Множество частот в радиосвязи

Существует только один электромагнитный спектр, но благодаря использованию разных несущих частот в нем могут сосуществовать многочисленные радиочастотные устройства.

Мир радиосвязи – это мир частот. Это справедливо в рамках отдельной системы или даже отдельной печатной платы, учитывая, что одна RF система может использовать сигналы в нескольких частотных диапазонах. Но на данный момент мы хотим взглянуть на вещательный контекст, в котором существует конкретная радиочастотная система, название, которое мы даем этой концепции, – это «электромагнитный спектр».

Более конкретно мы обсудим часть электромагнитного спектра, которая используется для радиочастотной связи. В электромагнитный спектр включаются свет, а также крайние низкочастотные радиоволны, которые имею ограниченное применение в инженерных системах. Свет – полезный способ передачи информации, но он ведет себя совсем иначе в отличие от среднечастотного электромагнитного излучения (ЭМИ), и, следовательно, мы помещаем его в отдельной категории, в оптической связи, а не в беспроводной связи. Низкочастотное ЭМИ имеет специализированное использование, а также постоянно генерируется по всему миру электросетью, поэтому оно не является частью основного направления беспроводной связи.

Частоты: почему и как

Прежде чем обсуждать различные категории частот, давайте рассмотрим две основные проблемы. Почему мы используем так много разных частот? И как разработчик определяет, какая частота подходит для конкретного приложения?

Помехи

Два или более передатчика, работающие на одной и той же частоте, создают помехи, то есть они затрудняют приемному устройству отделение необходимого радиочастотного сигнала от нерелевантных радиочастотных сигналов. Данная проблема в значительной степени исчезает при использовании разных частот. ЭМИ на одной частоте не «повреждает» ЭМИ на другой частоте, и нерелевантные сигналы легко игнорируются посредством фильтрации.

Разумеется, помехи не исчезают только из-за того, что два сигнала будут разделены несколькими герцами: большее разделение по частоте приводит к меньшим взаимным помехам. Тем не менее, использование разных частот для разных типов радиосвязи удивительно эффективно: каждый день во всем мире многочисленные беспроводные системы работают одновременно без существенной потери функциональности.

Выбор частоты

Характеристики ЭМИ варьируются в зависимости от частоты. Например, волны на крайних низких частотах могут эффективно проникать в воду и, следовательно, могут быть полезны, когда вам нужно организовать связь с подводной лодкой. В качестве другого примера, некоторые частоты позволяют радиосигналу перемещаться на очень большие расстояние, потому что эти частоты испытывают атмосферную рефракцию (преломление). Дело в том, что главные задачи конкретной радиочастотной системы сильно влияют на процесс выбора диапазона рабочих частот.

В предыдущем параграфе упоминались примеры, в которых частота влияет на характеристики распространения. Однако часто более важным является ширина полосы (в аналоговых системах) или скорость передачи данных (в цифровых системах).

Если вы хотите беспроводным способом передать аудиосигнал с частотными компонентами до 10 кГц, вы не можете использовать частоту передачи (т.е. несущую) 5 кГц. Частота соответствует скорости, с которой сигнал передает информацию, поэтому вы не можете «вставить» 10 кГц аудиоинформации в несущую 5 кГц. Кроме того, практические соображения требуют, чтобы несущая частота была значительно выше, чем информационная (т.е. низкочастотная) частота. Таким образом, системы с более широкой полосой частот и более высокой скоростью передачи данных должны занимать более высокочастотные участки электромагнитного спектра.

Представляющие интерес частоты

Радиочастотный спектр (т.е. часть электромагнитного спектра, используемая для радиосвязи) простирается от полосы очень низких частот (ОНЧ, VLF) до полосы крайне высоких частот (КВЧ, EHF), то есть от примерно 3 кГц до 300 ГГц. Другие полосы, разделяющие ОНЧ от КВЧ, включают в себя:

• НЧ (низкие частоты, LF);
• СЧ (средние частоты, MF);
• ВЧ (высокие частоты, HF);
• ОВЧ (очень высокие частоты, VHF);
• УВЧ (ультравысокие частоты, UHF);
• СВЧ (сверхвысокие частоты, SHF).

Это разделение довольно произвольно, и нет никакой острой необходимости знать точные диапазоны частот. Было бы лучше просто привести несколько примеров категорий беспроводной связи, которые можно найти в разных частях спектра, потому что это поможет нам получить интуитивное понимание того, какие диапазоны частот более подходят для определенных типов систем:

• AM радиосвязь (с амплитудной модуляцией) использует диапазон СЧ/MF; более конкретно, несущие частоты варьируются от 540 до 1600 кГц. По опыту мы знаем, что AM радио обладает хорошим расстоянием и устойчиво к физическим помехам от зданий, но AM не обладает репутацией отличного качества звука.
• FM радиосвязь (с частотной модуляцией) использует диапазон ОВЧ/VHF с несущими частотами от 88,1 до 108,1 МГц. Допустимое отклонение от несущей в FM значительно выше, чем в AM, что означает, что FM сигналы могут передавать больше информации за единицу времени, чем AM сигналы. (Имейте в виду, что в этом контексте «AM» и «FM» относятся к стандартизированным категориям радиопередачи, а не к амплитудной и частотной модуляции в целом.)
• Цифровые системы связи, такие как Bluetooth и некоторые из протоколов 802.11 работают в диапазоне единиц гигагерц, более конкретно, на частотах около 2,4 ГГц. Это, как правило, системы малого радиуса действия, но они обеспечивают надежную связь, а высокая несущая частота обеспечивает высокие скорости передачи данных. Эти протоколы могут использоваться небольшими устройствами, что обеспечивает относительно длительный срок службы батареи.
• Спутники (очевидно, представляют собой приложение, в котором большое расстояние имеет важное значение) имеют тенденцию работать на очень высоких частотах. На нижнем конце этого диапазона (1–2 ГГц) находится L диапазон, который используется GPS спутниками. C диапазон (4–8 ГГц) используется, например, сетями спутникового телевидения. Ku диапазон, который простирается до впечатляющей частоты 18 ГГц, используется для различных спутниковых применений и является важной частью оборудования связи на МКС (международной космической станции).

От ЭМИ к свету

Указанные выше спутниковые частоты в основном остаются в радиочастотном спектре в секции СВЧ/SHF. Полоса КВЧ/EHF служит переходом между радиоволнами и оптическими волнами; СВЧ сигналы более серьезно задерживаются газами и влажностью в атмосфере, и это напоминает нам об оптическом излучении и его неспособности проникать через непрозрачные объекты. Сигналы с частотами, превышающими полосу КВЧ, классифицируются как инфракрасное излучение, а не как радиоволны:

Резюме

• Электромагнитный спектр относится к диапазону частот ЭМИ, присутствующих во Вселенной. Этот спектр разделяется и подразделяется на разные диапазоны частот.
• Основная секция, относящаяся к радиочастотной связи, называется радиочастотным спектром, а радиочастотный спектр разделен на 8 диапазонов.
• Взаимных помех между отдельными радиосистемами можно избежать, используя разные несущие частоты.
• Требования к полосе пропускания и распространению влияют на выбор несущей частоты, а несущая частота, в свою очередь, влияет на характеристики конкретной системы.
• Самый высокочастотный диапазон в радиочастотном спектре представляет собой переход от сигналов, которые ведут себя скорее как радиоволны, к сигналам, которые ведут себя скорее как оптические волны.

Теги