Radiosignalen, wat zijn het?
Heel veel apparaten worden bestuurd middels radiosignalen. Denk eens aan garagedeuren, deurbellen, navigatiesystemen, WiFi, DECT en natuurlijk radio’s zelf. Radio is een draadloos signaal (denk aan WiFi) en kan dus gehacked worden. Deze post is voor iedereen die zich wil verdiepen in radio(signalen) en de terminologie die bij hierbij hoort.
Heinrich Hertz ontdekte in 1887 hoe elektromagnetische radiogolven konden worden gemaakt en ontvangen. Nikola Tesla ontwierp een paar jaar later een oscillator die weer door Guglielmo Marconi gebruikt werd om een radioverbinding op te zetten van enkele kilometers d.m.v. een zelfgemaakte zender en ontvanger. Deze uitvinding werd geperfectioneerd tot deze in 1901 de Atlantische oceaan kon overbruggen. Uiteindelijk heeft Nikola Tesla het patent gekregen op de uitvinding van de radio (combinatie van zender en ontvanger).
Om het signaal van A naar B te krijgen worden dus radiogolven gebruikt. Een radiogolf beweegt zich in wisselende golven. Een magnetisch veld kan gegenereerd worden door elektriciteit. Wisselende elektriciteit levert een wisselend magnetisch veld op. Visa versa levert een wisselend magnetisch veld ook weer elektriciteit op (kijk maar naar het fietslampje welke gaat branden doordat de dynamo gaat draaien. De magneet in het dynamo genereerd dan de elektriciteit). Een elektrisch apparaat stuurt via een antenne bepaalde informatie naar buiten. Om dit te doen wordt het te verzenden bericht omgezet in een wisselende elektronische spanning. De antenne maakt hier een wisselend elektronisch veld van “op de maat van het bericht”. Dit wisselend elektronisch veld genereerd weer een wisselende magnetisch veld op. Dit wekt weer een wisselen elektronisch veld, en die wekt weer een wisselend magnetisch veld op, enz. Dit proces herhaalt zich waardoor het veld zich uitbreid tot de plaats van de bestemming. Deze straling noemen we dan ook “elektromagnetische straling”.
Vroeger dacht men dat er voor deze “voortplanting” een speciale stof nodig was, namelijk de “ether”. Dit blijkt echter niet waar te zijn (deze stof bestaat niet eens). Maar de benaming die eigenlijk “ruimte” betekend is gebleven.
Een radiogolf is dus net als licht (elektromagnetische golf). Een radiogolf verplaatst zich ook met de snelheid van het licht (ongeveer 300.000 km per seconde). Een radiogolf ziet er dus als volgt uit:
De afstand tussen de 2 toppen van een golf (met dezelfde fase) noemen we de “golflengte” (wavelength) welke uitgedrukt is in meters. De frequentie is het aantal golftoppen per seconde, ofwel het aantal trillingen van de golf per seconde. De frequentie wordt uitgedrukt in hertz (van Heinrich Hertz), afgekort “Hz”.
Naast hertz (Hz) kennen we nog meerdere meetgetallen welke allen een veelvoud zijn van hertz.
- kHz – kilohertz (1000 hertz)
- kHz – kilohertz (1000 hertz)
- MHz – megahertz (1000000 hertz – 1000 kHz)
- GHz – gigahertz (1000000000 hertz – 1000000 KHz – 1000 MHz)
- THz – terahertz (1000000000000 hertz – 1000000000 KHz – 1000000 MHz – 1000 GHz)
Een andere term die we geregeld tegenkomen is “amplitude”. Amplitude wil zeggen “de grootste afwijking ten opzichte van de evenwichtsstand”. Ofwel de maximale uitslag, of het hoogste punt van de golf.
Amplitude werd gebruikt als 1e methode om geluidsoverdracht te realiseren. Deze methode van geluidsoverdracht noemen we “Amplitude Modulatie” ofwel AM (jazeker … zo wordt muziek overgebracht op de AM radioband). Om geluid over te brengen wordt de amplitude van het signaal gevarieerd doorgestuurd (vergelijkbaar met het ritme en toonhoogte van de muziek.
