Fale elektromagnetyczne w telekomunikacji, wysyłanie i odbiór fal elektromagnetycznych, co to jest radiofonia, telegrafia, telefonia, telewizja i radar

„Promieniowanie elektromagnetyczne (fala elektromagnetyczna) rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego, zaburzenie to ma charakter fali poprzecznej w której składowa elektryczna i magnetyczna prostopadłe do siebie i kierunku ruchu, nawzajem się przekształcają. Zmieniające się pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne, a zmieniające się pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne.” – taką definicję fal elektromagnetycznych możemy przeczytać w Wikipedii. Brzmi całkiem mądrze i sensownie. Odkrycie to zapoczątkowane przez Jemes’a Clerk’a Maxwell’a i Heinrich’a Hertz’a okazało się niezwykle korzystne i przydatne dla potomnych. Właśnie temu zdarzeniu zawdzięczamy wiele późniejszych wynalazków, opierających swoje działanie na właściwościach fal elektromagnetycznych. Od połowy XIX wieku odkryto szereg różnego typu promieni. Poczynając od promieniowania gamma, przez ultrafiolet, a kończąc na falach radiowych. Zakres promieniowania, w jakim obecnie go wykorzystujemy jest całkiem spory. Bo czy jakikolwiek lekarz jest sobie w stanie wyobrazić medycynę konwencjonalną bez promieniowania rentgena? W jaki sposób odbieralibyśmy sygnał telewizyjny gdyby nie fale długie? Owszem, można kablem, lecz czy wszędzie możemy korzystać z ‘kablówki’ – Nie. Ale i na to technika znalazła odpowiedź; skoro nie można ziemią można powietrzem. Przecież każdy mieszkaniec naszego globu jest w zasięgu telewizji dostępnej za pomocą satelity. Ten fakt pozwala także na używanie telefonów satelitarnych, gdziekolwiek byśmy się znajdowali. Czego chcieć więcej? Sytuacja w której leżymy sobie wygodnie na kanapie oglądając bezpośrednią transmisję z obrad sejmowych, i równocześnie rozmawiamy ze znajomą na środku Sahary jest możliwa do spełnienia. W jaki sposób, i czy w ogóle można by spełnić taki warunek bez korzystania z dobrodziejstw fali elektromagnetycznych? Jak na chwilę obecną wydaje się to być niezbyt realne, a już na pewno bardziej skomplikowane… W tym miejscu należałoby rozpocząć ogólny przegląd dostępnych technologii, tych najbardziej rozpowszechnionych, jak i tych już nieco zamierzchłych, wychodzących z użycia.

Upłynęło wiele lat od wielkiego odkrycia Heinrich’a Hertz’a. Jednak czas ten był momentem dość intensywnego wykorzystania zjawiska głównie rozchodzenia się fal elektromagnetycznych. W przeciągu tych kilkudziesięciu lat powstał ogrom wynalazków i udoskonaleń, służących nam do dzisiaj. Pierwszym, który okazał się niezwykle przydatnym i używanym obecnie było wykorzystanie sztucznie wytworzonych fal radiowych do przesyłu danych. Radio według projektu Marconi’ego składało się z nadajnika, odbiornika oraz drukarki Morse’a, na której widać było komunikaty telegrafistów operujących kluczem. Pierwszą łączność bezprzewodową udało się uzyskać w roku 1895 na odległości 1 kilometra, a już sześć lat później przesłano sygnał poprzez Atlantyk. Przez okres ponad wieku sposób przesyłania danych drogą radiową nie uległ zbyt diametralnym zmianom. Od dawien dawna W skład odbiornika radiofonicznego wchodzą zawsze następujące elementy: antena odbiorcza, obwody wejściowe, detektor (demodulator) oraz przetwornik elektroakustyczny. Od połowy lat 60’ coraz częstsze stały się radioodbiorniki tranzystorowe, które w dość krótkim czasie wyparły starsze oparte na lampach elektronowych. Mniejsze rozmiary, pozwoliły zwiększyć dostępność i wygodę użytkowania radia. Z niegdysiejszego ‘mebla’ w drewnianej obudowie zostało już tylko niewielkie urządzenie rozmiarów odtwarzacza MP3, często nawet w niego wbudowane.

