ultrakrótkie to także pierwszy z omawianych zakresów, które przenikają ziemską atmosferę. Są używane do komunikacji z satelitami i stacjami kosmicznymi. Chociaż fale ultra krótkie przenikają atmosferę, w szczególnych warunkach pogodowych część z nich może kilkukrotnie odbić się w troposferze i powrócić do odbiornika, nawet na odległość dwóch tysięcy kilometrów. To zjawisko jest nazywane propagacją „tropo”. Niestety, jest to dość rzadkie zjawisko, a w profesjonalnych zastosowaniach oraz w codziennym krótkofalarstwie preferuje się propagację bez odbić.

Radiotelefony Kenwood (źródło: strona producenta)
Radiotelefony Kenwood (źródło: strona producenta)

Fale ultrakrótkie (UKF) pełnią istotną rolę w radiokomunikacji głosowej dla różnych służb, instytucji i firm, które uzyskały odpowiednie pozwolenia radiowe. Znajdują one zastosowanie w komunikacji głosowej takich organów jak Policja, Straż Pożarna, Straż Miejska, Pogotowie Ratunkowe, Lotnicze, wojsko, GOPR, TOPR, a także na kolei (łączność szlakowa, manewrowa, Straż Ochrony Kolei), w lotnictwie cywilnym i wojskowym. Ponadto, są szeroko wykorzystywane przez dyspozytorów, kierowców i motorniczych komunikacji miejskiej, taksówkarzy, agencje ochrony mienia oraz inne lokalne firmy i instytucje.

Do komunikacji wykorzystywane są radiostacje montowane w pojazdach oraz przenośne radiotelefony, popularnie, lecz niepoprawnie nazywane „krótkofalówkami”. W przypadku nadal popularnej łączności analogowej, standardową modulacją w tym paśmie jest FM, a kanały foniczne mają szerokość 12.5 kHz. A w radiokomunikacji lotniczej stosuje się modulację AM, która umożliwia interpretację ludzkiego głosu nawet przy złych warunkach i niskiej mocy odbieranego sygnału.

W kanałach fonicznych FM, za pomocą modemów, możliwe jest przesyłanie danych z małymi szybkościami, co stanowi popularne rozwiązanie ze względu na łatwo dostępny sprzęt nadawczo-odbiorczy. Taka forma komunikacji jest używana do przesyłania danych z różnych czujników, na przykład tych mierzących stan wód w rzekach.

Współcześnie coraz powszechniejsze stają się standardy łączności w pełni cyfrowej. Pozwalają one na przesył dźwięku, danych cyfrowych, dostęp do sieci IP, a także umożliwiają szyfrowanie transmisji. Służby takie jak Policja i Pogotowie stopniowo migrują swoje systemy do własnościowego standardu Motorola MOTOTRBO. Pomimo tego, nadal istnieje wiele analogowych transmisji, które można legalnie podsłuchać. Policjanci często używają radia do przekazywania informacji o zatrzymanych osobach, podając ich PESEL, imiona, nazwiska i adresy zamieszkania. Zgodnie z prawem, podsłuchane informacje powinny być natychmiast zapomniane, aby nie naruszać przepisów dotyczących ochrony danych osobowych.

RTON Czarna Góra transmitujący sygnał telewizji i radia na terenie Kotliny Kłodzkiej (źródło: Wikipedia)
RTON Czarna Góra transmitujący sygnał telewizji i radia na terenie Kotliny Kłodzkiej (źródło: Wikipedia)

Fale ultrakrótkie (UKF) odgrywają kluczową rolę w przekazie programów radiowych, zarówno analogowych, jak i cyfrowych, a także w naziemnej telewizji cyfrowej, a dawniej także analogowej. Nadawane są one z Radiowo-Telewizyjnych Centrów i Ośrodków Nadawczych, przeważnie należących do EmiTel. Te obiekty znajdują się na szczytach gór oraz wysokich masztach, rozlokowanych w różnych regionach Polski. Radio analogowe „UKF FM” zajmuje pasmo częstotliwości od 87.5 do 108 MHz, radio cyfrowe DAB+ — 174–230 MHz, a telewizja DVB-T — różne częstotliwości, zależne od lokalizacji i dostępnych multipleksów.