Naast AM kennen we ook FM. FM staat voor “Frequentiemodulatie”. Bij een FM signaal blijft de amplitude gelijk maar varieert de frequentie van de draaggolf. Als het bronsignaal een positieve waarde heeft dan wordt de frequentie iets verhoogd (lees, kortere golflengte) en als het bronsignaal een negatieve waarde heeft dan wordt de frequentie iets verlaagd (lees, langere golflengte). Frequentiemodulatie levert een betere ontvangst op dan amplitude modulatie maar heeft meestal wel een grotere bandbreedte nodig.
De bandbreedte is het verschil tussen de hoogste frequentie en de laagste frequentie die doorgelaten wordt. De FM frequentieband loop van 87.5 tot 108 MHz (en beslaat dus 20.5 MHz). Een FM radiosignaal heeft ongeveer 200 kHz bandbreedte nodig. Er kunnen dus 5 FM signalen in 1 MHz. Dat betekend dat er op de FM frequentieband maximaal 102 FM zenders kunnen. AM heeft slechts 9 kHz nodig. De AM band bevindt zich dan ook op middengolfband (526,5 – 1606,5 kHz) waar er dus theoretisch 120 AM zenders kunnen bestaan. Hoe hoger de frequentie, des te meer bandbreedte er beschikbaar is.
Hogere frequenties hebben een kortere golflengte en zijn minder “penetrerend” dan lage frequenties. Lage frequenties kunnen door rotsen en water terwijl hogere frequenties kunnen huizen en bossen al van invloedzijn op het bereik en bij nog hogere frequenties (boven de 5 GHz) kunnen zuurstofdeeltjes en waterdruppels al voor storing kunnen zorgen.
Als frequenties te dicht bij elkaar in de buurt komen en elkaar overlappen dan worden originele signalen gedempt en worden er nieuwe signalen gemaakt. Dit veroorzaakt ruis. Deze ruis noemen we interferentie. Een andere stoorfactor is “man-made-noise” ofwel, storingsfactoren veroorzaakt door de mens. Denk hierbij aan elektronische schakelaars, schakelde voedingen, motoren (liften) etc. Een FM signaal ondervindt meestal minder last van storingen dan een AM signaal. Dit komt omdat veel storingen de amplitude van het signaal aantasten welke bij AM direct hoorbaar is. Pas bij een ernstige storing wordt ook de frequentie van het signaal aangepast. Als dat gebeurt dan ondervindt ook FM hinder van deze storing.
Naast AM en FM zijn er nog meerdere soorten modulaties waaronder CW (continuous wave), SSB (single sideband) en PM (phase modulation). Bij continuous wave wordt de output van het signaal aan en uit wordt gezet om zo onderbrekingen in het signaal te krijgen. Korte en langere onderbrekingen zoals bij morse code). Bij Single sideband is hetzelfde dan AM maar dan een stuk effectiever. Een AM signaal bestaal over een upper en lower sideband. Bij een SSB signaal wordt word 1 sideband van de golf verwijderd alvorens deze versterkt wordt. Een SSB signaal neemt slecht +/- de halve bandbreedte in dan een AM signaal. Phase modulation (ofwel fase modulatie) wordt ook weleens PSK (phase shift keying) genoemd. Bij phase modulation wordt de fase-hoek van de draaggolf gemoduleerd door het modulerend signaal. PM lijkt in de basis op FM modulatie en wordt vooral toegepast bij digitale technieken.
Om deze vormen van modulatie weer “hoorbaar” te maken via onze devices wordt “demodulatie” toegepast. Demodulatie is de omgekeerde vorm van modulatie.
EM – Elektromagnetische spectrum
Ok. Nu we dat weten ga ik voor de verduidelijking even terug in het verhaal. Elektromagnetische straling wordt dus uitgezonden in golven over verschillende golflengten en frequenties. Dit brede gebied van golflengten is bekend als het “Elektromagnetische spectrum” (ofwel EM). Het EM spectrum wordt in het algemeen verdeeld in zeven gebieden van afnemende golflengten en stijgende energie- en frequentie. De gemeenschappelijke benamingen zijn radiogolven, microgolven, infrarood (IR), zichtbaar licht, ultraviolet (UV), X-stralen en gamma-stralen.
Radiogolven hebben de langste golflengten in het EM spectrum en volgens NASA zijn deze variërend van ongeveer 1 millimeter (0,04 inch) tot meer dan 100 km (62 mijl). Zij hebben ook de laagste frequenties van ongeveer 3000 cycli per seconde of 3 kilohertz (kHz) tot ongeveer 300 miljard hertz of 300 gigahertz (GHz).