Fale radiowe nie znalazły zastosowania jedynie do przysyłania fal dźwiękowych. Ponieważ żyjemy w XXI wieku nie sposób byłoby nie wspomnieć o dzisiejszych standardach przesyłania informacji na odległość. Jako pierwszy postanowiłem opisać doskonale wszystkim znany GSM (Global System for Mobile Communications). Jest to obecnie najpopularniejszy na świecie system telefonii komórkowej. Składa się z układu nadajników naziemnych pracujących w różnych pasmach radiowych od GSM 400 do GSM 1900. Standardy te są wykorzystywane zależnie od zagęszczenia i rozmieszczenia abonentów na określonej przestrzeni. Transmisja wykorzystywana przez telefon może być podzielona na transmisję mowy, danych oraz messaging. W przypadku tej pierwszej przesyłany jest dźwięk, którego jakość zależy od aktualnie przydzielonej ‘szczeliny’ czasowej gwarantującej szybsze i bardziej pojemne pasmo. Transmisja danych według pierwszych specyfikacji GSM opierały się na protokole CSD (Circuit Switched Data), który w pierwotnej wersji osiągał przepustowość rzędu 9,6 kb/s, którą później zwiększono do 14,4 kb/s w jednej szczelinie czasowej. Było to rozwiązanie niekorzystne zarówno dla operatora, jak i abonenta toteż opracowano kolejną technologię przesyłu danych. GPRS (General Packet Radio Sernice), bo o tym mowa, pozwolił wreszcie na transmisję pakietową, a nie jak w poprzednim przypadku kanałową. Standard ten szybko został zintegrowany z istniejącymi sieciami GSM, zyskując grono wiernych użytkowników zarówno ze względu na ekonomiczny sposób zarządzania przesyłaniem informacji, jak i dzięki wysokiej przepływowości rzędu 30 – 80 kb/s. GPRS był i nadal jest wykorzystywany do korzystania z sieci, lecz operatorzy by móc sprostać rosnącym wymaganiom klientów wprowadzili rozszerzenie technologiczne nazwane EDGE, nie ma to jednak żadnego związku z ‘krawędzią’ wynikającą z nazwy. Enhanced Data rates for GSM Evolution – to rozwinięcie skrótu, wyjaśniające znaczenie nowej technologii przyśpieszającej dość wiekowy już GPRS. Konkurencję stanowi natomiast standard telefonii 3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Pomimo dotąd nieosiągalnych prędkości od 144kbps do 2Mbps, nie jest on wprowadzany do powszechnego użytku zbyt entuzjastycznie. Jednym z poważnych problemów jest konieczność przebudowy obecnie istniejącej infrastruktury GSM, która wymagałaby ogromnych nakładów finansowych, a korzyści mogłyby być widoczne dopiero za kilka lat, gdy wideo-konferencje czy video on demand stałyby się popularniejsze i częściej wykorzystywane przez abonentów. Na chwilę obecną możemy bez najmniejszych problemów korzystać z GPRS’u, który pokrywa zasięgiem tereny całej Polski, a co do EDGE, jego zasięg jest ograniczony do większych miast i skupisk ludzkich.

