Langbiang: Wireless Network_6_Các đặc trưng của tần số vô tuyến

Bước sóng

Bước sóng là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng (điểm mà sóng đạt giá trị lớn nhất), hoặc tổng quát là giữa hai cấu trúc lặp lại của sóng, tại một thời điểm nhất định. Nó thường được viết tắt bằng chữ Hy Lạp lambda (λ). Đơn vị tính là mét (m). Ví dụ, hình bên dưới, bước sóng là khoảng cách giữa 2 điểm A và B.

Bước sóng quyết định đến việc xác định kích thước tối ưu của anten tiếp nhận sóng và xác định các tương tác của nó với môi trường. Ví dụ, nó sẽ phản ứng khác khi chạm vào các đối tượng có kích thước lớn hơn bước sóng và các đối tượng có kích thước nhỏ hơn bước sóng.

Bước sóng và tần số có quan hệ với nhau, bước sóng lớn thì tần số nhỏ và ngược lại bước sóng nhỏ thì tần số lớn. Trong một môi trường truyền nhất định, nếu biết được tần số sẽ tính được bước sóng và ngược lại biết được bước sóng sẽ tính được tần số. Tốc độ truyền của sóng điện từ trong chân không bằng với tốc độ truyền của ánh sáng (~300.000km/s).

Gọi bước sóng là λ, tần số là f.

Ta có:

λ = 300.000.000/f (đơn vị là mét)

và

f = 300.000.000/ λ (đơn vị là hertz)

Ví dụ, với tần số của mạng WLAN là 2.4 GHz, ta có thể tính được bước sóng (λ) của mạng :

λ = 300.000.000/2.450.000.000 = 0,123 (m) hay xấp xỉ 12,3 cm.

Tần số

Tần số của một sóng phát ra, là số chu kì sin (số dao động, hay số bước sóng) đi qua một điểm cho trước trong một giây, tỉ lệ với nghịch đảo của bước sóng. Như vậy, bước sóng càng dài ứng với tần số càng thấp, và bước sóng càng ngắn ứng với tần số càng cao. Tần số thường được biểu diễn bằng đơn vị hertz (Hz), hoặc chu kì/giây (cps).

Tần số lớn sẽ mang theo năng lượng lớn.

Tốc độ truyền sóng và bước sóng sẽ thay đổi khi môi trường truyền thay đổi, tuy nhiên, tần số không bị thay đổi.

Để hiểu hơn về sóng điện từ, có thể xem xét trên sóng âm (ví dụ, âm thanh phát ra từ đàn piano), mặc dù sóng điện từ và sóng âm là 2 hiện tượng khác nhau nhưng chúng có những tính chất về sóng giống nhau.

Tốc độ truyền của sóng âm nhỏ hơn rất nhiều so với sóng điện từ, chỉ khoảng 344 (m/s), vậy nếu bạn đứng cách xa cây đàn 30 mét, âm thanh phát ra từ cây đàn sẽ cần khoảng 1/10 giây để đến được tai của bạn.

(Các tần số của đàn piano)

Ví dụ, trong hình mô tả các tần số của đàn piano, nốt Đô (C) ở khoảng giữa có tần số 261Hz.

Ta có thể tính được bước sóng là : 344/261 = 1,32 (m)

Và có thể nói rằng có 261 “lượt sóng” đã được sinh ra trong một giây, và tốc độ truyền của một “lượt sóng” là 344 (m/s), tốc độ này cũng là tốc độ của các sóng có tần số thấp hơn, tuy nhiên, sóng có tần số thấp hơn sẽ có ít “lượt sóng” hơn được tạo ra trong thời gian một giây.

Khi chơi đàn sẽ có rất nhiều sóng âm được phát ra với các tần số khác nhau, tai người có khả năng cảm nhận (thu) được các sóng ở các tần số khác nhau.

Trong mạng WLAN tần số có vai trò rất quan trọng, bằng việc sử dụng các tần số khác nhau, cho phép thiết lập nhiều kết nối, nhiều đường truyền trong cùng một khu vực. Ví dụ, trong cùng một khu vực, mạng IEEE 802.11g phát ở kênh 1 có thể cùng tồn tại với mạng IEEE 802.11g phát trên kênh 11. Lí do là các kênh này đã sử dụng các tần số khác nhau, vì vậy không có hiện tượng nhiễu hoặc triệt tiêu nhau.

