Hogyan működik a vezeték nélküli kommunikáció?

Gondolkozott már azon azon, hogy a szöveges üzenetek, képek és videók hogyan kerülnek a vezeték nélküli telefonra? Naponta milliárd eszköz világszerte csatlakozik és megosztja az adatokat a fény sebességével. Mágikusnak tűnhet, de valójában csak egy erős, láthatatlan és alulértékelt erő, amelyet elektromágnesességnek hívnak.

Az elektromágnesesség a természetben levő négy alapvető erő egyike. Ahogy a neve is sugallja, ez az elektromos és a mágneses mező kölcsönhatása. Az elektromosság és a mágnesesség eredetileg különálló erõknek gondoltak, ám egyesültek, amikor James Clerk Maxwell 1873-ban közzétette a villamos energiáról és mágnesességrõl szóló értekezését, amely azt mutatta, hogy mindkét jelenség egy erõvel magyarázható. Ebben a cikkben azt vizsgáljuk meg, hogy ezt az erőt hogyan használják a vezeték nélküli kommunikáció minden formájában.

Rádióantenna a Missouri Állami Egyetem délkeleti részén

Elektromágneses hullámok

Az elektromágneses hullám zavarja az elektromágneses teret. Ez a mező mindenütt létezik, és zavarok vannak ezen a területen az áram vagy a mágnesesség jelenléte körül. Ha az elektromágneses mező olyan, mint egy víz a tóban, akkor az elektromágneses hullámok olyanok, mint a hullámok a vízben.

Hogyan továbbítják a hullámok?

Elektromágneses hullám jön létre, ha zavar van az elektromágneses mezőben. Ilyen zavar akkor keletkezhet, ha olyan egyszerű dolgot csinál, mint amikor egy vezeték mindkét végét röviden megérinti az akkumulátor érintkezőihez. Ez lehetővé teszi, hogy egy elektromos áram átáramoljon a huzalon, amely viszont gyenge elektromágneses hullámot hoz létre, amely minden irányba kifelé terjed. A példánkban létrehozott hullám nem megy messzire, és nem tartalmaz információt. Ha egy rádióadó elfogja, akkor csak statikusnak hangzik. De valójában meglehetősen könnyű elektromágneses hullámot létrehozni, és nem sokkal nehezebb ezekkel információt küldeni.

Hogyan hordozzák a hullámok az információkat

A 20. század elején a rádióhullámok Morse-kódként továbbították az adatokat. Az információátadás folyamata lassú volt és korlátozott képességekkel rendelkezett. Az I. és a II. Világháború drámai módon felgyorsította a modern rádiók fejlesztését, hozzájárulva az 1920-as években az első kereskedelmi rádióadáshoz.

Manapság az elektromágneses hullámok gyakorlatilag bármilyen adatot hordozhatnak. Ahogy a tóban a hullámok felfelé és lefelé mozognak, miközben kifelé terjednek, ugyanúgy tehetjük az elektromágneses hullámokat. Vegye figyelembe, hogy az ilyen hullámok a szinuszos funkcióhoz hasonlítanak, amint az alább látható.

Normál szinusz funkció. Image by Geek3 (Saját munka) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) vagy a CC BY 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)], a Wikimedia Commonson keresztül

Információkat kódolhatunk ezekbe a hullámokba a szinusz-szinusz funkció bizonyos tulajdonságainak, például amplitúdó, frekvencia vagy fázis modulálásával (vagy megváltoztatásával). A hullámot ezután a levegőn továbbítják, hogy egy elektromos vezetővel, például egy antennával elfogják, ahol az eredeti információ a modulált funkció dekódolása útján nyerhető meg.

Tegyük fel például, hogy ezzel a módszerrel akart bináris számjegyeket küldeni. Megállapíthatjuk azt a megállapodást, miszerint a nullát egy tetszőleges egység amplitúdójú hullám képviseli, és egy nullát két egység amplitúdójú hullám képviseli. Mindegyik időegységre egy vagy két amplitúdójú hullámot kap, amelyet nullának vagy egynek lehet értelmezni.

Általában információt kódolhatunk a szinuszfunkciókba. Ezt az információt továbbküldhetjük más eszközökre úgy, hogy a modulált funkciókat elektromágneses hullámként továbbítjuk. Ha a hullámokat más eszközök veszik, akkor az adatok dekódolhatók és az eredeti információ megszerezhető.

Korlátozott számú frekvencia használható az elektromágneses hullámok küldésére, tehát bizonyos célokra frekvenciatartományokat jelölünk, amelyek együttesen alkotják a rádióspektrumot. Különböző frekvenciák használata lehetővé teszi több rádiójelek küldését egyidejűleg, ugyanabban a területen, és megkülönböztethetők egymástól. Amikor például meglátogat egy rádióállomást a 95.1-en, akkor rádióállomásra hangol, amely másodpercenként 95 100 000 ciklus elektromágneses frekvencián sugároz. Azáltal, hogy csak ezt a frekvenciát hallgatja, a rádió képes megkülönböztetni ezt a rádióadót a többitől.

Információk küldése és fogadása

Az információ továbbításához két eszköz között rádióhullámok segítségével adó és vevő szükséges. Az adó olyan információkat vesz, mint audio vagy video, kódolja azokat szinuszos függvénybe, és elektromágneses hullám formájában továbbítja a funkciót a levegőbe. A vevő érzékeli a hullámot és dekódolja az adatokat. Az antennákat mindkét adó használja a hullámok továbbítására, és a vevők használják azok észlelésére.

Az elektromágneses hullámok bárhol eljuthatnak néhány mérföldre (televíziós adások esetén) millió kilométerre (mély űrben történő átvitelhez), az adás erősségétől függően. Mivel a rádióhullámok minden irányba távoznak, jelük annál gyengébbé válik, minél tovább haladnak. Ez az oka annak, hogy nagyobb teljesítményű adóval kell rádióhullámot nagyobb távolságra továbbítani.

Az erő körül van

Az elektromágneses hullámok érzékelésének képességét magnetorecepciónak nevezik, és ezt az képességet sokan megosztják az állatvilágban, beleértve a madarakat, denevéreket, gyümölcslegyeket és egereket. Ismert, hogy a madarak a föld mágneses mezőjét használják a navigációhoz - ez a képesség segíti őket a talajhoz viszonyítva és regionális térképek kidolgozásában.

Bár nem látjuk őket, számtalan elektromágneses hullám van körülöttünk körül a fénysebességgel. Az elektromágneses hullámokat televíziós adásokhoz, mobiltelefonokhoz, Bluetooth-hoz, rádióhoz és a vezeték nélküli kommunikáció minden más formájához használják.