Grunder i Radiokommunikation

Trådlösa Wi-Fi nät fungerar med hjälp av radio. Alla saker som kan prata på Wi-Fi nät har en antenn som dom kan skicka och ta emot radiosignaler med.

Vi börjar med att ta upp radiovågor och hur dom fungerar på övergripande nivå

Om radiovågor

Radiosignalen skickas ut av en antenn med en viss styrka, eller effekt som det kallas. När radiosignalen sprids ut i luften så blir signalen svagare och svagare ju längre bort man kommer från sändaren. Till slut är signalen så svag att den inte går att tyda längre. På samma sätt som någon som pratar inte hörs oändligt långt bort, utan ju mer ljudet sprider ut sig och ju längre ljudet färdas desto svagare blir det.

En radiosignal kan försvagas av flera olika anledningar. Här är några exempel:

  • Utspridning, att signalen hade en effekt (styrka) från början men eftersom den sprider ut sig så måste effekten delas upp på större och större yta. Som att kasta en sten i en spegelblank damm och se vågorna bli mindre och mindre ju mer dom sprider ut sig.
  • Absorption, att signalen helt enkelt absorberas av luften själv, vattenånga, partiklar eller saker, så att energin (effekten) ur signalen sugs upp av andra saker och blir till värme eller liknande
  • Skingring eller Scattering på engelska, att en signal delas upp i mindre delar när den träffar på partiklar. Det mest väldkända exemplet är hur ljus bildar en regnbåge när det delas upp i sina beståndsdelar av vattendroppar i luften.

Precis som ljus så kan också radiosignaler reflekteras eller studsa mot saker. Det kan vara både bra och dåligt när det gäller radiokommunikation. I grunden gör det inte så mycket att radiovågor studsar och det kan till och med vara bra, men ibland ställer det till det.

En radiovåg är just en våg, lite som vågor på vattnet. Om två stycken vågor möts ute på havet och dom har sina toppar och dalar på samma ställen så förstärker dom varandra. Har man otur ute på sjön så kan man träffa på svallvågor från två olika större båtar som möts och därför blir väldigt stora, mycket större än vad vågorna från varje enskild båt är.

Men om två vågor möts så att den ena vågens toppar träffar på den andra vågens dalar, då tar vågorna ut varandra. Möts dom precis exakt rätt och om dom är lika stora då kan dom i princip ta ut varandra helt så att båda vågorna försvinner. Längden på en våg kallas för en våglängd.

Likadant fungerar radiovågor. Två radiovågor som möts kan förstärka eller försvaga varandra.

I bilden nedan har vi två radiovågor (streckade linjerna) som krockar med varandra, och när de slås ihop bildar de en ny sammanslagen radiovåg som ser helt annorlunda ut än de två originalvågorna.

Två radiovågor som krockar slås ihop till en ny våg med helt andra egenskaper

Om man har en enda sändare så kan radiovågorna från den sändaren bara krocka med varandra om radiovågorna studsar mot något. Så vad studsar radiovågor mot? Titta dig omkring i rummet du sitter i nu. Allt du ser kan radiovågor studsa mot. Väldigt generaliserande kan man säga att radiovågor har enklare att gå igenom mjukare material och lättare för att studsa mot hårdare material.

Tänk dig nu att du ställer en Wi-Fi router på valfri plats i rummet. När radiosignalen träffar väggar, möbler, tak och saker så kommer radiosignalen i många fall studsa. En viss del av signalen går genom väggen, en viss del absorberas av väggen, och en viss del reflekteras och studsar tillbaka in i rummet. Det sker runt om hela rummet, så rummet är fullt av studsande radiosignaler.

Dom studsande signalerna är ofta ganska mycket svagare vilket gör att dom inte påverkar så mycket. Men om du ställer routern precis bredvid en plåtvägg eller liknande så kan man få helt andra resultat. Då studsar signalen nästan direkt efter att den har lämnat routern, och den studsande signalen är då fortfarande så stark så att den definitivt kan förstärka eller ta ut signalerna som kommer ut ur antennen.

Den starkaste signalen får man också alltid där det är fri sikt till Wi-Fi routerns antenn. Alla hinder i vägen kommer alltid att påverka radiosignalen på något sätt. Därför är det alltid bäst att placera en Wi-Fi router på en öppen yta där det är fri sikt till så stort område som du vill täcka in med radiosignaler som möjligt.