Kolejnym przykładem wykorzystania fal radiowych jest budowa sieci bezprzewodowych opartych na standardzie Institute of Electrical and Electronics Engineers 802.11. Powszechnie nazywane WiFi (Wireless Fidelity), najczęściej używane jako LAN bez kabli. Mają wiele wspólnego z wyżej wymienionym standardem UMTS, będąc w dużej części jego pierwowzorem. Po raz pierwszy 802.11. opublikowano w roku 1997, natomiast pierwsze rozwinięcie ujrzało światło dzienne dwa lata później. Wykorzystywane obecnie najczęściej specyfikacje WiFi czyli 802.11.b/g pracują na paśmie 2,4 GHz. Niestety jest ono także wytwarzane przez ogrom innych urządzeń, co jest przyczyną częstego zagłuszania sygnału. Z pasma o tej częstotliwości korzystają sieci PAN oparte na Bluetooth’ie czy nawet tak prozaiczne sprzęty AGD jak mikrofalówka. Wykorzystywanie WiFi rośnie z każdym dniem. Większość obecnie montowanych sieci oparta jest na bezprzewodowej komunikacji radiowej. Na jej korzyść przemawiają zarówno wygoda instalacji jak i prostota konfiguracji. Niski transfer będący niegdyś bolączką odszedł w niepamięć wraz z niewielkim zasięgiem takich sieci. W tym momencie watro przypomnieć, iż polski rekord zasięgu WiFi wynosi 110km na otwartej przestrzeni przy stałym sygnale i przepustowości rzędu 40KB/s. Był to wynik osiągnięty przez amatorów, entuzjastów, którzy chcieli osiągnąć znaczący wynik, więc możemy sobie wyobrazić jak daleko można przesłać dane, używając do tego odpowiedniego sprzętu. Pomysł wykorzystywania sieci dla klientów indywidualnych króluje na rynku od paru lat. Od tego czasu panuje także tendencja do budowania darmowych hotspot’ów w dużych miastach, restauracjach czy miejscach użytku publicznego. By móc darmowo korzystać z sieci wystarczy notebook z adapterem PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association). Choć polska nie jest potentatem w dziedzinie wprowadzania innowacyjnych pomysłów, zwłaszcza tych mających działać na korzyść rodaków, to wkradł się do nas pewien ewenement. Mianowicie jednym z kilku miast europy całkowicie pokrytym siecią bezprzewodową jest Rzeszów. Każdy jego mieszkaniec ma zagwarantowany darmowy dostęp do protokołu WWW, 24 godziny na dobę bez żadnych opłat. Obecny trend na rozwiązania typu WiFi z pewnością nie zmaleje, a śmiem przewidywać, iż będzie on ciągle wzrastał, a to ze względy na implementację nowego standardu 802.11.n zwiększającego przepustowość z dotychczasowych 54 Mb/s do 250 Mb/s. Blisko pięciokrotnie większa prędkość wraz z równie dalekim zasięgiem bez problemu zdominują rynek.

Jeśli już jesteśmy przy aspekcie zasięgu koniecznie należy wspomnieć o sieciach WiMax (World Interoperability for Microwave Access) skonstruowanych by przesyłać sygnał na wielkich połaciach terenu. Jest to standard powstały niedawno, lecz zdążył już zjednać sobie sporo zwolenników. Obszary jakie można pokryć WiMax’em znacząco różnią się od WiFi na korzyść tego pierwszego oczywiście. Nadawanie i odbieranie danych w promieniu 50 km od anteny nie stanowi problemu przy utrzymaniu prędkości około 75 MB/s. Jest to kolosalna różnica na polu zasięgu. Stosowanie anten dostarczonych wraz z Access Point’em w przypadku WiFi zapewnia zaledwie 100 metrowe pokrycie siecią terenu niezabudowanego. WiMax wyklucza jakiekolwiek problemy z tłumieniem sygnału przez przeszkody sztuczne bądź naturalne. Jedyne wady mogą dotyczyć jedynie wysokich kosztów sprzętu do transmisji danych, co utrudnia upowszechnianie się standardu.

Omawiając sieci dalekiego zasięgu nie sposób byłoby nie szepnąć nieco o rozwiązaniach na co dzień wykorzystywanych na niewielkich obszarach. Mam tu na myśli Personal Area Networks jak standard 802.15.1. czyli poczciwy Bluetooth. Sprecyzowany już w 1999 roku, dziś działający w wersji 2.1. Podczas opracowywania projektu ‘sinego zęba’ miano głównie na celu osiągnięcie wysokich transferów na niewielkim obszarze, co jak widać udało się. Bluetooth pracuje najczęściej w promieniu 10 metrów od nadajnika, natomiast kres zasięgu wynosi około 100 metrów w terenie otwartym. Przepływowość sięga zwykle 3 Mb/s. Początkowo standard ten uważano za konkurencyjny do WiFi, lecz z czasem technologie podzieliły się i tak obecnie Bluetooth używamy do komunikacji pomiędzy urządzeniami mobilnymi jak PDA czy aparaty cyfrowe oraz do przesyłania sygnału pomiędzy sprzętami użytku codziennego jak klawiatury czy słuchawki.

