خدمات نرم افزار، سخت افزار و آموزش

سیگنال های رادیویی

فرکانس رادیویی(RF) چیست؟

بطور کلی میتوان گفت یک سیگنال رادیویی از یک سیگنال متناوب AC   شروع میشود که توسط یک فرستنده تولید شده است. این سیگنال AC درون یک رسانای مسی مثلا کابل کواکسیال میشود و از طریق یک آنتن بصورت سیگنال الکترو مغناطیس تشعشع میشود.

تغییرات شار الکتریکی در یک آنتن که همان جریان شناخته میشود سبب تغییر میدان های الکترومغناطیس اطراف آنتن خواهد شد. یک سیگنال AC که از آن به شکل موج (Wave form) تعبیر میشود در واقع همان چیزی است که به آن موج سینوسی گویند.

خصوصیات فرکانس های رادیویی :

 بطور کلی برای همه فرکانس های رادیویی مشخصه های کلی زیر قابل تعریف است.

1)قطبیت

2)طول موج

3)فرکانس

4)دامنه

5)فاز

شناختن رفتارهای فرکانس های رادیویی (RF)

یک سیگنال رادیویی در داخل هوا یا محیط های مختلفی سیر میکند که باعث میشود تغییر کند و رفتارهای مختلفی را نشان دهد. رفتارهای انتشار امواج رادیویی شامل مواردی هستند که توضیح داده میشود.

انتشار موج چیست؟ 

برای فهم بهتر رفتارهای امواج رادیویی فهم چگونگی انتشار موج بعد از ترک آنتن مهم است. همان طور که میدانیم امواج الکترومغناطیس میتواند در خلا کامل یا سایر مواد و محیط ها انتشار یابد مسیری که امواج میتوانند حرکت کنند و این وابسته است به مواردی که در مسیر سیگنال قرار دارند بعنوان انتشار امواج شناخته میشوند. بطور مثال یک دیوار خشک اثر کاملا متفاوتی روی سیگنال رادیویی نسبت به آهن دارد.اتفاقاتی که برای سیگنال رادیویی بین دو نقطه می افتد در حقیقت نتیجه مستقیم همین پارامتر انتشار موج است. بهترین قیاس برای اصطاح انتشار موج در شکل نشان داده شده است. وقتی ما اصطلاح انتشار یافتن (Propagate) را برای امواج بکار میبریم سعی میکنیم سیگنال رادیویی را تصور کنیم که در یک فاصله نسبتا دور از آنتن جدا شده است.

در انتشار امواج موارد مختلفی تاثیر دارند که برای ارتباط رادیویی بسیار مهم می باشند. این موارد شامل: جذب، بازتاب، پراکندگی، شکست، تضعیف و تفرق می باشند که برخی از آن ها را به اختصار توضیح می دهیم.

بازتاب (reflection) : 

یکی دیگر از رفتارهای مهم در انتشار موج است زمانی که موج به یک سطح صاف که مساحت نسبتا بزرگی نسبت به طول موج دارد برخورد کند بسته به محیط انتشار مسیر آن ممکن است که دچار خمیدگی به یک مسیر دیگر شود. مانند برخورد یک بیم لیزر است که به یک آینه کوچک برخورد میکند یا برخورد یک توپ به یک دیوار است. بطور کلی 2 نوع عمده انعکاس وجود دارد.

1)انعکاس امواج آسمانی 

2)انعکاس مایکروویو 

انعکاس امواج آسمانی در فرکانسهای زیر 1 GHZ رخ میدهد که سیگنال دارای طول موج زیاد است و سیگنال بر اثر برخورد با قسمت باردار لایه یونیسفر جو زمین دچار بازتابش میشود.