Om du i stället placerar Wi-Fi routern i en skrubb, i en garderob, under ett skrivbord eller bakom en garderob i hallen då har du genast försämrat möjligheterna till att få en bra radiosignal avsevärt. Även om du fortfarande har ett fungerande Wi-Fi nät så kommer det vara märkbart sämre jämfört med om du flyttar Wi-Fi routern till en bättre plats.

Om antenner och strålmönster

En radioantenn kan se lite olika ut beroende på dess syfte. Antenner är också olika långa beroende på vilken våglängd som antennen är gjord för att skicka och ta emot radiovågor på.

När det gäller antenner så är dom också tillverkade för att skicka radiovågor i olika mönster. Man kan styra genom tillverkningsprocessen i vilka riktningar som en antenn ska fokusera sina radiovågor.

Det mest extrema exemplet är parabolantenner, där hela antennen är byggd för att skicka (eller ta emot) så mycket av sin effekt som möjligt i en enda fokuserad riktning. Men det finns många varianter på sådana riktantenner som det kallas, och som riktar radiovågorna mer eller mindre i en eller flera riktningar.

Den vanligaste antenntypen för Wi-Fi routrar och hemmautrustning är rundstrålande antenner. Målet med såna antenner är att dom ska stråla lika mycket i alla riktningar. I praktiken är det nästan omöjligt att uppnå, så antennen kommer ändå att skicka lite starkare radiovågor i några riktningar och svagare radiovågor i andra riktningar.

Tillverkaren av routern har förhoppningsvis tänkt på det när dom tillverkade din Wi-Fi router. Dom har valt ut en antenn som passar för routern och för hur dom har tänkt sig att routern ska placeras.

Vissa routrar är gjorda för att stå på ett visst sätt. Det kan då vara direkt negativt för signalstyrkan om du i stället skulle lägga routern på sidan eller lägga den upp och ned. Om routern har en inbyggd antenn som inte syns, då är det definitivt meningen att routern ska stå på det sätt som tillverkaren avser. Annars kommer routern inte att skicka radiovågorna på det sätt som det är tänkt.

Om routern har extern antenn som går att vinkla, då kan man ofta välja hur man vill placera routern och sen vinkla antennerna till rätt läge. Men för att få reda på vad tillverkaren tycker är “rätt läge” så bör du kontrollera manualen till din router. Vanligtvis rakt uppåt eller rakt nedåt.

Samma sak gäller faktiskt laptops, mobiltelefoner och andra saker i ditt hem som är trådlösa. Alla är dom avsedda för att användas i ett visst läge, och håller du enheten på ett annat sätt så kan du få sämre radiomottagning.

Radiokanaler, en introduktion

Om du någon gång har lyssnat på radio så vet du att det finns olika kanaler att lyssna på. P1, P2, P3, P4 och så massor av privata alternativ så som RixFM, Bandit och så vidare.

Då vet du säkert också att radiokanalerna har fått sina egna frekvenser som dom får sända på. Det är PTS, Post- och Telestyrelsen som bestämmer vem som får använda vilka frekvenser i Sverige. Om två kanaler skulle sända på samma frekvens så skulle dom störa varandra. Det måste också vara lite plats mellan kanalernas frekvenser så att dom inte ligger för nära varandra, för radiosignaler skickas inte bara på en exakt frekvens utan dom sprider ut sig lite på bredden över ett område av frekvenser.

FM radio frekvensband och kanaler

Frekvens är enkelt förklarat hur snabbt radiosignalens våglängd svänger upp och ner. Ju högre frekvens desto fler gånger per sekund svänger våglängden upp/ner, och desto kortare är därför också våglängden.

När man lyssnar på radio i bilen eller hemma i köket så lyssnar man ofta på det så kallade FM-bandet som har frekvenser mellan 87,5–108 MHz. En Hertz (Hz) betyder en svängning per sekund. MHz står för Mega Hertz, alltså miljoner svängningar per sekund.

