1. Trådlös kommunikationsteknik

Trådlös kommunikation refereras till vilken typ av datautbyte som helst mellan trådlösa kommunicerande parter. Denna definition är extremt bred och abstrakt eftersom den kan motsvara många typer av trådlös teknik, såsom:

  • Wi-Fi nätverkskommunikation (fokus i denna kurs, ett annat namn är WLAN)
  • Bluetooth kommunikation
  • Satellitkommunikation
  • Mobil kommunikation

För att förstå hur trådlös kommunikation fungerar ur ett tekniskt perspektiv behöver vi börja från en grundläggande fysik och matematik relaterad till elektromagnetisk strålning.

Atomens beståndsdelar

All materia är uppbyggd av molekyler som i sin tur består av atomer. Ordet atom kommer från grekiskans atomos, som betyder odelbar. Atomerna är nämligen så små att ingen någonsin har sett dem. Ändå kan man tack vare experiment och matematiska teorier räkna ut hur en atom ser ut och hur den är uppbyggd.

Bild 1: Atomens struktur

Atomkärnan består av protoner och neutroner. I ett “moln” runt atomens kärna kretsar elektroner. Protoner är positivt laddade (+) och elektronerna är negativt laddade (-). Neutroner har ingen elektrisk laddning och är därför neutrala. Atomen består av lika många protoner som elektroner. Därför är atomer elektriskt neutrala.

Ibland kan dock atomen av olika anledningar ha för få eller för många elektroner, dvs ha fler eller färre elektroner än protoner. Sådana atomer kallas joner. En jon är alltså en positivt eller negativt laddad atom.

Vad är strålning?

I grund och botten handlar strålning om överföring av energi utan fysisk kontakt eller via något medium. Strålning kan till exempel färdas genom luft, men behöver inte luften för att ta sig fram. Strålning färdas lika bra i tomma rymden.

Elektromagnetiska vågor består av ett elektriskt och ett magnetiskt fält som med ljusets hastighet rör sig bort från källorna. Det är just detta som definieras som “strålning”.

Bild 2: Strålning

Strålningen finns överallt runtomkring oss varje dag och den uppträder i många skepnader:

  • radiovågor
  • mikrovågor
  • infraröd strålning
  • röntgenstrålning
  • gammastrålning

Den elektromagnetisk strålning brukar delas in i olika frekvensområden:

Frekvensområde Frekvens Våglängd
 Radiovågor  30 KHz – 3 GHz  1 km – 10 cm
 Mikrovågor  600 MHz – 300 GHz  0,5 m – 1 mm
 Infrarött ljus  300 GHz – 430 THz  1 mm – 700 nm
 Synligt ljus  430 THz – 790 THz (terahertz)  700 nm – 380 nm
Ultraviolett ljus  790 TH< – 30 PHz (picohertz)  380 nm – 10 nm
 Röntgenstrålning  30 PHz – 30 EHz (exahertz)  10 nm – 0,01 nm
 Gammalstrålning  > 10 EHz  < 0,01 nm

Det finns flera olika sätt att gruppera många typer av strålning exempelvis:

  • partikelstrålning
  • elektromagnetisk strålning

eller

  • Joniserande strålning
  • Icke joniserande strålning

Joniserande strålning

Joniserande strålning är strålning med hög energi som har förmågan att slita loss elektroner från atomkärnor och därmed bilda joner. Det som händer är att strålningen träffar materia, i exempelvis levande vävnad, överfors en del av energin till materiens atomer och molekyler.

Bild 3: Joniserande strålning

Joniserande strålning kan delas in i elektromagnetisk strålning, en vågrörelse av elektriska och magnetiska fält (gammastrålning och röntgenstrålning) och partikelstrålning, en ström av partiklar från atomkärnor som kan tränga in i och påverka cellstrukturen i biologiskt material (alfa-, beta- och neutronstrålning).

Gammastrålning och röntgenstrålning är samma typ av strålning, men med olika ursprung. Röntgenstrålning skapas på konstgjord väg med hjälp av röntgenrör, gammastrålning kommer från atomkärnorna i radioaktiva ämnen.

Icke-joniserande strålning

Denna strålning är elektromagnetisk strålning som inte orkar slå sönder atomer eller molekyler. Då bildas inte heller joner men det hindrar inte att den ändå kan orsaka andra förändringar och skador hos det som bestrålas.

Icke-joniserande strålning delas in i optisk strålning och radiofrekvent strålning.

Optisk strålning delas i sin tur upp i synligt ljus, ultraviolett strålning och infraröd strålning.

  • UV-strålning – Denna kommer till största delen från solen men den kan också skapas på konstgjord väg (i solarier och elsvetsar till exempel).
  • Infraröd strålning – Infraröd strålning sänds ut från alla varma föremål som till exempel glödlampor och spisplattor.

Ultraljud – räknas också till icke-joniserande strålning och skapas på konstgjord väg.

Radiofrekvent strålning – delas i mikrovågor, radiovågor och lågfrekventa elektromagnetiska fält. De är till större delen skapad på konstgjord väg.

Elektromagnetiskt spektrum

Det elektromagnetiska (EM) spektrumet är intervallet för all möjlig elektromagnetisk strålning. Den är den skala som forskare använder för att mäta våglängden på olika typer av strålningar så att strålningen kan delas upp i olika användningsområden.

Bild 4: Elektromagnetiskt spektrum

Bilden ovan illustrerar olika våglängder: lågfrekventa vågor i gul bakgrund har längre våglängder än högfrekventa vågor i röd bakgrund. Radiovågor och mikrovågor är intressant för trådlös kommunikation.

  • Radiovågor placeras som lågfrekventa elektromagnetiska vågor (gul bakgrund i bild 1), men med längre våglängd än mikrovågor. Här nedan anges några våglängder på olika användningsområden:
    • våglängd 2,5 m, FM radio
    • våglängd 50 m, TV
    • våglängd 500 m, AM radio
  • Mikrovågor placeras inom de högfrekventa elektromagnetiska vågor. Mikrovågor kallas ofta korta radiovågor därför att dessa elektromagnetiska vågor placeras nära radiovågor. Korta radiovågor (mikrovågor) har mindre än 30 cm våglängd.

Nedan en video som inleder oss till det elektromagnetiska spektrum. Videon hämtades från organisationen NASA