Wśród pasm krótkofalarskich w obszarze UKF wyróżniają się dwie popularne częstotliwości: pasmo 2-metrowe (144 — 146 MHz) oraz pasmo 70-centymetrowe (430 — 440 MHz). W tych pasmach używany jest podobny standard analogowej łączności fonicznej, jak opisano wcześniej, do przeprowadzania lokalnych rozmów. Do tego celu stosuje się identyczne radiotelefony, radiostacje oraz opcjonalnie przemienniki zainstalowane na szczytach gór, masztach, wysokich budynkach w centrach miast, a nawet na satelitach i stacjach kosmicznych. Przemienniki znacznie zwiększają zasięg transmisji, retransmitując odebrany sygnał z większą mocą z punktu o dobrym zasięgu.

Współcześnie, część przemienników, skupionych w sieci EchoLink, umożliwia nawiązywanie połączeń z innymi przemiennikami po wysłaniu specjalnego kodu DTFM. Te przemienniki wymieniają ze sobą odbierane transmisje, co pozwala na realizację połączeń przy użyciu Internetu.

W przeszłości, jeszcze przed erą Neostrady i numerem 0202122, pasmo to było używane do nawiązywania połączeń z radiowymi BBS-ami oraz do przekazywania ruchu IP i Fidonetu. Krótkofalowcy mieli nawet swoją własną pulę adresów IPv4, jednak ze względu na wyczerpującą się pulę adresów, została ona już dawno przekazana operatorom.

Z podobnego standardu — ramek AX.25 nadawanych przez modemy na kanałach fonicznych FM, korzysta, wciąż popularny, protokół APRS. Pozwala on nadawać swoją pozycje GPS oraz inne dane — np. odczyty ze stacji pogodowych. Są one zbierane przez tysiące odbiorników na całym świecie i zamieszczane na mapie aprs.fi. Z podobnego rozwiązania, choć z innym rodzajem emisji i na innych częstotliwościach, korzystają osoby wypuszczające balony meteorologiczne. Mapa balonów znajdujących się w powietrzu dostępna jest TUTAJ.

Te pasma nie są jedynie zarezerwowane dla jednego typu emisji, takiego jak FM. W praktyce wykorzystuje się różne modulacje, głównie SSB (Single SideBand) oraz telegrafię. Te formy komunikacji są często używane w przypadku łączności na większe odległości, wykorzystując dukt troposferyczny lub odbicia od rzadko występującej warstwy E w jonosferze. Dodatkowo, w lokalnych połączeniach, coraz bardziej popularny staje się w pełni cyfrowy standard D-STAR.

Mikrofale

Podążając w kierunku wyższych częstotliwości, trafiamy na pasmo mikrofalowe (1—300 GHz, 1—300 mm). Jest to obszar częściowo nakładający się na wcześniej wspomniany zakres UKF. W tym paśmie, uginanie fal całkowicie ustępuje, a fale odbijają się podobnie jak światło widzialne. Jednakże są one znacznie bardziej tłumione przez przeszkody, takie jak ściany. Dzięki ogromnej szerokości pasma mikrofalowego, jest ono szeroko wykorzystywane do transmisji danych. W dziedzinie radiokomunikacji powszechnie korzysta się już z fal w zakresie kilku do kilkudziesięciu GHz.

W pasmie mikrofalowym działają różne urządzenia, takie jak nadajniki sieci telefonii komórkowej, routery i karty sieciowe WiFi, moduły Bluetooth, urządzenia WiMAX, telewizja satelitarna i praktycznie wszystkie nowoczesne systemy telekomunikacyjne. Część z tych systemów, takich jak sieci WiFi, Bluetooth i telefony bezprzewodowe, wykorzystuje nielicencjonowane pasma ISM, w których każdy może nadawać bez specjalnych pozwoleń radiowych. Obecnie używane są dwa takie pasma — 2.4 GHz i 5 GHz.

