Komunikacja radiowa - jak to zrozumieć?

[jugan1]

Dzień dobry,

Od razu zaznaczę, że ten temat to nie żart - rzeczywiście nie znam się na tematach związanych z komunikacją radiową. Większość pytań będzie dziwna - jednak proszę o jakieś łopatologiczne wyjaśnienie.

Mam kilka pytań - każde będzie zależne od poprzednich, a więc jeśli gdzieś popełnię błąd to pratwo

1) Dlaczego różna częstotliwość to różna długość anten?

2) Czy fale radiowe tak naprawdę wysyłają zera i jedynki? Jeśli tak to jak je odróżnić? Czy dzięki ich napięciu? Czy w ogóle fale radiowe mają napięcie?

3) Zakładam, że fale radiowe to zera i jedynki. Zakładam też, że mam 4 identyczne telefony wszystkie z tej samej sieci. Skąd fale radiowe wiedzą, gdzie wywołać dzwonienie telefonu z numerem na który dzwonimy? Podejrzewam, że chodzi o jakiś wstępny kod. No ok. Ale teraz tak - dzwonię z telefonu A na telefon B, a z telefonu C na telefon D. Kody o numery na jakie chcemy dzwonić są wysyłane i trafiają na telefony C i D, które sprawdzają, czy to ten kod. No dobrze, ale jeśli ta operacja nastąpi jednocześnie to np. telefon C będzie dostawał naraz cyfry binarne od A i B, co sprawi, że otrzyma jakiś kod będący złożeniem tych obu...

4) To samo pytanie, ale związane np. z telewizorem i pilotami. Mam telewizor marki A oraz bilety pasujące do telewizorów marki A, a drugi pilot pasujący do B ( czyli ten nie pasuje ). Jednocześnie naciskam jakiś przycisk na obu pilotach. Kody lecą do tv. Docierają jednocześnie. Powiedzmy, że kod wysyłany z pilota pierwszego to 000. a z drugiego to 111. To TV może to odebrać np. jako 110100 ( jedna z możliwości ). Zatem skąd będzie wiedział na jaki kanał przełączyć?

5) Powróćmy jeszcze do częstotliwości. Przecież to chodzi o szybkość odbierania. Jak antena o złej długości względem wysyłanej do niej częstotliwości wie, że to nie są fale dla niej?

Bardzo dziękuję za odpowiedzi.

Pozdrawiam

[deshipu]

1. bo to różna długość fal
2. nie
3. telefony komórkowe używają skomplikowanych protokołów przy pomocy których negocjują sobie osobne kanały komunikacji, zresztą zazwyczaj szyfrowane
4. nie będzie wiedział, piloty się nawzajem zakłócają
5. nie chodzi o szybkość odbierania, tylko o długość fali

Być może wypadałoby najpierw jednak przeczytać choć artykuł na Wikipedii przed zadaniem tak podstawowych pytań? Książka do fizyki z podstawówki też może pomóc.

[marek1707]

Mam nadzieję, że to rzeczywiście nie jest bożonarodzeniowy żart, choć naprawdę na taki wygląda. Rozumiem, że odsyłanie Cię do książek o podstawach propagacji fal czy zasadach komunikacji w podczerwieni to strata czasu - gdybyś umiał z nich korzystać, już pewnie dawno byś to zrobił. Albo chociaż wrzucił parę pytań do wyszukiwarki czy haseł do Wikipedii. Dobra, to w skrócie na każde z pytań:

1, 5. Dlatego, że fale radiowe rozchodzą się w przestrzeni z pewną stałą prędkością. Zagadnij jaką? To oznacza, że fala po "wyjściu" z anteny ucieka od niej z tą prędkością. Ponieważ fala taka jest zjawiskiem okresowym tak jak napięcia/prądy pobudzające antenę, to ma także swoją długość. Zanim napięcie/prąd wrócą jakby "do początku" swojego kolejnego drgania, fala "odleci" już trochę w przestrzeni i zacznie się tworzyć kolejna. Długość możesz mierzyć od "górki" do "górki", od "dołka" do "dołka" albo od przejścia przez zero do następnego przejścia przez zero - wszystko jedno. Długość jest liczona w jednostkach długości jak wszystko inne, w kilometrach, metrach lub centymetrach. Antena z kolei jest dla układu elektrycznego i otaczającej ją przestrzeni pewnym układem pojemności i indukcyjności - trudne słowa, ale to podstawowe jakby "prymitywy" elektroniczne. I okazuje się, że aby antena efektywnie zamieniała doprowadzoną moc elektryczną na promieniowaną falę elektromagnetyczną, te pojemności i indukcyjności nie mogą być przypadkowe. A ponieważ zależą one od konstrukcji anteny - jej wymiarów, położenia poszczególnych drutów, rurek czy płaszczyzn - tak metalu jak i izolatorów będących częściami składowymi anteny, to i wymiary anteny zależą od długości fali czyli od częstotliwości. W zależności od typu i konstrukcji anteny zależność ta może być bardzo ostra - wtedy mówimy, że antena jest wąskopasmowa, albo słaba - i wtedy antena jest szerokopasmowa. Ta pierwsza będzie odbierać (lub nadawać - to są zjawiska symetryczne) tylko fale o częstotliwości na jaką ją policzyliśmy (i zawsze trochę obok) a ta druga będzie odbierała naraz bardzo wiele różnych częstotliowści z pewnego całkiem szerokiego zakresu równie dobrze.