اما سیگنال های مایکروویو بین فرکانسهای 1 GHZ تا 30 GHZ است ،بعلت بالا بودن فرکانس طول موج ها بسیار کوچک است و اصطلاح مایکروویو به همین دلیل به آن اطلاق میشود .امواج مایکروویو میتوان از اجسام کوچکتر مانند یک درب فلزی منعکس شوند،در محیط های خارجی امواج مایکرویو توسط چیزهایی مانند ساختمانها،سطح جاده ها،سطح آب،سطح زمین و .... منعکس میشود در محیط های داخلی انعکاس از اشیایی مانند درب ها،دیوارها،کابپنتها و .... صورت میگیرد.

پراکندگی ( scsttering )

پراکندگی را میتوان در بسیاری از موارد بصورت انعکاس چندگانه براحتی تعریف کرد. این انعکاس های چندگانه زمانی رخ میدهد که طول موج سیگنال الکترومغناطیس بزرگتر از آن تکه ای از رسانه ای باشد که سیگنال از درون آن عبور میکند پراکندگی به دو راه مختلف اتفاق می افتد: نوع اول دارای اهمیت کمتری است و اثر کمتری روی کیفیت سیگنال دارد.

نوع اول از پراکندگی روی سطح پایین تری اتفاق می افتد و اثر کمتری روی کیفیت سیگنال دارد این نوع از پراکندگی زمانی خودش را نشان میدهد که سیگنال رادیوی از درون ماده ای عبور میکند و بخشی از این سیگنال منعکس شود. عواملی مانند مه و بخار آب میتوانند این حالت را ایجاد کند. نوع دوم زمانی است که سیگنال رادیویی با یک سطح ناصاف برخورد کند و به چندین مسیر شکسته میشود.عواملی مانند فنس های توری،شاخه و برگ درختان ...میتوانند سبب این حالت شوند.

 شکست ( refraction )

یک سیگنال رادیویی میتواند دچار خمیدگی شود که این رفتار آن به عنوان شکست تعبیر میشود. یک تعریف درست از شکست در حقیقت همان خمیدگی سیگنال رادیویی است در حالی که از محیط های انتقال با چگالی های مختلف عبور میکند که این باعث تغییر مسیر امواج میشود. بیشترین حالت وقوع این پدیده به علت عوامل جوی است و سه عامل اصلی این پدیده عبارتند از:

بخارآب،تغییرات دمایی هوا،تغییرات در فشار هوا. در محیط های بیرونی سیگنالهای رادیویی بطور معمول کمی به طرف سطح زمین شکست پیدا میکنند.

تفرق ( defraction )

مفهوم این پدیده در خیلی از مواقع با پدیده قبلی (Refraction) شباهت دارد و باعث گیج شدن میگردد،این عامل نیز یکی از رفتارهای انتشار موج است. در حالی که همان طور که تعریف کردیم Refraction خمش سیگنال رادیویی در اثر عبور از محیط انتقال بود.

حالتهایی که برای این پدیده ممکن است پیش بیاید به عواملی مانند:شکل جسم،اندازه،ماده سازنده،موانع و هم چنین مشخصات سیگنال رادیویی مانند پلاریزاسیون،فاز و دامنه بستگی دارد. بطور کلی موانعی مانند ساختمانها،تپه ها و ....که بین فرستنده و گیرنده قرار گرفته اند باعث ایجاد این پدیده میشوند.موج وقتی که با موانع برخورد میکند از نظر سرعت افت میکند و در اطراف مانع دچار خمیدگی میشود،اما امواجی که در مسیر خود با مانعی روبرو نمی شوند در مسیر اولیهخود با همان سرعت حرکت میکنند. 

تضعیف ( Attenuation )

بهترین تعریف برای این پدیده کاهش دامنه یا شدت سیگنال رادیویی است.سیگنال چه در هوا و چه در کابل میتواند دچار تضعیف شود. سیگنال رادیویی که درون کابل سیر میکند بر اثر عواملی مانند امپدانس الکتریکی دچار تضعیف میشود. تضعیف بطور معمول مورد پسند و انتظار نیست اما در بعضی از موارد مهندسان از ابزارهایی بنام تضعیف کننده (Attenuator) برای تطبیق توان استفاده می کنند. بطور کلی وقتی سیگنال رادیویی از آنتن در هوا پخش میشود به علت عواملی مانند جذب،فاصله،چند مسیری و ... دچار تضعیف میشود هم چنین این نکته حائز اهمیت است که مواد مختلف وابسته به جنسشان اثرات تضعیفی خاص خود را دارند که تعدادی از آنها در جدول زیر آمده است.