Oczywiście również tutaj krótkofalowcy mają dostęp do swoich pasm. Niektóre z nich częściowo pokrywają się z pasmami ISM, co umożliwia stworzenie krótkofalarskiej sieci WiFi o znacznie większym zasięgu niż standardowe sieci. W pasmach tych obowiązuje jednak ograniczenie mocy do 50W. Dla dalekich łączności w zakresie mikrofalowym, wykorzystuje się odbicia od różnych przeszkód, takich jak samoloty na niebie czy nawet ślady meteorytów spalających się w atmosferze.

W okolicach 4 GHz pojawia się jednak problem — fale zaczynają być absorbowane przez krople deszczu. Te częstotliwości są wykorzystywane do zestawiania naziemnych radiolinii oraz łączy dosyłowych do transmisji danych do satelitów. Z tego powodu stosuje się redundancję, instalując dodatkowe radiolinie i satelitarne centra nadawcze, aby część z nich mogła być wyłączona w czasie deszczy i burz.

W okolicach 60 GHz mamy do czynienia z jeszcze bardziej problematycznym zjawiskiem. Fale są absorbowane przez tlen, co sprawia, że nie nadają się do transmisji sygnałów na większe odległości.

Mikrofale to pierwszy zakres fal elektromagnetycznych, które możemy zobaczyć. Naukowcy z MIT skonstruowali kamerę zdolną do rejestracji fal o zakresie od 2.5 do 4 cm (częstotliwości od 7.5 do 12 GHz). W porównaniu do światła widzialnego, które obejmuje fale o zakresie od 390 do 700 nm (częstotliwości od 430 do 770 THz), fale mikrofalowe mają duży rozmiar. Niestety, ze względu na ten duży rozmiar fal, uzyskany obraz zawsze będzie nieostry, niezależnie od rozdzielczości matrycy rejestrującej obraz.

Poniższy film przedstawia działanie kamery. Urządzenie to pozwala skanować trójwymiarowe obiekty znajdujące się nawet za ścianami, wykonane z materiałów, przez które fale mikrofalowe są w stanie przenikać. Obiekty są oświetlane impulsem mikrofalowego „światła”, a następnie, w odstępach 200 ps (czas potrzebny falom elektromagnetycznym na przebycie około 6 centymetrów), kamera rejestruje wiele klatek obrazu. Fale odbijają się od nieprzezroczystych dla nich materiałów (np. folii aluminiowej) i powracają do kamery w kolejnych klatkach. Część z nich przenika przez przeszkody i odbija się od kolejnych, powracając do kamery w późniejszym czasie, co umożliwia uzyskanie przekroju przedmiotów. Klatki obrazu mają rozdzielczość 41×41 px.

Światło, widzę światło!

Jeszcze dalej, w spektrum, znajdują się fale podczerwone wykorzystywane choćby w kablach światłowodach i pilotach do telewizorów, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i gamma.

Rozgrzany parowóz w dalekiej podczerwieni (źródło: Wikipedia)
Rozgrzany parowóz w dalekiej podczerwieni (źródło: Wikipedia)
Bliska podczerwień (źródło: Wikipedia)