2. Nadawanie fal radiowych to emisja energii, wytworzenie pewnego pola, którego zaburzenia docierając do anteny odbiorczej wywołują w niej przepływ słabych (miliony razy słabszych) prądów o takiej samej częstotliwości jak te w antenie nadawczej. To nie ma nic wspólnego z zerami i jedynkami, to czysto harmoniczne zjawisko tak jak np. ruch wahadła. Idąc dalej tym tropem załóżmy, że siedzisz przy nadajniku i masz właśnie wahadło (nadajnik) połączone delikatnym, kilometrowym  sznurkiem z drugim (odbiorczym) przy którym siedzi Twój kolega. Oba wahadła mają tę samą długość, czyli nastrojone są na tę samą częstotliwość. Taki układ działa  w następujący sposób:

• jeśli poruszasz na siłę wahadłem nadawczym z jakąś wymyśloną częstotliwością, odbiorcze w ogóle się nie porusza
• jeśli wychylisz i pozwolisz nadajnikowi drgać z jego ulubioną częstotliwością, to po pewnej chwili odbiornik też się rozbuja i zacznie się kiwać - to jest zjawisko rezonansu
• jeśli zatrzymasz nadajnik, przez dobrą chwilę odbiornik wciąż jeszcze będzie drgać, ale coraz słabiej

No i teraz jak chciałbyś przesyłać koledze zera i jedynki czyli podstawowe bity informacji? Bo to jest właśnie (wymyślony na poczekaniu) moim zdaniem niezły model łączności radiowej. Samo pojedyncze wychylenie nadajnika niczego nie niesie, tak jak jedna "górka" fali radiowej: jeśli wykonasz jeden okres wychylenia u siebie, po drugiej stronie odbiornik nawet nie drgnie. Najprostsze co przychodzi do głowy to oczywiście długotrwałe kiwanie lub nie, prawda? Chcesz wysłać jedynkę to puszczasz w ruch swoje wahadło i czekasz aż tamto zacznie się kiwać w takt. Chcesz wysłać zero to zatrzymujesz i znów czekasz, aż to drugie też się zatrzyma. Już widać, że musicie pewne rzeczy ustalić wcześniej. Pierwsza to ile czasu trwa jeden symbol. Obaj musicie mieć zatem zegarki, bo Ty inaczej będziesz nadawał "11" a inaczej "1111". On z kolei także musi znać tzw. timing żeby odkrywać ile jedynek sklejonych ze sobą przyszło w danym czasie. Poza tym musicie dogadać się co do sposobu tworzenia informacji przesyłanej przez sznurek z tej, którą zamierzałeś nadać. No bo chcąc nadać sekwencję "0011" musisz przecież jakoś zaznaczyć, że właśnie zacząłeś nadawać początkowe zera a skoro są one nadawane jako cisza, to czegoś tu brakuje. Ustalacie zatem np że zawsze zaczynasz od jedynki a potem zawsze są 4 symbole i długa przerwa, co może wyglądać jakoś tak: 10011, 11001, 10000 itd. itp.. Możecie też zrobić inaczej: krótkie kiwanie to zero a długie to jeden. Ponieważ wahadło odbiornika pociągane delikatnym sznurkiem "rozkręca" się i hamuje długo, musisz kiwać swoim np. przez 30s dla zera i przez 60s dla jedynki. A przerwa to zawsze 30s dla uspokojenia i "wygaszenia" odbiornika. W każdym z tych przypadków widać, że na jeden przesyłany bit informacji będzie przypadać wiele (set? tysięcy?) wahnięć obu urządzeń, czyli że transmisja danych jest wielokrotnie wolniejsza od częstotliwości drgań własnych wahadeł (nazywamy ją częstotliwością nośną). Co ciekawe zauważ, że gdyby do tego samego sznurka ktoś podłączył gdzieś inną parę wahadeł o innej długości, to one nie zakłócałyby waszej łączności a wy nie psulibyście ichniejszej. Wszystko dlatego, że wahadło odbiornika zaczyna drgać tylko w odpowiedzi na częstotliwość odpowiadającego mu wahadła nadajnika. Z tym szurkiem to działa nawet w rzeczywistości  