Materials-Attenuation Comparision

Material                             2.4 GHz

 
Foundation Wall                     -15 dB

Brick,Concrete,Concrete Blocks    -15 dB

Elevator or metal obstacle          -10 dB

Metal Rack                             -6 dB

Drywall or Sheetrock                   -3 dB

Non-tinted Glass Windows or Door -3 dB

افت فضای آزاد (free space path loss) :

افت در شدت سیگنال است که بر اثر طبیعت پخش شوندگی (واگرایی ) امواج بوجود میآید که در حقیقت به همان واگرایی پرتو فرکانسی اشاره میکند،انرژی سیگنال رادیویی هر چه از آنتن دورتر شویم در شعاع وسیع تر پخش میشود و این باعث افت شدت سیگنال خواهد شد.

یکی از راههای خوب نشان دادن افت فضای آزاد مدل بالون است.قبل از اینکه بالون کاملا با هلیوم پر شود از نظر اندازه بسیار کوچک است اما دارای تراکم زیادی در پلاسیک مخزن آن میباشد بعد از اینکه بالون باد شد و از نظر اندازه رشد کرد پلاستیک آن بسیار نازک تر میشود،سیگنالهای رادیویی نیز به همین روش دچار واگرایی و تضعیف میشوند خوشبختانه این اثر تضعیف در رشد سیگنال بصورت لگاریتمی بوده خطی نمیباشد بدین معنا که مقدار تضعیف در دو فاصله ثابت از آنتن به یک اندازه نیست مثلا در فرکانس   2.4GHZ توان حدود 80 dB در 100 متر اول افت میکند در حالی که این افت برای 100 متر دوم تنها 6 dB است.

در زیر فرمول تضعیف فضای آزاد آمده است:

یکی از راه های ساده برای تخمین افت فضای آزاد قاعده 6 dB است. به این صورت که این قانون میگویند دو برابر شدن فاصله با افت به مقدار 6 dB در دامنه سیگنال رادیویی برابر است جدول زیر این قانون را برای برخی از فواصل نشان میدهد.

Attenuation Due to free space path loss

 
Distance[km]                       Attenuation[dB]

2.4GHz
1                    100.4                    106.4

2                    106.4                    112.4

4                    112.4                    118.5

5                    118.5                    124.5
 

باید توجه کرد که سیگنال 5GHZ دارای افت بیشتری نسبت به سیگنال 2.4 GHZ است که این به معنی است که فرکانس بالاتر سریع تر افت پیدا میکند و این به علت طول موج کوتاهتر است.

 چند مسیری Multipath :

چند مسیری یکی از عوارض ناشی از انتشار موج است به این معنا که سیگنال رادیویی از دو یا چند مسیر در یک زمان یا تفاوت زمانی بسیار کوچک (نانو ثانیه) به آنتن گیرنده میرسد. این چند مسیری به علت طبیعت موج و انکسار و انعکاس آن از موانع اطراف است. در محیط های داخلی سیگنالهای منعکس شده میتواند از عواملی مانند دیوارها،میزها،کابینت ها و ... باشد و در محیط های بیرونی از عواملی مانند،کوه ها،تپه ها،ساختمانها،سطح جاده ها سطح دریا و زمین همچنین شرایط جوی ایجاد گردد.

بطور معمول زمان بیشتری طول میکشد تا سیگنالهای منعکس شده نسبت به سیگنالهای اولیه که در مسیر خود هستند به آنتن گیرنده برسند این تفاوت زمان در حد نانوثانیه بوده و به عنوان پارامتری بنام (delay spread) شناخته شود. در آینده خواهیم دید که بعضی از تکنولوژی های طیف فرکانس گسترده نسبت به این پارامتر از بعضی دیگر مقاوم تر هستند.

