Opis technologii transmisji bezprzewodowej

Systemy radiowe na stałe zagościły w naszej rzeczywistości. Wystarczy rozejrzeć się dookoła: telefony komórkowe, bezprzewodowy Internet, czy też, coraz częściej, bezprzewodowe odczyty np. liczników wody w naszych mieszkaniach. Systemy takie są potrzebne wszędzie tam, gdzie zachodzi potrzeba transmisji sygnału bez użycia przewodów. Czasem z konieczności, a czasem też po prostu z wygody.


Za wynalazcę radia uważa się powszechnie Włocha Guglielmo Marconiego. W roku 1894 skonstruował on pierwsze urządzenie radiowe, a już rok później uzyskał łączność bezprzewodową na odległość 1km.

Fale elektromagnetyczne

Ale tak właściwie w jaki sposób sygnał (dźwięk, obraz, dane) od nadajnika, poprzez powietrze, dociera do odbiornika? Wszystko opiera się o prawa fizyki i o promieniowanie elektromagnetyczne . To właśnie te fale oraz ich odpowiednia modulacja (kształtowanie) są nośnikiem informacji. Sygnał radiowy jest przesyłany w oparciu o elektromagnetyczną fale nośną. Fala nośna ma kształt sinusoidy oraz określoną częstotliwość pracy i jest „wzorcem” do którego porównywana jest fala, która dociera do odbiornika. Fala ta jest zmodulowana (na różne sposoby) sygnałem, który został przesłany bezprzewodowo.

Rola anten w transmisji radiowej

Aby informacja mogła zostać przesłana drogą bezprzewodową, oprócz nadajnika oraz odbiornika, potrzebne są anteny. To właśnie one są niezbędne do zamiany fal elektromagnetycznych w sygnał elektryczny i odwrotnie.Widmo promieniowania elektromagnetycznego

Mikrofale

Systemy radiowe opierają się o mikrofale.  Mikrofale są to fale elektromagnetyczne o długości fali pomiędzy podczerwienią a falami ultrakrótkimi (rys. 1). Częstotliwości radiowe w zakresie mikrofal oscylują w granicach od 3kHz do 300GHz. Jednak nie wszystkie częstotliwości w tym zakresie mogą być używane do przesyłania informacji. Zasady wykorzystania częstotliwości radiowych, mających bezpośredni związek z działaniem systemów bezprzewodowych, są ściśle regulowane przez odpowiednie urzędy. W Polsce urzędem zajmującym się regulacją prawną wykorzystania częstotliwości radiowych zajmuje się  Urząd Komunikacji Elektronicznej (UKE). Natomiast publikacją rozporządzeń z tym związanych zajmuje się Ministerstwo Transportu. Na podstawie Rozporządzenia Ministra Transportu z dnia  3 lipca 2007 roku opracowano pasmo ISM. Pasmo ISM jest to pasmo nielicencjonowane, a więc takie, które nieodpłatnie, na określonych zasadach, może używać każdy, do przesyłania informacji drogą radiową.


W skład pasma ISM wchodzi wiele częstotliwości, przystosowanych do przesyłania różnych rodzajów informacji. Firma CAMSAT, jako producent zabezpieczeń CCTV, również korzysta z pasma ISM, a jej produkty spełniają wszystkie normy związane z technologią radiową. Dlatego użytkowanie produktów bezprzewodowych firmy CAMSAT na terenie Unii Europejskiej jest całkowicie dozwolone oraz legalne.


Częstotliwości na jakich działają produkty firmy CAMSAT, to:

  • 868,000 ÷ 869,000 MHz – systemy do przesyłu danych telemetrycznych, np. WCT-02, CD04,
  • 5,725 ÷ 5,875 GHz – systemy do przesyłu sygnałów wideo oraz audio, np. CAM5816h,
  • 5,150 ÷ 5,350 GHz – systemy do przesyłu sygnałów wideo oraz audio w postaci cyfrowej, np. CDS5021h,
  • 5.470 ÷ 5.725 – systemy do przesyłu sygnałów w technologii WiFi (dla kamer IP), np. CDS-5IPmini, CDS-5IPmini SMA, CDS-5IP,
  • 5.15 ÷ 5,35 | 5,5 ÷ 5,7 GHz – systemy dla telewizji, przeznaczone do transmisji dźwięku i obrazu Full HD, np. Black Link HD5, Black Link Drone.
Przykład modulacji fali nośnej - modulacja FM