Hãy quan sát một buổi hòa nhạc, mặc dù có rất nhiều các loại nhạc cụ được chơi cùng lúc, nhưng do mỗi nhạc cụ phát ra ở một tần số sóng khác nhau, nên chúng tạo nên những giai điệu hài hòa, du dương. Ngược lại, khi bạn nhấn cả bàn tay của bạn lên sáu hoặc bảy phím của đàn piano cùng một lúc, bạn sẽ chỉ nghe được âm thanh là một tiếng ồn, nguyên nhân là do tần số của các phím quá gần bằng nhau. Tương tự như vậy, việc phát nhiều tần số vô tuyến có giá trị gần bằng nhau, thiết bị thu sẽ rất khó hoặc không thể phân biệt được các tần số đang phát. Tuy nhiên, hãy nghe âm thanh du dương của hợp âm đô trưởng (C) hoặc rê trưởng (D), vì các phím của hợp âm thường không liên tục nhau. Áp dụng vào mạng WLAN, các mạng IEEE 802.11g có thể hoạt động cạnh nhau nếu chúng được cấu hình sử dụng các kênh 1, 6, và 11.

Biên độ

Trong sóng âm, các sóng có tần số thấp hơn có thể nghe được ở khoảng cách xa hơn. Tuy nhiên yếu tố ảnh hưởng tới âm lượng (hay độ lớn của âm thanh) chính là biên độ sóng.

Ở khoảng cách lớn hơn, sóng có bước sóng ngắn hơn sẽ khó được phát hiện hơn.

Trong kĩ thuật sóng âm, tăng biên độ đồng nghĩa với tăng âm lượng. Như vậy, tần số sẽ ảnh hưởng đến khoảng cách một sóng âm có thể truyền đi được, trong khi biên độ ảnh hưởng đến khả năng phát hiện (nghe) sóng âm tại phía tiếp nhận. Các sóng tần số vô tuyến cũng tương tự như vậy.

Một sóng tần số vô tuyến có biên độ lớn hơn sẽ dễ dàng được phát hiện hơn bởi thiết bị thu, so với sóng có biên độ nhỏ hơn, giả sử tất cả các yếu tố còn lại là như nhau. Nói cách khác, trong môi trường chân không, một sóng tần số vô tuyến được coi là có chất lượng tốt hơn tại một khoảng cách nào đó, nếu nó có biên độ lớn hơn. Nhưng về mặt lý thuyết, các sóng tần số vô tuyến sẽ truyền tới vô tận. Trong trường hợp này, khả năng phát hiện sóng tại một khoảng cách cho trước sẽ tốt hơn nếu sóng có biên độ lớn hơn. Một sóng với biên độ nhỏ có thể không phát hiện được bởi nhiễu nền (noise floor).

Nhiễu nền là một đại lượng để đo mức độ nhiễu của môi trường xung quanh. Nghĩa là, tại một vị trí bất kì, mặc dù vẫn tồn tại sóng tần số vô tuyến nhưng không thể nhận ra được, do nhiễu điện từ của môi trường xung quanh.

Thực tế, ở một vị trí cụ thể, cả sóng có biên độ lớn và sóng có biên độ nhỏ đều tồn tại, tuy nhiên chỉ có sóng có biên độ lớn mới có thể được phát hiện bởi thiết bị thu. Có nghĩa là, cả hai sóng đều đi tới vị trí đó, nhưng chỉ có sóng có biên độ lớn là có ích. Vì lý do này, trong chuyên môn, người ta thường thực hiện tăng biên độ để mở rộng phạm vi phủ sóng có ích.

Các hình dưới đây minh họa về các biên độ sóng khác nhau.

Pha

Khác với bước sóng, tần số và biên độ; pha không phải là đặc trưng của một sóng tần số vô tuyến mà là một khái niệm chỉ ra mối quan hệ giữa hai sóng có cùng tần số.

Một bước sóng được chia thành 360 phần bằng nhau, gọi là 360 độ. Nếu xét tại một thời điểm t0 bất kì, là thời điểm bắt đầu phát sóng có tên s1, thì ta nói sóng s1 bắt đầu tại 0 độ, khi sóng s1 tới vị trí 180 độ thì sóng s2 bắt đầu phát, ta nói, sóng s1 và s2 lệch pha nhau 180 độ.

Nếu hai bản sao của cùng một sóng tần số vô tuyến đến một anten tại một thời điểm, độ lệch pha của hai sóng này sẽ ảnh hưởng đến sóng phức hợp (sự kết hợp của hai sóng).

Khi các sóng cùng pha, chúng sẽ mạnh lên (về biên độ), còn gọi là hiện tượng cộng hưởng. Khi các sóng lệnh pha (out of phase), tùy thuộc vào độ lệnh pha sẽ có hiện tượng cộng hưởng hoặc triệt tiêu nhau.

Hai sóng cùng pha nếu độ lệnh pha bằng 0 độ và ngược pha nếu độ lệch pha bằng 180 độ (hình minh họa bên dưới).

Pha được sử dụng nhiều trong các thuật toán điều chế tần số vô tuyến tại các modem hiện đại.