اما چه چیزی اتفاق میافتد که پدیده چند مسیری رخ میدهد؟ نتیجه این پدیده در تلویزیون ها بسیار ملموس و قابل مشاهده است و باعث سایه یا دوگانگی تصویر خواهد شد اثرات چند مسیری در سیگنالهای رادیویی میتواند هم مفید و هم مخرب باشد اما بطور معمولا اثرات مفید آن است این پدیده میتواند باعث تضعیف،تقویت و یا خرابی سیگنال رادیویی شود.

اثرهای چند مسیری در بعضی از مواقع به نام (Ragleight fadig) شناخته شده اند.این نامگذاری به افتخار Lord Raglieght فیزیکدان انگلیسی میباشد. چهار اثر عمده پدیده چند مسیری عبارتند از :

1) Downfade : این حالت باعث کاهش دامنه سیگنال میشود. وقتی که چند فرکانس رادیویی بطور همزمان به گیرنده میرسد و دارای اختلاف فاز هستند نتیجه این خواهد بود که دامنه سیگنال حاصل در گیرنده کاهش خواهد یافت. اختلاف فاز بین 121 تا 179 درجه سبب این پدیده خواهد شد.

2) Upfade : در این حالت وقتی چند سیگنال بطور همزمان اما بصورت هم فاز نسبت به سیگنال اولیه به گیرنده می رسند در نتیجه دامنه سیگنال در گیرنده افزایش خواهد یافت. اختلاف فازهای کوچکتر از 0 تا 120 درجه سبب این حالت خواهد شد. در هر حال توجه به این نکته ضروری است که سیگنال نهایی دریافت شده در گیرنده نمیتواند دامنه ای بیشتر از دامنه خود داشته باشد.

3) Nulling : این پدیده باعث از بین رفتن سیگنال میشود. زمانی که چندین سیگنال از مسیرهای متفاوت بطور همزمان به گیرنده میرسند و دارای اختلاف فاز 180 درجه نسبت به سیگنال اولیه هستند میتوانند سبب از بین رفتن سیگنال رادیویی گردند.

4) Data Corruption (از بین رفتن اطلاعات): به علت تفاوت زمانی در دریافت سیگنال دریافتی اولیه با سیگنال های حاصل از بازتابش که با عنوان تاخیر انتشار (delay spread) شناخته میشود ممکن است چندین سیگنال بازتابش شده وجود داشته باشد و در این حالت گیرنده دچار مشکل برای دیمدولاسیون اطلاعات سوار بر سیگنال رادیویی خواهد شد.

همچنین این تاخیر انتشار حاصل از تفاوت زمانی ممکن است سبب همپوشانی بیت ها با یکدیگر شده و در نتیجه سبب خرابی اطلاعات دریافتی شود.

بهره ( Gain )

یکی از بهترین تعریفها برای این پارامتر را میتوان تقویت دامنه یا شدت سیگنال است. دو نوع از بهره با نامهای بهره فعال و غیرفعال (Active&Passive Gain) شناخته شده هستند.

دامنه سیگنال میتواند توسط یک دستگاه خارجی تقویت گردد. بهره فعال معمولا توسط یک تقویت کننده که در روی سیم انتقال به فرستنده/گیرنده یا آنتن قرار میگیرد انجام میشود. یک تقویت کننده معمولا یک دستگاه با قابلیت دو طرفه است که در هر دو جهت ورودی و خروجی عمل تقویت را انجام میدهد. بهره فعال نیاز به استفاده از یک منبع تغذیه خارجی دارد.

مهره غیر فعال توسط متمرکز کردن سیگنال رادیویی توسط آنتن انجام میشود.

آنتن دستگاهی غیر فعال است که نیاز به یک منبه تغذیه خارجی ندارد.