Sposób zmian ruchu wahadła nazywamy modulacją. Metodę gdzie albo nadajemy coś albo nic nazywamy CW (current wave - z czasów krótkofalarstwa) albo inaczej OOK (On-Off Keying po nowemu, czasem ASK). Można sobie wyobrazić mnóstwo innych metod zamiany naszych zer i jedynek na to co się dzieje z wahadłem (czyli nadawaną falą nośną). Przykładowo możemy np. zmieniać amplitudę: zawsze gdy nadajemy nasze wahadło się kiwa, ale czasem go lekko tłumimy (wysłamy zero) a czasem podkręcamy (wysyłamy jeden). Teraz kolega musi mierzyć amplitudę drgań swojego wahadła. Jeżeli w ogóle jest cisza to wie, że nic się nie dzieje a Ty jesz śniadanie. Gdy jego wahadło zacznie się bujać to trzeba przyłożyć linijkę i mierzyć: przez 30s dużo, potem 30s mało, 30s mało i 30s raczej dużo. Czy odebrał 1001? Może tak, a może to było 1000? Zmiany amplitudy to tzw. modulacja AM. Jak zapewne już się domyślasz, metod modulacji są dziesiątki jeśli nie setki. 

3. Po pierwsze telefony komórkowe nie nadają do siebie bezpośrednio tylko "rozmawiają" wyłącznie ze stacją bazową, czyli komputerem z wielkim nadajnikiem i anteną na maszcie. Komputer stacji bazowej połączony jest poprzez sieć światłowodową lub radiową z komputerami wszystkich innych stacji bazowych i to ten system dopiero wie, gdzie każdy abonent się znajduje. Wymiana danych pomiędzy telefonem a stacją bazową jest skomplikowana choćby daltego, że to stacja zawiaduje całym ruchem radiowym na jej obszarze. To ona wyznacza kiedy który telefon może nadawać i na jakiej częstotliwości a ponieważ robi to setki razy na sekundę, wszystkim wydaje się, że moga gadać jednocześnie. Gadać owszem mogą, ale dane cyfrowe niosące ten głos wysyłane są do stacji bazowej (i płyną z powrotem) w ściśle określonych chwilach czasowych. A ponieważ tych "szczelin" czasowych a także częstotliwości jest ograniczona liczba, to pojemność stacji bazowej także nie jest nieskończona. Gdy na starym lotnisku gra Iron Maiden a organizator nie dostawi gdzieś obok dodatkowych, przewoźnych stacji bazowych, to w czasie koncertu ludzie zobaczą na swoich ekranikach "Sieć niedostępna" bo zwyczajnie jedna stacja gdzieś przy drodze nie jest w stanie obsłużyć 50 tys telefonów. 

4. Telewizory i inny sprzęt A/V róznych producentów posługuje się róznymi sposobami transmisji przez podczerwień. Niestety nie zrobiono tego tak jak z falami radiowymi (a raczej nie tak dobrze jak tam) i nie można po częstotliwości nośnej odróżniać pilotów do różnych sprzętów. Odbiorniki nie mogą więc "słuchać" tylko swoich nadajników a słyszą wszystkie na raz. Na szczęście pilot w podczerwieni w czasie naciśnięcia przycisku wysyła informację a) wielokrotnie, b) na dodatek zostawia wiele "pustego miejsca" a raczej czasu między ciagami zer i jedynek. A ponieważ odbiornik "wie" jak wygląda postać informacji "jego" nadajnika, to z łatwością odróżni ją od "obcego". I teraz wystarczy, że wysyłane w pewnych odstępach czasowych kody przycisku z jednego pilota choć przez chwilę nie nałożą się na kody wysłane z tego drugiego by oba odbiorniki dostały "swoje" kody nienaruszone i wykonały żądane funkcje. Słabe to, ale działa więc wystarczy nie naciskać złośliwie przycisków w killku pilotach jednocześnie i będzie dobrze. Tu masz np. opisane sposoby kodowania informacji w standardzie RC5 (Philips) i NEC:

https://www.vishay.com/docs/80071/dataform.pdf