Het radiospectrum bestaat weer uit de volgende 11 gebieden:
ELF – Extreme Low Frequency
Frequentie range: 3 – 30 Hz
Golflengte range: 10.000 – 100.000 km
ITU-band: 1
Toepassing: ?
SLF – Super Low Frequency
Frequentie range: 30 – 300 Hz
Golflengte range: 1000 – 10.000 km
ITU-band: 2
Toepassing: ?
ULF – Ultra Low Frequency
Frequentie range: 300 – 3000 Hz
Golflengte range: 100 – 1000 km
ITU-band: 3
Toepassing: Onderzeeboten
VLF – Very Low Frequency
Frequentie range: 3 – 30 kHz
Golflengte range: 10 – 100 km
ITU-band: 4
Toepassing: Militaire communicatie, communicatie met onderzeeboten, navigatie, tijdssignalen, draadloze hartslagmonitors
LF – Low Frequency
Frequentie range: 30 – 300 kHz
Golflengte range: 1 – 10 km
ITU-band: 5
Toepassing: Navigatie, tijdssignalen, AM-langegolf uitzendingen, amateurradio
MF – Medium Frequency
Frequentie range: 300 kHz – 3 MHz
Golflengte range: 100 m – 1 km
ITU-band: 6
Toepassing: Navigatie, AM-middengolfuitzendingen, amateurradio, maritieme communicatie
HF – High Frequency
Frequentie range: 3 – 30 MHz
Golflengte range: 10 – 100 m
ITU-band: 7
Toepassing: AM-kortegolfuitzendingen, amateurradio, luchtvaart, maritieme en militaire communicatie
VHF – Very High Frequency
Frequentie range: 30 – 300 MHz
Golflengte range: 1 – 10 m
ITU-band: 8
Toepassing: FM-radio- en televisie-uitzendingen, communicatie en navigatie luchtvaart, amateurradio
UHF – Ultra High Frequency
Frequentie range: 300 MHz – 3 GHz
Golflengte range: 100 mm – 1 m
ITU-band: 9
Toepassing: Televisie-uitzendingen, mobiele telefoons, 802.11 draadloze netwerken, Bluetooth, magnetrons
SHF – Super High Frequency
Frequentie range: 3 – 30 GHz
Golflengte range: 10 – 100 mm
ITU-band: 10
Toepassing: Mobiele telefoons (UMTS), 802.11 draadloze netwerken, radar
EHF – Extremely High Frequency
Frequentie range: 30 – 300 GHz
Golflengte range: 1 mm – 10 mm
ITU-band: 11
Toepassing: Radioastronomie Securityscan
De meest krachtige natuurlijke bron van ELF / VLF golven op aarde is bliksem. Golven geproduceerd door blikseminslag kunnen heen en weer tussen de aarde en de ionosfeer stuiteren, zodat ze kunnen reizen rond de wereld. Radiogolven worden ook geproduceerd door kunstmatige bronnen, met inbegrip van elektrische generatoren, elektrische leidingen, apparaten en radiozenders. ELF radio is nuttig vanwege de lange afstand, en haar vermogen om door water en steen te dringen voor de communicatie met onderzeeërs en in mijnen en grotten.
HF, VHF en UHF-banden zijn o.a. voor FM-radio, televisie-uitzendingen geluid, radio, mobiele telefoons en GPS. Deze banden gebruiken meestal frequentiemodulatie om een audio- of datasignaal op de draaggolf te imponeren.
Kortegolf radio maakt gebruik van frequenties in de HF-band. Binnen dat bereik, wordt het kortegolf spectrum verdeeld in verschillende segmenten, waarvan sommige zijn gewijd zijn aan reguliere zenders, zoals de Voice of America. Kortegolf stations kunnen worden gehoord voor duizenden kilometers omdat de signalen stuiteren binnen de ionosfeer.
Zoals je hierboven kunt zien is niet elke frequentie geschikt voor elke toepassing. Voor onze dagelijkse bezigheden gebruiken we meestal de LF, MF, HF, VHF, UHF en SHF banden. Dus variërend van 30 kHz tot 30 GHz. Deze frequenties dragen data, beeld en geluid.