Fale podczerwone charakteryzują się zbliżoną do światła widzialnego charakterystyką. Są łatwo tłumione i przenikają jedynie przez cienkie, nieprzeźroczyste dla nich, przeszkody. Zakres ten jest znacznie szerszy niż zakres światła widzialnego, a daleka podczerwień przypomina bardziej mikrofale, natomiast bliska podczerwień jest zbliżona do światła widzialnego. Tak bardzo, że za pomocą specjalnych filtrów do standardowych aparatów fotograficznych można wykonywać zdjęcia w tym zakresie. Daleka podczerwień to również promieniowanie cieplne, które emituje każdy gorący obiekt. Im obiekt jest gorętszy, tym emitowane fale mają wyższą częstotliwość, dochodząc nawet do zakresu światła widzialnego. Natomiast obiekty, które absorbują to promieniowanie i nie odbijają go (są „czarne” w tym zakresie), po pewnym czasie nagrzewają się i zaczynają emitować „światło” dalekiej podczerwieni. Poniżej znajduje się nagranie z kamery ultrafioletowej:

Warto zauważyć, że to, że dany materiał jest przeźroczysty dla danego zakresu fal, nie oznacza, że będzie przeźroczysty dla innego. Podczas eksperymentów w laboratoriach z kamerami pracującymi w różnych zakresach światła, zauważyłem, że liście drzew przepuszczają promienie ultrafioletowe, podczas gdy fale podczerwone były odbijane przez szyby w oknach, których, z uwagi na działającą klimatyzację, nie mogliśmy otworzyć.

Wchodząc w zakres promieniowania rentgenowskiego, pojawia się fascynujące zjawisko. Fale stają się mniejsze niż atom i są w stanie przenikać przez niego, powodując uszkodzenia. Chociaż fale rentgenowskie dysponują ogromnym pasmem, co czyniłoby je potencjalnie atrakcyjnymi do szybkiej transmisji danych, są jednocześnie niebezpieczne i prawdopodobnie nigdy nie zostaną wykorzystane w telekomunikacji ze względu na swoją szkodliwość.

Modulacja

Oczywiście, najprostszym środkiem przekazu danych za pomocą fal radiowych jest emisja fali o stałej częstotliwości z przerwami w odpowiednich momentach. Technika ta znana jest jako Continuous Wave (CW) i głównie znajduje zastosowanie w telegrafii. Wysyłane są krótkie i długie impulsy, reprezentowane przez obecność lub brak fali, a grupy tych impulsów tworzą znaki alfabetu Morse’a. Osoby zaznajomione z tym alfabetem nie interpretują długości pojedynczych impulsów, lecz skupiają się na melodyjnej sekwencji, jaką one generują.

Modulacja CW cechuje się niewielkim rozproszeniem mocy między różnymi częstotliwościami. Emitujemy „igłę” o stałej częstotliwości, a jej rozproszenie zależy głównie od stabilności źródła częstotliwości. Dlatego też modulacja ta jest niezwykle efektywna i oferuje wysoką wydajność, umożliwiając przesyłanie sygnałów na duże odległości przy niewielkiej mocy nadajników.

AM

Na zielono - sygnał modulujący (fala akustyczna), na czerwono - fala zmodulowana (źródło: Wikipedia)

Kolejną prostą formą modulacji jest modulacja amplitudy, umożliwiająca przesył dźwięku i innych analogowych danych. Podobnie jak w przypadku modulacji CW, generujemy falę o stałej częstotliwości. Jednakże, zamiast włączać i wyłączać transmisję, modyfikujemy amplitudę naszej fali nośnej (czyli wysokość sinusoidy sygnału elektrycznego, tworzącego falę elektromagnetyczną), zgodnie z sygnałem reprodukującym falę akustyczną.

Moc emitowanej fali rozpraszana jest między dwie boczne wstęgi oraz „igłę” odpowiadającą fali nośnej. Boczne wstęgi korelują z częstotliwościami fali akustycznej (fala modulująca), z każdą z nich będąc lustrzanym odbiciem drugiej. Modulacja ta znajduje zastosowanie głównie w transmisji programów radiowych na niskich częstotliwościach, w lotnictwie (o czym już wspomniałem wcześniej) oraz w CB radiu. Pomimo rozproszenia mocy, modulacja ta zajmuje wąskie pasmo w porównaniu z nowocześniejszymi metodami, choć jest bardziej podatna na zakłócenia szumowe.