Men säg att en radiokanal sänder i Stockholmsområdet på frekvensen 96,5MHz. Då kan ju så klart ingen annan sända på 96,5MHz där, för då stör radiosignalerna ut varandra. Men hur långt bort gäller det? Jo det beror på hur stark radiosändaren är. Det viktiga är att om två radiosändare använder samma frekvens så kommer deras radiovågor störa varandra om dom är inom räckhåll för varandra.

Om två sändare sänder på samma frekvens så stör deras signaler varandra om dom överlappar varandras täckningsområden.

 

2 stycken FM sändare på samma frekvens överlappar och stör varandras signaler

Så frekvensen 96,5MHz kan alltså användas på många ställen samtidigt i Sverige. Det viktiga är att sändarna som sänder på 96,5MHz inte är inom varandras räckvidd. Men som sagt, radiosignaler sprider alltid ut sig en aning. Hur mycket dom sprider ut sig beror på vilken teknik som radiosignalen skickas med. Men radiokanalen på 96,5MHz skickas inte bara på exakt 96,5MHz. En radiosignal på FM-bandet är ofta cirka 100kHz “bred”, till exempel från 96,45MHz till 96,55MHz. Eller från 105,4MHz till 105,5MHz. Så därför tillåts det inte att flera radiokanaler skickar singa program på frekvenser som ligger nära varandra, utan man sprider ut kanalerna ordentligt.

Men så länge som man bara har en sändare så har man inga problem. Problemet uppstår framför allt när man sen ska täcka in en större yta med flera sändare som ska sända samtidigt utan att frekvenserna ska krocka med varandra. Då kommer man fram till kanalpusslet.

Radiokanaler som ett pussel

Varje radiosändare på FM-bandet har en räckvidd på ungefär en hel stad, eller ibland en hel kommun eller stora delar av ett län.

Men förr eller senare blir ju signalen så svag att den inte längre går att lyssna på utan störningar. Då måste man alltså sätta upp en till sändare. Den nya sändaren måste vara tillräckligt nära så att radiosignalerna är bra nog att lyssna på innan signalerna från den första sändaren har blivit för svaga. Sändarna måste alltså överlappa varandra.

Pusslet ligger i att sändarna ska sända ut samma radioprogram, men dom måste använda två olika frekvenser så att inte frekvenserna krockar med varandra.

2 stycken FM sändare på olika frekvenser men med bristande överlapp så täckning är dålig mellan sändarna

Sändarna i bilden ovan är långt ifrån varandra på kartan. När man åker med bil från ena sändaren till området som nästa sändare täcker så kommer man förmodligen ha en sträcka i mitten där ingen av sändarna har tillräckligt bra signal för att man ska ha en bra signal att lyssna på. Vi måste därför flytta sändarna närmare varandra eller öka deras effekt så att radiovågorna når längre.

2 stycken FM radiosändare på lagom avstånd med lagom mycket överlapp

Nu är sändarna närmare varandra och då får man ett större område som båda sändarna täcker, och då är det lättare att garantera att man hela tiden har bra täckning till minst en av sändarna.

Pusslet uppstår när man ska täcka in en stor yta och dessutom har många radioprogram som ska skickas ut samtidigt. Säg att varje sändare har 10st radioprogram samtidigt. Då går det åt 10st frekvenser. Överallt måste sändarna överlappa varandra, och alla sändare som på något sätt överlappar varandra får absolut inte använda samma radiokanaler. Då blir det plötsligt ett mycket mer utmanande pussel att få ihop, och då förstår man att det behövs en beslutande myndighet som har helhetsansvaret för att dela ut dessa frekvenser eller kanaler till dom företag som vill sända radio.

Ritar man upp pusslet med färgkodade cirklar där varje färg motsvarar en frekvens så ser man hur avancerat det kan bli. Överallt måste minst en cirkel täcka markytan, men ingenstans får två cirklar som har samma färg överlappa varandra. När det gäller radio är det alltså ännu mer avancerat eftersom många radiokanaler ska sända samtidigt, så inom varje cirkel kanske det finns upp till flera 10-tals radiostationer och frekvenser som inte får krocka med någon granncirkels frekvenser.

Många FM sändare på olika frekvenser som överlappar varandra utan att frekvenserna krockar

Föregående avsnitt:
Hastighet och storlek - bits och Bytes