De antenne
Ok, weer even resumé. Een verbinding wordt als volgt opgezet:
1. Data wordt omgezet naar een elektrisch signaal
2. De data wordt op de draaggolf gezet middels een modulatieschema
3. De antenne zorgt ervoor dat het gemoduleerde signaal opgezet wordt naar een elektromagnetisch signaal.
Visa versa werkt dat natuurlijk hetzelfde. De antenne ontvangt het signaal en zet deze weer om in een elektrisch signaal welke vervolgens gedemoduleerd en gelezen wordt.
De simpelste vorm antenne bestaat uit een enkele draad terwijl er ook antennes bestaan met meerdere of gedraaide draden. Antenne kunnen zowel zenden en ontvangen en het is aan het ontvangende apparaat om te kijken of het ontvangen signaal gedemoduleerd kan worden. Er zijn echter wel beperkingen. Niet iedere antenne is geschikt voor elke frequentie. Hoge frequenties vereisten een andere antenne dan lage frequenties. Ook de richtingskarakteristiek van de antenne is belangrijk. De richtingskarakteristiek wil zeggen de richting waarin de antenne signalen zend en/of ontvangst. Zo kan ervoor gekozen worden om slechts signalen te ontvangen vanuit 1 richting zodat signalen uit andere richtingen niet konden storen. Dit was o.a. het geval bij analoge televisiesignalen. Tegenwoordig zijn de meeste antennes zogenaamde “omni” antennes welke rondom even krachtig zenden en ontvangen.
Er zijn vele soorten antenne’s (tientallen). Er zijn magnetische antennes (ferrietstaafantennes) en “gewone” antennes die meestal bestaan uit draad, dipool (2 polig), reflectors en directors.
Meer termen
Er zijn nog een aantal termen die we regelmatig voorbij zien komen. Zoals:
Bemonsteren / Samplerate:
Het meten van de “grote” van een digitaal signaal noemen we bemonsteren. Het aantal keer per seconde dat dit gemeten wordt noemen we de bemonsterfrequentie ofwel de “samplerate”.
Latency:
De latency ofwel de “lag” is de tijdsspanne tussen punt A en punt B. Latency wordt aangegeven in milisecondes en is dus de relatieve snelheid die een signaal nodig heeft om van punt A naar punt B te reizen. Afhankelijk van diverse factoren kan hetzelfde signaal sneller van punt A naar B reizen middels een langzamere techniek omdat de snellere methode wellicht meer verkeersdrukte heeft. Latency is bij radio een minder belangrijke factor maar bij VOIP toepassingen is de latency een cruciale factor omdat men hier een lage latency moet hebben. Een hoge latency resulteert dan in een onverstaanbaar en waarig telefoongesprek.
Gain
De “gain” is meestal van toepassing op de antenne. Gain is hier de relatieve toename van straling op het hoogste punt. Hoe hoger de gain, hoe hoger dus de straling en hoe verder dus de ontvangst. Gain wordt uitgedrukt in dB (ofwel decibel).
Ten slotte
Ik hoop dat dit artikel wat meer duidelijkheid brengt bij iedereen die zich net gaat verdiepen in radioland. De “radio wereld” werkt zoals je in dit artikel kunt zien met heel veel termen welke soms lastig uit te leggen zijn. Radiogolven zijn een natuurlijk verschijnsel waar wij de mogelijkheid in hebben gevonden om deze te gebruiken om data van punt A naar punt B te transporteren. Deze verzending gaat draadloos met de snelheid van het licht. Lage frequenties zijn krachtiger dan hoge frequenties. Deze reizen verder omdat ze minder last hebben van obstakels. Het is daarom ook dat je 5GHz WiFi meer last heeft van muren en minder ver komt. Het voordeel is weer dat de frequentie rustiger is en je dus minder last hebt van storingen en dat je geen last hebt van de buren. Het Elektromagnetische spectrum bestaat uit verschillende frequentiegroepen (laag naar hoog) welke gereserveerd zijn voor bepaalde doeleinden. Omdat heel veel frequentiebanden al vol zijn kan de overheid frequenties op een nieuwe vrije band (voor een nieuwe techniek) voor veel geld verkopen. Neem als voorbeeld de UMTS band welke o.a. voor het mobiele dataverkeer gebruikt wordt. In 2004 werden vrije UMTS frequenties voor 6 miljard euro per frequentie verkocht.
Geïnteresseerd geraakt in radio? Leuk… want in de toekomst zullen we ook meer experimenten met radio gaat uitvoeren 🙂