Jednak skoro obie boczne wstęgi przenoszą te same informacje, czy nie moglibyśmy pozbyć się jednej z nich i zredukować rozproszenie mocy oraz zajmowane pasmo? Oczywiście! Możemy nawet wyeliminować falę nośną, gdyż nie niesie ona istotnych informacji – poza informacją, że to „środek” sygnału, co ułatwia dostrojenie do odbieranego przekazu. Sygnał zawierający tylko jedną boczną wstęgę nazywamy sygnałem jednobocznym bocznym pasmem (SSB). W krótkofalarstwie ustalono, że poniżej częstotliwości 10 MHz transmituje się wstęgą „dolną” – modulacją Lower Side Band (LSB), natomiast powyżej, „górną” – Upper Side Band (USB).

FM i PM

Inne podejście do rozwiązania tego problemu oferuje modulacja częstotliwości. W tej metodzie sygnał jest transmitowany zawsze z tą samą amplitudą, podczas gdy zmienia się jedynie częstotliwość fali, przyjmującą wartości z pewnego ustalonego zakresu. Na przykład, dla częstotliwości nośnej 95.5 MHz i zakresu modulacji 100 kHz, generowana fala obejmuje częstotliwości od 95.45 do 95.55 MHz w danym czasie. W przypadku, gdy sygnał z mikrofonu ma w danym momencie niskie napięcie, odpowiadająca mu zmodulowana fala nośna posiada niższą częstotliwość. Natomiast przy wyższym chwilowym napięciu generujemy falę o wyższej częstotliwości. Modulacja ta charakteryzuje się odpornością na szumy, ale możliwe jest zakłócenie transmisji poprzez emitowanie ciszy o wyższej mocy, na przykład poprzez wyłączanie radia sąsiadowi.

Podobnie można także modyfikować kąt, jaki sinus „rysuje” w danym czasie falę. Jednak wykres sygnału z modulacją fazy jest bardzo zbliżony do wykresu sygnału z modulacją częstotliwości.

Modulacja fazy (źródło: Wikipedia)
Modulacja fazy (źródło: Wikipedia)

Modulacje cyfrowe

Różnicę między modulacją częstotliwości a fazą dostrzega się szczególnie wyraźnie podczas przesyłania sygnałów cyfrowych. W przypadku sygnału modulującego, zamiast używać sygnału z mikrofonu, korzystamy z sygnału, który w danym czasie przyjmuje jedno z ustalonych napięć, takich jak 2, 4, 8 lub 16. Cyfrowym odpowiednikiem modulacji AM jest modulacja Amplitude-shift keying (ASK), dla modulacji FM — Frequency-shift keying (FSK), a dla modulacji PM — Phase-shift keying (PSK).

a) dwustanowa (binarna) modulacja ASK; b) -||- FSK; c) -||- PSK (źródło: Andrew S. Tanenbaum - Computer Networks)
a) dwustanowa (binarna) modulacja ASK; b) -||- FSK; c) -||- PSK (źródło: Andrew S. Tanenbaum – Computer Networks)

Istnieje także możliwość łączenia różnych rodzajów modulacji. Przykładem tego jest modulacja QAM — Quadrature Amplitude Modulation, dostępna w wariantach QAM-16, QAM-64, QAM-256 itd., gdzie liczba określa ilość możliwych stanów, jakie sygnał może przyjąć jednocześnie. Te warianty są kombinacją zmian amplitudy i fazy fali.

 Wykres konstelacji modulacji QAM-16 (źródło: elektronikab2b.pl)
Wykres konstelacji modulacji QAM-16 (źródło: elektronikab2b.pl)

Obecnie powszechnie stosowaną praktyką jest równoczesna emisja wielu sygnałów zmodulowanych QAM na sąsiednich częstotliwościach, co nosi nazwę Ortogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Ta technika jest używana m.in. w sieciach WiFi oraz WiMAX.

, ,

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

Przetłumacz