 

Modulacja fal radiowych

Tak jak to było opisane wcześniej, przesył informacji drogą radiową jest realizowany poprzez modulacje fali nośnej. Jest kilka rodzajów modulacji, ale większość z nich opiera się o zmiany częstotliwości, bądź też amplitudy sygnału. Najbardziej znanym, i wykorzystywanym przez firmę CAMSAT, sposobem modulacji jest FM (ang. Frequency Modulation – modulacja częstotliwości). Jest to system transmisji sygnału analogowego, zakodowanego w fali nośnej przez zmiany jej chwilowej częstotliwości, w zależności od sygnału wejściowego.  Modulacja FM jest wykorzystywana w dwóch najpopularniejszych liniach produktów firmy CAMSAT: CAM5816 oraz TCO5807, służących do przesyłu analogowej sygnału wideo (PAL/NTSC) oraz sygnałów audio.  


Kolejnym sposobem umieszczania sygnału w fali elektromagnetycznej, jest modulacja OFDM. Polega ona jednoczesnej transmisji wielu sygnałów na ortogonalnej częstotliwościach nośnych. W skrócie polega to na efektywniejszym wykorzystaniu pasma radiowego oraz zwiększeniu przepływności transmisji danych. Zamiast jednej szybkiej transmisji, przesyła się wiele wolniejszych strumieni, na różnych falach tzw. podnośnych. Sposób ten wykorzystywany jest w cyfrowych systemach firmy CAMSAT, CDS5021 (dla kamer analogowych) oraz CDS-5IP (dla kamer IP). Systemy te, porównując z systemami analogowymi, charakteryzują się dużo większą odpornością na zakłócenia zewnętrzne oraz możliwością przesłania dużo większej liczby informacji w jednej chwili.


Ostatnim sposobem modulacji jest modulacja RC2FSK, wykorzystywana w urządzeniach CD04, służących do przesyłania danych telemetrycznych (sygnałów RS232, RS485 oraz TTL). Modulacja ta opiera się o zmianę częstotliwości dla sygnałów cyfrowych (stan wysoki oraz niski).

Zasięg transmisji radiowej

Ważnym aspektem w opisie systemów bezprzewodowych jest odległość, na jaką możemy przesłać dany sygnał, bez utraty jakości.  Odległość ta jest zależna między innymi od:

  • częstotliwości sygnału radiowego (im niższa częstotliwość tym większa przenikalność przez przeszkody (np. powietrze) i tym samym wyższy, możliwy do uzyskania zasięg,
  • mocy wypromieniowanej z nadajnika (maksymalna dopuszczalna moc jest ściśle określona przez Urząd Komunikacji Elektronicznej),
  • zysku anten odbiorczych (zastosowanie „większych” anten odbiorczych, o większym zysku – skutkuje zwiększeniem maksymalnego zasięgu pracy),
  • modulacji sygnału radiowego.

W przypadku systemów radiowych często podawany jest zasięg maksymalny LoS (line-of-sight), czyli zasięg przy pełnej widoczności optycznej, w pierwszej strefie Fresnela, pomiędzy antenami. Niestety każda przeszkoda na torze radiowym zmniejsza zasięg, bądź też w ogóle uniemożliwia przesył sygnałów.

Pierwsza strefa Fresnela

Podsumowanie

Jaka będzie przyszłość systemów bezprzewodowych? Na pewno jest ona nierozerwalnie związana ze zmianami w paśmie ISM. Już teraz można zauważyć, że niektóre  pasma są „przepełnione” (np. częstotliwość 2,4GHz) i w pewnym momencie może po prostu „zabraknąć miejsca” na nowe urządzenia radiowe. Przyszłość przyniesie również zmiany, zarówno w ilości, jak i szybkości przesyłanych informacji. Bardzo szybki Internet, dostępny z każdego miejsca na ziemi? Już teraz to powoli rzeczywistość.


Systemy bezprzewodowe powstały  z potrzeby pozbycia się niewygodnych przewodów i kabli, jednak do dzisiaj został rozwiązany jeden problem, a mianowicie – przewody zasilające. Możemy przesyłać bezprzewodowo nieskończone ilości informacji, jednak bezprzewodowe przesłanie energii elektrycznej jest nadal bardzo trudne w realizacji. Myślę, że przyszłość przyniesie zmiany również w tym zakresie.

 

Michał Życziński, CAMSAT