Trådløs kommunikasjon

Trådløs kommunikasjon kan defineres som all deling av informasjon uten bruk av ledninger. Dette kan gjøres på mange måter:

• lydbølger (prating)
• lyssignaler som morsekode med lykter, røyksignaler
• IR-stråling slik som du finner i fjernkontrollen til TVer, varmepumper osv.
• elektromagnetisk stråling

I naturfag så kommer vi til å fokusere på trådløs kommunikasjon ved hjelp av radiobølger, altså elektromagnetisk stråling med lang bølgelengde. Det er denne typen stråling som brukes til mobildekning, trådløst internett (WiFi), Bluetooth, radio og TV.

Hovedprinsipper for kommunikasjon med radiobølger

Sender, mottaker og informasjonsbærer

I all type kommunikasjon så trenger vi en sender, en mottaker og en informasjonsbærer. Informasjonen som skal sendes består alltid av elektriske signaler. I våre tilfeller med radiobølger så er:

• Sender: den enheten som lager det elektriske signalet som skal sendes. F.eks. mobiltelefonen eller microbiten.
• Informasjonsbærer: den elektromagnetiske strålingen (radiobølgen)
• Mottaker: den enheten som tar imot det elektriske signalet og tolker det.

Protokoll

For å kunne kommunisere må både sender og mottaker være enige om en protokoll. Protokollen bestemmer hvilken form kommunikasjonen skal ha, f.eks. hvilke tidspunkter skal mottaker lytte etter meldinger, hvor lang hver melding skal være, hvilken form det er på innholdet i meldingene osv. For radiobølger er det også viktig at både sender og mottaker bruker antenner som sender og mottar på samme bølgelengde (og dermed samme frekvens).

Analoge og digitale signaler

Signaler i kommunikasjon er elektriske signaler og vi måler signalet i Volt. Et signal kan være analogt eller digitalt.

Analoge signaler

Et analogt signal kan ha alle mulige forskjellige verdier, det kan altså f.eks. være 0 V, 2,7 V eller 53,824V. Vi bruker veldig sjelden analoge signaler nå til dags, vi finner dem f.eks. i gamle LP-plater (vinylplater med musikk), kassetter eller FM-radioer.

Digitale signaler

Digitale signaler kan kun ha to verdier, vi kaller dem gjerne 0 og 1 og vi kan tenke på det som at en bryter enten er avslått eller påskrudd. En microbit vil bruke spenningene 0 V og 3,3 V for å representere avslått og påslått bryter.

Hvis vi ønsker å sende 1 0 1 1 så kan dette altså se slik ut:

Radiobølger blir utsatt for interferens og støy fra andre radiobølger i lufta. Derfor vil ofte analoge signaler sprake og være vanskelige å høre. Digitale signaler blir også påvirket, men det er mye lettere for en mottaker å tolke om signalet er høyt eller lavt, selv om vi får litt støy i signalet. Se eksempelet under som viser hvordan et litt «skrukkete» digitalt signal kan tolkes slik at man får den opprinnelige meldingen 1 0 1 1.

Modulasjon

Modulasjon eller modulering er å kode inn signaler i en bærebølge. Vi skal se på to typer modulasjon i naturfag: AM og FM.

Amplitudemodulasjon (AM)

Frekvensmodulasjon (FM)

Eksempel på sending av radiobølger med microbit

I dette eksempelet kommer jeg til å bruke en microbit for å forklare – disse kommuniserer med digitale signaler. Vi tenker oss at en microbit skal kommunisere med en annen microbit.

Steg 1: Protokoll

Først må begge microbitene være enige om protokollen. De sender og mottar ved hjelp av Bluetooth på 2,4 GHz. I tillegg er de nødt til å avtale en radiogruppe og avtale hva slags informasjon som skal sendes, f.eks. bokstaver i en melding, bilder, kommandoer for å kjøre en bil.

Steg 2: Digitalisering

Microbiten som skal sende må gjøre om informasjonen som skal sendes til binær kode (nuller og enere). For tekst brukes ofte ASCII, hvor f.eks. 100 0001 betyr "A". Denne binære koden kan også ses på som et signal som er høyt ved 1 og som er lavt ved 0.

Steg 3: Modulering

Microbiten skal nå modulere inn signalet fra forrige steg inn i en bærebølge på 2,4 GHz ved hjelp av en type frekvensmodulasjon.

• For å representere null (lavt signal) så reduseres frekvensen til bærebølgen med minst 115 KHz. Hvis bærebølgen er $2,4\times {10}^9$ Hz så vil det lave signalet ha frekvensen $\mathrm{2,399}885\times {10}^9$ Hz eller lavere.
• For å representere én (høyt signal) så økes frekvensen til bærebølgen med minst 115 KHz. Hvis bærebølgen er $2,4\times {10}^9$ Hz så vil det lave signalet ha frekvensen $\mathrm{2,400}15\times {10}^9$ Hz eller høyere.

Steg 4: Sending

I antennen (microbit bruker en kvartbølgeantenne) så gjøres det elektriske signalet om til elektromagnetisk stråling. Når det elektriske signalet går gjennom antennen oppstår det Elektromagnetiske bølger. Disse kan bli fanget opp av en annen microbit.

For å kunne gjøre om elektriske signaler til elektromagnetisk stråling trenger vi en antenne.

Related

Amplitudemodulasjon
Frekvensmodulasjon
Antenne

Ressurser

Forklaring av hvordan 5G-antenner fungerer