Fale radiowe znalazły szerokie zastosowanie nie tylko przy przesyłaniu dźwięku. Po I wojnie światowej uruchomiono pierwsze stacje telewizyjne. Zastosowane wtedy systemy mechaniczne nie zapewniały odpowiedniej jakości obrazu i dźwięku. Niska rozdzielczość, niewielka ilość klatek na sekundę spowodowały, iż niewiele państw zdecydowało się na ich wdrożenie. W latach 30’ powstały nowocześniejsze systemy elektroniczne. Uzyskane wtedy powyżej 400 linii wideo przy zachowaniu 60 półobrazów na sekundę pozwoliło na swobodne oglądanie telewizji u klientów indywidualnych. Wszystkie systemy telewizji analogowej zostały stworzone pierwotnie na potrzeby obrazu monochromatycznego. Przez kolejne lata sposób transmitowania sygnału audio i wideo ulegał ewolucji, która spowodowała podział na trzy obecne dziś standardy. Mam na myśli: PAL, NTSC i SECAM. Sposób w jaki nadawane są fale zależy od państwa, ustalającego ogólny system odbiorników. Różnice pomiędzy wyżej wymienionymi standardami transmisji koloru nie są wielkie. Sprowadzają się co najwyżej do zmian w rozdzielczości obrazu, tu odczuwalna jat niższość NTSC, w którym jest zaledwie 525 linii. U konkurencji możemy oglądać o 100 linii więcej. Obecnie używane analogowe systemy telewizji mają pasmo wizji między 4,2 MHz, a 6 MHz.

Dni telewizji analogowej są już jednak dawno policzone. Od kilkudziesięciu lat możemy cieszyć się telewizją cyfrową, dostarczaną poprzez sygnał z satelity. Nadajniki znajdujące się na orbicie tzw. transpondery, wysyłają za pomocą mikrofal dane odbierane na ziemi dzięki antenom z konwerterami. Liczba konwerterów zależy od ilości satelitów obsługiwanych przez dany odbiornik. Mnogość funkcji pełnionych przez sztucznych satelitów stale rośnie. Niegdyś korzystano z nich głównie do celów naukowych bądź wywiadowczych, obecnie główną pozycję zajmuje transmisja danych na potrzeby indywidualnych odbiorców. Zaczynając od najpopularniejszej usługi jak właśnie telewizja, przez GPS, kończąc na telefonii stacjonarnej. Dzisiejsze systemy kompresji obrazu cyfrowego to MPEG 2 oraz MPEG 4, zarówno w standardzie DVB-S jak i w przypadku DVB-T. Szybkość transmisji jednego transmitera wynosi obecnie ponad 300Mb/s podczas nadawania sygnału. Taka prędkość wystarcza do bezproblemowego odbioru telewizji HD nawet w standardzie 1080p. Rola sztucznych satelitów ciągle rośnie. Bo czy jest urządzenie mogące je w całości zastąpić?

Do ostatnich istotniejszych urządzeń wykorzystujących do działania fale radiowe jest radar. Jego nazwa powstała od pierwszych liter skrótu Radio Detection And Ranking. Po raz pierwszy opracowano go jako urządzenie mogące wykryć obecność metalowych obiektów w swoim pobliżu. Dopiero podczas II wojny światowej dopracowano jego skuteczność oraz ergonomię co zaowocowało skonstruowaniem niezwykle przydatnego wykrywacza obcych ciał. Właśnie dzięki radarom możliwa stała się ochrona i system ostrzegania przed nalotami, bądź bombardowaniem. Działanie polega na dość prostym zjawisku mianowicie odbicia i rozproszenia się fal radiowych od danej powierzchni. Bardziej skomplikowane systemy pozwoliły z czasem ocenić odległość od obiektu – radar impulsowy czy jego prędkość – radar dopplerowski. Urządzenia radarowe mają obecnie wiele zastosowań, za przykład można podać chociażby meteorologię do wykrywania chmur burzowych czy kontrolę ruchu lotniczego i morskiego. Jest to urządzenie przydatne, działające w większości przypadków skutecznie i zgodnie z celem.

Człowiek już od ponad wieku na do czynienia ze sztucznie wytworzonymi falami radiowymi. Pomagają one w komunikacji, wysyłaniu i odbieraniu danych, nadawaniu sygnału radiowego i telewizyjnego, określaniu pozycji, wykrywaniu obcych obiektów. Czy poradzilibyśmy sobie bez korzystania z dobrodziejstw fal radiowych? Z pewnością byłoby trudno, a obawiam się, iż skutkiem mógłby się okazać powrót do epoki kamienia łupanego, gdzie triumfy biłyby nowoczesne sposoby komunikacji jak znaki dymne czy błyski świetlne…